ГОРЕНИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ И ВЗРЫВ
534.222.2
РАСПРОСТРАНЕНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН И ДЕТОНАЦИИ В КАНАЛАХ С U-ОБРАЗНЫМИ ПОВОРОТАМИ ПРЕДЕЛЬНОЙ КРИВИЗНЫ*
© 2008 г. С. М. Фролов, В. С. Аксенов, И. О. Шамшин
Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук, Москва Московский инженерно-физический институт (государственный университет), Москва
E-mail: smfrol@chph.ras.ru Поступила в редакцию 15.03.2007
Проведены экспериментальные и расчетные исследования распространения ударных и детонационных волн в цилиндрических трубах и плоских каналах с двумя U-образными поворотами предельной кривизны. Показано, что U-образные повороты существенно облегчают инициирование газовой детонации. Для минимальной скорости ударной волны, требуемой для возбуждения детонации в трубе околопредельного диаметра с двумя U-образными поворотами предельной кривизны в сте-хиометрической пропано-воздушной смеси при нормальных начальных условиях, получено значение, близкое к 800 м/с.
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2008, том 27, № 10, с. 5-21
УДК
ВВЕДЕНИЕ
В течение последних 30-40 лет изучаются различные аспекты явления фокусировки ударных волн (УВ) в инертных и реагирующих средах [1-6]. При этом экспериментальные и расчетные исследования по инициированию и распространению детонации, как правило, проводятся в прямых трубах [7]. На практике же часто приходится сталкиваться с ситуациями, когда волновые процессы рас-простряняются в изогнутых трубах.
Наши экспериментальные исследования по инициированию и распространению детонации в трубах с и-образными поворотами, витками и змеевиками [8-12] показали, что такие конструктивные элементы позволяют существенно сократить расстояние перехода горения в детонацию (ПГД) и уменьшить критическую интенсивность ударных волн для инициирования детонации, т.е. облегчают образование детонации. Ввиду того, что полученные результаты важны для создания воздушно-реактивных импульсных детонационных двигателей (ИДД) [13], мы предложили [8] и развили [11] идею использования в таких двигателях компактных компоновок детонационных труб с несколькими И-образными поворотами.
При использовании компактных компоновок труб с И-образными поворотами увеличивается длина трубы, что способствует ПГД при минимальных габаритах установки. Кроме того, в соответствии с [8-12] И-образные повороты способствуют фокусировке и усилению слабых ударных
* Статьи, отмеченные звездочкой, были представлены на XXXI Академических чтениях по космонавтике. Москва, январь 2007 г.
волн, образованных ускоряющимся пламенем. Однако такие повороты увеличивают гидравлическое сопротивление и осложняют периодическое заполнение трубы свежей горючей смесью. Следовательно, для получения компактных компоновок ИДД необходимо искать некоторое компромиссное решение.
В ИДД требуется обеспечить ПГД за кратчайшее время на кратчайших расстояниях. Известно, что длина ПГД сокращается с уменьшением диаметра трубы й. Однако существует минимальный (предельный) диаметр трубы й = йтЬ, при котором возможно распространение детонации. По данным разных авторов, значение йтт лежит в пределах от Х/п до X, где X - поперечный размер ячейки многофронтовой детонации (например, для стехиометрической пропано-воздушной смеси при нормальных начальных условиях X ~ 50 мм).
Цель данной работы состояла в экспериментальном исследовании распространения ударных и детонационных волн в трубах околопредельного диаметра с двумя И-образными поворотами, а также в численном моделировании распространения ударных и детонационных волн в плоском канале с И-образными поворотами предельной кривизны. В качестве горючей смеси для исследования выбрана стехиометрическая смесь пропана с воздухом. Выбор пропана в качестве углеводородного горючего вызван тем, что по своей детонационной способности он близок к парам авиационного керосина [13].
и-образный поворот
ДД6 1 г
ДД7
ДД8
ДД9
ТЖ"
ДД4 и
Генератор УВ
ДД0
ДД1
ДД2
? )ДД3
И-образный поворот
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
На рис. 1 показана схема экспериментальной установки. Основные элементы установки - генератор первичной ударной волны и детонационная труба с двумя И-образными поворотами. Генератор первичной УВ - пороховой газогенератор (ПГГУВ) или электроразрядную камеру (ЭРГУВ), -устанавливали на одном конце трубы, а другой конец трубы был закрыт. В экспериментах использовали гладкие трубы с внутренним диаметром 51 и 41 мм с И-образными поворотами предельной кривизны, обеспечивающими (в отличие от более ранних экспериментов [8, 11, 12]) наиболее компактную компоновку трубы. Повороты были изготовлены из четырех сегментов трубы с помощью электросварки. Внутренний радиус кривизны И-образных поворотов Я = 11 ± 1 мм. Перед каждым опытом трубу вакуумировали, а затем заполняли стехиометрической пропано-воздушной смесью до нормальных начальных условий (температура 293 ± 2 К, давление 0.1 мПа).
Для регистрации профилей УВ в трубах и для определения скорости распространения этих волн использовали пьезоэлектрические датчики давления ДД0-ДД9 типа ЛХ600. Расстояния от генератора УВ до датчиков давления приведены в табл. 1. Чтобы идентифицировать детонацию, в некоторых измерительных сечениях наряду с датчиком
Таблица 1. Положения датчиков давления в трубах диаметром 51 и 41 мм
Эксперимент 1 = 51 мм ( = 41 мм
ПГГУВ ЭРГУВ ЭРГУВ-Д ПГГУВ ЭРГУВ
ДД0 400 0 850 450 0
ДД1 650 650 1310 750 750
ДД2 900 900 1810 1050 1050
ДД3 1140 1140 2050 1335 1335
ДД4 1380 1380 2726 1590 1590
ДД5 1816 1816 2966 1953 1953
ДД6 2056 2056 3206 2241 2241
ДД7 2296 2296 3506 2494 2494
ДД8 2596 2596 3806 2494 2794
ДД9 2896 2896 - 3294 3294
давления устанавливали фотодиод, регистрирующий свечение продуктов горения. Сигналы датчиков и фотодиодов направлялись в аналого-цифровой преобразователь Ь-Сагё Ь-783 и обрабатывались на компьютере. Перед опытом в выходном прямом участке трубы размещали тонкую закопченную пластину, что позволяло дополнительно идентифицировать детонацию по следовым отпечаткам.
Среднюю скорость УВ на каждой измерительной базе определяли по расстоянию между датчиками давления и интервалу времени между приходом фронта УВ на соответствующий датчик давления по осциллограмме. Погрешность определения средней скорости УВ не превышала 3%.
Пороховой газогенератор представлял собой цилиндрическую камеру сгорания объемом 22 см3, оборудованную сменным расходным соплом и мембранным узлом. В газогенераторе размещали заряд пористого пироксилинового пороха массой 1.50-2.25 г. Для зажигания заряда использовали пиротехнический воспламенитель. Применение порохового газогенератора позволяло получать УВ с продолжительной фазой сжатия: время горения пороха составляло 1-2 мс. Использование мембран разной толщины из разного материала позволяло изменять максимальное давление в газогенераторе и, следовательно, начальную скорость первичной УВ.
Конструктивно ЭРГУВ представлял собой трех-электродный разрядник. Запускающий разряд создавал область нагретого газа (плазмы) вокруг электродов, через который затем проходил основной разряд. Расстояние между основными электродами было 8 мм, а между основным и запускающим - 3 мм. Во всех опытах энергия запускающего разряда оставалась неизменной (-57 Дж), в то время как энергию основного разряда варьировали от 0.9 до 2.5 кДж. Емкость конденсаторов основного разряда во всех опытах была неизменной (800 мкФ), а напряжение изменяли в диапазоне от 1.5 до 2.5 кВ. Типичное время разряда - 20-40 мкс. В отличие от ПГГУВ, ЭРГУВ создавал У В с очень короткой фазой сжатия. Начальную скорость первичной УВ изменяли, подавая разное напряжение на высоковольтный конденсатор ЭРГУВ. Кроме того, были проведены опыты с удлиненной трубой: с дополнительной секцией длиной 850 мм, размещенной между разрядником и первым прямым участком трубы (см. табл. 1). На эти опыты будем в дальнейшем ссылаться как на опыты с ЭРГУВ-Д.
Таким образом, в экспериментах изменяли диаметр трубы, а также начальную скорость и длительность фазы сжатия первичной УВ.
Таблица 2. Зарегистрированные скорости УВ (км/с) на разных измерительных базах (номера строк соответствуют номерам кривых на рис. 2 и рис. 3)
№ ДД0-ДД1 ДД1-ДД2 ДД2-ДД3 ДД3-ДД4 ДД4-ДД5 ДД5-ДД6 ДД6-ДД7 ДД7-ДД8 ДД8-ДД
Труба с й = 51 мм (ПГГУВ)
1 0.84 0.73 0.73 0.60 0.64 0.63 0.52 0.75 1.07
2 0.90 0.78 0.77 0.61 0.58 0.63 0.50 0.55 0.53
3 0.84 0.83 0.80 0.70 0.79 1.19 1.52 1.91 1.83
4 0.96 0.94 0.94 0.87 1.56 1.86 1.53 1.83 1.73
5 1.28 1.12 1.12 0.88 0.79 0.84 0.65 0.72 0.68
6 1.98 1.74 1.62 1.52 1.66 1.65 1.44 1.80 1.64
7 1.89 1.72 1.70 1.49 1.62 1.55 1.47 1.69 1.64
8 0.86 0.84 0.87 0.77 1.23 1.19 1.56 1.80 1.73
Труба й = 51 мм (ЭРГУВ)
1 0.94 0.70 0.65 0.53 0.57 0.54 0.46 0.51 0.49
2 1.09 0.76 0.69 0.56 0.53 0.56 0.46 0.51 0.49
3 1.23 0.79 0.72 0.58 0.57 0.59 0.49 0.54 0.52
4 1.20 0.80 0.74 0.61 0.80 0.75 0.90 1.13 1.11
5 1.33 0.90 0.83 0.65 0.98 1.11 1.38 1.80 1.70
6 1.84 1.69 1.73 1.41 1.59 1.65 1.39 1.59 1.59
7 1.96 1.62 1.78 1.44 1.63 1.69 1.39 1.67 1.56
Труба й = 51 мм (ЭРГУВ-Д)
1 0.86 0.78 0.74 0.64 0.64 0.51 0.57 0.51 -
2 0.95 0.89 0.79 0.44 0.44 0.75 0.77 1.34 -
3 1.75 1.70 1.6 1.21 1.04 0.93 1.16 1.03 -
4 1.64 1.70 1.63 1.62 1.49 1.49 1.71 1.65 -
5 1.73 1.70 1.71 1.61 1.61 1.48 1.75 1.65 -
Труба й = 41 мм (ПГГУВ)
1 0.52 0.74 0.68 0.59 0.66 0.58 0.52 0.58 0.55
2 0.88 0.83 0.75 0.67 0.73 0.66 0.92 1.95 1.85
3 0.71 0.84 0.81 0.71 0.93 1.50 1.72 1.86 1.83
4 0.76 0.92 0.86 0.89 1.42 1.82 1.61 1.78 1.76
5 0.90 1.13 0.99 1.82 1.79 1.72 1.56 1.74 1.74
6 0.83 1.10 1.07 1.82 1.95 1.68 1.57 1.78 1.76
7 1.53 1.78 1.54 1.52 1.88 1.62 1.50 1.67 1.77
Труба й = 41 мм (ЭРГУВ)
1 0.93 0.79 0.61 0.64 0.67 0.60 0.54 0.61 0.67
2 1.03 0.89 0.68 0.71 0.71 0.67 0.58 1.19 1.30
3 1.18 0.97 0.78 0.93 0.98 1.01 1.77 1.86 1.80
4 1.15 0.98 0.81 0.96 0.90 0.97 1.07 2.04 1.80
5 1.12 0.97 0.85 1.01 1.04 1.02 1.76 1.86 1.77
6 1.74 1.71 1.51 1.58 1.76 1.55 1.57 1.71 1.74
7 1.70 1.71 1.56 1.58 1.73 1.64 1.54 1.74 1.74
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
В табл. 2 представлены абсолютные
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.