Поведение волн гетерогенной детонации на угловых конфигурациях Текст научной статьи по специальности «Физика»

894

Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 894-896

УДК 523.529+541.126

ПОВЕДЕНИЕ ВОЛН ГЕТЕРОГЕННОЙ ДЕТОНАЦИИ НА УГЛОВЫХ КОНФИГУРАЦИЯХ

© 2011 г. Ю.В. Кратова

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск

yulia@itam.nsc.ru

Поступила в редакцию 16.06.2011

Представлены результаты численного исследования двумерных детонационных течений в областях комбинированной геометрии, заполненных газовзвесью реагирующих частиц алюминия и кислорода. Основное внимание уделяется вопросам дифракции детонационных волн на угловых конфигурациях и распространения в каналах с разрывом сечения. Цели исследования заключаются в установлении общих и специфических свойств данных процессов относительно детонации в газовых смесях, а также определении закономерностей, связывающих геометрические и физические параметры задач при критических условиях распространения и срыва детонации.

Ключевые слова: гетерогенная детонация, дифракция, газовзвеси, численное моделирование.

Введение

Волновые процессы в смесях газа и реакционно-способных частиц органического происхождения или частиц металлов характеризуются возможностью развития взрывных и детонационных процессов. Специфические свойства детонационных течений в газовзвесях твердых частиц обусловлены, наряду с другими факторами, наличием процессов межфазного взаимодействия. Детонационные характеристики зависят от массовой загрузки, фракционного состава, концентрации компонентов, распределения частиц по размерам и т.д. При распространении детонации в комбинированных объемах основную роль играют поперечные эффекты: ослабление волн на углах расширения и, напротив, усиление при отражении от стенок. Эти процессы достаточно широко изучены для газовых смесей. Аналогичных работ по гетерогенной детонации газовзвесей очень мало [1, 2]. Отметим, что детонационные процессы в газовзвесях существенно отличаются от процессов в газах. В зонах скоростной и тепловой релаксации происходит перераспределение внутренней энергии фаз, что обусловливает воспламенение частиц и определяет условия реинициирования. Роль этих процессов в расширяющейся детонации, дифракции на угловых геометрических конфигурациях, а также распространении детонации в присутствии поперечных волн не изучена. В литературе практически не представлены исследования тонкой структуры детонационных волн за уступами или в каналах изменяющейся формы.

Исследуются процессы дифракции волн развитой ячеистой детонации в газовзвеси частиц алюминия в кислороде. Рассмотрены простейшие и типичные конфигурации: плоский канал, прямоугольный уступ, канал с разрывом сечения. Цели исследования заключаются в установлении общих и специфических свойств относительно газовой детонации и определении критических условий распространения и срыва детонации. Исследование проводится в рамках физико-математической модели детонации монодисперсных газовзвесей мелких частиц алюминия и кислорода, развитой в [3]. Для решения начально-краевой задачи использовался численный метод расчета, основанный на применении схемы ТУБ для газа и Джентри — Мартина —Дэйли для частиц. Рассматривается плоский канал, состоящий из узкой и широкой частей, заполненный монодисперсной газовзвесью частиц алюминия в кислороде. Начально-краевая задача соответствует тому, что по узкой части канала слева направо в газовзвеси распространяется комплекс из развитой ячеистой детонации, кото -рой изначально присущи поперечные волны. Расчеты проводились для частиц 1.5—3.5 мкм с варьированием ширины канала от 0.5 до 4 детонационных ячеек. Исследуется процесс перехода этой волны через разрыв сечения и дальнейшее ее распространение в широкой части канала.

Численные результаты

Получены различные режимы распространения детонации в зависимости от параметров газо-

взвеси и ширины канала. Можно выделить режим с частичным срывом и дальнейшим восстановлением детонационного процесса (критический) и режим, при котором происходит полный срыв детонации.

При реализации режимов с сохранением детонации происходит временное разделение лидирующей ударной волны (УВ) и фронта горения вблизи стенки обратного уступа, где, аналогично газам, имеет место реинициирование в поперечной волне. После отражения поперечной волны от стенки детонация восстанавливается полностью. Расширение фронта характеризуется неравномерностью и нерегулярностью ячеистой структуры. На участке, примыкающем к плоскости симметрии, зарождаются новые поперечные волны, как это происходит при дифракции плоской детонационной волны и при дифракции в газовых смесях. Варьирование поперечного размера канала в пределах 1.5-4 ячейки на полуширину в рассмотренных (критических) режимах не влияет на процесс распространения детонации.

В целом процесс, протекающий в газовзве-сях твердых частиц, подобен дифракции волн газовой детонации, где также реинициирование обусловлено столкновениями тройных точек [4]. Различия касаются участка срыва и реинициирования в газах, где ввиду аррениусовской зависимости зоны индукции от температуры отставание фронта горения проявляется более резко, особенно при высоких значениях энергии активации. В газовзвеси условия воспламенения частиц определяются температурой частиц и обусловлены про-

цессами скоростной и тепловой релаксации фаз. В силу этого, отставание фронта горения здесь не столь выражено, что делает условия реинициирования более мягкими. Минимальное число ячеек, обеспечивающее незатухающее распространение детонации, для газов составляет 10—13 в трубах и 3 — в прямоугольных каналах (щелях) [4]. В гетерогенной детонации (для газовзвесей частиц алюминия) расчетное критическое число ячеек оказалось значительно меньше, успешное реинициирование реализуется при 2 и даже 1 ячейке на ширину канала.

На рис. 1 показан предельный режим распространения при 1 ячейке в канале (численные шли-рен-фотографии), й = 3.5 мкм, Их = 0.033 м, At = = 0.15 мс.

Срыв детонации при дифракции ячеистой детонации получен в расчетах лишь при одной поперечной волне в канале (1/2 ячейки), численные шлирен-фотографии для й = 3.5 мкм, И1 = 0.0165 м, At = 0.05 мс представлены на рис. 2.

Распространение ячеистой детонации без срыва происходит при одной ячейке в канале, что в три раза меньше, чем в газовых смесях. Причина этого, на наш взгляд, заключается в принципиальных различиях в условиях и механизмах воспламенения частиц и газовых смесей в детонационных волнах.

Построена карта режимов дифракции плоской и ячеистой детонации в плоскости параметров диаметр частиц — ширина выходного канала; переход от одного режима к другому определяется также размером частиц.

Рис. 1

Рис. 2

896

Ю.В. Кратова

В задачах распространения ячеистой детонации в каналах с разрывом сечения перестройка ячеистой структуры в критических и закри-тических режимах происходит аналогично газовой детонации. В режимах с малым числом ячеек в канале исходные поперечные волны не участвуют в формировании ячеистой детонации за разрывом. Критическое отношение поперечных размеров канала по порядку величины согласуется с данными для газовой детонации. Однако в гетерогенной детонации это отношение не может быть универсальным критическим параметром ввиду дополнительных масштабов, связанных с процессами межфаз-ного взаимодействия.

Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей шко-

лы Министерства образования и науки» на 2011 год, проект 2.1.1/11316.

Список литературы

1. Кутушев А. Г., Шорохова Л .В. Численное исследование процессов горения и детонации аэровзвесей унитарного топлива в резкорасширяющихся трубах // Химическая физика. 2003. Т 22, №8. С. 94—99.

2. Кратова Ю.В., Федоров А.В., Хмель Т.А. Дифракция плоской детонационной волны на обратном уступе в газовзвеси // ФГВ. 2009. №5. С. 95—107.

3. Fedorov A.V., Fomin VM., Khmel' T.A. Non-equilibrium model of steady detonations in aluminium particle — oxygen suspensions // Shock waves. 1999. V. 9, No 5. P. 313—318.

4. Pintgen F., Shepherd J.E. Detonation diffraction in gases // Combustion and Flame. 2009. V. 156. P. 665—677.

5. Васильев А.А., Митрофанов В.В., Топчиян М.Е. Детонационные волны в газах // ФГВ. 1987. Т. 23, №5. С. 109—131.

HETEROGENEOUS DETONATION BEHAVIOR NEAR THE ANGULAR CONFIGURATIONS

Yu. V. Kratova

2D denotation flows in the channels filled by reacting particles and oxygen mixture was numerically modeled. The attention was focused on detonation diffraction processes on angular configurations and propagation in channels with a cross-sectional breakdown. We pursue a goal to determine common and specific flow characteristics referring to gaseous detonations as well as influence of channel geometry and mixture properties on critical propagation regimes and detonation failure.

Keywords: heterogeneous detonations, diffraction, gas suspensions, numerical modeling.