Переход горения в детонацию в движущейся водородо-воздушной смеси (стр. 3 из 4)
Как оказалось, даже при довольно большом объеме буферной емкости расход газа не является постоянным. При этом наблюдается нестационарный режим истечения – 40 мс и выше, и квазистационарный – 0-40 мс. Это может быть объяснено либо адиабатическим понижением температуры в буферных емкостях из-за понижения давления вследствие истечения газа, либо образованием нестационарных процессов вблизи инжекторного блока, и возможно, наличием газовой пробки. На основе тарировочных данных была получена зависимость давления P детонационной смеси в ДКС от времени инжекции и давления в буферных емкостях P0 (рис.10.).
Рис.10. Зависимость давления в камере P от времени инжекции t.
P0 – давление в водородной буферной емкости.
А ниже приведен мгновенный расход реагентов, выраженный в литрах, инжектируемых в ДКС за одну миллисекунду (рис.11.):
Рис.11. Мгновенный расход компонентов
5. Глава I Переход горения в детонацию в движущейся водородо-воздушной смеси без диафрагмы.
Работы по исследованию перехода дефлаграции в детонацию и параметров детонации проводились на водородо-воздушной смеси в соотношении реагентов: 29,6%H2+70,4%воздух. Рассмотрим механизм возникновения детонации. При поджигании горючей смеси возникает фронт нормального горения. Расширяющиеся (ускоряющиеся) продукты горения порождают волны сжатия и вызывают движение в газе перед фронтом пламени. Волны сжатия догоняют друг друга, образуя ударные волны. Перед фронтом пламени повышаются температура, давление, скорость газа, возникает турбулентность, происходит искривление фронта горения и увеличение площади его поверхности, приводящее к возрастанию скорости нормального горения. Сложное взаимодействие многочисленных волн в образовавшемся турбулентном потоке приводит в некоторый момент времени к возникновению детонации. Детонация почти всегда возникает непосредственно перед фронтом ускоряющегося пламени. Одновременно от точки, где произошел переход в детонацию, в обратном направлении начинает распространяться волна, называемая ретонационной волной(рис.12.).
Рис.12. Диаграмма перехода из дефлаграции в детонацию.
При этом скорость сформировавшейся детонационной волны ДВ резко возрастет, после чего начнет постепенно принимать стационарное значение (рис.13).
Рис.13. Эволюция скоростей ударной волны, а затем детонационной, принимающей стационарное значение
В нашем случае датчики давления располагались во 2,3,4 сечениях, а световые датчики в 1,2,4,5 сечениях детонационной камеры сгорания (рис.14.).
Рис.14. Общий вид детонационной камеры сгорания. B – инжекторный блок, C – детонационная камера сгорания, I – искровой разрядник, P – выход к насосу, R – демпферная емкость (цилиндрическая бочка), 1, 2,…- измерительные датчики.
Результаты.
В ходе эксперимента были получены данные, описывающие
процесс горения в ДКС и сведённые в таблицу 1.
| D2-3,м/с | D3-4,м/с | D2-4,м/с | W1-2,м/с | W2-4,м/с | W4-5,м/с | |
| 1 | 855 | 865 | 859 | 621 | 717 | 1784 |
| 2 | 860 | 872 | 872 | 737 | 729 | 1896 |
Таблица 1. Скорости распространения: D – ударной волны, W – фронта пламени, в соответствующих сечениях.
Рис.15. Осциллограмма датчиков давления и световых датчиков в отсутствии диафрагмы при энергии инициации E=0,1 Дж.
Из осциллограммы (рис.15.) видно, что фронт пламени с момента поджига, постепенно проходя все сечения, разгоняется. В 5-ом сечением он догоняет ударную волну и происходит детонация (скорость детонации водородо-воздушной смеси V=1900 м/с). По осциллограмме можно проследить ход ударной волны (рис.16.).
Рис.16. Эволюция ударной волны.
6. Глава II Переход горения в детонацию в движущейся водородо-воздушной смеси с диафрагмой.Водородо-воздушные смеси обладают меньшей теплотой сгорания, чем водородо-кислородные смеси. Поэтому возможность инициирования детонации за фронтом ударной волны на небольшой преддетонационной длине, при данной энергии поджига, мала. Существенным фактором, повышающим возможность перехода из дефлаграции в детонацию, является турбулизирующий фактор, увеличивающий поверхность горения, приводя тем самым к интенсивному тепловыделению. Существует множество турбулизирующих устройств, таких как расположенные внутри канала ударной трубы преграды, диафрагмы, различные сетки, а также шероховатые поверхности. Работы проводились с медной диафрагмой (рис.17.), установленной между 2-м и 3-м сечениями (рис.18.).
Рис.17. Медная диафрагма.
Рис.18. Общий вид детонационной камеры сгорания. B – инжекторный блок, C – детонационная камера сгорания, I – искровой разрядник, P – выход к насосу, R – демпферная емкость (цилиндрическая бочка), 1, 2,…- измерительные датчики. Между 2-м и 3-м сечениями установлена медная диафрагма.
Механизм происхождения детонации отличается от предыдущего случая. При поджигании горючей смеси возникает фронт нормального горения. Перед фронтом пламени повышаются температура, давление, скорость газа, возникает турбулентность, происходит искривление фронта горения и увеличение площади его поверхности, приводящее к возрастанию скорости нормального горения. Скорость ударной волны выше скорости фронта пламени, поэтому она раньше достигает диафрагмы. В момент достижения диафрагмы, ударная волна отражается и происходит взрыв. После чего нагоняющий фронт горения объединяется с вновь появившейся ударной волной в комплекс и возникает детонация.
Результаты.
Экспериментально были получены данные качественно подтверждающие описанный механизм. В таблицу 2 сведены результаты исследования.
| D2-3,м/с | D3-4,м/с | D2-4,м/с | W1-2,м/с | W2-4,м/с | W4-5,м/с | |
| 1 | 855 | 1100 | 947 | 604 | 1356 | 1774 |
| 2 | 855 | 1172 | 969 | 600 | 1434 | 1774 |
| 3 | 871 | 1123 | 965 | 587 | 1418 | 1774 |
Таблица 2. Скорости распространения: D – ударной волны, W – фронта пламени, в соответствующих сечениях.
Рис.19. Осциллограмма датчиков давления и световых датчиков с диафрагмой при энергии инициации E=0,1 Дж.
Из осциллограммы (рис.19.) видно, что фронт пламени с момента поджига, постепенно проходя все сечения, разгоняется. После прохождения диафрагмы происходит детонация и в 4-м сечении регистрируется комплекс УВ, ФП (детонационная волна). Скорость сформировавшейся ДВ резко возрастает, после чего начинает спадать до постоянного значения (рис.21.). По осциллограмме можно проследить ход ударной волны (рис.20.)
Рис.20. Эволюция ударной волны.
Рис.21. Диаграмма инициирования детонации в движущейся смеси. 1 – волна ретонации, 2 – детонационная волна, 3 – фронт пламени, 4 – ударная волна, 5 – скорость детонации Чепмена-Жуге.
7. Сравнение результатов.
В Отделе №2 ИТЭС ОИВТ РАН была проделана работа по исследованию перехода горения в детонацию в метано-воздушной смеси [24]. Схема установки на рис.21.
Рис.21. Схема экспериментальной установки. DC- демпферная ёмкость, DCC- детонационная камера сгорания, IS- искровая система, FSS- система снабжения топливом, 1- инжекторный блок, 2- искровой разрядник, 3,4- буферные ёмкости, 5- электро-пневмоклапаны, 6- фотодиоды, 7- препятствия.
Препятствие выполнено в виде композиции 3-х диафрагм различного диаметра (рис.22.).
Рис.22. Препятствие в виде 3-х диафрагм.
В ходе эксперимента были получены интересные данные, из которых можно сделать следующие выводы:
Была сформирована детонация на расстоянии 80 калибров, вместо 20, полученных при слабом поджиге водородо-воздушной смеси.
Также, возникшая детонация в сечении 3-ей диафрагмы препятствия, оказалась неустойчива, в отличии от детонации сформированной в водородо-воздушной смеси при слабом инициировании.
7. Выводы.
1. Была сформирована детонация на расстоянии 20 калибров в потоке водородо-водушной смеси при слабом инициировании.
2. Экспериментально показано, что применение кольцевых преград в ДКС способствует сокращению длины и времени формирования детонации в движущейся смеси.
3. Полученная детонация волна оказалась устойчивой в отличии от детонации сформированной в метано-воздушной смеси.
8. Литература.
1. Бакланов Д.И., Гвоздева Л.Г., Калтаев А., Щербак Н.Б. Переход горения в детонацию в турбулентном потоке в пульсирующем детонационном двигателе // Химическая физика, 2005, т.24, №7, с.5-12.