Экспериментальное исследование условий возникновения детонации при инициировании струей продуктов горения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

<$> РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ^ "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"

Институт Прикладной Химической Физики

/

На правах рукописи

БЕЗМЕЛЬНИЦЫН Андрей Валерьевич

УДК 536.46

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ ПРИ ИНИЦИРОВАНИИ СТРУЕЙ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ

01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена в Институте Прикладной Химической Физики Российского Научного Центра "Курчатовский Институт"

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Дорофеев С.Б.

Институт Прикладной Химической Физики РНЦ "Курчатовский Институт"

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Горев В. А.

Московский Государственный Строительный Университет

кандидат физико-математических наук Зарецкий Н. П.

РНЦ "Курчатовский Институт"

Ведущая организация: Институт Химической Физики Российской Академии Наук

Защита состоится: _1998 г.

в . ОО на заседании Специализированного совета по химической физике Д.034.04.05 при Российском Научном Центре "Курчатовский Институт" по адресу: 123182, Москва, пл. И. В. Курчатова, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский Институт".

Автореферат разослан: "/¿1 " М/г^_1998 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

доктор химических наук

-J-

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время большое количество горючих газов фанятся, транспортируются и используются как источник энергии. При этом водород рассматривается в качестве герспективного энергоносителя. На различных стадиях 'ехнологического цикла возможно как плановые, так и жарийные выбросы водорода в атмосферу, скопление его в юмещениях и т. п. Выделение водорода так же возможно при птатной эксплуатации и в аварийных ситуациях на атомных электростанциях. Авария с выделением и взрывом водорода юд защитной оболочкой реактора на американской атомной электростанции Three-Mile Island в 1979 году представляет ¡обой характерный пример возможной аварийной ситуации. )тот аварийный случай дал толчок началу детальных 1сследований по водородной безопасности в атомной энергетике.

Плановое образование и горение топливовоздушных эмесей не представляет особого интереса с точки зрения эезопасности, так как эти процессы происходят при >егламентированных технологических условиях. В то же фемя некоторые специфичные физические свойства водорода, •акие как: летучесть, отсутствие цвета и запаха, широкие гределы воспламенения накладывают определенные условия [а правила техники безопасности и требуют максимально •очной оценки последствий аварийных ситуаций.

При аварийном выбросе водорода наиболее вероятен следующий порядок развития событий: 1) - выброс водорода, !) - образование смеси водорода с воздухом, способной к юспламенению и горению, 3) - горение водородовоздушной меси. Каждый из пунктов представляет собой очень сложный физический процесс и требует отдельного тщательного ^следования. При аварийной ситуации конвекция и гскусственная вентиляция внутри помещений может ущественно ускорить процесс образования облака опливовоздушной смеси и увеличить его размеры. Если в [роцессе аварии образуется достаточное количество водорода и фоисходит воспламенение водородовоздушной смеси, то в (альнейшем возможны несколько режимов распространения гламени: а) медленное горение, б) быстрое турбулентное орение и в) переход горения в детонацию. В большинстве лучаев медленное горение характеризуется низкой [Мплитудой волн давления и практически не представляет ■обой опасность для помещений, защитных оболочек АЭС и

оборудования. Другие режимы - быстрое турбулентное гореш и детонация образуют волны давления высокой амплитуд! Из всех вышеперечисленных режимов детонация считает« наиболее опасной. Спонтанное возникновение детонащ: возможно при процессе перехода горения в детонацию инициировании турбулентной струей продуктов горени: Впервые экспериментально возможность инициирован! детонации турбулентной струей продуктов горения бы; показано в работе [Knystautas R. et. al., Direct Initiation < Spherical Detonation by a Hot Turbulent Gas Jet, 1979], хот теоретическое обоснование возможности существования тако: процесса было предложено Зельдовичем Я. Б. с сотрудникам в работе "О возникновении детонации в неравномерг нагретом газе" в 1970 году.

В целом, несмотря на многочисленные исследованв "jet" - инициирования, многие вопросы оставали< открытыми. К началу экспериментальных рабе представленных в диссертации можно отметить недостатс систематических экспериментальных данных г инициированию. Существующие данные не позволял сформулировать критические условия инициирована детонации турбулентной струей. Эксперименты разделительной мембраной, которая исключает модификаци свойств исследуемой смеси были проведены только i высокочувствительных смесях в установках малого масштаб) Не было определено влияние стенок и препятстви ограничивающих объем смеси на критически услови инициирования.

Цель работы заключалась в экспериментально исследовании критических условий возникновения детонаци при инициировании топливовоздушной смеси турбулентно струей продуктов горения. Для получения недостающи данных по критическим условиям инициирования был выбраны эксперименты в объемах топливовоздушной смес различного масштаба, с различной степенью ограничена (замкнутый, полуограниченный и неограниченный обхе смеси), при начальном разделении мембраной инициируемо смеси и инициирующей "jet" - камеры.

Научная новизна 1. Проведены систематические крупномасштабнь:

экспериментальные исследования инициировани детонации турбулентной струей продуктов горени поперечным размером 0.076 - 1.1м в объемах от 0.15 р 215 м3 с разделительной разрушаемой мембраж»

Получено инициирование детонации турбулентной струей в смесях с содержанием 25 - 30 % водорода в воздухе.

2. Впервые проведены эксперименты по непосредственному сравнению условий инициирования детонации в замкнутом и неограниченном объемах при использовании одной и той же инициирующей струи. По результатам определено, что критические условия инициирования детонации в смесях H2-O2-PN2, C2H4-O2-PN2, Нг-воздух, находящиеся в объемах с различными граничными условиями, существенно различаются.

3. В работе показано существование двух существенно разных процессов: 1) непосредственное инициирование детонации турбулентной струей и 2) переход горения в детонацию на более поздней стадии при зажигании турбулентной струей. Предложена классификация экспериментальных результатов, позволяющая выделить характерные случаи инициирования и оценить критические условия.

4. Определены критические условия для прямого инициирования детонации струей продуктов горения в тошгавовоздушных смесях и проведено сравнение с теоретическими оценками критических условий спонтанного возникновения детонации в неоднородных смесях.

Научная и практическая ценность

Полученные результаты могут использоваться при моделировании аварийных ситуаций, а также дают возможность оценить степень взрывоопасности объекта в конкретных условиях.

Достоверность результатов обусловлена

использованием детальной инструментальной регистрации, скоростной киносъемки взрывных процессов, повторяемостью результатов и сравнением (где это возможно) с литературными данными.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

1. 14-th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, University of Coimbra, Coimbra, 1-6 Aug, 1993;

2. 15-th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Boulder, Colorado, 31 Jul-4 Aug,1995;

3. 16-th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Cracow, Poland, 3 - 8 Aug. 1997.

-б-

а так же на международных семинарах Forschungszentrum Karlsruhe, Germany 1994 - 96 гг.

Публикации

По теме диссертации опубликована 7 работ.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментального исследовани; критических условий инициирования детонации турбулентно] струей продуктов горения в топливовоздушных смесях;

- классификация экспериментальных результатов m критическим условиям инициирования детонацш турбулентной струей продуктов горения;

критерий оценки возможности прямо л инициирования сферической детонации турбулентной струе] продуктов горения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы двух глав, выводов, списка литературы из 107 названий Общий объем диссертации составляет 101 страница, в тог числе: 52 рисунка, 10 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении и обзоре литературы отмечаете! актуальность темы исследования, представлен обзор известны) к настоящему моменту литературных данных ш инициированию детонации турбулентной струей Рассматриваются основные вопросы взрывобезопасности возникающие при воспламенении топливовоздушных смесей, ] частности - водородовоздушных смесей. Формулируется цел: работы.

В первой главе описаны проведенные в работ! эксперименты по исследованию критических режимо] инициирования детонации при инициировании турбулентно! струей продуктов горения. Исследования проводились з смесях при различных начальных, с точки зрения степеш ограничения объема, условиях. Было проведено три с ерш экспериментов по инициированию детонации на установке "КОПЕР" и одна серия по непосредственному сравненик критических условий инициирования детонации на установке "M-JET".

В экспериментах первой серии исследовались критически* режимы возникновения детонации в водородовоздушны> смесях при инициировании турбулентной струей продуктоз горения в зависимости от поперечного размера струи, состав* продуктов горения и состава инициируемой смеси i полуограниченном объеме. Установка "КОПЕР" представляла

(

4 Вентип / п Каньсн Kau яторы Мембрв > ера 'JE"Г s

=400мм Köper 30%Н

Датчики положения . фронта пламени

Уровень земли

/

Датчики давления

а)

14 08j\ __.

20 2t

10 50 hr^ _^

20 78 TL, ____^

25 t (мс)

б)

Рис. 1 а) Схема установки "КОПЕР" в первой серии экспериментов. б) Х4 диаграмма распространения детонационной волны внутри экспериментального объема. Опыт К25. Датчики давления внутри экспериментального эбъема. Максимальное давление (бар) для каждого датчика дано справа от осцилограммы. Величина Н соответствует высоте расположения датчика давления от пола каньона установки.

зобой стальной каньон с форме куба со стороной 2.7 м, соединенный со стальной рамой размером 3.24x3.24x2.74 м. Каньон и закрытая полиэтиленовой пленкой рама составляли рабочий объем установки - 48 м3. Сечение балки рамы -3.24x0.24 м. В качестве первичной камеры в экспериментах зо инициированию использовалась камера "JET". Камера зредставляла собой стальной куб со стороной 0.8 м и отверстием в одной грани для установки сменных разрывных яембран. Зажигание смеси внутри камеры "JET" 1роизводилось искрой. Камера располагалась на дне каньона гак, что струя газов выходила в экспериментальный объем зертикально вверх по оси симметрии установки. В камере 'JET" использовались мембраны диаметром D = 100, 200, 300 I 400 мм (рис 1). Содержание водорода в водородовоздушной :меси составляло 18 - 30 % (здесь и далее имеются ввиду )бъемные проценты). В экспериментальном объеме установки засполагались датчики давления фирм Kistler и PCB, датчики юложения фронта пламени, перемешивающие вентиляторы. Средства оптической регистрации включали скоростные шнокамеры СКС-1М (до 4000 кадр/сек).

В первой серии экспериментов зарегистрированы 'урбулентное горение и инициирование детонации.

во второй серии oбъe^ более чем в три раза в полуцилиндре и: около 215 м3, чт<

Целью экспериментов во второй серии являлос; дальнейшее исследование режимов горения ВВС пр] увеличении размеров инициирующей струи до 1.1 м. Дл1 сохранения масштаба экспериментов инициируемой смеси был увеличен Инициируемая смесь находилась полиэтиленовой пленки объемом приближает условия инициирования к неограниченном; объему смеси. В серии использовалась инициирующая камер< объемом 17.3 м3. Струя продуктов горения распространялас) по оси полуцилиндра на высоте 1.4 м над поверхностью земли Схема установки представлена на рис. 2.

Струя продуктов горения распространялась по ос* полуцилиндра на высоте 1.4 м над поверхностью земли. Схем£ установки представлена на рис. 2. Процессы внутри полуцилиндра регистрировались датчиками давления положения фронта пламени и скоростной киносъемкой.

В опытах использовались водородовоздушные смеси < содержанием водорода 16.3-25.0%. Инициировашк детонации зарегистрировано в смеси с содержанием водород! 25.0 %.

Датчики положения фронта пламени (линия 3)

Jtj

¿0.57 ^

¿ааь

17 46 »27

t 09

254 №

1 97 ---" " ч

2 fl\ W "V '¿М.

а) б)

Рис. 2 а) Схема установки "КОПЕР" во второй серии экспериментов. Вид сверху, б) X-t диаграмма распространения ударной волны при инициировании детонации. Опыт су112. Датчики давления внутри полуцилиндра. Величина X соответствует положению датчика давления вдоль распространения струи от "jet" камеры. Максимальное давление (бар) для каждого датчика указано не осциллограмме.

В третьей серии экспериментов исследовалось влияния физических границ смеси на режимы горения ВВС при "jet" инициировании. В серии использовались камера "jet" из первой серии и полиэтиленовый полуцилиндр от второй серии экспериментов. Для изменения формы истекающей струи в некоторых опытах серии использовались насадки типа "пчелиные соты" и центральный диск, аналогичные использованным в работе [Moen I.O. et. al., Transition to Detonation in a Flame Jet, 1989]. В экспериментах использовались водородовоздушные смеси с содержанием водорода 28.5 - 29.5 %.

В экспериментах третьей серии зарегистрированы только процессы турбулентного горения без инициирования детонации.

Суммарные данные по результатам инициирования п неограниченном и полуограхшчешшм объемах пред ставлены и табл. 1. Анализ результатов представлен в главе 2.

cyt?3 линия 1

je(35%H2 D*400mm полуцилиндр 29 5%Н2

Рис. 3 а) Схема установки "КОПЕР" в третьей серии экспериментов. Боковой вид. б) X-t диаграмма распространения ударной волны в процессе турбулентного горения. Опыт су123. Датчики давления внутри полуцилиндра. Величина X соответствует положению датчика давления вдоль распространения струи от "jet" камеры. Максимальное давление (бар) для каждого датчика указано на осциллограмме.

Эксперименты на установке "M-JET" проводились для непосредственного сравнения критических условий инициирования топливовоздушных смесей в замкнутом и неограниченном объемах при использовании одной и той же инициирующей камеры. В данной серии исследовалось влияние жестких стенок, ограничивающих объем

Таблица 1. Критические условия инициирования ] неограниченном и полуограниченном объемах полученные ] 1-3 сериях экспериментов на установке "КОПЕР"._

D, мм X, мм БД Детонация Примеч.

100 15 7 -

400 55 7 - Полуограниченный объем

200 15 13 +

400 18 22 +

400 15 27 -

1100 30 37 - Неограниченный объем

1100 18 61 +

топливовоздушн. смеси на условия инициирования детонации,

Эксперименты по инициированию детонации ] ограниченном объеме проводились в стальной закрыто! камере диаметром 0.52 м и длиной 0.72 м. Размеры взрывши камеры и инициирующей "jet" - камеры были выбрань максимально соответствующими аналогичным частя» установки, описанной в работе [Carnasciali F. et. al., Turbulen Jet Initiation of Detonation, 1991]. Для экспериментов п< инициированию детонации в неограниченном объеме к той ж* самой "jet" - камере вертикально присоединяли полиэтиленовый мешок длиной 3.5 м и диаметром 1.5 г (рис. 4). Проведение экспериментов при вертикально! положении полиэтиленового мешка позволило исключит: влияние волн, отраженных от препятствий, системы подвеса i поверхности земли, на процесс инициирования детонации.

В экспериментах как при инициировании детонации ] закрытой камере, так и в экспериментах в полиэтиленовог мешке использовалась одна и та же "jet" - камера, чт< позволило при сравнении критических условш инициирования исключить возможные систематически! ошибки.

В сериях экспериментов использовались смеси водород кислород-азот и этилен-кислород-азот с различны! содержанием азота. Во взрывной камере, в зависимости о* состава смесей, наблюдались три характерных режим* горения. Первый из них - медленное горение. Во второ! случае в камере наблюдались очень высокие пики давления но, вместе с тем, они не соответствовали режим; распространяющейся детонации. Третий режим соответствова. инициированию и нормальному распространению детонации.

Р=1.5м

0.72 м

0.66 м

Р = 0.522 м

с! = 0.202 м

;1очмембрана Л Ь = 0.12 м

сдатчики /давления

3.5 м

^искровые полиэтиленовая зажигатели пленка

а) б)"

Рис. 4 Схема эксперимента на установке "М^ЕТ" при инициировании в закрытой камере (а) и в открытом объеме (б).

и

а) б)

Рис. 5. а) Турбулентное горение смеси 2Нг + 02 + в закрытой камере. Записи давления в опыте Л01. б) Возникновение локальных взрывов в смеси 2Н2 + С>2 + 2.1Ы2 в закрытой камере. Записи давления в опыте Л06.

I Х(м)

05-

Рис. 6. а) Возникновение локальных взрывов в смеси 2Н2 + 62 + 2.Ш2 в закрытой камере. Растянутые во времени записи давления в опыте Л06. б) Инициирование детонации в смеси 2Н2 + О2 + 1.5И2 в закрытой камере. Записи давления в опыте Л 27.

Таблица 2. Результаты экспериментов по инициированию турбулентной струей в закрытом и неограниченном объемах на установке "М^ЕТ". _

Режим горения Горючее

н2 с2н4

Закрытая камера

Детонация р < 2.6; БД > 14.8 Р < 1.5; БД > 22

Сильные локальные взрывы р< 3.0; БД > 12.6 Р = 1.5; БД - 22

Медленное горение Р > 3.0; БД < 12.6 -

Неограниченный объем

Детонация Р 5 1.5; БД > 24 р< 1.2; БД >37.5

Медленное горение Р :> 2.1; БД < 18.6 р > 1.4; БД < 26.7

где: Б - диаметр отверстия "¿е^а, X - ширина детонационной ячейки, Р - степень разбавления азотом в смесях 2Н2 + 02 + , С2Н4 + 3(02 + РИз)

Во второй главе представлен анализ и обсуждение полученных данных.

В экспериментах, проведенных в данной работе, использовались различные условия с точки зрения наличия или отсутствия близлежащих физических границ. В ряду этих условий можно выделить три следующие характерные случая.

Первый случай соответствует условиям неограниченного объема смеси. Физические границы (тонкая пленка, поддерживающие конструкции, рамы, поверхность земли, и т. д.) находились на расстояниях значительно превышающих размеры инициирующей струи.

Во втором случае физические границы располагались на расстояниях сравнимых с размерами струи, однако использование тонкой оболочки позволяло избежать повышения давления в исследуемой смеси при истечении в нее струи продуктов горения. Такие условия будем называть условиями полуограниченного объема.

В третьем случае эксперименты проводились в закрытой взрывной камере малого размера. Это соответствует условиям ограниченного объема. Имеющиеся в литературе данные других экспериментов по инициированию также можно разделить в соответствии с классификацией предложенной выше.

В настоящей работе эксперименты проводились при различных начальных условиях по степени ограничения объема, концентрации горючего газа в смеси и с различными размерами инициирующих струй. В работе инициирование проводилось турбулентными струями поперечным размером 0.076, 0.1, 0.12, 0.2, 0.3, 0.4 и 1.1 м. Содержание водорода в исследуемых водородовоздушных смесях составляло 16-30%. Эксперименты с водородовоздушными смесями, заключенными в мешок из тонкой полиэтиленовой пленки, объемом 215 м3, были приближены к условиям инициирования в неограниченном объеме. Инициирование в полуограниченном объеме проводилось в смесях объемом 50 м3. Результаты экспериментов собраны в таблице 1. Прямое сравнение условий инициирования турбулентной струей производилось в закрытой взрывной камере объемом 154 литров и в полиэтиленовом мешке объемом 6 м3 при использовании одной и той же инициирующей струи диаметром 0.12 м. Сравнение проводилось как на водородных, так и на этиленовых смесях различного состава. Результаты представлены в таблице 2.

В части работы посвященной экспериментам по прямому сравнению критических условий инициирования детонации турбулентной струей продуктов горения найдено, что критические условия инициирования существенно различны для ограниченного и неограниченного объемов смеси.

Эти наблюдения показывают, что необходимо четко разделить два характерных процесса возникновения детонации в экспериментах по инициированию турбулентной струей продуктов горения.

Первый процесс - собственно прямое инициирование детонации турбулентной струей продуктов горения. В этом случае детонация возникает непосредственно в области турбулентного смешения продуктов и реагентов. На начальной стадии детонация развивается от локального взрыва как волна близкая к сферической.

Второй процесс характеризуется как переход горения в детонацию в исследуемой смеси при ее зажигании струей продуктов горения. В этом случае детонация развивается на более поздней стадии и всевозможные процессы взаимодействия волн сжатия, ударных волн, фронтов горения с физическими границами и между собой могут играть роль в процессе инициирования детонации.

И действительно, в опытах по инициированию в неограниченном объеме наблюдалось возникновение изначально сферической детонации непосредственно в зоне турбулентного смешения (в струе продуктов горения). Возникновение детонации не обуславливалось

взаимодействием струи или ударных волн с физическими границами. После разрыва мембраны, разделяющей два объема, в объем инициируемой смеси входит сферическая лидирующая ударная волна. Если препятствия и ограничивающие стенки расположены достаточно далеко от истекающей струи продуктов горения, то возникшая лидирующая ударная волна уходит от фронта горения и физические границы не вносят дополнительных возмущений в процессы распространения струи и инициирования. Данный механизм инициирования может реализовываться не только в неограниченном объеме смеси, но и в замкнутом объеме, если время распространения лидирующей ударной волны "туда" и "обратно" при отражении от препятствия больше характерного времени истечения струи и сгорания смеси. В этом случае струя "не знает" о существовании стенок и инициирование происходит как при инициировании в неограниченном объеме (рис. 7).

Рис. 7 Схема процесса инициирования детонации непосредственно в струе.

Для данного случая, в соответствии с экспериментальными данными (табл. 2), минимальный размер струи для инициирования детонации оказывается примерно равным 24Х., что составляет около двух критических диаметров выхода детонации из канала в неограниченный объем (2dKpilT.).

В случае близкого расположения к струе жесткой стенки (препятствия) возможно отражение и возврат ударной волны в зону турбулентного смешения продуктов горения и свежей смеси. В соответствии с экспериментальными данными, полученными в экспериментах во взрывной камере, эта волна может существенно облегчить условия инициирования. Минимальный размер струи может быть значительно меньшим, чем для случая прямого инициирования. Процесс инициирования при отражении от стенок лидирующей ударной волны представлен схематически на рис. 8. Этот случай наблюдался в [Carnasciali F. et. al., Turbulent Jet Initiation of Detonation, 1991] и в серии экспериментов "M-JET". Минимальные значения D/X для инициирования детонации оказались примерно равными 12.6. Необходимо отметить, что возможны и меньшие значения D/X, поскольку размер струи D не является единственным определяющим параметром в этом случае. Более того, в этом примере отношение D/À, недопустимо использовать для описания критических условий инициирования. Этот случай может рассматриваться как один из примеров перехода горения в детонацию при зажигании струей продуктов горения.

Другой пример не связан непосредственно с отражением ударной волны от жесткой стенки. В части экспериментов в полуограниченном объеме ("КОПЕР") наблюдалось относительно позднее развитие детонации вблизи стенки или вблизи рамы, частично ограничивающих исследуемую смесь. Истечение продуктов горения и их смешение со свежей смесью не приводило к

а) б)

Рис. 8 Схема процесса инициирования при отражении от стенок лидирующей ударной волны, а) - локальный взрыв вызванный взамодействием отраженной ударной волны и фронта пламени, б) - развитие локального взрыва и инициирование детонации в отражении взрывной волны.

непосредственному инициированию детонации. Возникало интенсивное турбулентное горение смеси, приводящее к возникновению локального взрыва вблизи стенки или рамы и инициированию детонации. Характерный размер вихревых движений в процессе турбулентного горения был близок к характерному размеру струи. Характерный размер области смешения продуктов и реагентов (зоны инициирования) на этой поздней стадии также оказывался порядка размера струи. Однако условия развития детонации могут значительно отличаться в случае если инициирование происходит вблизи (от) жесткой стенки по сравнению со сферическим инициированием. Если характерный геометрический размер стенки или рамы намного превышает размер детонационной ячейки, в принципе возможно формирование плоской детонационной волны. Минимальный размер зоны инициирования в этом случае может быть в несколько раз меньшим по сравнению со сферическим случаем. Подобные случаи инициирования имели место в опытах К23, К26, где инициирование смеси с Я = 18 мм происходило вблизи стальной рамы с характерным размером 20 см. Соответствующее минимальное отношение Б/Я для инициирования детонации было около 13 (см. табл. 1). Тем не менее, использование характерного размера струи для описания критических условий инициирования в данном случае так же не представляется достаточно обоснованным, поскольку наблюдаемые процессы являются по существу процессами перехода горения в детонацию, а не процессами прямого инициирования турбулентной струей продуктов горения.

Возвращаясь к анализу литературных данных, попытаемся выделить случаи прямого инициирования

детонации в экспериментах по инициированию смесей турбулентной струей. В части работ приведены достаточные экспериментальные подтверждения существования процесса прямого инициирования (например последовательность кадров скоростной киносъемки процесса). В тех случаях где нет явного подтверждения процессу прямого инициирования, в первом приближении, будем считать, что эксперименты со смесями, заключенными в мешки из полиэтиленовой пленки наиболее вероятно относятся к случаю инициирования в неограниченном объеме. Все остальные эксперименты по инициированию турбулентной струей отнесем во вторую группу, где инициирование происходило при взаимодействии с препятствиями, жесткими стенками и т. д. Возникновение детонации здесь, наиболее вероятно, происходило по сценарию процесса перехода горения в детонацию и связано с инициированием турбулентной струей только косвсшю.

Графическое представление подобного разделения дано на рис. 9 и 10. Из графика на рис. 9 определяется, что минимальный поперечный размер струи Б для прямого инициирования сферической детонации турбулентной струей составляет примерно 24 к. В экспериментах, собранных на графике рис 10, как уже отмечалось выше, нельзя применять критерий Т)/Х для определения возможности инициирования детонации, т. к. условия инициирования в представленных экспериментах определялись не свойствами смеси и струи, а скорее окружающим смесь пространством, и поэтому значение критерия Ъ/Х, в случае замкнутого (ограниченного) объема, может быть любым.

I I I 111

100 -

Л Моеп 89

я KOPER

♦ M-JET

— D =24Х

интервал точности Л

♦ , ' Открытые символы - горение

ж* Заполненные символы - детонация • »

_1_I_I_I_I I I 1.1_

100 1000 Геометрический размер, Р мм

Рис. 9. Результаты опытов по инициированию детонации турбулентной струей в геометрии близкой к неограниченной.

I—Ii 11

ь I I I

Т

т

1000 г

S 2

5"

Открытые символы - горение ; Заполненные символы - детонация " Звезды - критические условия

интервал точности X

100 г

10 г

* Carnasciali 91

(хритические условия)

▼ Моеп 85

Л Schildknecht 85

♦ Pfortner 85

■ KOPER

• M-JET

D = 11.7Л

1000

Геометрический размер, D мм

Рис. 10. Результаты опытов по инициированию детонации турбулентной струей в ограниченной и полуограниченной геометриях.

,

I . . I_I_1

Выводы и результаты

. В крупномасштабных экспериментах по инициированию детонации в водородовоздушных смесях объемом от 0.15 до 215 м3 турбулентной струей продуктов горения поперечным размером Б от 0.076 до 1.1 м показана возможность инициирования детонации в смесях 25 - 30 % Н2 - воздух в условиях близких к неограниченному объему.

1. Экспериментально определены критические условия инициирования детонации (по составу смесей и размеру струи) в системах Щ-воздух, Н2-02-рЫ2, С2Н4-02-р]\Г2 находящихся в объемах с различными граничными условиями.

. В результате сравнительного исследования процессов инициирования детонации в замкнутом и неограниченном объемах выполненного с использованием одной и той же инициирующей струи показано, что известное соотношение Ю > (10 - 13) X не может служить характеристикой критических условий инициирования.

. Показано, что при определении критических условий необходимо разделять процессы прямого инициирования детонации турбулентной струей продуктов горения (развитие сферической детонации 1иниц ^,0/Сзвука ) и переход горения в детонацию при зажигании смеси струей продуктов горения на более поздних стадиях процесса. Предложена соответствующая классификация

экспериментальных результатов по критическим условиям инициирования детонации турбулентной струей продуктов горения.

. Показано, что минимальный размер турбулентной струи продуктов горения необходимый для прямого инициирования сферической детонации Б равен примерно 24 X. Данное условие справедливо при использовании топливовоздушных смесей и близких к ним смесей топливо-кислород-азот как для струи, так и для инициируемой смеси.

. Полученные экспериментальные данные находятся в соответствии с численными и аналитическими моделями процессов спонтанного возникновения детонации в неоднородных смесях (близких к самовоспламенению) которые дают оценки минимального размера зоны инициирования « (7 - 10) к и » (20 - 30) А для плоского и сферического случаев соответственно.

Основные положения диссертационной работы

содержатся в следующих публикациях:

1. Dorofeev S.B., Bezmelnitsin A.V., Sidorov V.P., Yankin J.G., and Matsukov I.D., Experimental Study on the Combustion Behavior of Hydrogen-Air Mixtures With Turbulent Jet Ignition at Large Scale Report NUREG/CR-6072, RRCKI-80-05/3, VARGOS-93/1, 1993

2. Dorofeev S.B., Bezmelnitsin A.V., Sidorov V.P., Yankin J.G., and Matsukov I.D., Turbulent Jet Initiation of Detonation in Hydrogen-Air Mixtures, 14th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, University of Coimbra, Coimbra, 1993, 1 - 6 Aug, vol. 2, pp. D2.4.1 - D2.4.10

3. Dorofeev S.B., Sidorov V.P., Dvoinishnikov A. E., Bezmelnitsin A.V., Transition to Detonation in Large Confined and Unconfined Fuel-Air Clouds, Proc. 15th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Boulders, Colorado, 1995, p.p. 421 - 424

4. Dorofeev S.B., Bezmelnitsin A.V., Sidorov V.P., Detonation onset Due to Sudden Venting of Hydrogen-Air Deflagration, Proc. 15th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Boulders, Colorado, 1995, p.p. 177 -180

5. Dorofeev S.B., Bezmelnitsin A.V., Sidorov V.P., Transition to Detonation in Vented Hydrogen-Air Explosions, Comb, and Flame (1995), vol. 103, p. 243,

6. Dorofeev S. В., A. V. Bezmelnitsin, V. P. Sidorov, J. G. Yankin, I. D. Matsukov, Turbulent Jet Initiation of Detonation In Hydrogen-Air Mixtures, Shock Waves, (1996), vol. 6, p. 73

7. Bezmelnitsyn A.V, Dorofeev S.B., Yankin Y.G., Direct Comparison of Detonation Initiation by Turbulent Jet Under Confined and Unconfined Conditions, . 15th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, 3 - 8 Aug, 1997, Cracow, Poland, pp. 222 - 225