Экспериментальное исследование детонации в сверхзвуковом потоке реагирующей смеси тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат технических наук Наливайченко, Денис Геннадьевич

• Наливайченко, Денис Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Наливайченко, Денис Геннадьевич

Основные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор работ по применению детонационного горения в силовых установках.

ГЛАВА 2. Экспериментальное оборудование и методы исследования

2.1. Экспериментальная установка. Основные системы. Принцип действия и возможности.

2.1.1. Источник рабочего газа. (AT «Транзит-М»).

2.1.2. Топливная система.

2.1.3. Камера сгорания.

2.1.4. Система воспламенения.

2.1.5. Вакуумная емкость.

2.1.6. Система автоматизации эксперимента.

2.2. Методы исследования и измерительная техника.

2.3. Исследование параметров течений.

2.3.1. Газодинамическая структура реализуемого течения.

2.3.2. Химическая однородность потока горючей смеси.

2.4. Методика определения концентрации горючей смеси.

2.5. Исследование влияния энергии инициирования на характер и параметры распространения детонационной волны.

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование детонации в сверхзвуковом потоке гомогенной реагирующей смеси.

3.1. Инициирование детонации навстречу сверхзвуковому потоку горючей смеси.

3.2. Инициирование детонации по сверхзвуковому потоку горючей смеси.

3.3. Исследование формы фронта детонационной волны.

3.4 Особенности детонационного горения в движущихся потоках горючей смеси, ограниченных стенками канала.

Факторы влияния и физический механизм.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование детонации в сверхзвуковом потоке реагирующей смеси»

Более 120 лет назад, после разрушительных взрывов в шахтах и газопроводах, учёные обратили своё внимание на явление ставшее тому причиной и получившее название «детонация». Изначально это явление рассматривалось как вредный, губительный и неуправляемый процесс. Борьба с детонацией дала первоначальный импульс и стала основным стимулом интенсивного развития теории детонационного горения, проведению обширных экспериментальных исследований. По мере накопления знаний, негативное отношение сменилось на практический интерес и желание использовать потенциал этого физического явления. Особый интерес к детонационному горению возник со стороны авиации, когда в конце 50-х годов возникла идея создания летательных аппаратов для скоростей полета с числами Маха больше 5. Тогда было предложено использовать в качестве топлива жидкий водород, и начали появляться всевозможные схемы прямоточных двигателей со сверхзвуковым и детонационным горением. Попытки реализации на практике таких видов горения указали на необходимость проведения широкого круга физических исследований, направленных на организацию горения, выявление факторов влияния и способов управления процессом.

Последние два десятилетия наблюдается повышенный интерес к исследованиям, направленным на практическое применение газовой детонации в технологических, энергетических и силовых установках. В этот же период времени произошел большой прогресс в развитии вычислительной техники и методов расчета, что стимулировало появление большого количества теоретических работ, вычислительных экспериментов. Однако, сложная газодинамическая картина течения, большое количество влияющих факторов (пограничный слой, химическая неоднородность, химические реакции) вызывают определенные трудности при создании эффективных методов расчета процессов со сверхзвуковым и детонационным горением.

На фоне обилия численных работ ощущается существенный недостаток экспериментальных исследований. Более того, известные на сегодняшний день многочисленные исследования детонационных волн, как правило, выполнены в традиционной постановке, когда детонация распространяются по неподвижной горючей смеси. Казалось бы, каких-либо проблем при переносе результатов из неподвижной системы отсчета в движущуюся (инерциальную) в соответствии с классическим принципом относительности не должно было бы возникать. Однако немногочисленные исследования формирования и распространения детонационных волн в движущейся горючей смеси (например, [11,13,14]) свидетельствуют о заметном отличии поведения детонации в потоке по сравнению с распространением детонации в неподвижной смеси. Одна из основных причин различия заключается в геометрическом ограничении любого реального потока и обусловленного таким ограничением развитого турбулентного пограничного слоя на границах потока. Это приводит к неоднородности параметров потока в произвольном его сечении и, в первую очередь, к неоднородности поперечного профиля скорости. В свою очередь подобная неоднородность делает неоднозначным выбор базовой системы отсчета для движущегося потока (в ядре потока или в пограничном слое) и указывает на отсутствие полной эквивалентности детонации в неподвижных и движущихся смесях.

Недостоверность простого переноса явления из неподвижной смеси в движущуюся заставляет практически заново исследовать весь комплекс вопросов, связанных с возбуждением и распространением детонационных волн в движущихся горючих смесях. В данной работе процесс возбуждения и распространения детонации в сверхзвуковом потоке реагирующей смеси, ограниченном стенками канала, рассматривается комплексно с учетом газодинамических аспектов течения. Более того, практически все предыдущие исследования по распространению детонации в потоках выполнены на смесях водорода с кислородом, потому дополнительной отличительной особенностью данного исследования является использование в качестве окислителя воздуха, что имеет важнейшее значение для прикладных разработок.

С целью выяснения общей картины происходящих процессов и получения количественных характеристик о каждой точке потока, исследование было разбито на несколько последовательно анализируемых этапов:

1. выяснение газодинамической структуры сверхзвукового потока вдоль и поперек канала (рабочий газ - только воздух);

2. выявление характеристик смешения и степени гомогенности потока (воздушный поток с инжекцией гелия);

3. инициирование и распространение детонации в контролируемом сверхзвуковом потоке водородовоздушной смеси.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе проведен детальный обзор имеющейся литературы по исследованию детонационного горения в движущемся газе и перспективах практического применения такого вида горения в силовых установках летательных аппаратов. Обозначены основные научные и технические проблемы, требующие ответа и детального рассмотрения. На основе обзора сформулированы основные цели диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Наливайченко, Денис Геннадьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создана экспериментальная установка для исследования горения и детонации в сверхзвуковом потоке однородной горючей смеси.

2. Проведены исследования газодинамической и химической структуры реализуемого установкой течения (число Маха М=4), позволившие получить детальную информацию о газодинамических параметрах и степени однородности горючей смеси в различных точках потока;

3. Для водородо-воздушной смеси экспериментально показана возможность формирования самоподдерживающегося детонационного горения в сверхзвуковом потоке горючей смеси в диапазоне концентраций а = 0.5 2.5 с инициированием и распространением волны как по направлению, так и против направления потока;

4. Установлено, что дистанция, на котором горение переходит в детонацию, составляет несколько диаметров канала и, в случае распространения волны вверх по потоку, примерно вдвое меньше чем при распространении вниз по потоку. При удалении от стехиометрического соотношения топливо-окислитель в сторону концентрационного предела отмечаются режимы с неустойчивой детонацией и продолжительным участком формирования детонационного фронта;

5. Выполнены эксперименты с распространением детонации навстречу сверхзвуковому потоку горючей смеси, подтвердившие наличие эффекта превышения скорости детонационной волны расчетной скорости Чепмена-Жуге, отмеченного ранее в экспериментальных работах других авторов;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Наливайченко, Денис Геннадьевич, 2007 год

1. Зельдович Я.Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения.// ЖТФ 1940, Т 10, в 17, Стр. 1453-1461.

2. Васильев А.А., Митрофанов В.В., Топчиян М.Е. Детонационные волны в газах.// Физика горения и взрыва, 1987, Т.23, № 5, С. 109-131.

3. Bussing Т., Pappas G. "Pulse Detonation Engine", AIAA-95-2577, July 1995.

4. Kailasanath K. Review of Propulsion Applications of Detonation Waves, AIAA Jornal Vol.38, No. 9, September, 2000.

5. Войцеховский Б.В. Стационарная детонация.// ДАН, 1959, Т. 129, № 6, С. 1254-1256.

6. Быковский Ф.А., Ждан С.А., Ведерников Е.Ф. Непрерывная спиновая детонация топливно-воздушных смесей.// Физика горения и взрыва, 2006, т.42, №4. С. 107-115.

7. Dunlap R., Brehm R.L. and Nicholls J.A. A Preliminary Study of the Application of Steady-State Detonative Combustion to a Reaction Engine, Jet Propulsion, Vol. 28, No. 7, pp. 451-456, July, 1958.

8. Николе, Дабора, Гиллер Исследования по стабилизации газовой детонации. Сб. Вопросы ракетной техники, ИИЛ, 1959, №11.

9. Robert A. Cross, Wallace Chinitz A Study of Supersonic Combustion. Journal of the Aero/Space Sciences, 27 c.517-523.

10. Ю.Солоухин Р.И. Пульсирующее горение газа за ударной волной в сверхзвуковом потоке, ПМТФ № 5, 59, 1961. С.57-60.

11. MacKenna W.W. Interaction between detonation waves and flowfilds, AIAA J, 5, P. 868-873, 1967.

12. Митрофанов B.B. Теория детонации. Учебное пособие, Новосибирск, НГУ, 1982.

13. Lewis Е. Curtis III, Leonard A. Hamilton, Harold E. Wright and William C. Elrod An Investigation of Shock Initiated Detonation Waves in a Flowing

14. Combustible Mixture of Hydrogen and Oxygen. Astronautica Acta, Vol 15, P 453-463, 1970.

15. Hertsberg A., Bruckner A.P., Bogdanoff D.W. Ram accelerator: a new chemical method for accelerating projectiles to ultra-high velocities. AIAA Journal, 1988, 26, P 195-203.

16. Adelman H.G., Cambier J.L., Menees G.P, and Ballbom J. A. "Analytical and Experimental Investigations of the Oblique Detonation Wave Engine Concept, AIAA Paper 88-0097, 1988.

17. Eidelman S., Grossmann W. and Lottali I. "A Review of Propulsion Applications of the Pulsed Detonation Engine Concept," AIAA Paper No. 89-2446, July 1989.

18. Nettleton M. A. Recent work on gaseous detonations. Shock Waves, 2002.

19. Jean P. Sislian Detonation-Wave Ramjets, 2000.

20. Burnham E.A., Kull A.E., Knowlen C., Bruckner A.P. and Hertzberg A. Operation of the Ram Accelerator in the Transdetonative Velocity Regime. AIAA Paper 90-1985,1990.

21. Кузнецов M.M. О сверхзвуковом ускорении тел, движущихся в горючей смеси.: Теория и конструкция двигателей летательных аппаратов. Труды XVIII Научных чтений по космонавтике, Москва, 1994, с. 8 10.

22. Наливайченко Д.Г. "Анализ возможности разгона тел до больших гиперзвуковых скоростей в трубном прямоточном ускорителе."// Вестник молодых учёных, (технические науки) + 3, 2001 г.

23. Michael A. Nettleton The applications of unsteady, multi-dimensional studies of detonation waves to ram accelerators.// Shock Waves, 10, 2000.

24. Li С., Kailsanath К., Oran E.S. Detonation structures generated by multiple shocks on ram-accelerator projectiles. Comb Flame: 1997, 108, P 173-186.

25. Александров В.Г., Крайко А.Н., Реент К.С. Математическая модель сверхзвукового пульсирующего детонационного прямоточного воздушно-реактивного двигателя.// Химическая физика, 2001, Т. 20, № 6.

26. Александров В.Г., Крайко А.Н., Реент К.С. Интегральные и локальные характеристики сверхзвукового пульсирующего детонационного прямоточного двигателя (СПДПД). // Математическое моделирование, 2003, Т. 15, №6, С. 17-26.

27. Топчиян М. Е. Экспериментальное исследование спиновой детонации датчиками давления. ПМТФ, 4, 104, 1962. С.94-99.

28. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Москва: Наука, 1969. - с.824.

29. Беляев Н.М. Термодинамика переменного количества газа. -Днепропетровск: ДГУ, 1981. С. 110.

30. Нетлетон М. Детонация в газах. Москва: Мир, 1989 -с.279

31. Васильев А.А., Валишев А.И., Васильев В.А., Панфилова Л.В. Характеристики горения и детонации гидразина и его метилпроизводных.// Физика горения и взрыва, 2000, Т. 36, № 3, С. 8196.

32. Наливайченко Д.Г. Исследование детонации в сверхзвуковом потоке гомогенной реагирующей смеси. III Всероссийская конференция молодых ученых: "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии", Новосибирск, 19-21 октября 2003 г.

33. Васильев А.А., Звегинцев В.И., Наливайченко Д.Г. Детонационные волны в сверхзвуковом потоке реагирующей смеси.// Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42, № 5. С. 85-100.

34. Звегинцев В.И., Наливайченко Д.Г. Анализ возможности разгона тел до больших гиперзвуковых скоростей в трубном прямоточном ускорителе.// Отчёт 32/98, ИТПМ СО РАН, Новосибирск 1998 г.

35. Petrov А.Р., Nalivaichenko D.G. Spark tracer method for supersonic flow velocity measurement. // Proceedings of 10th International Conference on Methods of Aerophysical Research (ICMAR'2000), 9-16 July 2000, Novosibirsk, Russia, P. 149-152.

36. Наливайченко Д.Г., Петров А. П. Измерение скорости в импульсной трубе методом искрового трассирования.// XVIII Международный семинар "Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах", С-Пб., 2123 июня 2000 г., с. 71-72.

37. Руководитель группы ВЭМ, к.т.н.1. Певченко Б.В.

38. Заведующий лаборатории № 5, к.ф.-м.н.1. Павленко А.А.

39. Старший научный сотрудник, к.т.н.1. Панченко Н.Ф.