ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 3, с. 62-67
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 533.6; 533.9; 536.46
ВЛИЯНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ НА ПЕРЕХОД ГОРЕНИЯ В ДЕТОНАЦИЮ В СМЕСЯХ ВОДОРОДА С КИСЛОРОДОМ И ВОЗДУХОМ
В ИМПУЛЬСНОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ © 2014 г. М. С. Ассад1*, Х. Альхусан2, О. Г. Пенязьков1, К. Л. Севрук1
Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси, Минск 2Национальный центр авиационных технологий КЛСБТ, Саудовская Аравия *Е-таП: assad@hmti.ac.by Поступила в редакцию 14.06.2012; после доработки 16.07.2013 г.
В работе представлены результаты исследования влияния турбулентности потока водородно-кис-лородно-воздушной смеси на переход горения в детонацию в импульсной камере сгорания (ИКС). Приведено сравнение параметров рабочего процесса в ИКС при распространении фронта пламени в покоящейся и сильно турбулизированной смесях (Яе > 104). Показано, что в случае неподвижной смеси детонация не возникает вследствие малости длины ИКС. Наличие интенсивных пульсаций (Яе > 2 • 104), создаваемых элементами смесительной камеры специальной конфигурации, способствует формированию детонации, скорость которой зависит от соотношения топливо/окислитель.
Ключевые слова: переход горения в детонацию, турбулентность, преддетонационное расстояние, давление, скорость детонации, тяга.
БОТ: 10.7868/80207401X14030029
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время наблюдается активное проведение научно-исследовательских работ в области применения детонационного сжигания топлива в различных технических устройствах, в частности в пульсирующих детонационных двигателях для получения высокой удельной мощности и тяги [1—9]. Идея использования детонационного горения в энергетических установках была высказана еще в 1940 г. Я.Б. Зельдовичем [10]. Столь высокий интерес к детонационному сгоранию обусловлен более высокой эффективностью термодинамического цикла по сравнению с известными и применяемыми на практике циклами (Брайтона, Гемфри и др.) и возможностью получения более выгодных эксплуатационных характеристик (тяги, мощности и др.).
Для создания эффективного пульсирующего детонационного двигателя требуются в первую очередь правильная организация рабочего процесса, установление закономерностей его протекании и определение взаимосвязей между различными факторами и параметрами, влияющими на воспламенение, горение и формирование детонации: способ подачи реагентов и образование горючей смеси, геометрические характеристики и конструктивные особенности камеры сгорания,
термодинамические характеристики, гидро- и газодинамические явления и др.
Данная работа посвящена исследованию влияния турбулентности потока горючей смеси при слабом инициировании воспламенения на переход горения в детонацию в импульсной камере сгорания (ИКС) — модели пульсирующего детонационного двигателя. Исследовались смеси водорода с кислородом и воздухом в соотношениях, указанных ниже в таблице.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Эксперименты проводились в импульсной камере сгорания (рис. 1), включающей рабочую (1) и смесительную (2) камеры, систему (3) подачи окислителя (кислорода, воздуха) и топлива (водорода), систему зажигания горючей смеси и датчик измерения тяги (не показаны). Импульсная камера сгорания была жестко закреплена на платформе 4 с возможностью перемещения только вдоль основания 5. Кроме того, для управления и контроля работы ИКС установка комплектовалась газовой панелью, шкафом управления, системой индицирования и регистрации данных. Рабочая камера 1 была выполнена в виде стальной трубы секционированного типа, образующей вместе с полостью смесительной камеры 2 гладкую детона-
Экспериментальные и расчетные значения основных параметров рабочего процесса ИКС для покоящейся и турбулизированной смесей водорода с кислородом и воздухом
Условия Частота Ф Б, шД Тяга, кг
эксперимен- циклов, база 1 база 2 база 3 средняя макси- м/с и, м/с Яе
тов Гц (Ь = 157 мм) (Ь = 157 мм) (Ь = 157 мм) мальная
Турбулентное 2.5 0.943 1256 1670 2453 0.219 1.795 2289 50.34 22293
течение 2.86 0.982 1236 1342 2453 0.179 1.857 2327 51.36 22850
2.86 1.02 1172 1180 2379 1.712 3.612 2332 48.14 21836
2.86 1.524 1342 1331 2707 0.197 1.837 2523 56.08 22242
2.86 1.814 1266 1353 1805 0.139 1.716 2593 60.30 22891
2.86 0.673 1098 1040 1172 0.362 2.161 2131 43.24 22672
2.86 0.737 1198 1524 2211 0.456 2.221 2211 47.15 23312
Покоящаяся 1 1.02 569 545 0.008 0.143
смесь 1 1.02 0.113 0.555
1 1.524 0 0.441
1 1.814 0 0.319
1 0.737 0.0003 0.0554
ционную трубу постоянного сечения диаметром d = 25 мм и общей длиной 740 мм.
Конструкция ИКС обеспечивала раздельную подачу и смешение компонентов горючей смеси (водорода, кислорода, воздуха) в смесительной камере 2, в которой размещались три секции специальной конфигурации, посаженные на полуось с завихрителем и соединенные с магистралями подачи газов через быстродействующие клапаны. Элементы смесительной камеры в совокупности обеспечивали интенсивную турбулентность и завихрение потока. Торец смесительной камеры играл роль тяговой стенки ИКС, в которой устанавливалась автомобильная свеча зажигания.
В силу более высокой подвижности для синхронного заполнения детонационной трубы компонентами горючей смеси водород подавался несколько позже. В зависимости от состава смеси и количества каждого реагента длительность задержки определялась и контролировалась с помощью программы управления ИКС. Система инициирования воспламенения состояла из катушки, электронного коммутатора и автомобильной свечи зажигания.
Шкаф управления включал в себя промышленный компьютер, осциллограф, контролер, два блока питания, промежуточные реле и преобразователи, необходимые для полноценного функционирования ИКС. Программа управления ИКС обеспечивала ввод требуемых начальных параметров рабочего процесса ИКС в широком диапазоне, задание необходимой команды соответствующим исполнительным механизмам, мониторинг динамики различных характеристик рабочего процесса, обработку результатов и хранение данных.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для определения влияния турбулентности на переход горения в детонацию рассматривались два варианта организации процесса горения в ИКС:
— в турбулентном потоке горючей смеси, создаваемом по всей длине ИКС за счет сложной и упорядоченной геометрической формы элементов смесительной камеры;
— в покоящейся горючей смеси, неподвижность которой обеспечивалась закрытием выходного сечения ИКС лавсановой диафрагмой толщиной ~0.1 мм, которая после воспламенения разрывалась в результате повышения давления в камере. Диафрагма была установлена во фланце, снабженном шаровым краном, предназначенным для продувки и вытеснения горючей смесью ат-
Рис. 1. Общий вид импульсной камеры сгорания.
Рис. 2. Пример измерения расхода водорода, кислорода и воздуха в эксперименте; смесь 59.9% H +
+ 16.5% O2 + 23.6% N2; ф = 1.814.
мосферного воздуха и остаточных газов предыдущего цикла. Газы, составляющие горючую смесь, напускались в ИКС через смесительную камеру в течение 1 с при открытом шаровом кране. Затем шаровой кран закрывался и покоящаяся горючая смесь, заполнявшая объем ИКС, поджигалась свечой.
Для диагностики процессов по длине ИКС использовались четыре пьезоэлектрических датчика давления PCB Piezotronics и 54 ионизационных датчика. Датчики давления устанавливались в линию вдоль корпуса секционированной рабочей камеры на расстояниях L = 157 мм друг от друга. Расстояние от свечи зажигания до первого по ходу распространения пламени датчика давления составляло 195 мм. Ионизационные датчики были установлены в корпусе рабочей камеры в ортогональном порядке, образованном девятью сечениями на одинаковых друг от друга расстояниях и шестью продольными линиями, равномерно размещенными по периметру трубы через каждые 60° с нумерацией против часовой стрелки (см. ниже рис. 3в и 4б). Ионизационные датчики образовывали вдоль рабочей камеры восемь одинаковых измерительных баз длиной L = 78.5 мм каждая.
Коэффициент избытка горючего ф определялся по уравнениям термохимии. Количество кислорода, воздуха и водорода на данном участке цикла определялось по показаниям измерителей массового расхода, умноженным на длительность открывания соответствующего впускного быстродействующего клапана, соединенного со смесительной камерой ИКС. В качестве примера на рис. 2 показана динамика расхода кислорода, воздуха и водорода за цикл. На интересующем
нас участке, выделенном вертикальными прямыми, ф = 1.814.
Методика эксперимента предполагала контроль и варьирование начальных параметров рабочего процесса: массовым расходом кислорода, воздуха и водорода; общим числом и частотой циклов рабочего процесса; длительностью электрического сигнала, подаваемого на свечу зажигания; задержкой времени между началом подачи газов (кислорода, воздуха и водорода) и поджи-гом смеси.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Условия возбуждения, значения скорости детонации и развиваемой тяги в широком диапазоне изменения коэффициента избытка горючего ф при распространении волны в смесях водорода с кислородом и воздухом представлены в таблице. Там же представлены расчетные значения скорости детонации Чепмена—Жуге БС1 для тех же условий. На рис. 3 приведены зависимости скорости волны для водородно-кислородно-воздушной смеси с ф = 1.02 при интенсивном турбулентном воздействии на поток горючей смеси (рис. 3а и в) и без него (рис. 3б).
Горение в неподвижной смеси. Эксперименты показали, что в отсутствие турбулентного течения в камере сгорания при различных значениях ф наблюдается некоторое ускорение горения, которое достигает максимума (~570 м/с) на первой измерительной базе, но оно недостаточно для образования сильной ударной волны и последующего зарождения детонации. Как показывает рис. 3б, расширяющиеся продукты горения порождают волны сжатия и вызывают движение в газе перед фронтом пламени, но сильные ударные волны, необходимые для ускорения газа и возникновения детонации, образовать не удается в силу нехватки времени и малости длины ИКС. Такое поведение объясняется тем, что пр
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.