Диссертация (786512), страница 7
Текст из файла (страница 7)
3.3б),43воспламенению горючей смеси за фронтом ударной волны, температура доходитдо 3700 К, (рис. 3.3в), с последующим снижением температуры до равновесногозначения 1950 К (рис. 3.3в).130012001100D - u, a, [ M / C ]100090080070060050040030020000.00050.001Xsi, [ M ](а)0.00150.002(б)(в)Рис. 3.3. Распределение параметров за УВ при различных числах Маха в смеси0.4 H 2 0.2O2 0.4 Ar +капли воды диаметром 10 мкм.
Масса капель равна массе газаu 0 0, p 0 =101325 Па, T0 =298.15 K. (а) - относительная скорость газа (сплошнаякривая) и скорость звука (пунктирная кривая) при числах Маха ударной волны3.2, 3.6, 4.0, 4.4, 4.8, 5.2; (б) – масса одиночной капли 1 – М=3.2; 2 – М=5.2; (в) 1,3– температура газа; 2, 4 – температура капли; 1, 2 – M= 3.2, 3,4 – M= 5.2Необходимо отметить, что существует минимальная скорость УВ, прикоторой происходит воспламенение газокапельной смеси с полным испарениемкапель, для данной смеси она составляет 1997 м/с, что соответствует M=5,02.44На рис.
3.4 приведены распределения параметров в стационарной ДВминимальной скорости при различных соотношениях M l / M V . Из графиков вчастности видно, что, не смотря на существенное уменьшение температуры, сувеличением массовой доли капель воды (рис. 3.4а), длина полного испарениякапель меняется слабо (рис.
3.4б). Это связано с существенным возрастаниемконцентрации паров воды в потоке (рис. 3.4в). Кривые 4 на рис. 3.4 соответствуютслучаю установления двухфазного равновесия.(а)(б)(в)Рис. 3.4. Распределение параметров в стационарной детонационной волне в смеси0.4 H 2 0.2O2 0.4 Ar + капли воды диаметром 10 мкм. ( u0 0, p 0 =101325 Па, T0=298.15 K). (а) – температура газа; (б) – масса частицы воды; (в) – мольные долиH 2 O , 1 – отношение массы воды к массе газа – 0, 2 – 0.1, 3 –1, 4 – 5Исследовалось влияние степени разбавления горючей смеси аргоном иотношения начальной массы капель воды к массе газа на значение минимальной45скорости ДВ.
Расчеты показывают, что кинетика испарения и механизмхимических превращений существенно влияют на значение минимальнойскорости детонации. Минимальная скорость детонации газокапельной смесисовпадает со скоростью детонации Чепмена-Жуге при близкой к нулю массовойдоле капель (рис. 3.5) и существенно отличается – при увеличении массовой доликапель (сплошные и пунктирные кривые, рис. 3.5).Рис. 3.5.
Зависимость минимальной скорости ДВ от отношения массы жидкости кмассе газа в исходной смеси. Двухфазный расчет (сплошная линия – каплидиаметром 10 мкм, штрих-пунктир – 20 мкм); равновесный расчет – пунктир.10 0.1H 2 0.05O2 0.85 Ar ; 2, 4 - 0.4 H 2 0.2O 2 0.4 Ar ; 3 - 0.6 H 2 0.3O2 0.1ArПунктирные кривые на рис. 3.5 соответствуют скорости детонации Чепмена– Жуге, найденной из системы (2.39-2.42) при предположении о полномиспаренииравновесия.капельТочкаводыиустановленииокончанияданныхсостояниякривыхтермодинамическогосоответствуетравенствутемпературы за ДВ температуре перед ДВ. При малых значениях диаметровкапель существует предельное значение массовой доли воды при которойсуществует минимальная скорость ДВ.
Так для смеси 0.1H 2 0.05O2 0.85 Ar +капли воды 10 мкм максимальное отношение M l / M V0.35 ,для смеси460.4 H 20.2O20.4 Ar + капли воды диаметром 10 мкм M l / M V7.5 . При диаметрахкапель порядка 100 мкм минимальная скорость ДВ существует при всехрассмотренных значениях M l / M V от 0 до 20. Например, на рис. 3.5 сплошнаякривая номер 2 соответствует каплям диаметром 10 мкм, а штрих-пунктирнаякривая - 4 – каплям диаметром 20 мкм, минимальная скорость ДВ для капельбольшего диаметра выше, чем для меньшего, причем предельное значение M l / M Vнайти не удалось.
Необходимо отметить, что данный факт крайне важен припостроении систем подавления детонации. Минимальную скорость детонацииможнорассматриватькакпредельнуюккоторойстремитсяскоростьнестационарной ДВ в газокапельной смеси, т.е. газодинамика процесса такова,что образовавшаяся в результате произвольного процесса пересжатая ДВ вканале, ослабевая, выходит на режим распространения с минимальной скоростьюДВ, после чего распространяется, не меняя своих параметров. Отсутствиеминимальной скорости детонации свидетельствует о том, что ДВ будетослабевать до тех пор, пока не перейдет в звуковую волну. Таким образом,впрыск капель воды малого диаметра в достаточном количестве приводит кзатуханию ДВ в каналах, а большого диаметра - нет.3.1.2 Смесь водорода с воздухомРассматривается стехиометрическая водородо-воздушная горючая смесь сдобавлением капель воды в предположении, что капли воды полностьюиспарились и достигнуто состояние термодинамического равновесия.
Продуктысгорания моделировались девятью компонентами: H2, OH, H2O, O2, H2O2, H2O, N2,H, O. Изучалось влияние на значения параметров в точках Чепмена-Жугедетонации и дефлаграции отношения массы капель воды к массе водородовоздушной смеси ( mH 2O / mТ ) в начальном составе.4722500U, м/c; a, м/cD, м/с; T, K; p*10-3 Па;300012000315006541000500000.20.40.60.81mH 2O / mТРис. 3.6. Зависимость параметров течения в точке Чепмена-Жуге в зависимости ототношения масс воды и газовой смеси (1 – Скорость ДВ Чепмена-Жуге, 2 –температура, 3 – давление (*0.001), 4 – скорость потока, 5 – равновесная скоростьзвука, 6 – замороженная скорость звука)Добавление капель воды приводит к уменьшению скорости детонацииЧепмена-Жуге (кривая 1) и температуры (кривая 2).
При равенстве масс воды иводородо-воздушной смеси температура продуктов сгорания в точке ЧепменаЖуге уменьшается более чем в 3 раза по сравнению с чисто газофазной горючейсмесью. При mH 2O / mТ0.3 продукты сгорания практически полностью состоят изпаров воды и азота (рис. 3.7).На рисунках 3.8 и 3.9 приведены аналогичные графики для точки ЧепменаЖуге дефлаграции. Скорость волны дефлаграции увеличивается с ростомmH 2O / mТ(кривая 1, рис 3.8), температура в волне дефлаграции существенно ниже,чем в волне детонации при малом количестве впрыскиваемой воды.48H2ON210,моль/кгi1H2H0.1O20OH0.20.4mH 2O0.6/ mТ0.81Рис. 3.7.
Зависимость мольно-массовых концентраций компонентов в точкеЧепмена-Жуге детонации в зависимости от отношения массы воды к воздуху6000U, м/c; a, м/cD*102, м/с; T, K; p*10-1 Па;7000150003400030002000264, 51000000.10.20.30.40.50.60.70.80.91mH 2O / mТРис. 3.8. Зависимость параметров течения в точке Чепмена-Жуге дефлаграции взависимости от отношения массы воды 1к воздуху (1 – Начальная скорость потокаЧепмена-Жуге (*100), 2 – температура, 3 – давление (*0.1), 4 – скорость потока, 5– равновесная скорость звука, 6 – замороженная скорость звука)49H2O10N21,моль/кгi0.1O2H0.010H2OH0.10.20.30.40.50.60.70.80.91mH 2O / mТРис.
3.9. Зависимость мольно-массовых концентраций компонентов в точкеЧепмена-Жуге дефлаграции в зависимости от отношения массы воды к воздуху1Были рассчитаны равновесные адиабаты газофазных продуктов сгоранияводородо-воздушной смеси с добавлением капель воды. На рисунках 3.10-3.12представлены зависимости давления, температуры и концентрации паров воды,соответственно, вдоль равновесных адиабат.1e+0075P, Па1e+0061410000061000030.11210V , м 3 / кгРис. 3.10.
Зависимость1 давления от удельного объема при различныхотношениях массы капель к массе топлива (1 – 0; 2 – 0.1; 3 – 0.5; 4 -1.0). Линии 5и 6 соединяют точки Чепмена-Жуге детонации и дефлаграции505500500045004000T, K35003000125005200026150010003500400.1110V , м 3 / кгРис. 3.11. Зависимость температуры от удельного объема при различныхотношениях массы капель к массе топлива (1 – 0; 2 – 0.1; 3 – 0.5; 4 -1.0).
Линии 5и 6 соединяют точки Чепмена-Жуге1 детонации и дефлаграции,моль/кг35430325i520621511050.11V , м 3 / кг10Рис. 3.12. Зависимость мольно-массовой концентрации паров воды вдольравновесной адиабаты от удельного объема при различных отношениях массыкапель к массе топлива (1 – 0; 2 – 0.1; 3 – 0.5; 4 -1). Линии 5 и 6 соединяют точки1Чепмена-Жуге детонации и дефлаграцииБылипроведенырасчетыдетонациистехиометрическойводородо-воздушной горючей смеси с добавлением капель воды в многофазной51неравновесной постановке при стандартных условиях ( p 1 атм. , T 298.15K ).Учитывались неравновесный процесс испарения капель воды и газофазныехимические реакции (решалась система (2.26-2.34)).
Варьировались массовая долякапель воды и начальный диаметр капель. Типичные распределения параметровтечения в детонационной волне представлены на рисунках 3.13 – 3.16.Температура за ударной волной (рис.3.13) составляет около 1500 К, чтосущественно превышает температуру самовоспламенения водородо-воздушнойгорючей смеси, инициируется протекание экзотермических реакций (табл.
3.1) нанекотором расстоянии от ударной волны происходит самовоспламенение горючейсмеси и температура поднимается до ~2900K, при этом давление (рис.3.14) искорость (рис. 3.15) газа уменьшаются, концентрация паров воды в смесивозрастает (рис. 3.16).Данная картина течения полностью соответствует структуре детонационнойволны в случае отсутствия капель воды (кривая 1 рис. 3.13-3.16), так как каплиещенеуспелииспаритьсяиоказываютслабоевлияниенапроцесссамовоспламенения. Далее наблюдается влияние капель на структуру течения,которое сопровождается даже нагревом газа в случае значительных массовыхдолей капель (кривые 4, 5 рис.
3.13). На расстоянии 2-5 см от фронта ударнойволны капли начинают активно испаряться, что приводит к увеличениюсодержания паров воды в составе продуктов сгорания (рис. 3.16), к снижениютемпературы (рис. 3.13) и росту давления (рис. 3.14) и скорости (рис. 3.15) потока.В представленных на рисунках вариантах зона активного протекания процессаиспарения составляет от 10 см до 1 м.524000T, K35003000125002320004150010005001e-005 0.000150.0010.010.11,мРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
