И.Н. Зверев, Н.Н. Смирнов - Газодинамика горения (1161628), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Модель спиновой детонации в неперемешанных двухфазных системах рассмотрена в [55 — 58]. В работе [56] исследовано влияние вращающейся поперечной волны на головную ударную волну. Результаты расчета изменения профиля давления за фронтом спинозой детонации вблизи поверхности трубы [58] хорошо согласуются с экспериментальными данными [23].
В работах [6, 64, 65, 79] исследованы распространение и условия инициирования гетерогенной детонации в газокапельной среде в предположении, что определяющую роль в зоне реакции детонационной волны при достаточно быстрых химических реакциях играет процесс деформации и распада первоначальных капель за головной ударной волной. При расчете критических явлений в гетерогенной детонации вблизи минимума скорости волны учитывается влияние увеличения времени индукции химических реакций.
Псевдонедосжатая (слабая) детонация в распылах рассмотрена в [66]. Условия стационарного распространения одномерной плоской детонации в гетерогенных системах, когда горючее присутствует в конденсированной фазе, исследованы в работах [48, 68 — 70]. Проведено приближенное рассмотрение химической кинетики н механизма реакции [43, 48, 67, 69].
Исследование распространения горения в многофазных средах, состоящих из газообразного окислителя, газообразного топлива и конденсированных горючих частиц, проведено в [71, 72]. Показано существование режимов с несколькими следующими друг за другом фронтами горения и детонационных илн ударных воли. Теоретическое исследование и расчеты горения угольной пыли в смеси с ацетиленом н воздухом с учетом детального многоступенчатого механизма горения угольных частиц проведены в [71, 73], й 5.З. СТРУКТУРА ДЕТОНАЦИИ В НЕПЕРЕМЕШАННЫХ ДВУХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ Двухфазная детонация в неперемешанных системах, как показали эксперименты [8 — 11, 18 — 23], существенно отличается от гомогенной детонации.
Во-первых, горючее н окислитель находятся в разных фазах и заранее не перемешаны, и за головной ударной волной происходит не только сжигание горючей смеси, но и процесс смесеобразования, Протяженность зоны химической реакции существенно больше, чем прн гомогенной детонации, и обычно превосходит диаметр трубы.
Во-вторых, задача неодномерна (в системах «газ — пленка» энерговыделение происходит вблизи стенок, а не во всем поперечном сечении трубы). В-третьих, задача нестацнонарна (за головной ударной волной возникают вторичные ударные волны, которые распростра- 203 няются по потоку и периодически изменяют интенсивность головной волны). Рассмотрим возникновение и развитие детонации в трубе, заполненной покояшимся газообразным окислителем, который может содержать взвешенные частицы горючего.
Внутренняя поверхность трубы также полностью или частично покрыта слоем горючего. Детонация инициируется плоской ударной волной, распространяющейся по окислителю вдоль оси трубы. Головная ударная волна сжимает и разогревает газообразный окислитель до такой степени, что в результате теплоотдачи от потока газа слою и каплям горючее начинает испаряться, образуя вблизи поверхнести раздела фаз смесь с окислителем, способную гореть. Горение начинается па некотором расстоянии за головной ударной волной, характеризуемом временем задержки воспламенения, которое определяется временем, необходимым для образования горючей смеси, и периодом индукции химической реакции.
При горении теплоотдача слою и каплям горючего возрастает, что ведет к значительной интенсификации процесса испарения. В результате взаимодействия капель горючего н поверхности пристеночного слоя с потоком ударно-сжатого газа на некотором расстоянии за ударной волной на поверхности раздела фаз развиваются возмушения. Происходит срыв капель с гребней волн, дробление и интенсивное перемешивание с окислителем. В результате этого на некотором расстоянии 1 (1- 10 см) за головной ударной волной образуется зона возможной детонации Я, Эта зона содержит несгоревшую смесь, удовлетворяющую условиям по концентрационным пределам и критической толщине [74], необходимым для распространения детонации в газовых смесях.
Таким образом, внутри структуры гетерогенной детонации создаются условии для распространения детонацнонной волны. Образование зоны У при детонации в системах «газ — пленка» в случае тонких пленок проиллюстрировано на рис. 5.7. Ближайшую к головной ударной волне границу зоны возможной Рис. 6.7 детонации назовем передней кромкой зоны возможной детонации. Горение в пограничном слое порождает слабые волны сжатия, распространяющиеся вверх и вниз по потоку. Возникновение детонации обусловлено тем, что, в результате случайных неоднородностей, волны сжатия, взаимодействуя друг с другом и отражаясь от стенок трубы, создают локальные области повышенного давления и температуры, достаточные для инициирования детонации в зоне У .
Время и место первого возникновения детонации в зоне Я' носит случайный характер, но само появление детонации предопределено развитием процесса. 264 Возникающая в зоне У детонация осуществляет сжигание части горючей смеси (частично смесь сгорает в пограничном слое между головной волной и зоной ~).
Детопационная волна в зоне У не достигает головной ударной волны, а на границе зоны возможной детонации вырождается во вторичную ударную волну (зона У не примыкает к головной ударной волне). Вторичные ударные волны догоняют головную ударную волну н являются механизмом, передающим энергию головной ударной волне.. В результате взаимодействия вторичной и головной ударных волн интенсивность головной волны скачком увеличивается, а затем следующее за фронтом вторичной волны разрежение постепенно ослабляет интенсивность головной ударной волны.
Таким образом, детонация в двухфазной системе представляет собой комплекс, содержащий головную ударную волну, протяженную зону реакции с испарением и горением топлива, детонацию в зоне У и вторичные ударные волны. В зависимости от формы поперечного сечения трубы и свойств неперемешанной гетерогенной системы возможны различные случаи распространения детонационной волны в зоне У, При квадратном поперечном сечении трубы, когда слой горючего нанесен на одну или две противоположные стенки, детонация в зоне У возникает периодически. Механизмом инициирования последующей детонации служат вторичные ударные волны, отраженные от противоположной стенки трубы или возникшие на ней [52).
Распространение гетерогенной детонации носит вынужденный пульсирующий характер [14.) При круглом поперечном сечении трубы с нанесенным по всему периметру слоем горючего. возможно непрерывное распространение детонационной волны в зоне У по спирали в пристеночном пограничном слое (спиновая детонация в неперемешанных системах [15, 56, 57)). Наличие вращательной составляющей скорости детонационной волны в зоне У объясняется тем, что скорость этой волны в продольном направлении дозвуковая, так как ограничена скоростью образования зоны У, равной скорости головной волны относительно газа за ней.
Таким образом, характер распространения детонационной волны в зоне У и вызываемых ею вторичных ударных волн определяет два различных предельных режима распространения детонации в неперемешанных двухфазных системах: пульсирующий режим и спиновый. Рассмотрим пульсирующий режим.
В трубах прямоугольногд поперечного сечения, когда одна из стенок (нижняя) покрыта слоем горючего, возникшая в результате детонации в зоне У вторичная ударная волна (см. схему на рис. 5.8, а, б), распространяясь в окислителе, достигает противоположной (верхней) стенки, отражается от нее (рис. 5.8,в) и падает на нижнюю стенку. За это время головная ударная волна перемещается вперед на расстояние хм и вблизи смоченной горючим стенки трубы образуется новая зона возможной детонации У (рис. 5.8,г), кото- 266 рая расположена между головной ударной волной и зоной Ф продуктов детонации от предыдущего взрыва.
Детонация во вновь образованной зоне У возникает, если падающая на нее отраженная вторичная волна обладает интенсивностью, большей некоторой минимальной, необходимой для инициирования дето- Рис. 5.8 нации. Новый взрыв порождает новую вторичную волну (рис. 5.8,д), которая после отражения от верхней стенки падает иа нижнюю и инициирует взрыв во вновь приготовленной зоне .У, Таким образом„процесс образования вторичных волн носит" вынужденный периодический характер. При наличии в ядре потока предварительно перемешанного диспергированного горючего, зона У может занимать ббльшую часть сечения трубы.
В атом случае картина течения ближе к одномерной, распространение вторичных волн происходит в основном вдоль оси трубы (3, 4, 50). Вторичные ударные волны догоняют головную ударную волну, периодически взаимодействуя с ней. Время между двумя последовательными взаимодействиями вторичных н головной ударных волн определяет период пульсирующей гетерогенной детонации (гв). На рис. 5.9,а представлена схема распространения вторичных и головной ударных волн при самоподдерживающейся пульсирующей детонации.
Система координат (х, () неподвижна, на- правление оси х совпадает с осью трубы. Двумя пунктирными линиями ограничена область потока в окрестности места возникновения вторичных ударных волн, где течение существенно неодномерно. На рис. 5.9,б, в приведены фоторегистрограммы пульсирующей детонации с разверткой по времени, на которых за головной волной отчетливо видны пернодические темные наклонные линии, отвечающие траекториям вторичных ударных волн ~191. х и В случае, когда горючее на- '; '' чна' ' Рячаяа несено на две противоположные стенки трубы, возможны дверазl ьэ Ф личные схемы инициирования х локальных взрывов.
При первой х х н Ча чнаЯ схеме возникновение взрывов х яиаРач вблизи нижней н верхней стенок происходит поочередно в «шах- Рис в.в матном» порядке. Взрыв на нижней стенке порождает вторичную волну, которая, достигая верхней стенки, инициирует детонацию в образовавшейся там зоне У. При второй схеме взрывы на нижней и верхней стенках происходят одновременно. Образовавшиеся при этом вторичные волны вызывают одновременные 267 взрывы при своем падении на противоположные стенки. К первой схеме приводят случаи, когда первое (случайное) инициирование происходит на одной из стенок, ко второй схеме — когда первое случайное инициирование происходит независимо на обеих стенках почти одновременно.
Возможность существования "таких двух схем инициирования подтверждается экспериментально [9[. Рассмотрим случай, когда имеет место спиновая детонация в неперемешанных двухфазных системах. В трубах с круглым поперечным сечением, вся внутренняя поверхность которых покрыта слоем горючего, зона возможной детонации йг расположена .по всему периметру трубы на некотором расстоянии от головной ударной волны. Детонационная волна в зоне У распространяется по спирали. При самоподдерживающемся режиме распространения детопационная волна в зоне Я имеет продольную состав-' ляющую скорости, равную скорости головной волны.
Эта скорость дозвуковая относительно газа за головной ударной волной. Вне зоны возможной детонации вращающийся детонационный фронт вырождается во вторичную ударную волну, которая взаимодействует с головной ударной волной. В результате взаимодействия на головной волне появляется излом, вращающийся вместе со вторичной волной. Картина течения вблизи поверхности трубы в системе коор.динат (х, й) представлена на рис. 5.10. Система координат ориентирована так, что ось х направлена по образующей трубы, а .г — нормальная к образующим криволинейная ось координат (охватывает цилиндр по периметру).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
