Непрерывная детонация в кольцевых камерах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, доктор технических наук Быковский, Федор Афанасьевич

• Быковский, Федор Афанасьевич
• доктор технических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор технических наук Быковский, Федор Афанасьевич

Введение

1. Экспериментальные камеры и методы измерений..

1.1. Испытательный стенд.

1.2. Экспериментальные КДС и форсунки.

1.3. Экспериментальная установка.

1.4. Методы измерений.

1.4.1. Ивмерение давлений.

1.4.2. Измерения расходов топлива и коэффициентов расхода.

1.4.2.1. Измерение расхода жидкого горючего и жидкого кислорода.

1.4.2.2. Измерение расхода газа.

1.4.2.3. Измерение коэффициентов расхода.

1.4.3. Измерение силы тяги и удельного импульса.

1.4.4. Измерение тепловых потоков в стенки камеры и температуры газа.

1.4.4.1. Измерение тепловых потоков -в стенки камеры.

1.4.4.2. Измерение температуры газа.

1.4.5. Измерение скорости потока воздуха в вихревой плоскорадиальной камере в переходном и стационарном режимах.

1.4.5.1. Методика измерения скорости потока с помощью треков.

1.4.5.2. Определение скорости потока с помощью измерений температуры» полного и статического давлений.

1.4.6. Фоторегистрация детонационных режимов.

1.4.7. Методы регистрации ВДВ и измерение их скорости,

1.4.8. Определение числа Мака в продуктах детонации.

Выводы к главе 1..

Непрерывная детонация в кольцевых цилиндрических камерах

2.1, Характеристики режимов, особенности ВДВ и условия их существования,.

2.2, Смесеобразование,.

2.2.1. Газообразные компоненты.

2.2.2. Двухфазные компоненты.

2.2.3. Жидкие компоненты,.

2.2.4. Влияние перемешивания топливных смесей на параметры детонации (расчёт).

2.2.4.1, Газовые компоненты..

2.2.4.2, Двухфазные компоненты,.

2.2.4.3, Жидкие компоненты,.

2.3, Соотношение топливных компонентов и способы их подачи. Использование воздуха в качестве окислителя и подмешивание в смесь продуктов,.

2.3Л, Газовые компоненты,.

2.3.1.1. Влияние избытка одной из топливных компонент,,

2.3.1.2. Влияние подмешивалия продуктов детонации.

2,3,2, Двухфазные топлива,.

2.3.2.1, Поиск максимальных значений Ф и влияние распыла топлива.

2.3.2.2, Разбавление кислорода воздухом.

2.3.2.3, Активация смеси подогревом керосина.

2.3.2.4, Активация керосиновоздушной смеси подмешиванием продуктов детонации,.

2.3.2.5, Сжигание керосина в воздухе.•.

2.4. Предельные начальные давления в камере.

2.5. Влияние отношения давления подачи топлива к давлению в камере (Рп/Рк).

2.5.1. Газовые компоненты.

2.5.2. Двухфазные топлива.

2.5.3. Жидкие топлива.

2.5.4. Оптимальный профиль форсуночных отверстий.

2.6. Влияние геометрии камеры.

2.7. Влияние температуры и материала стенок.

2.8. Модель расчёта течения в камере.

2.9. Структура ВДВ и течение в её окрестности.

2.9.1. Газообразные компоненты,.

2.9.2. Двухфазные компоненты.

2.9.3. Жидкие компоненты.

2.9.4. Зоны дозвукового и сверхзвукового течений в области ВДВ.

2.9.4.1. Газовые компоненты.

2.9.4.2. Двухфазные компоненты.

2.9.4.3. Жидкие компоненты.

2.10. Удельный импульс,.

2.11. Тепловые потоки в стенки камеры,,.,,,.,.,

2.12. Использование НДС в качестве химического реактора на примере получения сажи.

Выводы к главе 2.

Непрерывная детонация в плоскорадиальных камерах и в свободном пространстве.

3.1. Самоподдерживающаяся пульсирующая детонация потока газовой смеси.

3.2. Непрерывное детонационное сжигание кольцевого слоя гавовой смеси. „,.,. £

3,3= Детонационное горение топливсжиолородных смесей в плоскорадиальных камерах с истечением к центру,,£62 3,3 Л„ Детонация метанокжшородных смесей,£63 3.3,2, Детонация керооинокиолородных смесей,,,,,,,,,,,,£67 3,4, Непрерывное детонационное сжигание топдивовоздушных смеиеис гi Выводы к главе 3,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,£

4, Самовоспламенение в потоках топливных смесей, Течение в вихревой плоскорадиальной камере с истечением к центру,£

4.1, Самовоспламенение в потоках топливных смесей,,,,,,£

4.2, Течение в вихревой плоскорадиальной камере,,,,,,,,315 4,£,1, Вихревая камера и установка,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

4.2.2, Поле скоростей в плоскорадиальной вихревой камере,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

4.2.3, Вихревая структура течения,

4.2.4, Параметры потока в камере..,. . . ,.

Выводы к главе 4,,355 Выводы,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,358 Заключение,360 Литература,

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Непрерывная детонация в кольцевых камерах»

Детонация, как неуправляемое явление в двигателях внутреннего сгорания, а также в проточных камерах газотурбинных установок и летательных аппаратов, вызывает много неприятностей вплоть до их разрушения. Поэтому с ней ведётся постоянная и достаточно успешная борьба, По-видимому, эта борьба сформировала в умах исследователей определённый стереотип и не позволяла придать детонации управляемый характер, использовав в двигателях и энергетических установках такие ценные качества детонации, как быстрота и интенсивность сжигания топлива, а также ряд других, позднее выясненных5 качеств.

Вопрос о детонационном способе сжигания топлив впервые был рассмотрен Я,Б. Зельдовичем Ш. Он показал, что с точки зрения термодинамики детонационное горение более выгодно, чем дефлаграция, так как при детонации продукты имеют меньшую энтропию. Что касается практического использования детонационного горения, то оно иллюзорно, Во-первых, при детонационном сжигании определяющим фактором становится не скорость сжигания, а скорость наполнения трубы смесью, поэтому неизбежны и повышенные тепловые потери. Во-вторых, в прямоточном реактивном двигателе сжигание за прямым скачком уплотнения менее выгодно, чем сжигание в иззнтропичеоки сжатом потоке воздуха, Последние выводы были сделаны без рассмотрения возможных схем детонационного сжигания, а в случае прямоточного двигателя дефлаграция сравнивались для разных начальных условий.

По-видимому, эта работа Я,Б, Зельдовича, а также упомянутая выше постоянная борьба с детонацией в камерах сгорания, надолго задержали исследования детонационного горения топлив, Первые работы в этой области появились лишь через SO лет 12-121. В них исследовалось непрерывное детонационное сжигание, поэтому устранялись ограничения по времени наполнения камер сгорания смесью, Термин "непрерывный" означает5 что процесс не прекращается, пока поддерживаются в определённых пределах входные параметры топливной смеси и условия истечения продуктов. Работы велись независимо в двух направлениях. Одни исследователи делали попытки обратить процесс и получить неподвижную стационарную детонационную волну в набегающем сверхзвуковом потоке смеси. Кроме практических интересов в осуществлении такого режима имели место и чисто научные цели более удобного изучения структуры течения в детонационной волне, Однако из-за воспламенения смеси на стенках сверхзвукового сопла стационарный режим удалось осуществить лишь для очень бедных смесей,

Д,Николло, Е,К,Дабора и Р,А,Геллер осуществили сжигание горючего в стационарных скачках уплотнения, возникающих при выходе сверхзвуковой струи в атмосферу Ей], В этих опытах для предотвращения преждевременного загорания горючее впрыскивалось в центре сверхзвуковой струи кислорода, Р.А.Гроссом, В, Чинитцем и другими были проведены подобные опыты с детонационным сгоранием смеси в окачках маховской конфигурации, возникающих на клине в сверхзвуковой части аэродинамической трубы [3,4,5]. Как и у предыдущих авторов, смесь была сильно обеднена, а впрыск горючего происходил в области докритичеокого сечения трубы, Поскольку температуры за стационарными ударными скачками были ниже температур самовоспламенения, то реакция за ними объяснялась явлениями переноса, Р,И,Солоухин осуществил сжигание сверхзвуковой струи в пульсирующем скачке, возникающим перед тупым телом [6,7,83- Для устранения преждевременного выгорания на стенках канала также подбиралась смесь о большой задержкой воспламенения. Развитие сверхзвуковой авиации стимулировало исследования сверхзвукового горения, а также расчёты детонационного сгорания в камерах ПВРД, результаты которых можно частично найти в работах [13-29].

По другому пути пошёл Б.В.Войцеховокий, использовав аналогию сжигания смеси в детонационном спине, структура которого была открыта им и соавторами [30]. Как поперечная волна в ударно-детонационной конфигурации движется вдоль переднего ударного фронта и ожигает ударно-сжатую смесь, так же она может сжигать и свежую смесь, двигаясь перпендикулярно потоку. Для этого нужно заменить передний ударный фронт стенкой, через которую подается смесь, и обеспечить условия обновления смеси перед поперечной волной. Созданию этих условий наиболее соответствуют замкнутые кольцевые каналы.

Первая камера, в которой удалось осуществить непрерывный детонационный режим сжигания ацетиленокиолородных смесей, разбавленных аргоном, представляла собой плоский кольцевой канал, в который подача смеси осуществлялась через внутренний узкий щелевой зазор, а выброс продуктов через более широкий наружный зазор [9-11, 301. Поперечная детонационная волна распространялась внутри канала перпендикулярно натекающей смеси. Диаметр канала подбирался таким, что за время одного оборота детонационной волны или группы волн смесь успевала обновляться. Скорость поперечных детонационных волн (ПДВ) вдоль канала в этих опытах была близка к скорости звука в продуктах реакции, Б.В,Войцеховскому удалось найти и наиболее эффективный способ фоторегиотрации детонационной структуры поперечных волн, а еще ранее, детонационной структуры спина и многофронтовой структуры [30,313- Речь идёт о методе компенсации скорости, когда скорость плёнки устанавливается по величине и направлению равной скорости перемещения изображения

32], В случае стационарной детонации в плоском кольцевом канале фиксировалась треугольная область свечения без видимых ударно-детонационных скачков. Были построены предполагаемые структуры поперечной волны и течения в их окрестности, на основании которых строилась модель для расчёта параметров детонации С30]. По неопубликованным данным проводились пробные эксперименты в камере кольцевой цилиндрической геометрии с заужением на выходе при раздельной подаче ацетилена и кислорода, Здесь также наблюдали детонационные явления. Камера сгорала, когда детонация в ней не возбуждалась (не было слышно характерного высокочастотного свиста), что связано, по-видимому, с нарушением смесеобразования из-за несовершенства форсунок и попаданию струй кислорода на стенки, или о повышением тепловых потоков в стенки,

Исследование режима стационарной детонации в плоских кольцевых каналах были продолжены В.В.Михайловым и М.Е.Топчияном

33], А.А.Васильевым [34], которые также получали околозвуковые режимы. О помощью высокочастотных датчиков давления на основе титаната бария ими были измерены профили давления в поперечной волне. Оптическая регистрация , проводимая методом компенсации скорости, давала только светящуюся треугольную область без видимых скачков уплотнения. Эти работы не прояснили до конца структуру волны, А.А.Васильев измерил среднюю температуру газа в камере с помощью малоинерционных термопар.

Непрерывное детонационное сжигание пропана в трубчатом кольцевом канале с выводом продуктов через кольцевую щель было позднее осуществлено Брианом Д.Здвардоом [35]. Скорости волн были близки к акустическим в продуктах сгорания. Структура волн оптически не разрешалась, Скачки давления, измеренные датчиками, превышали начальное давление в 10-15 раз. Известны две зарубежные теоретические работы: Сена и Адамсона [36]; Адамсона и Олосона [371s в которых по двумерной стационарной модели был произведен расчёт параметров детонации для цилиндрической камеры в случае заужения канала на выходе. В первой работе фронт поперечной детонационной волны занимал всю длину камеры, а во второй- лишь её часть вблизи поверхности впрыска смеси. В критической части предполагалось звуковое течение.

После опытов Е.В.Войцеховского за рубежом было оформлено несколько патентов по использованию режима непрерывного детонационного сгорания в ракетных двигателях [38-41]. В 1РД и двигателях внутреннего сгорания о помощью датчиков давления и оптических методов фиксировали явления типа детонационных [42-51]. В двигателях, работающих на твёрдом топливе, также наблюдали тангенциальные колебания давления (изонанои) [52].По структуре, скорости и уровням давлений эти волны были близки к акустическим, и.Ф.Арьковым и др. была высказана идея о спиновой детонационной природе тангенциальных высокочастотных колебаний в ЖРД С53]. Работа носила обзорный характер и не содержала конкретных экспериментальных и теоретических исследований этой идеи. В Институте гидродинамики СО АН СССР в 1964 г. была изготовлена и испытана камера детонационного сгорания кольцевой цилиндрической геометрии с заужением [34], Как и за рубежом [12], осуществить непрерывный детонационный процесс в камере такой геометрии не удалось.

Исследования непрерывной детонации по схеме Е.В.Войцеховокого были продолжены автором настоящей работы совместно с

B,В.Митрофановым и И,Д.Клопотовым, Повднее к ней подключались

C.А.Ждан, А,М,Мардашев, А.А.Васильев, а в последнее время Е.Ф.Ведерников. Целью работы было осуществление и исследование непрерывного детонационного сжигания широкого класса топлив для дальнейшего практического использования в двигателях и энергетических установках.

Для решения этой задачи автором сконструированы все используемые в работе камеры сгорания и разработаны способы подачи топливных компонентов. В камере цилиндрической геометрии без заужения выходного сечения и раздельной подачей топливных компонентов получены режимы непрерывного детонационного сгорания газообразных С541, двухфазных [553 и жидких компонентов [563. ВДВ имели структуру подобную спиновой в круглой трубе, но без переднего фронта и с некоторыми другими особенностями, связанными с его отсутствием. Экспериментально и теоретически выяснены основные закономерности, характерные для существующих ВДВ [54-673, Обнаружилось снижение тепловых потоков в стенки камеры в режиме детонации по отношению к режиму горения при одинаковых расходах топлив [68,693. Разработка фоторегистратора с падающим барабаном позволила разрешать процессы микросекундного диапазона, протекающие в области ВДВ, на протяжении длительного времени (до 1с) с высоким постоянством скорости развёртки [70,71], На способ сжигания топлива получен патент [723, О.А.Жданом, А.М.Мардашевым и В,В,Митрофановым созданы более совершенные модели для расчёта параметров в области ВДВ [73-753.

В камерах плоокорадиальной геометрии при истечении к периферии выявлены самоподдерживающиеся пульсирующие режимы сжигания активных газовых смесей в радиальных волнах [76]. В некоторых диапазонах давлений детонационные режимы существовали при отсутствии стенок [77], Наконец, в вихревой камере плоокорадиальной геометрии при истечении к центру осуществлено непрерывное детонационное сжигание не только топливокислородных, но и топливовоздушных смесей (ТВО) [78-80], а также обнаружено самовоспламенение смеси [81,82]. В работах [83-85] определены параметры потока и структура течения воздуха в камерах этой геометрии, а в работе [86] - оптимальный профиль сечения форсуночных отверстий,

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию непрерывного детонационного сжигания топлив в камерах различной геометрии,

В первой главе дано описание экспериментального стенда, схемы установки, устройства камер детонационного сгорания (КДО), форсунок. Приведены методики измерения расходов топливных компонентов и коэффициентов расхода, давлений, силы тяги и удельного импульса, тепловых потоков в стенки камеры и температуры газа, скорости потока воздуха в вихревой плоскорадиальной камере в переходном и стационарном режимах. Рассмотрены методы регистрации ВДВ и определения их скорости, а также числа Маха в потоке. Описано устройство и работа шоторегиотратора с падающим барабаном,

Во второй главе рассмотрены условия существования и свойства ВДВ в цилиндрической камере детонационного сгорания.

- -1

Л. "j

Анализируется сходство и различие процесса со спином в трубах. Особо отмечена роль смесеобразования, Показано отрицательное влияние на существование ВДВ заужения кольцевого канала на выходе, радиальных перегородок, грубого перемешивания, пористости и малой теплопроводности стенок. Найдены профили форсуночных отверстий для уменьшения влияния процессов в камере на систему подачи, Определены пределы по перепаду давления на форсунках, по начальному давлению смеси перед фронтом ВДВ, по концентрациям, по размерам камеры. Для газокапельных систем показана важность места и способа подачи жидкой фазы. Рассмотрена возможность использования НДС в качестве химического реактора на примере получения сажи. Разработана модель течения, позволяющая оценивать параметры ВДВ и течения в камере кольцевой цилиндрической геометрии, Рассмотрена структура течения в ВДВ и её окрестности. Выделены особенности структуры для газовых, двухфазных и жидких компонентов. Выявлена бочкообразная структура течения за фронтом сильных ВДВ. Определена граница сверхзвукового и дозвукового потоков в неподвижной системе координат, а также граница области, через которую возмущения не проходят во внутрь камеры. Приведены данные экспериментов по определению удельного импульса. Отмечено положительное влияние ВДВ на полноту сжигания топлива. Определены тепловые потоки в стенки КДС при нестационарном тепловом нагреве. Отмечено снижение тепловых потоков в стенки камеры постоянного сечения при детонации по сравнению с режимом обычного горения в камере с заужением выходного сечения. Сделаны попытки детонационного сжигания керосина в воздухе и отмечены трудности осуществления даже обычного режима горения в короткой камере цилиндрической геометрии. Активация топливовоздушных смесей путём предварительного нагрева керосина до температуры кипения или подмешивания продуктов сгорания не способствует детонационному, но активизирует обычное горение. Отмечено положительное влияние на детонацию аэрирование керосина (истечение наполненного воздухом керосина- "пены"). Рассмотрена модель расчёта параметров детонации, распространяющейся по частично перемешанной газовой и газокапельной системам, которая подтверждает снижение параметров детонации о уменьшением степени перемешивания компонентов, отклонении от стехиометрии, подмешивании продуктов и инертных добавок, а также даёт некоторые аппроксимирующие формулы для основных параметров детонации,

В третьей главе рассмотрены непрерывные детонационные процессы в камерах плоскорадиальной геометрии при истечении к периферии и к центру. При истечении к периферии исследованы самоподдерживающиеся режимы непрерывного детонационного сжигания ацетиленокиолородных смесей в пульсирующих радиальных волнах, а также с дожиганием в тангенциальных волнах, Показано, что радиальные волны инициируются скачками торможения в потоке продуктов на выходе из камеры при попадании в них недогоревшей смеси. Отмечено, что вблизи пределов детонации реализуются режимы с поперечными детонационными волнами (ВДВ), которые могут существовать при очень низких перепадах давления на форсунках и докритическом истечении топливных компонентов. Показана возможность непрерывного детонационного сжигания ацетиленокиолородных смесей в свободном пространстве в системе сталкивающихся поперечных волн, при этом критический размер детонации свободного натекающего газового слоя в 4-5 раз меньше свободного столба одноимённой смеси, Отмечено, что детонационный фронт, распространяющийся в камерах в камерах плоскорадиальной геометрии с истечением к центру, рассматриваемый изолированно, не является самоподдерживающимся. Самоподдерживающимся является весь ударно-детонационный комплекс и акустическое поле камеры, Показано, что при оптимальных размерах геометрия плоскорадиальной камеры с истечением к центру является более благоприятной для поддержания детонационного горения по сравнению с цилиндрической и5 тем более, по сравнению с плоскорадиальной с истечением к периферии, Рассмотрены реализованные режимы непрерывного детонационного сжигания топливовоздушных смесей (ТВС) в проточной камере сгорания. Показано, что за счёт вращательного движения топливной смеси можно значительно повышать давление на периферии дискообразной камеры5 снижая порог возбуждения детонации. При этом давление в камере у цилиндрической стенки после возбуждения детонации оказывается примерно на 30%, ниже, чем при истечении холодных топливных компонентов, Даны оценки средних давления и плотности в камере с использованием модели потенциального вихря для холодной смеси и горячих продуктов, Показано, что в случае выходного отверстия, равного половине диаметра камеры, модель потенциального вихря даёт удовлетворительные результаты. Сделаны оценки минимального диаметра камеры - 25 размеров критического слоя детонации топливной смеси, По щелевым фоторазверткам процесса восстановлена двумерная квазистационарная структура течения в камере. Одна из характерных структур имеет близкое сходство о течением в поперечном сечении трубы при обычной спиновой детонации. Другая отличается наличием косого ударного предвестника и детонационным горением в отраженной волне без маховской ножки, впереди которой на расстоянии -1/3 длины окружности распространяется косая волна, тормозящая поток продуктов. Получены оценки основных параметров течения в окрестности поперечной детонационной волны,

В четвёртой главе рассмотрено самовоспламенение холодных топливных компонентов при вдуве в плоскорадиальную камеру с истечением к центру и проведён поиск причин возникновения этого явления. Установлено, что в вихревом потоке воспламенение наступает на периферии камеры и тем быстрее, чем больше воздух обогащен кислородом, меньше выходное сечение камеры, а также во время наполнения камеры окислителем. Отмечено более быстрое воспламенение керосина при его аэрации в коллекторе. В случае радиальной подачи самовоспламенение носит принципиально другой (ударный) характер - в центре камеры и при подаче активных компонентов (водород-кислород). Исследовано течение воздуха (без горючего) в плоскорадиальной вихревой камере в переходном и стационарном режимах, в результате чего выяснено, что наблюдаемые температуры явно недостаточны для быстрого воспламенения поступающей в холодную камеру топливной смеси, Механизм самовоспламенения смесей остался невыясненным. Обнаружены электромагнитные явления в вихревом потоке воздуха, которые, по-видимому, имеют отношение к самовоспламенению топливных смесей, Также экспериментально подтверждено наличие двух областей течения: в ядре потока и в торцевом пограничном слое, Измерены направления потоков в обеих областях в переходном и стационарном режимах, Обнаружено, что в переходном режиме течение во.всем объёме камеры вихревое, В стационарном режиме в ядре потока от периферии до 2/3 радиуса камеры течение приближается к квазитвёрдому вращению, а в промежутке между указанной областью и выходным отверстием течение приближается к течению в потенциальном вихре, Выявлен эффект концентрации частиц тяжелее воздуха (горящих частиц алюминия) в торцевом пограничном слое. Описана экспериментально обнаруженная вихревая структура течения с характерным размером вихрей 1/10-1/20 размера основного вихря. Оси вихрей перпендикулярны торцевым стенкам камеры. Произведена интерпретация вихревой структурой течения. Проведено вычисление вихревой составляющей скорости в ядре потока во времени, по радиусу и оси камеры. В стационарном режиме её максимальные значения имеют место на расстоянии ■-- 2/3 радиуса камеры (на границе квазитвёрдого вращения и потенциального вихря). Отмечено возникновение колебаний давления воздуха в коллекторе, частота которых коррелирует с частотой колебаний потока в камере, Обнаружены энтропийные потери вдоль радиуса камеры, которые особенно проявляются в переходном режиме. Выяснено, что в камере плоокорадиальной геометрии эффект Ранка не существует или очень слабо выражен, хотя в переходном режиме и наблюдается теплообмен между слоями течения,

Работа апробирована на научных семинарах Института гидродинамики им, М.А.Лаврентьева Си ран, межинститутских семинарах 00 РАН, частично докладывалась в НИИ ТП (г.Москва) и в Куйбышевском авиационном институте, полностью докладывалась на семинарах: Института Механики МГУ, ЦАГИ, ЦИАМ, объединённого ИВТАНа, МФТИ (ФАЛТе); частично на Всесоюзных (Всероссийских) и международном симпозиумах по горению и взрыву, Результаты получены при выполнении; научных планов Института гидродинамики им, Лаврентьева 00 РАН; научно-технических договоров о другими организациями; двух грантов РФФИ, в одном из которых автор был ответственным исполнителем (2 года), в другом-руководителем (3 года). Материалы диссертации отображены в 28 научных трудах, получено одно авторское свидетельство на изобретение и один патент. Многие экспериментальные результаты подтверждены расчётом,

Автор выражает благодарность заведующему лаборатории детонационных процессов, д.ф.-м.н., профессору В,В,Митрофанову за многолетнее плодотворное сотрудничество по данной тематике и предоставление всех возможностей для реализации творческого потенциала. Автор благодарен также инженеру Е,Ф,Ведерникову за обеспечение работы экспериментальных установок и проведение очень тонкой работы по изготовлению малоинерционных датчиков давления и термопар, Поскольку работа экспериментальная и требовала больших усилий на изготовление деталей, автор благодарен В,Т,Шабуокину, Я.Г.Титаренко, Л.С.Чухановой, В.Н.Лаврехе, Н.М.Новикову, В.И.Кузнецову, В.З.Данилину и другим работникам цеха за добросовестную и качественную работу, Автор признателен и другим службам института: электрикам, снабжению, библиотеке, оформительскому отделу за доброжелательность и постоянную помощь в обеспечивании нормальной работы.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Быковский, Федор Афанасьевич

Выводы к главе 4

1, Установлена возможность самовоспламенения водорода и керосина при подаче в холодную вихревую шюокорадиальную камеру вместе с воздухом, обогащенным кислородом, в переходном и установившемся течении окислителя,

2, Границы воспламенения по концентрации кислорода и размерам выходного отверстия камеры зависят от очередности срабатывания клапанов горючего и окислителя и временного интервала между ними, от направления вдува окислителя, от характеристик Форсунок,

3, В вихревом потоке воспламенение наступает на периферии камеры. Границы воспламенения шире при опережающей подаче горючего, большем обогащениям воздуха кислородом и меньшем выходном сечении камеры. Отмечено более быстрое воспламенение керосина при его аэрации в коллекторе, В случае радиальной подачи самовоспламенение носит принципиально другой (ударный) характер-в центре камеры и при подаче активных компонентов (водород-кислород),

4, Природа воспламенения в закрученном потоке окончательно не установлена, Котя измеренные и расчетные максимальные температуры закрученного потока оказались ниже известных температур самовоспламенения, наиболее частые задержки воспламенения коррелируют с временем достижения максимума температуры в камере. Помимо температурного фактора предполагается промотирующее влияние на воспламенение слабой ионизации газа, которая может возникать за счет испарения заряженных микрокапель, пограничных явлений при обтекании твердых микрочастиц и больших градиентов параметров потока в локальных областях при развитой турбулентности.

Исследовано течение воздуха (без горючего) в плоскорадиальной вихревой камере, в результате чего:

5, Экспериментально подтверждено наличие двух областей течения: в ядре потока и в торцевом пограничном слое. Измерены направления потоков в обеих областях в переходном и стационарном режимах.

6, Обнаружено, что в переходном режиме течение во всем объёме камеры вихревое, В стационарном режиме течение в ядре потока вдоль радиуса разделяется на две области: от периферии до 2/3 радиуса камеры течение приближается к квазитвёрдому вращению, а в промежутке между указанной областью и выходным отверстием течение приближается к течению в потенциальном вихре,

7, Выявлен эффект концентрации частиц тяжелее воздуха (горящих частиц алюминия) в торцевом пограничном слое,

8, Впервые в проточной шюокорадиальной вихревой камере экспериментально обнаружена вихревая структура течения о характерным размером вихрей 1/10-1/20 от размера основного вихря. Оси вихрей перпендикулярны торцевым стенкам камеры. Произведена интерпретация вихревой структуры течения,

9, Вычислена вихревая составляющая скорости в ядре потока во времени, по радиусу и оси камеры, В стационарном режиме её максимальные значения имеют место на расстоянии ~ 2/3 радиуса камеры (на границе квазитвёрдого вращения и потенциального вихря),

10, Обнаружены колебания давления воздуха в коллекторе, частота которых коррелирует о частотой колебаний потока в камере,

11, В потоке вдоль радиуса камеры существуют энтропийные потери. которые особенно проявляются в переходном режиме,

IE, В вихревой камере плоскорадиальной геометрии эффект Ранка не существует, хотя в переходном режиме и наблюдается теплообмен между слоями течения,

13, Максимальная температура потока, зарегистрированная в переходном режиме, не превышает 450 К, Этой температуры явно недостаточно для быстрого воспламенения поступающей в холодную камеру топливной смеси,

14, Обнаружены электромагнитные явления в вихревом потоке воздуха, которые, по-видимому, имеют отношение к самовоспламенению топливных смесей.

1= Развито направление, намеченное Б,В,Вайцеховоким по непрерывному детонационному горению тошшв,

2, Принципиально решена проблема непрерывного детонационного сжигания практически веек широко распространённых горючих: газообразных и жидких при использовании в качестве окислителя газообразного и жидкого кислорода, а также воздуха,

3, Разработаны камеры детонационного сгорания (КДО) и способы подачи топлива (форсунки), а также методики исследований детонационных режимов и течений в КДО, Исследована структура поперечных детонационных волн (ПДВ), в которых сгорают топливные смеси, и течение в их окрестности для камер различной геометрии. Найдены критерии существования детонационных волн. Выявлено преимущество детонационного сжигания по сравнению о турбулентным горением по тепловым нагрузкам в стенки. Показала возможность использования КДО в качестве химического реактора. Создана модель для расчета равновесных параметров детонации частично перемешанных топливных компонентов. Предложена модель течения, оценивающая параметры ПДВ и потока продуктов в кольцевой цилиндрической камере. Эти исследования позволяют придавать процессам в КДС управляемый характер и прогнозировать их протекание. Таким образом создана база для практического использования детонационного сжигания в двигателях и энергетических установках,

4, В контролируемых условиях в плоском вихревом потоке осуществлено самовоспламенение холодных топливных смесей, исследованы условия его возникновения. Дальнейшие исследования этого явления послужат базой для безиокрового инициирования ' турбулентного горения и детонации, а также объяснения и предупреждения аварийных газовых взрывов, 5, Исследовано течение воздуха (без горючего) в плоскорадиальной вихревой камере в переходном и стационарном режимах, в результате чего измерены параметры потока, выявлена его крупномасштабная упорядоченная вихревая структура в ядре потока периферийной области камеры и определена вихревая составляющая скорости течения.

Заключение

Выполненная работа показала принципиальную возможность непрерывного детонационного сжигания в кольцевых камерах практически всех широко известных горючих при использовании в качестве окислителя газообразного и жидкого кислорода, а также воздуха. Структура поперечных детонационных волн (ЩВ) для газообразных, двухфазных и жидких компонентов в камерах кольцевой цилиндрической и плоокорадизльной геометрии практически одинакова и отличается от структуры поперечной волны спина в трубах отсутствием переднего ударно-детонационного фронта, который заменяет стенка. Главным условием существования режима с ЩВ является самоподдерживающееся создание перед Фронтом ПДВ околокритического по детонации слоя смеси, величина которого зависит от многих факторов: химической активности и фазового состояние горючего и окислителя, их количественного соотношения и способа подачи, степени перемешивания, геометрии тракта подачи топлива, давления подачи топлива и давления в камере, а также их отношения, геометрии и размеров камеры, материала и температуры стенок камеры, внешних условий при докритическом истечении из камеры. Для образования детонационноспоообного слоя смеси нет принципиальной необходимости в наличии торцевой стенки камеры и ограничений по скорости натекающего потока, которая определяет угол наклона фронта. Необходимо, чтобы газовые компоненты перемешивались, а жидкие хорошо дробились на мелкие капли в области распространения Фронта ПДВ, но в то же время не выгорали в турбулентном пламени, которое всегда присутствует в образующемся слое смеси и конкурирует с детонационным горением, В связи с этим волна, как правило, распространяется по частично перемешанной смеси, включающей продукты горения, и имеет пониженные скорости по сравнению с идеальной детонацией Чепмена-Жуге. Снижает скорость волны и неидеальнооть детонации, свяванная о околокритическими размерами детонирующего слоя смеси. Приведенные в работе экспериментальные результаты и расчёты, а также физические модели, разработанные Б,В, Войцеховоким, В,В, Митрофановым, С,А, Ждзном и А,М, Мардашевым являются базой для практического использования детонационного горения в двигателях и энергетических установках, а также в химических реакторах. Конкретное устройство имеет свою специфику, поэтому, несмотря на принципиальную возможность осуществления детонационного сжигания топлива, потребуются дополнительные исследования по его внедрению. Не везде детонационное сжигание, как термодинамически более выгодное, может заменить традиционное турбулентное горение. Но там, где необходимо быстро и интенсивно ожигать топливо в малых габаритах устройства при меньшей тешюнапряженнооти стенок, детонационное горение может найти достойное применение,

Обнаружение самовоспламенения холодных топливных смесей в вихревых потоках стимулирует их изучение, поскольку возникновение флуктуации температур, превышающих температуру воспламенения, пока не нашло экспериментального и теоретического объяснения. Появилась возможность использования самовоспламенения для безиокрового инициирования горения и детонации, а более широкое изучение условий его возникновения - для предупреждения аварийных газовых взрывов.