ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 2, с. 234-239
= ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА
УДК 534.222,621.43.01
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ РЕЗОНАНСА В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ ИМПУЛЬСНО-ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ © 2014 г. Ю. В. Полежаев1, Р. К. Селезнев2
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва 2ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова", Москва 2Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный Поступила в редакцию 27.05.2013 г.
В работе приведены результаты расчета давления, скорости и температуры в камере сгорания импульсного детонационного двигателя (ИДД) для условий, реализованных в эксперименте. На основе разработанной математической модели проведены многопараметрические расчеты физических процессов в рабочем тракте ИДД. В работе исследованы условия возникновения колебаний в камере горения ИДД. При определенных значениях параметров установки колебания имеют постоянную амплитуду и частоту. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с результатами работ других авторов. В работе исследуются условия, при которых возможен импульсный режим работы детонационного двигателя.
Б01: 10.7868/80040364414020197
ВВЕДЕНИЕ
Современные авиационные двигатели, использующие горение топлива при постоянном давлении, в значительной степени исчерпали возможности существенного улучшения своих удельных параметров. Использование импульсно-детонаци-онного сжигания топлива является одним из возможных методов улучшения их характеристик.
Импульсный детонационный двигатель (ИДД) — это труба [1] (или связка труб), оборудованная системой подачи воздуха и топлива. Один конец трубы, называемый тяговой стенкой, закрыт. Другой конец трубы может быть оборудован реактивным соплом. После заполнения ИДД топ-ливовоздушной смесью в ней с помощью того или иного источника инициирования производится воспламенение, и при сжигании топлива создается высокое избыточное давление на тяговой стенке. Импульсная подача компонентов топлива в детонационную камеру сгорания обеспечивается либо быстродействующими клапанами, либо бесклапанной системой (так называемые газодинамические клапаны [2]).
Преимущество использования детонационного сгорания топлива состоит в том, что этот процесс осуществляется практически мгновенно, обеспечивая значительное повышение давления. С точки зрения термодинамики детонационный процесс близок к адиабатному процессу, протекающему без теплообмена с внешней средой при постоянном объеме. По сравнению с другими термодинамическими циклами использование
детонационного сжигания газообразного топлива увеличивает КПД реактивного двигателя в авиации (рис. 1) [3, 4]. С увеличением термодинамического КПД цикла для пульсирующих детонационных двигателей можно надеяться на получение более высокой топливной экономичности.
Идея использования детонационного горения в двигателях и стационарных установках была высказана давно, однако систематических исследований по этой проблеме долгое время не проводилось. С середины прошлого века считалось, что для получения приемлемых тяговых характеристик необходимо сжигать топливо с частотой генерации детонационных волн не менее 100 Гц. На рис. 2 показано, как увеличивается тяга двигателя с ростом частоты импульсного процесса сжигания стехиометрической смеси этилена с воздухом.
В 40-х и 50-х годах были предприняты первые попытки создания экспериментальных установок [5]. В эксперименте (1962) ШсИоШ и КтаусИ столкнулись с проблемой, что для прямого инициирования детонации необходимо подвести достаточное количество энергии [6, 7]. Если подводится недостаточное количество энергии, но при этом размеры установки достаточно велики, то возможен переход дефлагационного горения в детонацию [8]. Тяговая эффективность в этих экспериментальных установках была небольшой из-за того, что не был реализован детонационный режим горения. Скорее всего, в экспериментах наблюдалось чередование дефлаграционного и детонационного режимов горения. Технических возможностей в организации пульсирующего процесса с та-
Рис. 1. Термодинамическая эффективность х детонационного сжигания топлива в ИДД (1) по сравнению с циклом Хампри при V = const (2) и циклом Брайтона при P = const (3); M — число Маха.
кой частотой не было, и идея использования ИДД была признана малоперспективной [9, 10].
В последние десятилетия наблюдается повышенный интерес к ИДД [11—14]. Благодаря последним достижениям в материаловедении, химических технологиях, вычислительной технике и лазерной диагностике удалось решить ряд технических проблем, связанных с организацией контролируемого процесса детонационного сжигания топлива в камере сгорания.
Однако на пути создания ИДД стоит ряд задач, которые пока не могут быть решены: 1) обеспечение надежного и воспроизводимого инициирования детонации в углеводородно-воздушных смесях, 2) определение тяговых характеристик, 3) возможность разработки ИДД для сверхзвуковых летательных аппаратов на основе существующих технологий.
Расчеты и эксперименты показывают, что можно обойтись без применения мощных источников энергии для инициирования детонации, заменяя их слабым электрическим разрядом (например, от свечи зажигания) и при этом не увеличивая гидравлического сопротивления трубы и степени загромождения ее поперечного сечения. Это явление остается одним из наиболее сложным для понимания, поскольку переход от горения к детонации связан с акустическими явлениями и ударно-волновыми структурами.
Положение источника инициирования детонации относительно стенок камеры сгорания оказывает заметное воздействие на ударно-волновую структуру, а следовательно, и на длину преддетонационного участка.
Современное понимание роли препятствий сводится к интенсификации турбулентного смешения в сдвиговых слоях за счет вихревых движений в области за препятствиями и за счет генерации по-
Тяга, Н
2 3 4
Частота импульсов, Гц
Рис. 2. Зависимость тяги импульсного детонационного двигателя от частоты импульсов.
перечных ударных волн. В отличие от труб с гладкими стенками, в которых обычно наблюдаются турбулентные пламена со скоростями 100 м/с, наличие препятствий расширяет турбулентные режимы горения до скоростей 1000 м/с. Высокоскоростные турбулентные пламена имитируют ячеистую структуру детонации и распространяются с очень большими скоростями.
Переход горения в детонацию — это процесс, в течение которого исходное ламинарное пламя превращается в сверхзвуковую волну детонации. Сначала размеры очага горения возрастают за счет диффузионного переноса тепла и активных радикалов из зоны перед фронтом пламени. Вследствие объемного расширения течение в ограниченных объемах (например, в трубах) становится турбулентным. Волны сжатия, генерируемые ускоряющимся пламенем, повышают его температуру, обеспечивая ускорение химических реакций.
Возникновение детонации обычно связывают с появлением центров взрыва или горячих точек в комплексе "ударная волна—турбулентное пламя". При скорости турбулентного пламени ~1000 м/с волны сжатия, бегущие впереди пламени, сливаются в общую ударную волну. Для большинства современных технических приложений необходимо сокращение расстояния между точкой под-жига и местом фактического возникновения детонационной волны.
Особо важным является определение условий, при которых возможно поддержание импульсного режима в ИДД. В данной работе произведена попытка определения термодинамических параметров для исследуемой установки [1], при которых становится возможным импульсный режим работы ИИД.
Фланец Пропан Пульсирующий воспламенитель / " '
Кварцевое) окно
Рис. 3. Схема камеры сгорания ИДД (размеры указаны в мм).
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ
Во всех детонационных камерах циклически повторяется одинаковая последовательность процессов: заполнение сжатым воздухом с добавками горючего и формирование взрывчатой смеси, детонационный взрыв этой смеси, сопровождающийся резким подъемом давления, истечение продуктов взрыва через сопло, дающее реактивный импульс. Сжатие воздуха в воздухозаборнике осуществляется за счет скоростного напора набегающего воздуха. В эксперименте [1] использовалась энергетическая установка, схематически изображенная на рис. 3. Она состоит из камеры смешения, камеры горения и выхлопной трубы. Эта конструкция очень похожа на канонический генератор Гельмгольца. Но в отличие от него механические клапаны не используются, и поток топлива и воздуха на входе поддерживается постоянным.
Считается, что камера сгорания имеет регулируемый объем. Химическая смесь в ней состоит из воздуха и горючего газа. Отношение концентрации воздуха к концентрации горючего газа остается постоянным. В рамках данной модели считается, что в результате химических реакций происходит полное преобразование исходных веществ в продукты горения. Продукты горения выводятся из камеры горения через выхлопную трубу. Основные приближения модели следующие:
1) давление в камере горения постоянно и газы (продукты и реагенты) гомогенны и подчиняются уравнению состояния идеального газа;
2) физические параметры продуктов и реагентов реакций постоянные;
3) процесс сгорания топлива моделируется одной глобальной химической реакцией;
4) движение газа в выхлопной трубе моделируется как пробковое течение;
5) процесс течения газа из камеры горения в выхлопную трубу происходит с изоэнтропиче-ским ускорением.
В работах [1, 15] предложено рассчитывать режим течения в соплах и цилиндрических трубах-резонаторах в процессе решения системы из четырех уравнений первого порядка, которые являются следствием законов сохранения, для производных давления йР/й т, температуры йТ/йт, ско-
рости потока йи/йт и концентрации топлива dYf|dт. В данной работе используется система уравнений из [1]. Первое и второе уравнения данной системы следуют из закона сохранения массы и энергии. Третье уравнение является следствием закона сохранения импульса. Четвертое уравнение можно получить из закона сохранения массы:
Р
% р0
АН. Уг 2Р2
---Л —-
СрТ0
Т
3/2
ехр
Та
ТЛ
А1р0СрТ0
\
_ Щ0_ £
,А1р0С
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.