И.Н. Зверев, Н.Н. Смирнов - Газодинамика горения (1161628), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Эти эффекты проявляются как неустойчивость и приводят к многофронтовой картине зоны горения. Было показано также, что аналогичная неустойчивость и последующая многофронтовая структура возникают при локальном возмущении констант а и Е, входящих в уравнение кинетики, что может моделировать наличие неоднородностей в концентрациях компонентов смеси. Расчеты показали [60, 70, 75 — 77[, что после некоторого переходного периода в первоначальном плоском течении образуются неодномерные пульсации, изломы головного фронта ударной волны и формируется структура, которая является результатом взаимодействия продольных (одпомерных) колебаний [26— 28) с поперечными двумерными волнами. Флуктуации скорости фронта головной волны достигали 60 — 80а7з, но в среднем скорость распространения детонации совпадала со скоростью Чепмена — Жуге [75[.
Расчетные траектории точек разветвления головной волны [70,75[ качественно совпадают с экспериментальной картиной ячеистой детонации (рис. 4.33). Численное моделирование возникновения спиновой детонации в трехмерной постановке рассмотрено в работе [78). ГЛАВА М ГОРЕНИЕ И ДЕТОНАЦИЯ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕДАХ $ ЗЛ. ВВЕДЕНИЕ В данной главе будут рассмотрены задачи распространения гоРения и детонации в гетерогенных системах, содержащих окислитель в газообразной фазе н горючее в конденсированной фазе в виде диспергированных частиц в потоке окислителя или тонкой пленки на стенках канала. Такие гетерогенные системы возникают при горении капель жидкого топлива в прямоточном воздушно-реактивном и ракетном двигателях, при сжигании пылевндного топлива в топочных камерах современных парогенераторов 11], при распространении пламени при пожарах в запыленной атмосфере, содержащей мелкие частицы горючего.
При эксплуатации больших жидкостных реактивных двигателей возникла серьезная проблема нестабильности горения [2]. В большинстве случаев эта нестабильность рассматривалась как следствие акустических возмущений, однако специальные экспериментальные исследования ]2, 3] показали, что основную роль в нестабильности горения двухфазных газокапельных и газопленочных систем играют сильные волны детонационного типа. В двигателях обнаружены ударные волны, вращающиеся вблизи стенки]2]. Перечисленные задачи привели к развитию теории горения гетерогенных систем. Стало известно, что горение рассматриваемых систем может переходить в устойчивую детонацию.
Самоподдерживающаяся детонация в системах с каплями жидкого горючего экспериментально исследовалась в работах 13 — 5] и теоретически в работах 14 — 6, 64]. Самоподдерживающаяся детонация в неперемешанных гетерогенных системах, когда горючее в жидкой фазе находится в виде тонкой пленки на стенках трубы, заполненной газообразным окислителем„была впервые экспериментально обнаружена в 1952 г. 17].
Были проведены исследования ]8 — 14, 18 — 20] и предложена неодномерная нестационарпая модель детонации в предварительно неперемешанных системах типа «газ — пленка», содержащая вторичные ударные волны, вызывающие периодические пульсации переднего фронта детонации. В 1975 г. впервые экспериментально было установлено существование спиновой детонации в предварительно неперемешанных гетерогенных системах «воздух — керосин» и определены ее основные хара ктерис тики ]15] . Экспериментально распространение самоподдерживающихся детонационных волн обнаружено в гетерогенных системах жидко- 254 сти с пузырьками газа, когда горючее в жидкой фазе, а окислитель — газообразный, а также когда жидкость инертна, а пузырьки содержат горючую смесь газов [16].
Интерес к гетерогенной детонации рассматриваемых типов с точки зрения взрывоопасности обусловлен возрастанием за последние десятилетия промышленного производства и потребления окислителей. На практике при транспортировке газообразных окислителей, при работе компрессорных или сверхзвуковых аэродинамических установок различные горючие примеси, находящиеся в потоке (как правило, жидкие смазочные масла), осаждаются на стенках труб, образуя с течением времени взрывоопасные гетерогенные системы. Специфика таких систем заключается в том, что при средней по сечению массовой концентрации горючего, меньшей нижнего концентрационного предела гомогенной детонации, гетерогенная детонация возможна и распространяется в устойчивом самоподдерживающемся режиме.
Интерес к гетерогенной детонации с точки зрения практического применения обусловлен возможностью использования этого явления в установках импульсного действия, предназначенных, например, для бурения грунтов [17]. В данной главе дается краткий обзор некоторых исследований гетерогенной детонации и излагаются простые физические и математические модели. й ЗЗЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ДВУХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ В 1952 г.
Луазон [7] проводил эксперименты в трубе диаметром 250 мм и длиной 100 м с тонким слоем горючего на внутренней поверхности. При начальном давлении воздуха 7 атм у одного из концов трубы генерировалась ударная волна, распространяющаяся вдоль ее оси. При толщинах слоя горючего на стенках, меньших 0,1 мм, ударная волна затухала, а при толщинах слоя горючего 0,2ьз0,3 мм ударная волна ускорялась.
Таким образом, было отмечено ускорение ударной волны в трубе, заполненной воздухом, с тонким слоем горючего на стенках, т. е. впервые наблюдалось развитие детонации в неперемешанных двухфазных системах. Экспериментальные исследования детонации в неперемешанных двухфазных системах изложены в работах [8 — 11, 18 — 23]. Опыты проводились в трубах с круглыми и квадратными поперечными сечениями. Внутренний поперечный размер трубы варьировался от 5 мм до 69 мм. В качестве окислителя использовались воздух; воздух, обогащенный кислородом; чистый кислород. Горючим служили тяжелые углеводороды, различные жидкие смазочные масла, сажа. В трубах с квадратным поперечным сечением горючее наносилось на одну, две стенки трубы или на всю внутреннюю поверхность.
Толщина пленки горючего имела порядок 100 микрон, Начальное давление в окислителе варьиро- валось от 0,5 до 2 атм. В работах [3, 4] исследовалась детонация с каплями размером от 200 до 2000 микрон. Для инипиирования детонации у одного из концов трубы создавалась ударная волна, которая распространялась по покоящемуся газообразному окислителю.
При распространении вдоль оси трубы на начальном участке наблюдалось ускорение головной ударной волны. Затем скорость ударной волны оставалась в среднем постоянной, испытывая периодические пульсации [8 — 11, 18 — 23]. Детонацию в системах с каплями [3, 4] удалось получить только для случая, когда в качестве окислителя использовался чистый кислород. При различных комбинациях горючего и окислителя в работах [3, 4, 8 — 11, 15, 18 — 23] в зависимости от условий эксперимента были получены постоянные в зоне от 900 м/с до 2200 м1с. Мгновенные шлирен-фотографии детонации в трубе над слоем жидкого горючего, представленные в работах [9, 10, 20], показывают сложную, существенно неодномерную, нестационарную структуру течения за головной ударной волной (см.
схему на рис. 5.1 н шлпрен-фотографии, представленные на рис. 5.2). На рис.5.1 схематично нзображены фазы распространения гетерогенной детонации в трубе квадратного поперечного сечения 41,5 ммХ Х 41,5 мм, одна стенка которой (ннжРнс. зл няя) покрыта слоем диэтилцнклогек- сана [!О]. Зона течения за головной ударной волной содержит поверхности сильного разрыва (темные дугообразные линни на рнс. 5.1). Эти ударные волны (вторнчные) возникают в результате локальных взрывов, происходящих около стенки трубы, смоченной горючим, на расстоянии 10 — 25 см за головной ударной волной [10, 19].
Распространяясь по потоку, вторичная ударная волна отражается от противоположной стенки трубы, догоняет головную волну и взаимодействует с ней. Прн этом фронт головной ударной волны слабо искривляется, оставаясь практически нормальным к оси трубы. В случае, когда горючим смочены две противоположные стенки трубы, картина течения еще более осложняется (см. рис.
5,2) за счет того, что вторичные волны возникают как на верхней, так и на нижней стенке. Локальные взрывы вблизи стенок трубы происходят периодически. В трубе квадратного сечения 20 ммХ Х20 мм с двумя смоченными горючим стенками время между двумя последовательными локальными взрывами составляло 55 мкс [20]. Периодические вторичные ударные волны наблюда- лись также при распространенна детонации в системах «газообразный окислитель — капли жидкого горючего» [3, 4, 50). На некотором расстоянии от головной ударной волны образуется зона горения [на рис.
5.1, 5.2 — темная зона вблизи стенок, покрытых горючим). Ширина зоны горения увеличивается по мере удаления от головной волны. Исследования зоны горения и условий воспламенения показали [1О, 11, 24, 29), что расстояние, на котором начинается горение за ударным фронтом, определяется временем задержки воспламенения, которое изменяется в диапазоне от 7 до 200 мкс в зависимости от физико-химических свойств горючего и окислителя и от интенсивности головной ударной волны.
В работе [10] приведена шлирен-фотография гетерогенной детонации с разверткой по времени (рис. 5.3), яа которой виден момент взаимодействия одной из вторичных ударных волн с головной волной. В момент взаимодействия скорость головной волны увеличивается, а затем постепенно уменьшается. В трубах круглого поперечного сечения, когда вся внутренняя поверхность покрыта слоем горючего, возможно возникновение спиновой гетерогенной детонации [12, 15), Эксперименты [15, 22, 23), проводившиеся в трубах диаметром ц'=27,50 и 69 мм, пока- 257 залп наличие вблизи стенок трубы сильного вращающегося поперечного возмущения и вращающегося излома головной ударной волны. Фотографии зоны детонации по методу полной компенсации приведены на рис.
5.4, 5.5. Чередующиеся светлые наклонные полосы, примыкающие к головному фронту, представляют поперечную волну, последовательно появляющуюся перед объективом после каждого оборота. Менее яркие полосы соответствуют случаю, ... -,,+-.-.;-;,,м,...-.-~'. , когда поперечная волна нахо'Ф~мйй!~$::.: '::::::": ' 'с: — '!' днтся у противоположной стенки трубы. На рнс. 5Х при- Рис, 5.3 ведена поперечная фотораз- Рис. 5.4 вертка гетерогенной спиновой детонации в трубах диаметром 50 мм. Картина, изображенная на рис. 5.6, аналогична структуре послесвечения гомогенной спиновой детонации (см. рис. 4.30), Вращение при гетерогенной спиновой детонации регистрируется следовым методом (по наличию спирального следа на внутренней поверхности).
258 Различная интенсивность свечения вблизи головной ударной волны (рис. 5.4 — 5.6) (сама ударная волна на фотографии не регистрируется) позволяет установить, что интенсивность головной ударной волны после взаимодействия с поперечной волной увеличивается, а затем постепенно уменьшается за время, пока поперечная волна совершает полный оборот. Спиновый характер гетеро- Рис, 5.5 Рис. 5.5 генной детонации в предварительно не перемешанных системах подтверждается измерениями поля давления на стенке трубы (23), Другим случаем гетерогенной детонации в предварительно не перемешанных системах является случай распространения детонации в жесткой пористой среде, состоящей из инертных частиц, поверхность которых смочена пленкой жидкого горючего, а объем пор заполнен газообразным окислителем.
В работе (25) проведено исследование гетерогенной детонации в пористых системах с гранулами кварцевого песка размером 150 †: 500 мкм, покрытыми тонкой пленкой жидкого гексадекана. Объемное содержание горючего а изменялось от 0.5 до 167с, В качестве окислителя использовался чистый кислород при начальном давлении рс от 2 до 60 атм. В опытах зафиксировано, что процесс на расстоянии 3 †: 5 см от места инициирования выходит на устойчивый самоподдерживающийся режим со скоростью распространения, большей скорости звука в газе. Скорость детонации изменялась от 400 до 1050 м(с в зависимости от рс и а.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
