Газодинамическое инициирование процессов горения и детонации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

АКАДЕМИЧЕСКИЙ НАУЧНЫЙ КОМПЛЕКС ' " ИНСТИТУТ ТЕПЛО - И МАССООБМЕНА ИМ. А.В.ШКОВА » АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ

РГб 0..

- 5 ИЮН На "р9139* р^01151011

УДК 533.6 I 621.373

ПЕНЯЗЬКОВ ОЛЕГ ГЛЕБОВИЧ .

ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата-физико - математических наук

МИНСК 1995

Работа выполнена в- АНК " Институт тепло - массообмена им. А.В.Лыкова " АН Беларуси

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Ачасов' О.В.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

' доктор физико-математических наук

ЛСцанок С.А.

кандидат физико-математических наук, доцент ■ Зуев А.П.

Институт физики им.Б.И.Степанова АН Беларуси

Защита состоится "2?LJ июня 1995 г. на заседании специализированного совета по присуждению ученой степени кандидата наук в АНК "Институт тепло - массообмена им. А.В.Лыкова" АН Беларуси ( 220072, г.Минск, ул. П.Бровки, 15, АНК "ИТМО им.А.В.Лыкова" АН Беларуси ).

Автореферат разослан " /3 " мая 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат физико-математических наук í-"7» _«.<•• «-и/Y ■ Романов г,с-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Физические процессы, связанные с горением и детонацией, исследуются уже более столетия. Но и в настоящее время остается немало вопросов, которые требуют дополнительного экспериментального и теоретического изучения. Особенно это касается "иеидеальных" условий взрыва и переходных неустановившихся процессов, таких например, как развитие детонации от слабого инициатора.

Воспламенение газовых смесей традиционно исследуется в такой геометрии, которая обеспечивает течение, максимально приближенное к одномерному, что позволяет избежать формирования возмущений, распространяющихся перпендикулярно потоку. Однако в реальных условиях процессы инициирования, развития горения и детонации происходят в каналах, которые могут иметь произвольную форму, а стенки канала не обязательно гладкие. Б связи с этим воспламенение горючей смеси может происходить в условиях .сильно неравномерного распределения термодинамических параметров среды, что обусловлено многократным взаимодействием, дифракцией и фокусировкой различных газодинамических возмущений. Естественно ' ожидать, что при этом локальные значения температуры должны существенно превышать среднюю температуру, что приведет к образованию горячих очагов и "точечному" воспламенению смеси. Вследствии этого, в каналах и сосудах, стенки которых имеют шероховатости либо участки, отражающие волны Под разными углами, воспламенение смесей следует ожидать при значительно меньших интенсивностях ударных волн, чем в идеальных условиях. Это обстоятельство особенно важно с точки зрения взрывобезопастности, а также при проектировании и создании различных устройств, использующих горение и детонацию в качестве рабочего процесса. Поэтому изучение инициирования горения и детонации в условиях существенно неодномерного распределения термодинамических параметров газовой среды становится особенно актуальным.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью настоящей работы являлось исследование различных способов газодинамического инициирования горения и детонации в условиях неодномерного распределения термодинамических параметров горючей смеси, а также развитие методов их диагностики. Основной задачей являлось сравнительное исследование процессов

3

ударно-волнового и струйного инициирования горения и детонации газовых смесей в каналах с идеальной и неидеальной геометрией.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. Поставленные в работе задачи решались посредством экспериментального моделирования на ударной трубе процессов взаимодействия ударных волны и импульсных сверхзвуковых струй с вогнутыми поверхностями различной геометрии. Инициирование детонации струями продуктов сгорания проводилось на импульсной детонационной трубе. . В качестве основных экпериментальннх методик использовались различные количественные и качественные способы визуализации течения, такие как интерферометрия, в том числе и цифровая, теневая фотография, высокоскоростная теневая киносъемка, метод фоторазвертки и двухэкспозиционной спекл-фотографии, Одновременно с визуализацией исследуемых процессов осуществлялось измерение давления в нескольких характерных областях течений» а также свечения в интересующих спектральных интервалах. Проводился анализ, полученных экспериментальных данных и, .по возможности, их сравнение с результатами численного моделирования и работами других авторов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

- Изучена детальная структура течения при взаимодействии ударной волны й встречных сверхзвуковых струй с полузамкнутой циллиндрической полостью.

-Проведены экспериментальные исследования инициирования горения й детонации при взаимодействии ударной волны и встречных сверхзвуковых струй с Полузамкнутой циллиндрической И сферической полостями в стехибметрической кислород-водородной смеси, определены условия их реализации,

- Для определения полей плотности и скорости в высокоскоростной газовой и двухфазной струе развит и применен метод двухэкспозиционной спекл-диагностики

- Реализована Методика определения поля плотности в камере сгорания, основная иа одновременной регистрации изменения ' йнтерЗ&ерейдаошкй картины всего течения и динамики набега интерференционных полосвнесколькихреперных точках.

- Изучены характер й необходимые условия инициирования детонаций за. турбулизйрующиёй решеткой при истечении струй продуктов сгорания.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Проведенные экспериментальные исследования ударно-волнового и струйного инициирования горения и детонации ' ра акщюшоспособных газовых смесей могут быть использованы при создания новых 'технологических процессов и аппаратов; применены для интенсификации процессов сгорания в камерах энергетических установок,- для расширения номенклатуры применяемых топлив и снижения требований к' ним; в различных отраслях техники, использующих нестационарные течения, ударно-волновые и детонационные эффекты. Реализованные методы спекл-диагностики струйных .течений, а также методика определения поля плотности, основанная на одновременной регистрации, изменения интерференционной картины всего течения и- динамики набега интерференционных- полос в нескольких реперных точках, могут найти широкое применение в практике физического эксперимента.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: -Результаты . экспериментального исследования .взаимодействия ударной волны и встречных сверхзвуковых струй с вогнутыми криволинейными. поверхностями, а также , воспламенения топливно-кислородных смесей при струйном и ударно-волновом инициировании.

- Методика и результаты определения поля, плотности и скорости в высокоскоростной газовой и - двухфазной струе по данным двухэкспозиционной епекл-фотографии.

Методика определения поля плотности, основаная на одновременной регистрации изменения интерференционной картины всего течения и динамики набега интерференционных полос в нескольких реперных точках.

. - Результаты экспериментального исследования по инициированию детонации струями продуктов сгорания.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Межведомственном совещании "Использование ударно-волновых и детонационных эффектов в тепловых двигателях" (Красноармейск, 1993г.),- на Международной школе,- семинаре по физике ударных волн (Минск, 1,392г. ),- на 12 и 13 Международных коллоквиумах по газодинамике взрыва и реагирующих систем (США, 1989г.г., Япония,- 1991г.),- на международном симпозиуме по диагностике и моделированию процессов горения в .двигателях

б'

(Япония, 1994г.); на международной школе-семинаре "Неравновесные процессы и их применение» (Минск, 1994г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликованы 15 работ,в числе которых 10 статей в журналах и сборниках, 5 тезисов докладов, а также получено I авторское свидетельство на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИЙ. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 119 страниц, в том числе 52 рисунка и 123 наименования библиографии.

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, приведены сведения о научной новизне исследований, а также выносимые на защиту положения.

Первая глава носйт обзорный характер. В ней рассматриваются вопросы, связанные с процессом перехода горения в детонацию и методами его форсирования, инициированием взрывным источником, выходом детонационной волны из трубы в объем, инициированием детонации при истечении струй продуктов сгорания.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию воспламенения горючих газовых смесей в условиях фокусировки ударных волн.

В первом параграфе проведен сравнительный анализ результатов экспериментального и численного моделирования процесса отражения плоской ударной волны (УВ) от вогнутой сферической и циллиндрической поверхности. Показано, что отражение плоской ударной волны от цилиндрической и сферической полостей имеет одинаковую качественную структуру й различается в основном количественными данными, характеризующими экстремальные значения параметров. На рис.1 представлены экспериментальные зависимости значений степени фокусировки падающей ударной волны от числа Маха для случая вогнутой сферической и циллиндрической полости. Степень фокусировки р ' / р5 определялась как отйошение пикового значений давления на дне полости к. расчетному давлению за отраженной от плоской стенки УВ с тем же числом Маха. Хорошо видно, что для сферической полости значение экстремальных параметров заметно выше, что объясняется большим сжатием среды при натекании газа в полость на первом этапе отражения. Кроме того, "маховские ножки" образуют

6

цилиндрическую сходящуюся ударную волну после отражения падающей волны от дна полости (рис.2), что также способствует заметному повышению параметров газа в газодинамическом фокусе.

Во. втором параграфе рассматриваются результаты экспериментального исследования воспламенения горючих газовых смесей при нормальном отражении плоской ударной волны, а также при отражении от вогнутой сферической и циллиндрической полости. Показано, что при отражении УВ от вогнутой сферической полости существенно снижаются мощностные и энергетические пределы возникновения детонации. При этом в водород-кислородной смеси они уменьшаются при увеличении содержания кислорода. Для инициирования детонационного режима сгорания в стехиометрических смесях ацетилена, водорода и оксида углерода с кислородом энергетические затраты минимальны для первой и максимальны для последней смеси.

Измерения времени индукции в стехиометрической смеси водорода с кислородом показали, что в диапазоне температур т5 г 1010 К при давлении р5= 0.1 ± 0.01 МПа время индукции линейно зависит от температуры рабочей смеси. Значения времени индукции, полученные в наших экспериментах находятся в хорошем соответствии с результатами других авторов. Исследовано влияние замены плоского отражающего торца на зогнутую циллиндрическую полость на снижение задержек воспламенения. Установлено, что эффект газодинамической фокусировки сдвигает температурную зависимость для времени индукции для смеси 2Нг* 02 примерно на 130 К в область более низких значений температуры (Рис.3). Показано, что температура г5 * Юю К является характерной как для случая плоского отражающего торца, так и в случае отражающей циллиндрической полости. При этом для температур Т5 > 1010 К происходит взрывное объемное самовоспламенение рабочей смеси (плоская стенка) с соответствующим временем индукции и почти мгновенное инициирование детонационной волны из области газодинамического фокуса (циллиндрическая полость, рис.4а). С уменьшением температуры (Т5 < 1010 К) в обоих случаях, для возникновения детонационной волны становится необходимым существование переходного разгонного участка, на котором, за счет реакций горения и газодинамических эффектов, происходит энергетическая "подкачка" среды за Отраженной ударной волной до реализации параметров взрывного самовоспламенения. На рис.46

7

м м

Рис.1 Зависимость степени фокусировки при отражении ударной волны от вогнутой циллиндрической И сфеги юокой полости от числа Маха.

Г

I

Рис. 2 Теневые фотографии процесса отражения падающей ударной волны с М : 2.0 от вогнутой циллиндрической полости. Начальное давление 0.3 атм.

Т, МКС

Рис.3 Температурннэя зависимость периода индукции в смеси 2Нг + Ог от температуры за отраженной от плоской стенки . (кривая1) и вогнутой циллиндрической полости (кривая2) ударной волны.

Рис.4 Характерные теневые фотографии инициирования детонации при отражении ударной волны от циллиндрической полости в смеси 2Нг + Ог для числа Маха М = 2.65 и М = 2.37.

представлена характерная для этого диапазона температур теневая фотография отражения УВ от цилиндрической полости.

В третьем разделе рассмотрен процесс взаимодействия встречных сверхзвуковых импульсных струй в полузамкнутой щшшндрической полости (ПЗИП) для случая нормального вдува и вдуйа под углом к оси канала. Струи формировались при истечении, нагретого и сжатого за отраженной ударной волной воздуха, через две щели, расположенные на срезе полости. .Проведена численная оптимизация геометрии конструкции с точки зрения получения максимального прироста пиковых .термодинамических параметров на дне ПЗЦП.

Как видно из рис.5 характер отражения головных ударных волн от щшшндрической ГОП для случая нормального вдува приобретает отчетливо выраженный вид маховского отражения. Газодинамическая фокусировка тройных маховских конфигураций, образовавшихся при взаимодействии головных ударных волн с полостью, а также с областью повышенных параметров на оси канала, происходит практически вблизи дна ПЗП. Это приводит к импульсному повышещцо давления на ее дне. Отношение пикового значения давления Рт к давлению в форкамере р5, осредненное по шести экспериментам со степенью нерасчетности струи р5/р0= 13.3 + 15.5, оказалось равным Рш/Р5=1 ± 0.07, что находится в хорошем соответствии .с результатами численного моделирования (рис.6).

В результате проведенных исследований установлено, что степень фокусировки схлопыващихся сверхзвуковых струй, взаимодействующих с полузамкнутыми полостями может быть существенно повышена при уменьшении глубины ПЗП, при отнесении сечения вдува от среза ПЗП, а также при изменении угла наклона' струи к оси ПЗП. На рис.7 представлены характерные прямотеневые лазерные фотографии для случая вдува под углом а => 50° к оси канала.

В четвертом параграфе приведены результаты экспериментального исследования по иницированию детонационного режима сгорания в стехиометрической водород-кислородной смеси при взаимодействии встречных сверхзвуковых струй в щшшндрической Полости. Установлено, что степень газодинамической фокусировки головных ударных волн для случая нормального вдува импульсных сверхзвуковых струй является недостаточной для непосредственного инициирования детонации вблизи дна ПЗЦП. При взаимодействий Наклонных

■9

Рис.5 Фрагменты прямотеневой покадровой фоторегистрации процесса взаимодействия встречных сверхзвуковых струй при нормальном вдуве в цилиндрическую полузамкнутую полость

Р./Р, т, к

Рис. 6 Зависимость степени фокусировки (а) и максимальной температуры (б) на дне полузамкнутой цмллиндрической полости от ее относительной глубины.

Рис. 7 Фрагменты покадровой фоторегистрации процесса взаимодействий встречных сверхзвуковых струй с циллиндрической полостью при вдуве под углом 50° градусов к оси канала.

ХО

сверхзвуковых струй в стехнометрической водород-кислородной смеси в ПЗЦП были реализованы режимы струйного инициирования детонации.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию инициирования детонации струями продуктов сгорания, а также развитию методов диагностики процессов горения и струйных течений.

.В первом разделе продемонстрирована высокая эффективность метода двухэкспозиционной спекл-диагностики при исследовании струйных течений. Метод позволяет производить измерение углов наклона волнового фронта или перемещения частиц с очень высокой пространственной плотностью при помощи простого и эффективного алгоритма обработки спеклограмм исследуемого течения, основанного на измерении расстояния между эквидистантными интерференционными полосами Юнга в схеме восстановления. В качестве объекта для исследования . были выбраны сверхзвуковая' турбулентная недорасширенная струя горячего воздуха и высокоскоростная двухазная струя, истекающая из форсунки.

Восстановление поля плотности в струе проводилось по экспериментально ■ определенному методом одноракурсной спекл-фотографии массиву углов наклона волнового фронта к координатным осям. Начальные условия в форкамере струи создавались ударной волной, отраженной от торца ударной трубы. Параметры струи на срезе сопла рассчитывались по изэнтропическим формулам и были равны: давление Р = 0.35 МПа. тешература Т = 450 К, плотность р = 2,05 кг/м3 и. число Маха М = 1,8. Техника спел-фотографии обеспечивает получение интегральной по оси просвечивания информации, поэтому для отыскания локальных характеристик р(х,у,г) с учетом осесимметричности течения п = п(г) было использовано преобразование Абеля. При этом

п(г) 1

П(м) ~ ТГ

йу сЗу

/у2 ■- г

(I)

Существенно, что стоящая под интегралом Абеля (I) величина ау/э2 в методе спекл-фотографий находится непосредственно в эксперименте. С учетом формулы Гладстона-Дейла было проведено восстановление поля плотности для различных поперечных сечений начального участка сверхзвуковой недорасширенной турбулентной струи. На рис.8 приведены изолинии плотности для всей исследованной области

II

Рис.8 Линии равной плотности для исследованого поля течения сверхзвуковой недорасширенной струи.

Рис.9 Фотография исследуемой двухфазной струи .

рт

V, м/с

Рис.10 Функции распределения для скорости частиц для четырех реализаций поля течения

рт

О ГО 60

V, м/с р, град

Рис. 11 Полная функция распределения для скорости частиц и угла наклона вектора скорости к оси струи.

П

течения.

В работе показано, что спекл-техника может бить с успехом использована для измерения мгновенного поля, скоростей частиц в высокоскоростной интенсивной двухфазной струе. На первом этапе производилось двухкратное фотографирование частиц в потоке, а затем обработка и анализ полученной двухэкспбэйщюнной фотографии с целью выделения информации о полв скоростей.

Наш были измерены поля скорости частиц в . интенсивной двухфазной водяной струе, истекающей из форсунки. Для подсветки был использован мощный двухимпуль'сный неодимовый Лазер с системой удвоения частоты. Длительность импульсов лазерной подсветки состовляла дт « 30 не. Точность измерения скорости частиц определялась погрешностью при вычислениии. угла наклона и расстояния между интерференционными- полосами Юнга й состовляла 34. На рис.э представлена характерная фотография исследуемой водяной, струи, истекающей из форсунки в среду с давлением 'окружающего воздуха 0.1 МПа. Согласно проведении микроскопическим измерениям.в сечении регистрации струя состоит из водяных, капель, размер которых варьируется в пределах от .70 до 300 ккм. Интервал времени между двумя экспозициями в наших экспериментах составил г = ю мкс. На рис.1о приведена функцйя плотности распределения вероятности (ФПРВ) для скорости водяных частиц для четырех мгновенных реализаций поля течения. На рис.11 представлены полные функция распределения для скорости водяных капель и угла наклона вектора скорости к оси у. ФПРВ расчитывались для всей области течения. Развитая методика позволила определять как мгновенное двумерное распределение скорости частиц по всему полю течения, так и осреднешше по времени характеристики. Метод дает удовлетворительные результаты даже при измерении скорости в центральной части струн при высокой концентрации и разбросе частиц по размерам.

Во втором параграфе приводятся результаты экспериментального исследования процессов горения, и перехода горения в детонацию в канале постоянного сечения. Сечение основного канала экспериментального Модуля составляло Ш х 10 мм2. Его длина могла варьироваться путем перемещения торцевой стенки. Поджиг рабочей смеси производился с помощью искры между поджигающим электродом и центральной частью торцевой стенки основного канала. Энергия

13

подаига в наших экспериментах была равна 8 мДж. Исследование процесса перехода • горения в ■ детонацию проводилось методом фоторазвертки. В качестве' рабочей ■ смеси использовалась стехиометркческая смесь ацетилена с кислородом, разбавляемая азотом, а также стехиометрическая смесь кислорода с водородом.

Как • показали результаты исследований, переход горения в детонацию в стехиометрической смесях ацетилена и кислорода, разбавляемых азотом, сильно зависит от процентного содержания азота. Причем для е(я2> = О + 18.5 % длина перехода меняется очень слабо в пределах, от 0.8 до 1.5 калибров основного канала. Резкое увеличение длины перехода начинается для с(м2) ? 18.5 %. На Рис.12 представлен график зависимости длины перехода горения в детонацию ( в калибрах основного канала к ) от процентного сдержания нг в рабочей смеси. Характерная фоторазвертка перехода горения в детонацию для е(ы2) = 22 % приведена на рис.13. Место перехода для этой смеси находится на расстоянии, равном м = 7.3 калибров основного канала.

Для ускорения перехода горения в детонацию и сокращения его длины было исследовано влияние турбулизирующией решетки. Показано, что .для стехирметрической смеси ацетилена и кислорода, разбавляемых азотом с е <ыз) = 22 %, установка турбулизирующией решетки с проницаемостью V = 0.077 на расстояний 3-х калибров от места поджига в 3.5 раза снижает длину преддетонационного участка распространения пламени, Установка турбулиэатора позволила не только существенно уменьшить длину перехода горения в детонацию, но и зафиксировать длину преддетонационного участка в широком интервале изменения давления рабочей смеси вплоть до Ро= 24 кПа. На рис,14 представлена зависимость длины перехода горения в детонацию за турбулизирующеей решеткой от начального давления в рабочей смеси с е<нг) = 22 %.

Как правило, на практике истечение струй продуктов сгорания за турбулизирущими решетками создается при инициировании горения в некотром замкнутом объеме (форкамере) с последующим истечением продуктов через отверстие или систему отверстий в основной объем. Всвязи с. этим для понимания процесса струйного инициирования важными являются диагностика термодинамических параметров и процессов распространения пламени в форкамере, поскольку они

14

N. число кдлиЪрвв

цыг)

Рис.12 Зависимость длины перехода от процентного содержания азота в свободном канале.

Н «кло калхАво»

Сн<е» 22 * H,

» ...................

О 25 50 75 р ц>,

Рис.14 Зависимость длины перехода ва турбулизирующей решеткой от начального давления.

Рис.13 Фоторазвертка перехода горения в.детонацию в смеси 0.78(СгНг + 2.50г) + 0.22№. Начальное давление 0.1 Мпа.

Т.К РЬаг:р>ст^3

р>д/тп

Рис.15 А - временные зависимости давления (1), температуры (2) и плотности (3) перед фронтом волны горения. Пунктир - температура, расчитанная в предположении адиабатичности процесса. Б - Временная зависимость температуры и плотности за фронтом волны горения.

создают начальные условия при•истечении струй продуктов сгорания в основной объем. ■

Для определения, поля плотности в модельной камере сгорания была разработана и. апробирована схема высокоскоростной регистрации интерференционной картины с одновременной регистрацией набега полос в нескольких фиксированных реперных точках. Этот метод позволяет уверенно регистрировать сдвиг в 0,05'интерференционной полосы, что обеспечивает высокую точность определения плотности в фиксированных точках исследуемого объекта. Использование этих точек в качестве реперных при обработке параллельно полученных интерферограмм позволяет определять и поле плотности во всем исследуемом объекте.

На рис.15 приведены результаты определения давления, плотности и температуры перед и за фронтом волны горения на основании регистрации набега интерференционных полос, На рис.15а показана и временная зависимость температура, рассчитанная в предположении адиабетичности процесса с учетом зависимости показателя адиабаты от температуры и давления.' Увеличивающееся со временем отличие измеренной и рассчитанной температуры перед фронтом волны горения связано, по-видимому, с теплопотерями через стенки камеры сгорания. Как показ&ли • результаты исследований, развитый метод может с успехом - применяться для диагностики состояния смеси перед и за фронтом волны горения, распространяющейся в камерах сгорания.

На дальнейшем этапе методом фоторазвертки исследовалось влияние отражающей стенки на длину перехода в детонации для разбавленной азотом стехиометрической смеси ацетилена с кислородом, а также стехиометрическо'й смеси 'кислорода с водородом. Показано, что отражающая стенка позволяет существенно снизить длину перехода. Проанализированы различные варианты инициирования детонационного сгорания рабочей смеси при взаимодействии отраженной от торцевых стенок камеры сгорания ударной волна с фронтом пламени.

В третьем параграфе. изучалось влияние положения и вида турбулизируицией решетки на процесс инициирования детонации струями продуктов. сгорания в рабочей смеси (1-е)• (СгНг + 2.50г) +. с повышенным содержанием азота,' В процессе экспериментов определялась критическая концентрация азота, при которой происходил срыв режима взрывного самовоспламенения в области за турбулизатором.

Исследован физический механизм, приводящий к возникновению

16

детонационной волны в области за срезом турбулизатора. Показано, что . необходимым ' условием • иницирования детонации ' является существование сверхкритического перепада давления при истечении продуктов сгорания в область основного канала. Для турбулизирукяцей решетки с проницаемостью п = 0.07, расположенной на расстоянии 3 калибров от места поджига, в, рабочих смесях с суммарной концентрации азота > 60%, переход горения в детонацию за

срезом турбулизатора не зафиксирован. Длина перехода горения в детонацию, соответствующая рабочей смеси с е(нг) = 60% , равняется 5.8 калибрам основного канала. На рие.16(а,б) представлена фоторазвертка процесса перехода для критического состава с с(мг) = 60% и зависимость длины перехода от суммарной концентрации азота в рабочей смеси.

•• Изучено влияние расположения турбулизирующей решетки от места поджига рабочей смеси на переход горения в детонацию за ней. Показано, что для данной проницаемости решетки существует ее оптимальное месторасположение, приводящее к увеличению концентрационного предела возникновения детонаций за ней в сторону больших значений с(м2). По. всей видимости это связано с интенсификацией процесса горения в форкамере на начальной стадии, которое вызвано нестационарным взаимодействием фронта пламени с волнами сжатия, отраженными от стенок форкамеры. .

Исследовано влияние дополнительных преград, установленных вниз по потоку от турбулизирующей решетки, на переход горения в детонацию за ней. Показано, что установка преград приводит к торможению потока за срезом турбулизатора и смещению, концентрационных пределов возникновения стационарной детонации в сторону меньших значений €(мг).

В заключении кратко сформулированы основные результаты работы:

1. Исследован процесс взаимодействия, ударной волны, а также встречных сверхзвуковых струй с цилиндрической и сферической полостями. Показано, что характер отражения плоской ударной волны имеет * одинаковую качественную структуру и различается экстремальными значениями параметров в газодинамическом фокусе.

2. Установлено, что степень фокусировки встречных сверхзвуковых струй, взаимодействующих с полузамкнутыми полостями, может быть существенно повышена при уменьшении глубины полости, при отнесении .

17

сечения вдува ох ее среза, а также при изменении угла наклона струи к оси полузамкнутой полости.

3. Исследовано влияние замены плоского отражающего торца вогнутой циллиндрической полостью на снижение задержек воспламенения в смеси 2Нг+ 02. Показано, что за счет газодинамической фокусировки температурная зависимость времени индукции смещается примерно на 130 К в область низких температур, а кривизна отражающей поверхности существенно снижает мощностше и энергетические пределы возникновения детонации.

4. Показано, что степень газодинамической фокусировки головных ударных волн для случая нормального вдува импульсных сверхзвуковых струй недостаточна для инициирования детонации вблизи дна циллиндрической полости. Определены условия реализации детонационного режима сгорания при взаимодействии наклонных сверхзвуковых струй.

5. Продемонстрированы возможности метода двухэкспозиционной спекл-диагностики для определения полей плотности и скорости в высокоскоростной газовой и двухфазной струе. Реализована методика определения поля • плотности в камере сгорания, основаная на одновременной регистрации изменения интерференционной картины всего течения и динамики набега интерференционных полос в нескольких реперных точках.

6. Исследован физический механизм возникновения детонации за турбулизируицеей решеткой при истечении струй продуктов сгорания. Показано, что для инициирования детонации необходимо существование сверхкритического перепада давления. Установлено, что струйное инициирование позволяет снизить длину перехода горения в детонацию до 5.8 калибров основного канала для стехиометрической смеси ацетилена • с кислородом, разбавленной, азотом с суммарной концентрацией = 60% .

7. Исследовано влияние дополнительных преград, а также расположения турбулизируюцей решетки, на переход горения в детонацию. Показано, что для заданной проницаемости решетки существует ее оптимальное месторасположение, приводящее к увеличению концентрационного предела возникновения детонации за ней в сторону больших значений концентрации азота. Установлено, что дополнительные преграды приводят к торможению потока за срезом

18

Рис. 16а Фоторазвертка перехода горения в детонацию за турбулизирующией решеткой для критического состава рабочей смеси с £(N2) = 60 %. Начальное давление 0.1 Мпа.

Рис. 166 Зависимость длины перехода горения в детонацию за турбулизирующией решеткой от концентации азота в рабочей смеси. Начальное давление 0.1 Мпа.

турбулизатора и смещенйю концентрационных пределов возникновения стационарной детонации в сторону меньших значений концентрации азота.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ| ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. О.В.Ачасов, Д.Э.Виткин, О.Г.Пенязьков, Н.А.Фомин. Спекл-тоМография поля плотности в импульсной сверхзвуковой осесимметричной струе горячего воздуха,- Сб: "Проблемы взаимосвязанного тепло- и массопереноса", Мн.,1989, с.71-74.

2. O.V.Achasov, G.N.BIinkov, N.A.Fomin, O.G.Penyazkov, D,E.Vitkin. Speckle tomography of unsteady gasdynamic objects.- tn book of Abstracts 12th ICDERS, 1989, Michigan, USA, p. 99.

3. О.В.Ачасов, Е.П.Завалйшин, М.Г.Кузьмин, Д.С.Рагозин, М.Н.Серяков, О.Г.Пенязьков, Н.А.Фомин. Заявка на изобретение N 4509594, A.c.N 312925, Приоритет 24.02.1989

4. Ачасов О.В., Ознобишин А.Н., Пенязьков О.Г., Фиссон Ф., Фомин Н.А. Интерферометрические исследования процессов горения в двигателях внутреннего сгорания. - Сб. "Теплофизика и гидрогЭзодинамика-90", Мн., 1990, с.65-69.

6. O.V.Achasov, F.Fisson, N.A.Fomin, O.G.Penyazkov, A.N.Oznobishin. Interferometric study of combustion in a spark ignition engin. Book of abstracts 13th ICDERS, NagQya, Japan,. 1991,p. 183.

6. O.V.Achasov; G.N.Blinkov, N.A.Fomin, O.G.Penyazkov, D.E.Vitkin. Speckle tomography of. unsteady gasdynamic objects.- In book Dynamics of Deflagrations and Reactive Systems: Heterogeneous Combustion / v. 132 Progress in Astronautics and Aeronautics,. AXAA, Washington, 1991, p.352-359.

7. Ачасов O.B., Кондратов В.В., Лабуда С.А., Пенязьков О.Г., Пдашт P.M., Тарасов А.И; Фокусировка ударных волн при отражении от вогнутых криволинейных поверхностей. - ИФЖ, т. 65, н 5, 1993-, с.548-552.

8. Ачасов СКВ., Кондратов В.В., Лабуда С.А., Пенязьков о.Г., ШаОуня С.И. . Взаимодействие ударных волн с вогнутыми криволинейными поверхностями. - Химическая физика, т,12, n 5, 1993, с.634-636.

9. Ачасов О.В., Лабуда С.А., Пенязьков О.Г.', Пушкин P.M., Тарасов А. И. Ударно-волновое инициирование детонации в полузамкнутой полости. - Химическая физика, т.12, ы 5, 1993, с.714-716.

10. Ачасов.0.В., Лабуда С.А., Пенязьков О.Г., Пушкин P.M., Тарасов А.И. Инициирование детонации при отражении ударной волны от вогнутой криволинейной поверхности. - ИФЖ, т.67, N 1-2, 1994, с.66-72.

11. Ачасов О.В., Пенязьков О.Г., Раготнер A.M. Инициирование детонации при вдуве встречных, сверхзвуковых струй в полузамкнутую цилиндрическую полость. - С0:"Тешю-и массоперенос - 93/94", ИГМО, Минск, 1994, с.I3I-I35.

12. O.V.Achasov, V.N.Kondrashov, O.G.Penyazkov. Initiation of gaseous detonation de .interacting supersonic jets. Proc.Int.School-Seminar "Honequilibrium Processes and their Applications", Minsk, Belarus,1994, c.76-77.

13. O.V.Achasov, F.Fisson, O.G.Penyazkov. The velocity measurement in spray jet using a particle image velocimetry method - to be publeshed In Proc. Int. Symp. on Diagnostics and Modeling of Combution in Reciprocating Engines (COMODIA 94), Japan, 1994.

14. O.B.Ачасов, Ф.Фиссон, о.Г.Пенязьков. Измерение скорости частиц в двухфазной, струе методом двухэкспозиционной спекл-фотографш. // ИФЖ, 1995, принято к опубликованию.

15. 0.В.Ачасов, 'О.Г.Пенязьков Инициирование детонации струями

20

продуктов сгорания.// ЮТ, 1995, Принято к опубликованию.

16. О.V.Achasov, S.A.Labuda, O.G.Penya2kov, D.S.Ragozin. Initiation of detonation by gasdynamic methods in a half-limited space.//Proceeding to 20th Int. symp. on Shock Wave, Pasadena, 1995, p. N133

ai