И.Н. Зверев, Н.Н. Смирнов - Газодинамика горения (1161628), страница 43
Текст из файла (страница 43)
е. вводится зона задержки воспламенения 126„27, 7!, 72]. Время задержки воспламенения (время индукции) можно определить по формуле й а=Ер "р 'ехр(К/Т); Е)0, К)0. (4.190) С затуханием ударной волны в области пересжатой детонации 24! (с убыванием температуры и давления) время индукции растет и, следовательно, растет расстояние между ударным фронтом и волной горения, т. е. происходит расщепление детонационной волны 12б — 28~. й 4ЛО. ПУЛЬСИРУЮЩАЯ И СПИНОИАЯ ДЕТОНАЦИЯ Первь1е экспериментальные факты, противоречащие классической модели дезопации с плоским фронтом, стали известны еше в 1926 г., когда Кембел и Вудхед 112) открыли в газовой смеси 2СО+Ол спиновую детонацию, содержащую во фронте вращающийся излом.
При синцовой детонации наиболее яркое свечение фронта волны сосредоточивается у внутренней поверхности трубы в ядре спина, вращающемся вокруг оси трубы одновременно с движением вперед и, таким образом, описывающем спираль с шагом, примерно равным трем диаметрам трубы. Экспериментально показано, что наличие вращающегося излома есть свойство, внутренне присущее предельному режиму распространения детонации н нс зависящее от геометрии трубы. В работе 124) приводятсч ре- Рнс.
4.30 зультаты экспериментальных исследований спиновой детонации в трубах прямоугольного и треугольного поперечного сечения. На рвс. 4.30 представлена фоторазвертка исследования спинозой детонации. На рис. 4.31 представлена фотография головы спина, полученная по методу полной компенсации [141. Рисунок иллюстрирует структуру течения вблизи поверхности трубы.
242 Спиновая детонация наблюдается вблизи пределов детонации в смесях, детонирующих вяло [13~. Поэтому ее долгое время считали неким исключением, в отличие от плоской детонации. Последующие экспериментальные исследования показали, что при уда. ленни от предела количество голов спина увеличивается, возни- Ряс 4.31 кает ячеистая структура фронта, граница между спиновой н нормальной детонацией с плоским фронтом становится менее четкой.
По мере улучшения разрешающей способности аппаратуры возрастало число случаев зарегистрированной неплоской детонации. Неодномерные пульсации ва фронтах детонации, ранее считавшихся плоскими, были обнаружены в 1957 †!958 гг. [13, 14, 211. Экспериментальные исследования показали, что в волне детонации в большинстве случаев присутствуют сильные двумерные или трехмерные движущиеся неоднородности, изломы головного фронта, поперечные волны [13, 14, 63~. Неоднородности фронта можно регистрировать следовым методом, так как тройные конфигурации оставляют следы на закопченной поверхности. На рис. 4.32 приведены негативные фотографии с торцевых закопченных пластинок после отражения детонапнонной волны [131. Темные места на фотографиях, где сажа полностью стерта, соответствуют следам отражения изломов переднего фронта волны детонации.
На рис. 4.32 фотографни а) — е) отличаются начальным давлением исходной смеси 2Нз+О,. Из рисунка видно, что с уменьшением давления от 0.3 МПа на рис. 4.32, а до 0,012 МПа на рис. 4.32, е размер неоднородностей увеличивается. При увеличении диаметра канала возрастает количество неоднородностей во фронте, но характерный размер неоднородности не меняется. При входе одноголового спина в расширяющуюся трубу количество голов спина увеличивается и режим становится пульсирующим ячеистым. На рис. 4.33 приведены следовые отпечатки детонации смеси 2Нт+О, на стенках трубы диаметром 16 мм [13). Детонация распространяется слева направо.
Поперечные волны сталкиваются между собой и вновь расходятся. При их движении передний фронт локальна пульсирует, сохраняя среднюю скорость детонации. Изломы переднего фронта при движении делят все пространство на ячейки, имеющие характерные поперечные и продольные средние размеры (обозначенные соогвегствелно Лу и Лх), зависящие от состава, давления и температуры смеси в начальном состоянии [21~. 243: По мере уменьшения начального давления смеси размеры неоднородностей Лх и Лу у~величнваются (рис. 4.32, 4.33), Ячеистый пульсирующий режим (рис. 4.33, а) переходит сначала в двухголовый (рис, 4.33, б), а затем в одноголовый спин (рис.
4.33, в). Анализ приведенных экспериментов позволяет сделать вывод, что спиновая детонация является предельным случаем ячеистой при поперечном размере неоднородности Лу, сравнимом с диаметром трубы: Лу-д. (4.191) Таким образом, при приближении самоподдерживающейся детонации в трубах к пределу по давлению или по составу ячейки укрупняются и ячеистая структура переходит в спиновую. На рис.
4.33, г,д зафиксирована тонкая структура спина (перекрещивающиеся полосы в следе), показывающая, что вращающаяся поперечная волна при спиновой детонации сама также является пульсирующей детонационной волной. Это явление в [13) названо «спйном на спйне». Мелкие ячейки на поперечных детоиационных волнах образуют тонкую структуру детонации. В некоторых смесях прн приближении к пределам существует еше один нестационарный режим детонации, называющийся гало- пирующим [21). Он представляет собой длиннопериодические пульсации волны с периодом по х-150 —:200 д. На протяжении одного периода детонационная волна затухает, распадаясь на ударную волну и фронт горения, затем происходит переход горения в детонацию в ударно-сжатом газе.
Образовавшийся фронт детонации с мелкоячеистой структурой догоняет передний ударный фронт, который после этого превращается во фронт сильной детонации с мелкоячеистой структурой. Затем происходит вновь ослабление волны детонации, укрупнение ячеек н переход в «спнн», далее цвкл повторяется. При распаде детонационной волны на ударную и фронт горения поперечная структура исчезает. Итак, детонационная волна в газах обладает сложной неодномернон нестационарной структурой, возникающей вследствие неустойчивости течения при одномерной детонации [13, 21).
Результаты расчетов инициирования одномерной нестацнонарной детонации в рамках двухфронтовой модели [26, 28, 69, 70) показали, что вблизи пределов возникновения детонации по энергии инициирования волна неустойчива. Происходит расщепление детонацнонной волны на ударную волну и волну горения, Детонация совершает одномерные пульсации, распространяясь в среднем с постоянной скоростью. Фронт воспламененвя совершает нелинейные колебания, приближаясь и отдаляясь от ударной волны, также меняющейся периодически. В работе [37) также показана неустойчивость стационарного решения при переходе через скорость звука за фронтом одномерной волны детонации, когда учитываются прямая и обратная реакции. Рассмотрим, следуя работе [21), слой газа между фронтом ударной волны и отстоящим от него фронтом горения, за кото- 245 рым,находятся горячие продукты реакции.
При достаточной ширине такого слоя вблизи пределов детонации вдоль него может распространяться детонационная волна, которую называют поперечной детонациоиной волной, Наличие поперечной (вращательной) составляющей скорости у фронта детонационной волны приводит к тому, что нормальная скорость фронта выше среднего значения скорости распространения головной волны вдоль осн х. Увеличение скорости поперечной волны, распространяющейся по предварительно сжатому головной волной газу, приводит к значительному увеличению температуры и давления за фронтом по сравнению с плоской детонационной волной Чепмена — Жуге. Это делает возможным распространение детонации в смесях, в которых самоподдерживающаяся плоская детонация невозможна.
Прн самоподдерживающемся распространении поперечной детонационной волны направление фронта перпендикулярно входящим в него траекториям частиц газа и за фронтом должно выполняться условие Чепмеиа — Жуге. Структура течения в окрестности излома головной волны в двумерной плоской постановке изображена на рис, 4.34,а,б. Система координат (рис.
4.34) свя- Рис. 4.34 вана с поперечной волной. Тонкими линиями со стрелками показаны траектории частиц газа. Состояние 1 сжатого головной волной газа перед поперечной детоиационной волной однозначно определяется начальным состоянием О (при заданных нормальной шз„и касательной шз, скоростях газа).
Схема, изображенная на рис. 4.34,а, аналогична схеме детонации слоя в среде с достаточно малой скоростью звука. За поперечной детонационной волной происходит расширение продуктов детонации (область б), От краев детонационного фронта внутрь областей О и б распространяются косые ударные волны (косые скачки), отклоняющие ли- нии тока на угол ЛОО.' ЛО„= — агс(ц ( — '" 16<РО) +<у;;, мм р~ =Р>+ Ргп)ь (1 — — "), ым= ыу51п фу, =УМ/~) аы (4.192) (4.193) (4.
194) где индекс 1 относится к состоянию за косым скачком, 1 — к состоянию перед ним, ~рп — угол между скачком и входящими в него линиями тока, функция ) определяется свойствами соответствующей поверхности разрыва. Для рассматриваемой схемы а волна ВАм распространяющаяся по газу в состоянии О, должна быть сильной детонационной волной, если скорость потока в области «О» в проекции на нормаль к волне ВАз больше скорости детонации Чепмена — Жуге. На контактных поверхностях ВВ, и СС~ ставятся условия равенства давлений и углов поворота потока: р;= р, О;=О,', (4.195) где штрихами обозначены параметры течения по другую сторону контактного разрыва. Когда взаимное влияние волн разрежения на краях поперечного детонационного фронта отсутствует (или малб н им можно пренебречь), эти волны можно считать центрированными волнами и для политропного газа в малой окрестности точек В и С использовать соотношения для простых волн в двумерном стационарном потоке: т — ! 2т / т+1 (л~ О,— О»= ~~ — 'агссоз~ — ~ l Р' 7 — 1 Г 1 Р~ где 1=2,7; й= 5, При наличии двух решений системы (4.192) — (4.196) выбирается решение, соответствующее сверхзвуковой скорости течения в области 2, исключающее влияние волн разрежения и ослабление косого скачка ВА,.
При отсутствии решения у системы (4.192) — (4.196) конфигурация, изображенная на рис. 4.34,а, не имеет места. Физически это соответствует случаю, когда угол разлета продуктов детонации за поперечной детонационной волной относительно состояния 0 Оз' — О, оказывается больше возможного угла поворота потока в косом скачке. В этом случае образуется отсоединенная волна ААм показанная на рис. 4Л4,б. Эта волна возмущает головную ударную волну впереди поперечного детонационного фронта, образуя две тройные волновые конфигурации в точках А и В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
