ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 5, с. 703-712
= ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА
УДК 534.222.2
О ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПЛАМЕНИ С УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ © 2015 г. М. Ф. Иванов, А. Д. Киверин
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: alexeykiverin@gmail.com Поступила в редакцию 20.01.2014 г.
Методами численного моделирования исследуется процесс взаимодействия пламени с ударными волнами, сгенерированными сторонними источниками. Показано, что воздействие ударных волн различной интенсивности на фронт горения в замкнутом объеме (канале) ведет к качественно различным сценариям дальнейшего развития горения. Особо выделены ситуации, когда развитие процесса приводит к генерации достаточно высоких давлений, во много раз превышающих давления в падающей ударной волне. Максимально высокие давления в этом случае возникают в результате перехода от режима "медленного" горения к детонации. Детальный анализ динамики перехода от режима "медленного" горения к детонации, развивающегося по различным сценариям, показал, что наиболее общим механизмом перехода является локализация пика давления в зоне реакции. Известный сценарий перехода к детонации по механизму формирования "горячих точек" впереди пламени наблюдается в относительно узком диапазоне начальных условий. Развитие детонации в таком режиме ведет к генерации еще более высоких давлений, превышающих давление в переходе от режима медленного горения к детонации, а вероятность реализации такого сценария растет с переходом к менее активным смесям.
Б01: 10.7868/80040364415030072
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании горения химически активных газовых смесей актуальным является прогноз максимальных давлений, которые могут возникать при развитии взрыва в ограниченных объемах, в частности в камерах сгорания двигателей или в помещениях, заполненных горючими газообразными смесями. Детальный анализ развития различных режимов горения необходим при разработке новых и совершенствовании уже существующих технических систем, работа которых основана на эффективном сжигании топливно-воздушных смесей, а также позволяет обоснованно выработать критерии и меры предупреждения рисков работы промышленных объектов, потенциально подверженных опасности разрушения в результате развития химического взрыва [1].
После инициирования процесс горения в объемах, заполненных горючими газообразными смесями, может развиваться различными путями: горение затухает; по горючей смеси распространяется медленная или быстрая волна горения; реализуется переход от дозвукового горения к детонации (ПГД); возможно возбуждение детонации в результате дополнительного стороннего воздействия (локальное интенсивное энерговыделение, сильная ударная волна и др.). При этом наравне с детонационным режимом определенную опасность представляет быстрое нестационарное горение, непрерывно излучающее волны сжатия и
слабые ударные волны, динамически нагружающие оболочку закрытого объема.
Возникновение того или иного режима горения зависит от целого ряда частных условий, формирующихся в окружающей среде. Известны механизмы ускорения пламени и формирования детонации в газообразных горючих смесях, связанные с дополнительным возмущением горючей среды и формированием неравномерных сонаправлен-ных с пламенем или встречных потоков в результате воздействия со стороны ударных волн (УВ), которые генерируются самим фронтом [2—5] либо создаются искусственно внешними источниками [6—10]. При воздействии на фронт ускоряющегося пламени ударной волны время перехода к детонации может быть сокращено в результате дополнительного ускорения пламени в сжатом и нагретом за УВ горючем веществе или за счет развития нелинейных гидродинамических процессов типа неустойчивостей Дарье—Ландау и Рихт-майера—Мешкова. Заметим, что течение при этом может оставаться ламинарным. В результате предварительного сжатия и разогрева горючей смеси ударными волнами переход к стационарной детонации может возникать, минуя стадию нестационарного пересжатого режима с относительным увеличением давления во фронте [8]. Формирование же таких нестационарных пересжатых режимов детонации на фоне предварительного нагружения и прогрева среды бегущими
впереди волнами сжатия и слабыми УВ представляется одним из наиболее опасных факторов, приводящих к разрушению конструкций. При этом, как было показано в [9], характеристики возникающего детонационного режима определяются индивидуальными особенностями развития переходного процесса, анализ которого требует уяснения механизмов взаимодействия пламени с ударными волнами и формирования детонации.
В работе [10] методом численного моделирования исследована задача о взаимодействии УВ с зоной горения в прямоугольном канале, один торец которого открыт (вход УВ), а другой закрыт жесткой стенкой. Канал был заполнен ацетилен-воздушной либо этилен-воздушной смесью при давлении 0.1 атм. Очаг горения задавался на некотором расстоянии от закрытого торца. Кинетика химических реакций определялась простейшим уравнением Аррениуса со специально подобранными константами. В работе был рассмотрен только один режим ПГД, вызванный УВ. Расчеты показали, что в ацетилен-воздушной смеси детонация возникает в переотраженных от закрытого торца волнах, обгоняющих передний фронт пламени. Возникает вопрос, насколько общими являются результаты, представленные в работе [10], которые получены с помощью моделирования с учетом упрощенных компьютерных моделей. Объяснение физических механизмов ПГД в данной работе основано только на рождении детонации в "горячих точках". Однако в работах [9, 11, 12] было показано, что этот механизм для наиболее химически активных сред, к которым помимо водород-но-кислородной смеси [11, 12] можно отнести и стехиометрические смеси на основе ацетилена и этилена, является не единственным и не наиболее общим механизмом ПГД. Более того, из дальнейшего дополнительного анализа результатов расчетов, приведенных в [9], следует, что механизм ПГД в "горячих точках" является продуктом сложной интерференции переотраженных волн и реализуется в относительно узком диапазоне ин-тенсивностей падающей УВ.
Практически значимым представляется также вопрос о влиянии длительности ударного импульса на развитие процесса. В работах [9, 10] УВ моделировалась бесконечно протяженным импульсом, что исключало особенности развития пламени в области разгрузки за УВ, где ведущим становится фактор расширения, способствующий развитию гидродинамической неустойчивости фронта пламени и его дополнительному ускорению.
Настоящая работа посвящена детальному исследованию механизмов формирования детонации и генерации высоких давлений в результате взаимодействия пламени с УВ в ограниченном объеме, заполненном горючей смесью на основе
водорода. Подробно исследована зависимость возникающих сверхвысоких давлений от интенсивности внешнего ударно-волнового воздействия и механизма формирования детонации. Выбор водорода в качестве топлива определяется его центральной ролью как в задачах оценки безопасности при тяжелых авариях на АЭС [1], так и в задачах определения энергоэффективности при использовании водорода в качестве горючего для перспективных двигателей. Кроме того, реакция окисления водорода является наиболее ярким представителем цепной реакции горения, что позволяет распространить основные закономерности, полученные в работе, на более широкий круг горючих смесей.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В настоящей работе численно исследуется взаимодействие УВ с пламенем в полуоткрытых каналах, заполненных стехиометрическими водо-родно-кислородной и водородно-воздушной смесями при нормальных условиях (давление — 1 атм, температура — 300 К), в двухмерной плоской геометрии. Исследование проводится в постановке [9], близкой к принятой в работах [8, 10]. Рассматривается полуоткрытый канал, левый конец которого закрыт, а на противоположном открытом конце в канал входит ударная волна. Воспламенение горючего задается на расстоянии 13 см от закрытого торца путем повышения температуры горючей смеси в малой области на оси канала до 1200 К при нормальном давлении, что приводит к мягкому воспламенению смеси с временами индукции 18 мкс (водород—кислород) и 43 мкс (водород— воздух). Далее процессы переноса определяют формирование фронта пламени на границе области нагретого расширяющегося газа и дальнейшее его распространение по горючей смеси. Проведенные ранее тесты (см. [12] и др. работы авторов) показывают, что такой подход хорошо воспроизводит формирование квазистационарного пламени и его характеристики в отсутствие дополнительных внешних факторов. Это определяет начальную стадию развития горения в канале и позволяет достаточно быстро и плавно достичь в расчетах интересующего квазистационарного режима горения. Фронт ударной волны задается скачком термодинамических параметров на расстоянии 30 см от закрытого торца канала и распространяется в направлении к очагу воспламенения. В начальный момент времени скачок параметров на фронте УВ рассчитывается на основании соотношений Гюгонио при заданном числе Маха УВ. Численно моделируется взаимодействие пламени как с ударным фронтом бесконечно протяженного импульса давления, так и с импульсом конечной протяженности. Бесконечно протяженный импульс может быть сгенериро-
ван камерой высокого давления большого объема. При этом поток за фронтом УВ будет направлен навстречу переднему (правому) фронту пламени вплоть до момента отражения УВ от закрытого торца. В случае импульса конечной протяженности УВ задается начальным прямоугольным импульсом заданной протяженности, такой, чтобы волна распространялась с постоянной скоростью до точки встречи с передним фронтом пламени. Импульс при этом по мере его распространения по среде приобретает треугольную форму. В этом случае передний фронт пламени после взаимодействия с УВ расширяется далее в область разгрузки, имеющей место за ударным фронтом. Заметим, что ударный фронт при подходе к переднему фронту пламени оказывается несколько искаженным, ввиду того что по пути он пересекается со слабыми волнами сжа
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.