Управление переходом горения в детонацию в каналах субкритического диаметра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Иванов, Кирилл Владимирович

• Иванов, Кирилл Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иванов, Кирилл Владимирович

Оглавление

Введение.

Актуальность работы

Цели работы

Научная новизна работы

Практическая ценность результатов работы

Основные результаты, представляемые к защите

Апробация работы

Глава 1: Обзор литературы.

1.1 Общая теория детонации.

1.2 Неустойчивость одномерной и плоской детонации.

1.3 Нестационарные режимы детонации.

1.4 Пределы детонации.

1.5 Прямое инициирование детонации за сильными ударными волнами.

1.6 Возникновение детонации за слабыми ударными волнами.

1.7 Переход горения в детонацию.

1.8 Пределы перехода горения в детонацию в каналах.

1.9. Численное моделирование перехода горения в детонацию в различных условиях.

1.10 Инициирование процесса ПГД в узких каналах.

Глава 2: Увеличение эффективности поджига.

2.1. Исследование влияния акустического поля на очаг воспламенения.

2.2. Исследование возможности применения струйного безыскрового поджига

Глава 3: исследование процесса ПГД в узком канале с форкамерой в водородно-кислородной и водородно-воздушной смесях.

3.1 Экспериментальный стенд, описание опытов.

3.2 Влияние длины форкамеры на формирование детонации в тонком канале в водородно-кислородной и водородно-воздушной смесях при начальном давлении 1 атм

3.3 Влияние длины форкамеры на формирование детонации в узком канале в водородно-кислородной и водородно-воздушной смесях при начальном давлении 2 атм

3.4 Исследование профиля давления детонационной волны.

3.5 Усовершенствованная установка.

3.6 Зависимость преддетонационного расстояния от начального давления водородно-воздушной смеси.

3.7 Численное моделирование ПГД в водородно-кислородной смеси

3.8 Выводы.

Глава 4: исследование процесса ПГД в узком канале с форкамерой в метано—кислородной смеси.

4.1 Результаты экспериментов с различным ЕЯ.

4.2 Экспериментальная установка.

4.3 Влияние энергии, выделяющейся в форкамере на режим ПГД.

4.4 Влияние времени выделения энергии в форкамере на ПГД в канале.

4.5 Критерий эффективности форкамеры.

Выводы к главе 4:

Глава 5: экспериментальное исследование возможности применения газовой детонации в устройстве для безыгольной инъекции.

5.1 Оценка скорости лекарственного препарата, ускоряемого диафрагмой, деформируемой детонационной волной.

5.2 Экспериментальное определение скорости лекарства ускоряемого детонационной волной.

5.3. Определение глубины струйного инъектирования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление переходом горения в детонацию в каналах субкритического диаметра»

Актуальность работы

На сегодняшний день процессы, происходящие в ускоряющемся пламени и волне детонации в каналах, хорошо описываются существующими моделями и позволяют производить расчет параметров на фронте детонационной волны с достаточной точностью только в тех случаях, когда диаметр канала больше размера детонационной ячейки. При переходе к малым масштабам, когда диаметр канала становится порядка характерного размера неоднородности пламени (детонационной ячейки), возникает ряд явлений (таких как, например, спиновая и галопирующая детонация), которые невозможно детально объяснить в рамках существующих теорий. Для их корректного описания необходимо применять модели, учитывающие трехмерный характер происходящих процессов и которые на сегодняшний момент еще окончательно не разработаны.

Кроме того, граничные эффекты, такие как теплопотери в стенки (в узких каналах они становятся сравнимыми с тепловым эффектом реакции) и потери импульса за счет вязкого прилипания, становятся столь существенны, что оказывают значительное влияние на пределы распространения и скорость стационарной детонации Чепмена-Жуге, а также пределы возбуждения детонации в каналах.

Среди всех способов возбуждения детонации в газе наиболее предпочтительным является переход горения в детонацию (ПГД) вследствие нескольких причин. В первую очередь следует отметить, что в случае прямого инициирования детонации, минуя процесс ПГД, ударная волна, возбуждающая детонацию, создается в канале вследствие выделения большого количества энергии в источнике зажигания, в то время как процесс ПГД не требует существенного начального энерговложения. Кроме того, в результате прямого инициирования детонация возникает только если выделение энергии во времени и пространстве организовано таким образом, что образующаяся при этом ударная волна имеет амплитуду, большую, чем амплитуда детонационной волны при режиме Чепмена-Жуге. При этом химические реакции должны завершиться за время положительной фазы давления во взрывной волне, в противном случае критическая (минимальная) энергия инициирования становится зависящей от мощности источника и времени выделения энергии. Если условия эксплуатации взрывного устройства не допускают использования мощных источников электроэнергии, то единственной возможностью возбуждения детонации остается процесс ПГД. Единственным существенным минусом использования ПГД для возбуждения детонации остается наличие преддетонационного расстояния.

Для большинства современных технических приложений в связи с требованиями портативности необходимо сокращение расстояния между точкой поджига и местом фактического возникновения детонационной волны. Уменьшить преддетонационное расстояние можно различными способами (зачастую применяемыми на практике совместно), которые условно можно разделить на три группы. К первой относятся различные воздействия на фронт пламени, уже распространяющийся в канале (акустическое воздействие [7], увеличение шероховатостей стенок канала, применение препятствий и форкамер \2, 3, 4, 5], механически турбулизирующих поток) и эта категория воздействий изучена наиболее полно. Ко второй группе относятся влияния, связанные с увеличением эффективности поджига (гидродинамические воздействия на очаг воспламенения [б], струйный [7] поджиг и объемный поджиг 9, 101 электрическим разрядом). Здесь основным критерием практической применимости того или иного решения является энергия, вкладываемая в процесс инициирования горения за счет электрического разряда, лазерного импульса, взрыва инициирующего заряда или других средств поджига.

В отдельную третью группу можно выделить сокращение преддетонационного расстояния, за счет использования факта, заключающегося в том, что расстояние, на котором возникает волна детонации, тем меньше, чем меньше диаметр канала, в котором распространяется горение. Таким образом, для минимизации объема газа, сгорающего в не детонационном режиме и сокращения физического размера устройств, является целесообразным возбуждать волну детонации в узких каналах, в пределе — около или субкритического диаметра. Однако на пути использования узких каналов для сокращения преддетонационного расстояния встают проблемы, связанные с отклонением процесса ПГД от классического сценария.

Согласно работе [77], в осесимметричных трубках постоянного поперечного сечения диаметром 2 мм минимальное начальное давление, при котором наблюдался переход горения в детонацию в кислородноводородной смеси, составляло 2,17 атм при энергии инициирования 0,4 Дж. При этом критический диаметр канала для этой смеси при атмосферном давлении менее миллиметра. Исследуя детонационные пределы в тонких трубках для разбавленных смесей и смесей, состоящих только из окислителя и горючего, авторы работы [72] сделали вывод о том, что уменьшение скорости детонационной волны и, как следствие, ее затухание вызываются в основном трением и потерями энергии в стенки трубки. В неразбавленных горючих смесях значительно проявлялись эффекты, связанные с неустойчивостью фронта турбулентного пламени, а детонационные пределы, предсказанные в модели Зельдовича-Неймана, оказались значительно выше наблюдаемых экспериментально. В этой и других работах, затрагивающих эту тему, в основном приводятся экспериментальные данные, без обсуждения фундаментальных факторов, определяющих осуществимость и детали процесса перехода в детонацию в субкритических условиях.

Для уменьшения преддетонационного расстояния в широких каналах известно применение форкамеры (расширение в начале детонационного канала) [3]. В связи с ускорением фронта пламени в канале вследствие расширения продуктов сгорания газа в форкамере, на начальном этапе достигается смещение баланса между выделяемой в ходе реакции и диссипирующей энергиями в положительную сторону. Подобное влияние форкамеры может быть использовано для возбуждения ПГД в каналах с диаметром меньше размера детонационной ячейки.

В качестве технического приложения, разработка метода возбуждения детонационной волны в газовых смесях на малых расстояниях и с малой энергией инициирования позволит заменить менее эффективные источники энергии (например в аппаратах, предназначенных для безыгольных инъекций), на газовые смеси, что позволит упростить и удешевить устройства, а также избежать выбросов ядовитых продуктов сгорания твердых топлив.

Цели работы

Основная цель работы заключалась в том, чтобы экспериментально определить влияние различных способов возбуждения детонации на режимы процесса ПГД в каналах, диаметр которых меньше критического диаметра распространения стационарной детонации, и установить возможность их применения в прикладных целях.

Вспомогательными целями являлись:

1. Определение влияния акустического воздействия на очаг воспламенения в пропано-бутано-воздушной смеси на режимы ПГД в канале для различных энергий искрового поджига.

2. Экспериментальное исследование струйного безыскрового воспламенения смеси за счет эффекта самовоспламенения водорода.

3. Определение влияния длины форкамеры на ПГД в узком канале в водородно-кислородной и водородно-воздушной смеси.

4. Определение влияния состава метано-кислородной смеси на ПГД.

5. Экспериментальное определение влияния энергии, выделяющейся в форкамере на режимы ПГД.

6. Экспериментальное определение влияния длительности сгорания горючей смеси в форкамере на режимы ПГД.

7. Разработка критерия эффективности влияния форкамеры на ПГД в субкритических каналах.

Экспериментально установить возможность использования детонации для ускорения лекарственного препарата в устройствах для безыгольных инъекций.

Научная новизна работы

1. Впервые экспериментально определено влияние акустического поля на очаг воспламенения в зависимости от энергии поджига.

2. Впервые получена экспериментальная зависимость эволюции скорости фронта пламени в водородно-воздушной и метано-кислородной смесях вдоль узкого канала от длительности сгорания горючей смеси и энергии, выделяющейся в форкамере.

3. Впервые экспериментально получен переход горения в детонацию в водородно-воздушной и метано-кислородной смеси в канале с диаметром меньше критического диаметра распространения стационарной детонации Чепмена-Жуге.

4. Обнаружены режимы ПГД с немонотонным ускорением фронта пламени в водородно-воздушной и метано-кислородной смеси в узком канале.

5. Получена закономерность влияния длительности сгорания горючей смеси и энергии, выделяющейся в форкамере, на режим ПГД в узком канале.

6. Предложен критерий для определения эффективности влияния форкамеры на ПГД в субкритических каналах.

7. Впервые проведены расчеты скорости лекарственного препарата ускоряемого за счет энергии детонационного сгорания газовой смеси в узком канале.

Экспериментально подтверждена возможность достижения необходимых скоростей лекарственного препарата для осуществления безыгольной инъекции с помощью устройства, использующего газовую детонацию.

Практическая ценность результатов работы

Предложенный в работе критерий позволит рассчитывать эффективность использования форкамеры для осуществления перехода горения в детонацию в субкритических каналах и оптимизировать расход горючего в импульсном и частотном детонационных режимах.

Полученные в работе научные результаты позволят осуществлять проектирование портативных устройств, использующих газовую детонацию.

Основные результаты, представляемые к защите

Результаты экспериментальных исследований влияния акустического поля на очаг воспламенения при энергии поджига в диапазоне 0,06 - 0,46 Дж.

Результаты экспериментальных исследований перехода горения в детонацию в водородно-кислородной и водородно-воздушной смеси в узком канале и зависимость скорости фронта пламени вдоль узкого канала от длительности сгорания горючей смеси и энергии, выделяющейся в форкамере.

Результаты экспериментальных исследований перехода горения в детонацию в метано-кислородной смеси в диапазоне стехиометрических коэффициентов (ЕЯ) от 1 до 0,33 в узком канале и зависимость скорости фронта пламени вдоль узкого канала от длительности сгорания горючей смеси и энергии, выделяющейся в форкамере.

Критерий эффективности влияния форкамеры на ПГД в субкритических каналах.

Результаты расчета скорости лекарственного препарата ускоряемого за счет энергии детонационного сгорания газовой смеси в узком канале.

Результаты экспериментальных измерений скорости лекарственного препарата, ускоренного детонационной волной и глубины проникновения в агарозный гель, имитирующий кожный покров человека.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: конференции Московского физико-технического института (государственного университета) (2007, 2009 гг.); 19th International Shock Interaction Symposium, 31 авг. - 3 сен., Москва, 2010; 7th International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations, 4-8 Okt., Санкт-Петербург, 2010; XXVI international conference on Interaction of intense energy fluxes with matter, Эльбрус, 2011; XVII международная конференции по вычислительной механике и современным прикладным системам, Алушта, 2011; 28th International Symposium on Shock Waves, Manchester, UK, 2011; 23rd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, July 24-29 2011, Irvine, California, USA; Второй минский международный коллоквиум по физике ударных волн, горения и детонации». 14-18 ноября 2011.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Иванов, Кирилл Владимирович

Заключение.

1. Экспериментально осуществлен переход горения в детонацию в водородно-воздушной смеси в канале диаметром меньше критического диаметра распространения стационарной детонации Чепмена-Жуге. Определена динамика скорости фронта пламени для различных энергий, выделяющихся в форкамере вследствие сгорания горючей смеси. Полученные уровни давления за отраженной волной хорошо совпадают с расчетными давлениями, основанными на известных параметрах для условия Чемпена - Жуге.

Обнаружено, что в зависимости от энергии, выделяющейся в форкамере, переход горения в детонацию может происходить по трем различным сценариям: немонотонное ускорение с несколькими локальными максимумами, немонотонное ускорение с одним локальным максимумом и монотонное ускорение фронта пламени. Дальнейшее увеличение энергии перестает оказывать влияние на преддетонационное расстояние.

2. Впервые экспериментально осуществлен переход горения в детонацию в метано-кислородной смеси в узком канале для значений стехиометрического коэффициента 0,33 и выше. Определена динамика скорости фронта пламени. Показано, что преддетонационное расстояние может не превышать 30 калибров. После стадии пересжатой детонации скорость волны принимала (в пределах ошибки) стационарное значение Чепмена-Жуге.

3. Обнаружены режимы ПГД с немонотонным ускорением фронта пламени в метано-кислородной смеси с ЕЯ= 0,33 в канале диаметром меньше критического диаметра распространения стационарной детонации Чепмена-Жуге. Определены пороговые энергии режима ПГД с немонотонным ускорением пламени в метано-кислородной смеси с ЕЯ= 0,33 для форкамер различного диаметра. В зависимости от энергии, выделяющейся в форкамере, переход горения в детонацию происходил по двум различным сценариям. При увеличении энергии в форкамере немонотонный характер ускорения фронта пламени сменялся монотонным, при котором преддетонационное расстояние переставало зависеть от энергии в форкамере.

Полученные результаты показывают^ что энергия, выделяющаяся в форкамере, не может являться универсальным критерием эффективности форкамеры.

4. Обнаружено, что увеличение длительности сгорания горючей смеси в форкамере уменьшает длину перехода в детонацию в каналах субкритического диаметра, причем степень влияния зависит от энергии, выделяющейся в форкамере.

Полученные результаты показывают, что время сгорания газа в форкамере также не может являться универсальным критерием эффективности форкамеры.

5. Предложен универсальный критерий эффективности форкамеры в процессах перехода горения в детонацию в узких каналах, учитывающий энерговыделение в форкамере; длительность сгорания смеси и относительное расстояние пройденное фронтом пламени в форкамере.

6. Экспериментально и теоретически изучено воздействие детонационной волны, генерируемой в узком канале, на мембрану и разгоняемое ей модельное лекарственное средство. Экспериментально подтверждена возможность осуществления безыгольной инъекции с помощью устройства, использующего газовую детонацию. Измерены начальная скорость модельного лекарственного препарата и глубина проникновения лекарственного препарата в гель, моделирующий кожный покров человека.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иванов, Кирилл Владимирович, 2012 год

1. Markov, Dokl. Phys. Chem. 04/2012; 415(2):209-2135 — A. A. Vasil'ev, Optimization of the deflagration-to-detonation transition,

2. Journal of Engineering Physics and Thermophysics 04/2012; 83(3):560-571.6 — D.I. Baklanov, S.V. Golovastov, L.G. Gvozdeva, A. Kaltayev, N.B.

3. Detonation Failure in Hydrocarbon Air Mixtures.- Combustion and Flame, 1982, V.48, p.63-83.44 — Berman. M. A critical review of recent large-scale experiments on

4. Hydrogen-Air Detonations //Nuclear science and engineering. 1986, 93, p.321-347.45 — M. Radulescu Experimental Investigation of Direct Initiation of Quasi

5. Combustion Institute, Vol. 31, pp 2429-243672 — Манжалей В.И. Низкоскоростная детонация в капиллярах //

6. Detonationless Supersonic Flame Spread, In: CD Proc. of 19th ICDERS. 2003. Hakone. ISBN 4-9901744-1-0.76 — N.N. Smirnov, V.F. Nikitin, Fundamentals of Deflagration to Detonation

7. Transition in Gases, In: CD Proc. of 19th ICDERS. 2003. Hakone. ISBN 4-9901744-1-0.77 — Smirnov N.N., Nikitin V.F., (2002) The Influence of Confinement

8. Geometry on Deflagration to Detonation Transition in Gases. J. Phys. IV France, 12, Pr7, 341-351.78 — В. В. Голуб, M. Ф. Иванов, В. В. Володин, Д. В. Благодатских, С. В.

9. Головастое. Влияние акустических волн на зону воспламенения и переход горения в детонацию: эксперимент и расчет. //Теплофизика высоких температур, 2009, том 47, №2, с. 1-3.79 — Нестационарное распространение пламени / Под ред. Дж.

10. М. Ф., Киверин А. Д., Володин В. В., Воздействие акустического поля на развитие пламени и переход в детонацию// Теплофизика высоких температур, 2010, Т. 48, № 6, С. 1-7.84 — S.P.Medvedev, S.V. Khomik, H.Oliver, A.N. Polenov, A.M. Bartenev,