Управление процессами воспламенения и детонации в газовых средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах оукопиги

Головастов Сергей Викторович

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ

01.04.14 -теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

о 2 ОКТ 2008

Москва - 2008

003447714

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

В.В. Голуб (ОИВТ РАН).

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

В.В. Марков (Математический институт им. В.А.

Стеклова РАН);

кандидат физико-математических наук В.Ю. Гидаспов (Московский авиационный институт (государственный технический университет)).

Ведущая организация:

Механико-математический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.

Защита состоится « ОКтлЬрл. 2008 г. в час. СО. мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.02 в ОИВТ РАН по специальности 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» по адресу 125412, Москва, ул. Ижорская д.13, стр.2, Объединенный институт высоких температур РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН. Автореферат разослан « 25"» СЙ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

А.Л. Хомкин

) Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН, 2008

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Вопросы управления воспламенением актуальны при решении задач как повышения эффективности сжигания топлива, так и для обеспечения безопасности. Данные вопросы особенно важны для газов в силу того, что хранение и эксплуатация их осуществляется в широком диапазоне давлений, что способно привести не только к изменению термодинамических параметров, но и к проявлению некоторых газодинамических явлений и существенному изменению реакционных свойств газов.

Одними из таких газов, имеющих широкие концентрационные пределы воспламенения, активно используемых и требующих новых стандартов хранения и норм безопасности, являются ацетилен, способный к взрывному саморазложению без окислителя, и водород, вопросы безопасности которого становятся особенно актуальными при стремительном развитии водородной энергетики.

Помимо вопросов воспламенения водородно-воздушных смесей, активно решаемых во всем мире, необходимо тщательного исследовать газодинамические процессы диффузионного самовоспламенения водорода. Особого внимания заслуживает исследование импульсной струи водорода, возникающей при внезапной разгерметизации сосуда высокого давления (несколько сотен атмосфер). Возникающие в этом случае ударные волны способны привести к самовоспламенению водорода без предварительного перемешивания. Существующие методы исследования самовоспламенения струи водорода при импульсном истечении в воздух предполагают его предварительный нагрев до сотен градусов Цельсия. При этом эксперименты по самовоспламенению «холодного» водорода при внезапной утечке из баллона практически отсутствуют Однако, в контексте безопасности, именно исследование самовоспламенения «холодного» водорода является актуальной проблемой.

Развитие горения предварительно неперемешанных смесей может перейти в формирование детонации в том случае, если при истечении компонентов топлива возникающие газодинамические возмущения создают локальные зоны с концентрациями, допустимыми для детонационного горения. Исследование формирования детонации в потоке предварительно неперемешанных компонентов топлива представляет собой также актуальную задачу.

Особого внимания заслуживает формирование детонации в ацетилено-содержащих газовых смесях и в чистом ацетилене. Существующие способы предотвращения взрывного разложения ацетилена основаны на растворении его в ацетоне Однако, значительно более эффективным способом, позволяю-

щим не только избавиться от использования ацетона, но и существенно увеличить потребление газообразного ацетилена, может оказаться использование малых химически активных добавок, ингибиторов, замедляющих или предотвращающих протекание определенных реакций Исследование возможности использования в качестве ингибитора горючего газа является актуальной задачей. В отличие от инертных разбавителей это позволило бы не только замедлить процесс саморазложения ацетилена, но и не снизить теплоту сгорания полученной топливной смеси.

Цели работы

Основная цель работы заключалась в экспериментальном и численном исследовании влияния состава смеси и граничных условий на процесс воспламенения и формирования детонации в газовых средах при нестационарных процессах истечения и перемешивания. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определение условий саморазложения ацетилена в присутствии ингибиторов при ударно-волновом сжатии.

2. Определение условий диффузионного самовоспламенения водорода при внезапном истечении в воздух.

3. Исследование предцетонационных параметров предварительно непе-ремешанных газовых смесей в зависимости от форм и расположения в камере сгорания препятствий.

Научная новизна работы

1. Показано, что незначительное добавление водорода и пропан-бутана в газообразный ацетилен способно предотвратить взрывное разложение ацетилена, сжатого ударной волной до определенного давления С помощью термодинамического анализа и численного расчета установлено, что ингибирование разложения ацетилена определяется как теплоотводом, так и цепным механизмом химических реакций

2. Обнаружена зависимость максимально допустимой длинны канала, заполненного воздухом при атмосферном давлении, от давления втекающего в него водорода, при которой водород не успевает воспламениться при контакте с воздухом. Показано, что на воспламенение водорода в канале существенно влияет форма сечения этого канала. Использование канала прямоугольного сечения с той же площадью сечения приводит к более быстрому воспламенению водорода и к большему ускорению пламени.

3. Установлено, что расположение преград в канале камеры сгорания существенно влияет на скорость формирования детонации в движущихся

предварительно неперемешанных компонентах детонационноспособной смеси как за счет переотражения ударных волн, так и за счет повышения турбулентности потока.

4. Проведенные в диссертационной работе эксперименты позволили осуществить тестирование программ численного моделирования процессов воспламенения газовых сред и выбрать определяющие элементарные реакции для случая саморазложения ацетилена.

Практическая ценность результатов работы

Результаты работы могут быть использованы при:

1) разработке фундаментальных основ безопасного хранения и использования сжиженного и газообразного ацетилена;

2) разработке норм и стандартов безопасного хранения водорода;

3) анализе причин взрывов, в том числе в шахтах, вызванных взаимодействиями пламени и ударных волн с загромождениями;

4) разработке способов повышения термодинамической эффективности преобразования химической энергии топлива в полезную работу путем импульсного детонационного горения;

5) тестировании схем химической кинетики, описывающих процессы разложения ацетилена.

Основные результаты, представляемые к защите

1. Экспериментальные и расчетные зависимости нижних концентрационных пределов разбавления ацетилена бытовым газом (пропано-бутановая смесь) и водородом, при которых не происходит саморазложение ацетилена за отраженной ударной волной. Численная зависимость степени разложения ацетилена в зависимости от концентрации водорода.

2. Газофазная кинетическая модель ингибирования разложения ацетилена.

3. Экспериментальные и расчетные зависимости расстояния самовоспламенения водорода от начального давления его в сосуде высокого давления при импульсном истечении в канал с воздухом

4. Экспериментальные зависимости длины перехода горения в детонацию от геометрии камеры сгорания в потоках предварительно неперемешанных компонентах топлива

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: 31,32 Международные симпозиумы по

горению (2006,08 гг.), 25,26 Международные симпозиумы по ударным волнам (2005,07 гг.), 19-21 Международные коллоквиумы по динамике взрывов и реагирующих систем (2003,05,07 гг.), Международные коллоквиумы по детонации (2004,06,08 гг.), Международные коллоквиумы по неравновесным процессам в плазме, атмосфере и при горении (2005,07 гг.), ХХХ1-ХХХН Академические чтения по космонавтике (2007-2008 гг.), конференции ОИВТ РАН по Физике экстремальных состояний вещества, Эльбрус (2006-2008 гг.), конференции Московского физико-технического института (государственного университета) (2002-2007 гг.) и другие специализированные международные и российские научные семинары. Общее число докладов - 33.

Публикации

Материалы диссертации достаточно полно изложены в печати. Список научных публикаций по теме диссертации содержит 40 наименований, в том числе 4 статьи в зарубежных журналах и 4 статьи в отечественных журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов.

Личный вклад

Соискатель создал ряд установок, провел серии экспериментов и обработал экспериментальные данные. Принимал непосредственное участие в подготовке программ численного моделирования, расчете и анализе различных сценариев воспламенения.

Структура работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 130 страницах и включает 7 таблиц и 62 рисунков. Список литературы содержит 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 посвящена литературному обзору по разложению ацетилена, самовоспламенению водорода и формированию газовой детонации.

Приведены параметры взрывного разложения ацетилена [1], химические механизмы пиролиза ацетилена [2]. Указаны модели образования сажевых частиц [3,4]. Представлены работы, посвященные ингибированию цепных химических реакций при повышенных давлениях, в том числе и реакций горения [5]. Приведены работы, описывающие механизмы пиролиза бинарных смесей углеводородов [б].

Указаны основные источники воспламенения водорода и приведены времена индукции его самовоспламенения в гомогенных смесях с воздухом и без предварительного перемешивания [7]. Показана роль диффузии и ударно-волновых процессов при внезапном истечении водорода в воздух и возникающем горении на контактной поверхности [8]. Представлен способ моделирования внезапного разрыва водородного сосуда разрывом металлической диафрагмы [9]. Указаны работы по численному анализу воспламенения водорода [10] и исследованию нестационарной струи водорода [11], истекающей в атмосферу воздуха.

Также описано явление детонации, процесс ее формирования и способы инициирования. Указаны методы сокращения преддетонационного расстояния за счет использования камер большего диаметра [12], использования наносе-кундных импульсов электрического разряда [13], турбулизации газовой смеси [14] и др. В завершение описаны перспективы использования детонационного сжигания топлива в двигателях летательных аппаратов [15].

Глава 2 посвящена экспериментальному и численному исследованию предотвращения взрывного разложения ацетилена за ударными волнами при разбавлении его примесями пропан-бутана или водорода. Определялись необходимые концентрации примесей (ингибиторов), препятствующих взрывному разложению ацетилена при волновом сжатии до 65 атм.

В данной главе описан экспериментальный стенд, представлен метод ударно-волнового сжатия исследуемых смесей, описана постановка задачи и метод численного моделирования разложения ацетилена за ударными волнами.

Схема экспериментального стенда, на котором проводились эксперименты по взрывному разложению ацетилена, представлена на рис. 1 (вверху). Он состоял из детонационной камеры сгорания (ДКС), наполняемой детонаци-онноспособной стехиометрической ацетилено-кислородной смесью, и измерительной секции {ИС), наполняемой исследуемыми смесями ацетилена с ингибиторами. Соединительными элементом двух секций и, одновременно, элементом раздела двух газовых областей являлся шаровой кран {ШК).

В главе 2 описан процесс перехода детонационной волны (ДВ), инициируемой в ДКС, в ударную волну (УВ), распространяющуюся в ИС (см. экспериментально полученную Х-1-диаграмму на рис. 1, внизу). Сжатие исследуемых смесей осуществлялось падающей ударной волной, а затем и отраженной ударной волной {О У В). В диссертации представлены значения давлений и температур исследуемых смесей ацетилена с ингибиторами при ударно-волновом сжатии.

Б1

ШК

ДКС

ИС

484 мм

332

|ч Л

ФД " 200

200 200

100

ВВР \ / I кп V •/^¿Vitn —

L^fii-ivitfsiiE ^-- Г" УВ исследуемый газ

детонационный газ ДВ

Рис. 1. Схема экспериментального стенда (вверху) и волновая X-t-диаграмма сжатия исследуемых газовых смесей (внизу):

ДКС - детонационная камера сгорания; ИС - измерительная секция, ШК - шаровой кран; Б1(Б2) - баллон с детонационным (исследуемым) газом; ИР - искровой разрядник; ДЦ - пьезоэлектрические датчики давления РСВ-113А; ФД - фотодиоды ФД-256; KU - контактная поверхность; УВ - ударная волна, ОУВ - отраженная ударная волна; ВВР - веер волн разрежения

В данной главе описан способ приготовления ацетилено-кислородной смеси и смесей ацетилена с ингибиторами, приведены погрешности определения состава смесей и их термодинамических параметров при ударно-волновом сжатии.

Расчетная область для численного исследования разложения ацетилена за ударными волнами и ингибирования его разложения добавками водорода в осесимметричной постановке представлена на рис. 2. В главе 2 приведены уравнения газодинамики и описан вычислительный алгоритм, построенный на явной конечно-разностной схеме распадного типа второго порядка точности по пространству и времени. Трение и теплопроводность на некаталитических стенках камеры сгорания не учитывались.

С,Н,, V= 1500 м/с

ударная волна . продукты разложения

........Радиус, 10 мм

Рис. 2. Расчетная область

Длина, 2 м —

-и

Ось симметрии

В главе 2 описана используемая упрощенная модельная кинетическая схема разложения ацетилена на основе схемы Tanzawa & Gardiner [3]. Рассматривались реакции в газовой фазе. Гетерогенный процесс формирования частиц сажи с учетом их поверхностного роста и коагуляции не рассматривался ввиду того, что скорость протекания реакций в газовой фазе намного превышает скорость гетерогенных реакций Предварительный расчет показал, что саморазложение может быть эффективно заингибировано лишь на начальной стадии зарождения полииновых молекул.

Варьируемой величиной в эксперименте была концентрация примеси пропан-бутана или водорода в ацетилене в диапазоне начального давления от 1 до 2,5 атм, а при числешюм исследовании - концентрация водорода при начальном давлении 1 атм.

В главе 2 представлены экспериментальные X-t-диа-граммы волн разложения ацетилена (BP) за отраженными ударными волнами (ОУВ), одна из которых показана на рис 3 для случая разбавления ацетилена пропан-бутаном в количестве 6 объемных процентов.

Распределения температуры, концентраций ацетилена, водорода и продуктов разложения ацетилена за ударными волнами вдоль оси камеры сгорания получены численно и приведены в диссертации. Решение стационарной задачи установило, что давление на фронте расчетной ударной волны соответствовало измеряемому давлению на фронте наблюдаемой в эксперименте ударной волны. Этим сравнением была показана адекватность значений температуры и концентраций за отраженными ударными волнами, полученными в расчете.

В диапазоне начальных давлений 1-2,5 атм экспериментально определены предельные концентрации пропан-бутана и водорода, при которых не про-

1 кп

*_I_I_I_1_I_I

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

I, «с

Рис. 3. Х-Ьдиаграмма взрывного разложения ацетилена в измерительной секции

--осциллограммы давления,

----осциллограммы свечения,

......... - траектории ударной волны (УВ),

отраженной ударной волны (ОУВ), волны

разложения ацетилена (ВР),

КП- свечение контактной поверхности

исходило разложения ацетилена (рис 4). Давление на фронте отраженной ударной волны поднималось в 10-20 раз (от 10 до 65 атм), температура - до 750-850 К.

50 ■

40 ■

- 1

- 2

3

х

01— 0,8

1,2

1.6

Р„, атм

2,0

X X

2,4

# 30 ■

20

10

01— 0,8

1,2

▲

X

1,6

Р.. атм

2,0

2,4

Рве. 4. Зависимости предельных концентраций пропан-бутана (слева) и водорода (справа) от начального давления

1 - саморазложение ацетилена не происходит; 2 - происходит частичное саморазложение, 3 - саморазложение происходит

В работе сделано предположение, что резкая зависимость способности ацетилена к разложению от малого изменения концентраций водорода или пропан-бутана может указывать на то, что рекомбинация радикалов происходит, в основном, при квадратичном обрыве в ядре потока газа, а не на стенках камеры сгорания Повышение давления приводило к увеличению скорости зарождения радикалов при тройных столкновениях. По этой причине, необходимое количество ингибитора, требуемое для предотвращения процесса разложения ацетилена, также увеличивалось с ростом давления (см. рис. 4).

В главе 2 приведены необходимые условия теплового ингибирования разложения ацетилена пропан-бутаном и водородом без учета кинетики химических реакций. Сравнение рассчитанных значений со значениями, полученными экспериментально, показало, что игнорирование цепного механизма ингибирования разложения ацетилена требует вдвое большего количества пропан-бутана и в 9 раз больше водорода. Сравнение необходимых концентраций примесей водорода представлено на рис. 5 (4,5).

В диссертации проведено численное исследование влияния концентрации водорода на степень разложения ацетилена при начальном давлении смеси 1 атм (см. рис. 5, 3). Совпадение положения точки перегиба с экспериментально полученной граничной концентрацией водорода показало достоверность

данного расчета при определении предельных значений концентрации. Расчет качественно показал, что небольшая добавка водорода ускоряет цепной процесс разложения, а дальнейшее увеличение водорода его инги-бирует. Эксперимент, проведенный при начальном давлении 1 атм, подтвердил, что скорость волны разложения ацетилена, фиксируемая фотодатчиками, принимает наибольшее значение при объемной концентрации водорода 5 % или концентрации пропан-бутана 2,5 %.

Глава 3 посвящена экспериментальному и численному исследованию диффузионного самовоспламенения водорода при импульсном истечении водорода в канал. Определялось место возникновения самовоспламенения в зависимости от давления истекающего водорода и формы сечения канала.

В главе описан стенд, на котором проводились эксперименты по диффузионному самовоспламенению водорода, постановка задачи и метод численного моделирования самовоспламенения водорода в канале.

Сконструированный специально для данных исследований экспериментальный стенд представлен на рис. 6 (вверху) и состоял из: сосуда высокого давления 3, наполняемого водородом до давления 150 атм; канала 5 прямоугольного или круглого сечения, наполненного атмосферным воздухом при 1 атм и изолированного от сосуда 3 медной диафрагмой 4; системы подачи сжатого водорода 1,2 и бустерной емкости 6. Внезапная разгерметизации сосуда высокого давления с последующим импульсным истечением водорода в канал моделировалась распадом произвольного разрыва, происходящим при разрыве медной диафрагмы. Экспериментальная Х-1-диаграмма самовоспламенения водорода в канале прямоугольного сечения при начальном давлении водорода 56 атм представлена на рис. 6 (внизу) с указанием зоны диффузионного перемешивания на контактной границе водорода и воздуха.

водород, %, об.

Рис. 5. Зависимость степени разложения ацетилена от концентрации водорода при ударно-волновом сжатии 20 атм:

] - разложение наблюдается экспериментально; 2 - разложение экспериментально не наблюдается, 3 — расчетная степень разложения ацетилена, 4 - экспериментальная граница; 5 - термодинамическая граница

X, мм

100

Рис. 6. Схема экспериментального стенда (вверху) и Х-Миаграмма самовоспламенения водорода {внизу)'.

1 - баллон со сжатым водородом; 2 - манометр; 3 - сосуд высокого давления; 4 -медная диафрагма; 5 - канал низкого давления; 6 - бустерная емкость; ДД - пьезоэлектрические датчики давления; ФД- фотодиоды

Расчетная область для численного исследования самовоспламенения водорода при импульсном истечении в канал круглого сечения в осесимметрич-ной постановке представ-

лена на рис. 7. Для уменьшения количества элементов сетки и ускорения расчета длина и диаметр сосуда высокого давления задавались отличными от используемых в эксперименте, но такого же объема. Длина сосуда выбиралась таким образом, чтобы волна

сосуд высокого давления

Рис. 7. Расчетная область. Сосуд высокого давления заполнялся водородом до начального давления 20100 атм, канал низкого давления - воздухом до 1 атм. Начальная температура водорода и воздуха была 300 К

разрежения при отражении от стенки, как и в эксперименте, не влияла на течение газов в канале.

В главе 3 описан алгоритм решения уравнений Навье-Стокса, также построенный на явной конечно-разностной схеме распадного типа второго порядка точности по пространству и времени, и приведена кинетика горения водорода, включающая 21 уравнение для 11 компонентов: Н20, Ог, Н;, ОН, Н, О, Н02, Н2О2, N2, N0, N. Описаны газодинамический перенос вязкого газа, теплопроводность, приближение линейно-независимой диффузии и условия этого приближения. Расчеты выполнены с учетом пограничного слоя на стенке канала и без его учета.

Варьируемым параметром в эксперименте и в расчете было начальное давление водорода в сосуде высокого давления. При численном моделировании в качестве критерия самовоспламенения водорода принималось быстрое повышение температуры смеси до 1200 - 1500 К с одновременным увеличением массовой концентрации воды в потоке свыше 10"4.

В главе представлены экспериментальные Х+диаграммы распространения ударных волн и фронта пламени в канале в зависимости от давления в сосуде высокого давления и формы сечения канала, построенные по результатам регистрации пьезодатчиков давления и фотодиодов. На рис. 8 построены зависимости расстояния X самовоспламенения водорода в канале в зависимости от начального давления водорода Ро. Уменьшение расстояния самовоспламенения водорода с увеличением давления объяснено повышением температуры атмосферного воздуха в канале за счет увеличения интенсивности ударной волны, в том числе непосредственно в зоне диффузионного перемешивания.

Кроме того, в работе рассмотрены причины влияния формы сечения канала на скорость воспламенения водорода. Экспериментально по показаниям датчиков давления обнаружено, что при одинаковом начальном давлении Ро интенсивность ударной волны в канале круглого сечения меньше, чем в канале прямоугольного сечения. Удовлетворительное совпадение численных результатов с экспериментальными в канале круглого сечения (см. рис. 8, линии 5,7) позволило на основе дополнительных расчетов показать, что существенный вклад в повышение давления вносит пограничный слой, который в узком прямоугольном канале занимает большую часть сечения канала. Это приводит не только к повышению давления в потоке, но и к дополнительному ускорению пламени. Эксперименты показали, что самовоспламенение водорода возникало ближе к диафрагме в прямоугольном канале.

5--6 -7

о1---1---1---1---'

О 40 80 120 160

X, мм

Рис. 8. Зависимость места воспламенения X водорода в канале от начального давления Ро в сосуде высокого давления:

1 - воспламенение в канале круглого сечения, эксперимент, 2 - отсутствие воспламенения, 3 - воспламенение в канале прямоугольного сечения, эксперимент, 4 - отсутствие воспламенения; 5 - предельные условия воспламенения водорода в канале круглого сечения, эксперимент, б - предельные условия воспламенения водорода в канапе прямоугольного сечения, эксперимент, 7 - предельные условия воспламенения водорода в канале круглого сечения, расчет

В главе 4 экспериментально исследовалось формирование детонации в нестационарном потоке предварительно неперемешанных газовых компонентов топлива. Исследовалось влияние геометрии узкого канала (Л/£> ~ 2, Я - ширина детонационной ячейки, й - внутренний диаметр канала) на ускорение пламени и на формирование детонации в турбулентном потоке. В качестве исследуемых детонационноспособных смесей использовались водородно-воздушные, водородно-ацетилено-воздушные и ацетилено-пропано-бутано-воздушные смеси.

В главе подробно описаны специально созданная для данных исследований камера детонационного сгорания (см. схемы на рис. 9 а,б,в) и система раздельной подачи компонентов топлива, представляющая собой две параллельные газовые магистрали с системами определения и регулировки расходов. По одной из магистралей подавалось горючее, по другой - воздух или кислород.

В главе описаны методы непрерывной подачи компонентов в камеру детонационного сгорания и периодического или однократного их воспламенения после наполнения ими камеры сгорания. Приведены условия самопроизвольного воспламенения компонентов смеси при истечении в камеру сгорания.

«У воздух * ^ разрядник £ ДД

1 1

водород ? 1 л *) Г 1700 ФД

<¡>6

ЬгН

0 10

/ и ^ П -о. V

200 1 400

1200

800

400

МКС

ФП /

>

А а), у^ув

V

/ дв

ФП //А

х, мм

.^Т / I_._I_I_I_I_I_I—I

800

1200

1600

2000

Рнс. 9. Схемы каналов детонационной камеры сгорания (а,б, в) и соответствующие им диаграммы формирования детонации (г).

а - без кольцевых преград и уширителей, б - с двумя кольцевыми преградами, в - с уширителем и одной кольцевой преградой внутри; ДД- датчики давления, ФД- фотодиоды; ФП - фронт пламени, УВ - ударные волны, ДВ - детонационные волны

Показано, что продукты детонации способны нагреть до температуры самовоспламенения компоненты топливной смеси, находящиеся в топливных магистралях, если в качестве окислителя служит кислород. В том случае, если в качестве окислителя выступает воздух, самовоспламенения компонентов топлива при перемешивании в камере сгорания не происходило, что объяснялось влиянием азота, выступающего как буферный газ.

Эксперименты по влиянию положения и форм преград и уширительных камер на место возникновения детонации в движущихся топливо-воздушных смесях показали, что расположение препятствий в форме кольцевых преград способно сократить преддетонационное расстояние с 120 калибров до 95. Некоторые экспериментальные Х^-диаграммы представлены на рис. 9 г. Преддетонационное расстояние принимало минимальное значение, когда количество кольцевых преград равнялось двум, а их внутренний диаметр - 6 мм (рис. 10). Расположение уширительной секции вдвое большего диаметра приводило к сокращению преддетонационного расстояния вдвое, как показано на рис. 10.

В главе 4 приведено объяснение влияния преград на ускорение пламени и на формирование детонации в предварительно неперемешанных компонен-

тах топлива за счет переотражения возникающих ударных волн и за счет повышения турбулентности потока.

2000

С

d/D = 0,4

d/D = 0.3

d/D-0,24

d/D = 0 25 d/D = О 3. 2 прегр

прегр + уширит

200 I

400 X, мм

600

Ф ю:

800

Рис. 10. Зависимость предцетонационного расстояния Lädt от расположения X кольцевых преград, их количества и диаметров отверстия d/D (d - диаметр отверстия, D - диаметр канала)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально получено, что малыми добавками пропан-бутана или водорода можно предотвратить взрывное разложение ацетилена за ударной волной. В исследуемом диапазоне давлений определены минимальные концентрации пропан-бутана и водорода, необходимые для предотвращения разложения ацетилена Численно показано, что процесс ингибирования разложения определяется не только теплоотводом, но и цепным механизмом обрыва химических реакций.

2. Экспериментально обнаружена и численно подтверждена зависимость максимально допустимой длинны канала от давления внезапно истекающего в него холодного водорода, при которой не происходит диффузионного самовоспламенения на границе с горячим воздухом.

3. Установлено, что на процесс воспламенения водорода в канале влияет форма сечения канала Изменение формы канала от круглого сечения к прямоугольному приводит к дополнительному повышению давления в зоне диффузионного перемешивания, что ускоряет самовоспламенение водорода.

4. Экспериментально установлено, что отвод тепла от продуктов детонации с помощью буферного газа, позволяет осуществить частотную детона-

цию при непрерывном раздельном истечении компонентов топлива в ограниченное пространство.

5. Показано что размещение определенного числа кольцевых преград и уширительных камер способствует ускорению пламени и формированию детонации в предварительно неперемешанных компонентах топлива, непрерывно истекающих в камеру сгорания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Миллер С.А. Ацетилен, его свойства, получение и применение. Санкт-Петербург: Химия, 1956. 680 с.

2. Крестинин А.В. О механизме образования сажи из ацетилена // Химическая физика. 1994. Т. 13. № 1. С. 121-131.

3. Tanzawa Т., Gardiner W. // Physical Chemistiy. 1980. V. 84. № 3. P. 236-239.

4. Теснер ПА. Образование углерода из углеводородов газовой фазы // Химия. 1972. С.136.

5. Азатян В.В., Бакланов Д.И., Гвоздева Л.Г., Лагутов Ю.П., Мержанов А.Г., Рубцов Н.М., Цветков Г.И., Шаров Ю.Л., Щербак Н.Б. Ингибирование развившейся детонации водородно-гоздушных смесей // Доклады Академии наук. 2001. Т. 376. № 1. С. 55-58.

6. Теснер П.А., Городецкий А.Е., Бородина Л.М. Кинетика образования пиро-углерода из пропилена и бутадаена-1,3 И Кинетика и катализ. 1981. С. 990992.

7. Гелъфанд Б.Е., Попов О.Е., Чайванов Б.Б. Водород: параметры горения и взрыва. М: Физматлиг, 2008.288 с.

8. Wolcmski P., Wojcicki S. Investigation into the mechanism of the diffusion ignition of a combustible gas flowing into an oxidizing atmosphere // In Proc. of The 14th Int. Symposium on Combustion. 1973. Paper 1217.

9. Баев B.K., Шумский B.B., Ярославцев М.И. Самовоспламенение горючего газа, истекающего в среду окислителя // Физика горения и взрыва. 1983. № 5. С. 73-80.

10. Liu Y., TsuboiN., Sato Н., Higashino F., HayashiA. Direct numerical simulation on hydrogen fuel jetting from high pressure tank I I In Proc. of The 20th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reacting Systems,. 2005. Paper 1530.

W.Golub V.V. Development of shock wave and vortex structures in unsteady jets II Shock Waves. 1994. V. 3. P. 279-285.

12.Смирнов Н.Н., Никитин В.Ф. Влияние геометрии канала и температуры смеси на переход горения в детонацию в газах // Физика горения и взрыва. 2004. № 2. С. 68-83.

13.Zhukov V.P., Starikovshi A.Yu.. Deflagration-to-Detonation Control by Non-Equilibrium Gas Discharges and Its Applications for Pulsed Detonation Engine // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2005. Reno, Nevada, USA. Paper 1196.

14.Baklanov D.I., Gvozdeva L.G., Scherbak N.B. The formation of high-speed gas flow in frequency mode during non-stationary propagation of detonation // AIAA. 1998. Paper 2562.

15.Баженова T.B., Голуб B.B. Использование газовой детонации в управляемом частотном режиме // Физика горения и взрыва. 2003. № 4. С. 3-21.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Baklanov D.I., Bazhenova T.V., Bragin M.V., Golovastov S.V., Golub V.V., Ivanov M.F., Volodin V. V. Shock-induced ignition of hydrogen gas during accidental or technical opening of high-pressure tanks II Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007. V. 20. Issues 4-6. P.439-446.

2. Golub V.V., Baklanov D.I., Golovastov S.V., Ivanov M.F., Laskin I.N., Saveliev A.S., Semin N. V., Volodin V. V. Mechanisms of high-pressure hydrogen gas self-ignition in tubes // Journal of Lost Preventions in the Process Industry. 2008. V. 21. Issue 2. P. 185-198.

3. Баженова T.B., Бакланов Д.И., Володин B.B., Головастое С.В., Голуб В.В., Мэйерс Д., Лю Ф. Получение газовой детонации с повышенными параметрами на установке с раздельной подачей реагентов // Химическая физика. 2003. Т. 22. № 8. С. 38-44.

4. Баженова Т.В., Бакланов Д.И., Володин В.В., Головастое С.В., Голуб В.В., Лисин Д.Г. Газовая детонация в частотном режиме и проблемы ее использования // Горение и плазмохимия. 2003. Т. 1. № 4. С. 337-349.

5. Бакланов Д.И., Володин В.В., Головастое С.В., Голуб В.В. Возникновение детонации в камере сгорания с переменным расходом компонентов топлива // Химическая физика. 2005. Т. 24. № 7. С. 16-18.

6. Бакланов Д.И., Володин В.В., Головастое С.В., Голуб В.В. Возникновение детонации в потоке горючей смеси // Химическая физика. 2005. Т. 24. № 7. С. 13-15.

7. Бакланов Д.И., Гвоздева Л.Г., Головастое С.В., Каптаев. А. Переход горения в детонацию в турбулентном потоке в пульсирующем детонационном двигателе // Химическая физика. 2005. Т. 24. № 7. С. 5-12.

8. Голуб В.В., Бакланов Д.И., Володин В.В., Головастое С.В. Влияние энергии инициирования и геометрии канала на переход горения в детонацию // Горение и плазмохимия. 2007. Т. 5. № 1-2. С. 95-108.

9. Бакланов Д.И., Володин В.В., Гилязова А.А., Головастое С.В., Голуб В.В., Лисин Д.Г., РешетнякР.Б. Инициирование детонации в потоке смешивающихся горючего и окислителя // В сб. «Импульсные детонационные двигатели» под ред. С.М. Фролова. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006. С. 119-128.

10.Baldanov D.I., Golovastov S.V., Golub V.V., Volodm V.V. Detonation formation in combustion chamber with the variable fuel components mass flow // to "Application of detonation to propulsion" ed. by G. Roy, S. Frolov, J. Shepherd. -Moscow: TORUS PRESS, 2004. P. 219-224.

11.Baklanov D.I., Golovastov S.V., Golub V.V., Volodin V.V. Detonation formation in moving detonable mixture flow // In "Application of detonation to propulsion" ed. by G. Roy, S. Frolov, J. Shepherd. - Moscow: TORUS PRESS, 2004. P. 225231.

12.Golovastov S.V., Golub V.V., Volodin V.V., Baklanov D.I. Effect of chamber closed end and mixture velocity on deflagration-to-detonation transition // In "Nonequilibrium Processes. Combustion and Detonation" ed. by G. Roy, S. Frolov, A. Starik. - Moscow: TORUS PRESS, 2005. V. 1, P. 310-316.

13. Golovastov S.V., Golub V.V., Volodm V.V., Baklanov D.I.. Scenarios of detonation formation in moving and quiescent Hrair mixtures at different ignition energies // In "Nonequilibrium Processes. Combustion and Detonation" ed. by G. Roy, S. Frolov, A. Starik. - Moscow: TORUS PRESS, 2005. V. 1, P. 317-323.

U. Golovastov S.V., Baklanov D.I., Golub V.V.,'Ivanov K.V., Volodin V.V. Experimental investigation of diffusion self-ignition at a pulse release of hydrogen into a channel // In "7th International symposium in hazard, prevention, and mitigation of industrial explosions". - St.-Petersburg, Russia, 2008. V. 2, P. 139-146.

\5.Golovastov S.V., Baklanov D.I., Golub V.V, Laskin I.N., Volodin V.V. Role of chain reactions in inhibition of spontaneous decomposition of acetylene // In "7th International symposium in hazard, prevention, and mitigation of industrial explosions". - St.-Petersburg, Russia, 2008. V. 3. P. 250-255.

16.GolovastovS.V., Golub V.V., Volodin V.V., Bazhenova T.V., BaklanovD.I., Lisin D.G. Detonation Initiation in Moving Non-Premixed Flows // In Proc. of The 20th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reacting Systems. Monreal, Canada, 2005. Paper И 45.

17.Golovastov S. К, Gvozdeva L.G., KaltaevA., ScherbakN.B., Volodin V.V. Investigation of transition of deflagration to detonation in moving mixtures of combustibles gases // In Proc. of The 20th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reacting Systems. Monreal, Canada, 2005. Paper 1235.

18.Baklanov D.I., Golovastov S.V., Golub V.V., Reshetnyak R.B., Volodin V.V. Inhibition of Spontaneous Decomposition of Acetylene by Hydrocarbon: an Experimental Investigation // In Proc. of The 20th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reacting Systems. Poitiers, France, 2007. Paper 0102.

19.Бакланов Д.И., Головастое C.B., Гшязова А А., Голуб B.B., Володин B.B., Лисин Д.Г., Решетняк Р.Б. Влияние камеры сгорания на формирование детонации в движущейся детонационноспособной смеси // В сб. «Уравнения состояния вещества». - Черноголовка, 2006. С. 147-149.

20.Бакланов Д.И., Головастое С.В., Голуб ВВ., Володин В.В., Решетняк Р.Б. Ингибирование взрывного разложения ацетилена: роль различных механизмов // В сб. «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество». -*■ Черноголовка, 2007. С. 165-168.

21 .Бакланов Д.И., Володин В.В, Гилязова А.А., Головастое С.В., Голуб В.В., Семин Н.В., Решетняк Р.Б. Исследование параметров газовой детонации в частотном режиме // В сб. «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество». - Черноголовка, 2007. С. 151-154.

22.Головастое С.В., Голуб В.В., Бакланов Д.И., Володин В.В., Прокопов А.С. Диффузионное самовоспламенение водорода при импульсном истечении в канал // В сб. «Физика экстремальных состояний вещества». - Черноголовка, 2007. С. 147-150.

23.Головастое С.В., Голуб В.В., Бакланов Д.И., Володин В.В., Ласкин Н.В., Ми-кушкиН А.Ю. Исследование цепных механизмов ингибирования саморазложения ацетилена // В сб. «Физика экстремальных состояний вещества». -Черноголовка, 2008. С. 150-153.

24.Головастое С.В., Голуб В.В., Ласкин Н.В., Иванов КВ., Семин Н.В., Савельев А. С. Математическое моделирование влияния различных факторов на процесс диффузионного самовоспламенения водорода // В сб. «Физика экс, тремальных состояний вещества». - Черноголовка, 2008. С. 153-156.

Головастое Сергей Викторович

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ

Автореферат

Подписано в печать 3 09 2008 г. Формат 60x84/14

Печать офсетная Уч-издл 1.25 Ус-печл 116

Тираж! 00 экз Заказ N<42 Бесплатно

ОИВТ РАН 125412, Москва, Ижорская ул, 13, стр 2

Содержание.

Введение.

Глава 1. Обзор исследований воспламенения газовых смесей

1.1. Взрывное разложение ацетилена.

1.2. Диффузионное самовоспламенение водорода.

1.3. Формирование детонации в газах.

Выводы к гл. 1.

Глава 2. Ингибирование взрывного разложения ацетилена

2.1. Экспериментальный стенд.

2.1.1. Экспериментальный стенд. Методика проведения экспериментов

2.1.2. Анализ погрешностей

2.1.3. Анализ достоверности экспериментальных данных.

2.2. Численный метод. Постановка задачи.

2.2.1. Математическая модель.

2.2.2. Кинетическая модель.

2.2.3. Начальные и граничные условия.

2.3. Результаты исследований.

2.3.1. Экспериментальные исследования при начальном давлении 1 атм.

2.3.2. Анализ поглощения тепла в процессах взрывного разложения.

2.3.3. Численное исследование при начальном давлении 1 атм

2.3.4. Экспериментальные исследования при начальном давлении 1,80-2,5 атм 62 Выводы к гл. 2.

Глава 3. Диффузионное самовоспламенение водорода при импульсном истечении в канал

3.1. Экспериментальный стенд.

3.1.1. Экспериментальный стенд. Методика проведения экспериментов

3.1.2. Анализ погрешностей.

3.1.4. Анализ достоверности экспериментальных данных.

3.2. Численный метод. Постановка задачи.

3.2.1. Математическая модель.

3.2.2. Кинетическая модель.

3.2.2. Начальные и граничные условия.

3.3. Результаты исследований

3.3.1. Экспериментальное исследование в каналах круглого и прямоугольного сечений.

3.3.2. Численное исследование в канале круглого сечения.

3.3.3. Влияние пограничного слоя на скорость воспламенения водорода. 102 Выводы к гл.З.

Глава 4. Инициирование детонации в потоке предварительно неперемешанных компонентах топлива.

4.1. Экспериментальный стенд.

4.1.1. Экспериментальный стенд. Метод проведения экспериментов

4.1.2. Анализ погрешностей.

4.1.3. Анализ достоверности экспериментальных данных.

4.2. Результаты экспериментов.

4.2.1. Влияние буферного газа на инициирование детонации

4.2.2. Влияние положения препятствий на формирование детонации в потоке 116 Выводы к гл. 4.

Актуальность темы

Вопросы управления воспламенением актуальны при решении задач как повышения эффективности сжигания топлива, так и для обеспечения безопасности Для повышения эффективности сжигания необходимо ускорять процесс энерговыделения, в то время как для обеспечения безопасности при работе с тем же топливом необходимо подавлять или полностью исключать возможность его самопроизвольного воспламенения. Данные вопросы особенно важны для газов в силу того, что хранение и эксплуатация их осуществляется в широком диапазоне давлений, что способно привести не только к изменению термодинамических параметров, но и к проявлению некоторых газодинамических явлений и существенному изменению реакционных свойств газов.

Одними из таких газов, имеющих широкие концентрационные пределы воспламенения, активно используемых и требующих новых стандартов хранения и норм безопасности, являются ацетилен, способный к взрывному саморазложению без окислителя, и водород, вопросы безопасности которого становятся особенно актуальными при стремительном развитии водородной энергетики.

Анализируя причины несчастных случаев, вызванных взрывом водородно-воздушных смесей, в [1] пришли к выводу, что во многих (до 70%) случаях источник воспламенения остается невыясненным Помимо вопросов воспламенения водородно-воздушных смесей, активно решаемых во всем мире, необходимо тщательного исследовать газодинамические процессы диффузионного самовоспламенения водорода. Особого внимания заслуживает исследование импульсной струи водорода, возникающей при внезапной разгерметизации сосуда высокого давления (несколько сотен атмосфер) Возникающие в этом случае ударные волны способны привести к самовоспламенению водорода без предварительного перемешивания [2]. Существующие методы исследования самовоспламенения струи водорода при импульсном истечении в воздух предполагают его предварительный нагрев до сотен градусов Цельсия При этом эксперименты по самовоспламенению «холодного» водорода при внезапной утечке из баллона практически отсутствуют. Однако, в контексте безопасности, именно исследование самовоспламенения «холодного» водорода является актуальной задачей.

Развитие горения предварительно неперемешанных компонентов топлива может перейти в формирование детонации в том случае, если при истечении компонентов топлива возникающие газодинамические возмущения создают локальные зоны с концентрациями, допустимыми для детонационного горения. Исследование формирования детонации в потоке предварительно неперемешанных компонентов топлива представляет собой также актуальную задачу.

Не менее важной задачей является задача реализации пульсирующего детонационного горения предварительно неперемешанных компонентов топлива в детонационных устройствах. При детонации газов термодинамическая эффективность сжигания заметно повышается, так как степень сжатия увеличивается в 20-30 раз, а время выделения энергии составляет 10"6-10"5 микросекунд. Преимущества детонационного сжигания топлива подробно описаны в [3]. Помимо термодинамической эффективности сжигания продукты детонации имеют еще и значительную кинетическую энергию, что дополнительно увеличивает полную эффективность сжигания.

Особого внимания заслуживает формирование детонации в ацетилено-содержащих газовых смесях и в чистом ацетилене. Существующие способы предотвращения взрывного разложения ацетилена основаны на растворении его в ацетоне. Дополнительно ацетон помещают в пористую массу, чтобы исключить возможность распространения взрывных волн [4]. Однако значительно более эффективным способом, позволяющим не только избавиться от использования ацетона, но и существенно увеличить потребление газообразного ацетилена, может оказаться использование малых химически активных добавок, ингибиторов, замедляющих или предотвращающих протекание определенных реакций. Исследование возможности использования в качестве ингибитора горючего газа является актуальной задачей. В отличие от инертных разбавителей это позволило бы не только замедлить процесс саморазложения ацетилена, но и не снизить теплоту сгорания полученной топливной смеси.

В настоящее время механизм ингибирования пиролиза сложных углеводородов полностью неясен. Работы по изучению кинетических процессов и их роли при высоких давлениях в условиях энерговыделения крайне скудны и требуют более подробного исследования. Изучение механизма ингибирования пламен, пиролиза при давлениях выше атмосферного представляет большой интерес и является актуальной научной проблемой.

Объект и предмет исследования

1. Взрывное разложения ацетилена, сжатого ударной волной.

Экспериментально и численно ' исследовалась зависимость степени разложения ацетилена от содержания в нем пропан-бутана или водорода.

2. Диффузионное самовоспламенение холодного водорода на границе с воздухом.

Экспериментально и численно исследовалась зависимость расстояния самовоспламенения холодного водорода в канале от начального давления в сосуде высокого давления при импульсном истечении в канал, заполненный воздухом, при двух формах сечения канала.

3. Формирование детонации в предварительно неперемешанных компонентах топлива.

Экспериментально исследовалась зависимость преддетонационного расстояния в потоке предварительно неперемешанных компонентах топлива от расположения преград в канале.

Цели работы

Основная цель работы заключалась в экспериментальном и численном исследовании влияния состава смеси и граничных условий на процесс воспламенения и формирования детонации в газовых средах при нестационарных процессах истечения и перемешивания. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определение условий саморазложения ацетилена в присутствии ингибиторов при ударно-волновом сжатии. Определение нижних концентрационных пределов разбавления ацетилена бытовым газом (пропан-бутан, экспериментальное исследование) и водородом (экспериментальное и численное исследования), при которых не происходит саморазложение ацетилена.

2. Определение условий диффузионного самовоспламенения водорода при внезапном истечении в воздух. Экспериментальное и численное определение зависимости расстояния самовоспламенения водорода в канале при импульсном истечении из сосуда высокого давления от начального давления водорода и от формы сечения канала

3. Исследование преддетонационных параметров предварительно неперемешанных компонентов топлива в зависимости от форм и расположения в камере сгорания препятствий.

Основные результаты и научная новизна

1. Показано, что незначительное добавление водорода и пропан-бутана в газообразный ацетилен способно предотвратить взрывное разложение ацетилена, сжатого ударной волной. С помощью термодинамического анализа и численного расчета установлено, что ингибирование разложения ацетилена определяется как теплоотводом, так и цепным механизмом химических реакций.

2. Обнаружена зависимость максимально допустимой длинны канала, заполненного воздухом при атмосферном давлении, от давления втекающего в него водорода, при которой водород не успевает воспламениться при контакте с воздухом. Показано, что на воспламенение водорода в канале существенно влияет форма сечения этого канала. Использование канала прямоугольного сечения с той же площадью сечения приводит к более быстрому воспламенению истекающего водорода и к большему ускорению пламени.

3. Установлено, что расположение преград в канале камеры сгорания существенно влияет на скорость формирования детонации в движущихся предварительно неперемешанных компонентах детонационноспособной смеси как за счет переотражения ударных волн, так и за счет повышения турбулентности потока.

4. Проведенные в диссертационной работе эксперименты позволили осуществить тестирование программ численного моделирования процессов воспламенения газовых сред и выбрать определяющие элементарные реакции для случая саморазложения ацетилена.

Практическая значимость результатов работы

Результаты работы могут быть использованы при:

1) разработке фундаментальных основ новых методов безопасного хранения и использования сжиженного и газообразного ацетилена;

2) разработке норм и стандартов безопасного хранения водорода, а также устройств, обесечивающих аварийный выброс водорода в атмосферу;

3) анализе причин взрывов, в том числе в шахтах, вызванных взаимодействиями пламени и ударных волн с загромождениями;

4) разработке способов повышения термодинамической эффективности преобразования химической энергии топлива в полезную работу путем импульсного детонационного горения;

5) тестировании схем химической кинетики, описывающих процессы разложения ацетилена.

Основные результаты, представляемые к защите

1. Экспериментальные и расчетные зависимости нижних концентрационных пределов разбавления ацетилена бытовым газом (пропано-бутановая смесь) и водородом, при которых не происходит саморазложение ацетилена за отраженной ударной волной. Численная зависимость степени разложения ацетилена в зависимости от концентрации водорода.

2. Газофазная кинетическая модель ингибирования разложения ацетилена.

3. Экспериментальные и расчетные зависимости расстояния самовоспламенения водорода от начального давления его в сосуде высокого давления при импульсном истечении в канал с воздухом.

4. Экспериментальные зависимости длины перехода горения в детонацию от геометрии камеры сгорания в потоках предварительно неперемешанных компонентах топлива.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: 31,32 Международные симпозиумы по горению (2006,08 гг.), 25,26 Международные симпозиумы по ударным волнам (2005,07 гг.), 19-21 Международные коллоквиумы по динамике взрывов и реагирующих систем (2003,05,07 гг.), Международные коллоквиумы по детонации (2004,06,08 гг.), Международные коллоквиумы по неравновесным процессам в плазме, атмосфере и при горении (2005,07 гг.), ХХХ1-ХХХП Академические чтения по космонавтике (2007-2008 гг.), конференции ОИВТ РАН по Физике экстремальных состояний вещества (2006-2008 гг.), конференции Московского физико-технического института (государственного университета) (2002-2007 гг.) и другие специализированные международные и российские научные семинары. Общее число докладов — 33.

Публикации

Материалы диссертации достаточно полно изложены в печати. Список научных публикаций по теме диссертации содержит 40 наименований, в том числе 4 статьи в зарубежных и 4 статьи в отечественных реферируемых журналах.

Тема диссертации связана с научно-исследовательскими работами Объединенного института высоких температур РАН. В работе представлены результаты исследований, выполненных при поддержке программ Президиума РАН, РФФИ, Фонда содействия развитию малых форм предприятий.

Выводы к главе 4

1. Экспериментально установлено, что отвод тепла от продуктов детонации с помощью буферного газа позволяет осуществить частотную детонацию при непрерывном раздельном истечении компонентов топлива в ограниченное пространство

2 Показано что размещение определенного числа кольцевых преград и уширительных камер способствует ускорению пламени и формированию детонации в предварительно неперемешанных компонентах топлива, непрерывно истекающих в камеру сгорания.

Использование уширительной камеры с двумя полостями позволяет сократить предцетонационное расстояние в движущейся со скоростью 1,5 м/с смеси более, чем в три раза (с 3600 до 1200 мм)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Экспериментально получено, что малыми добавками пропан-бутана или водорода можно предотвратить взрывное разложение ацетилена за ударной волной. В исследуемом диапазоне давлений определены минимальные концентрации пропан-бутана и водорода, необходимые для предотвращения разложения ацетилена Численно показано, что процесс ингибирования разложения определяется не только теплоотводом, но и цепным механизмом обрыва химических реакций.

2 Экспериментально обнаружена и численно подтверждена зависимость максимально допустимой длинны канала от давления внезапно истекающего в него холодного водорода, при которой не происходит диффузионного самовоспламенения на границе с горячим воздухом

3. Установлено, что на процесс воспламенения водорода в канале влияет форма сечения канала Изменение формы канала от круглого сечения к прямоугольному приводит к дополнительному повышению давления в зоне диффузионного перемешивания, что ускоряет самовоспламенение водорода.

4 Экспериментально установлено, что отвод тепла от продуктов детонации с помощью буферного газа позволяет осуществить частотную детонацию при непрерывном раздельном истечении компонентов топлива в ограниченное пространство.

5 Показано что размещение определенного числа кольцевых преград и уширительных камер способствует ускорению пламени и формированию детонации в предварительно неперемешанных компонентах топлива, непрерывно истекающих в камеру сгорания.

1. Astbury G.R., Hawksworth S.J. Spontaneous ignition of hydrogen leaks: A review of postulated mechanisms // 1. Proc. of The International Conference on Hydrogen Safety, Pisa, 2005. P. 11.

2. Wolaski P., Wjcicki S. Investigation into the mechanism of the diffusion ignition of a combustible gas flowing into an oxidizing atmosphere // In Proc. of The Nth Int. Symp. on Comb., 1973, p. 1217.

3. Зельдович Я.Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения//ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 542

4. Миллер С.А. Ацетилен, его свойства, получение и применение. Санкт-Петербург: Химия, 1969. 680 с.

5. Hoffmann, герм. Пат. 549456, 1930.

6. Xuejun Xu and Philip D. Pacey. An induction period in the pyrolysis of acetylene // Physics Chemistry Chemistry Physics, 2001, 3, 2836-2844.

7. S. Bajohr, F. Graf, R. Khan, R. Reimeri, II Molecules, 2007. 12. P. 290-296.

8. B. Haynes, H. Wagner, Progr. Energy Combustion Science, 1981. 7, 11. Paper 2293.

9. B. Haynes, H. Jarden, H. Matzig, H. Wagner, 19-th Int. Symposium on Combustion, Pittsburgh: The Combustion institute, 1982 Paper 1379.

10. R. Dibble, U. Maas, J. Warnatz, Combustion, Heidelberg: Springer Verlag, 1996

11. Теспер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы // Химия. 1972. С.136.

12. JI.M. Бородина, П.А. Теснер. Кинетика гетерогенного термического разложения пропана, бутана и пропилена//Нефтехимия, 1979, №3, с.363-365.

13. А.В. Крестинин, С.В. Шурупов. Сажеобразование при термораспаде ацетилена в струевой установке // Химическая физика, Москва, 1992. том 11, №4, сс.553-556.

14. D. Clary, М. Frenklach, W. Gardiner, St. Stein, 20-th Int. Symposium on Combustion, The Combustion Institute, 1984. 887-901.

15. Крестинин А.В. О механизме образования сажи из ацетилена // Химическая физика. 1994. Т. 13. № 1. С. 121-131.

16. И.В. Жильцова, И.С. Заслонко, Ю.К. Карасевич, Х.Г. Вагнер. Неизотермические эффекты в процессе сажеобразования при пиролизе этилена за ударными волнами // Кинетика и катализ, 2000, том 41, №1, с.87-101.

17. Y. Hidaka, К. Hattori, T. Okuno, K. Inami, T. Abe, T. Koike, Combustion and Flame, 1996. 107. P. 401-417.

18. A.B. Kpecmumm, М.Б. Кислое, A.B. Раевский, О.И. Колесова, JI.H. Стесик. К вопросу о механизме образования сажевых частиц // Кинетика и катализ, 2000, том 41, №1, с. 102-111.

19. Kiefer J.H., von Drasek W.A. II Int. J. Chem. Kinet. 1990. V.22, N7. P.747

20. T. Tanzawa, W. Gardiner. Reaction mechanism of the homogeneous thermal decomposition of acetylene // Physical Chemistry 1980. V. 84. № 3. P. 236-239.

21. Теснер П.А., Городецкий A.E., Бородина Л.М. Кинетика образования пироуглерода из пропилена и бутадиена-1,3 // Кинетика и катализ. 1981. С. 990-992.

22. С. Cullis, N. Franklin, Combustion and Flame, 1964. P.246-248.

23. A.M. Старик, H.C. Титова, JJ.C. Яновский. Особенности кинетики окисления продуктов термического разложения СЗР8 и Н-С4Р10 в смеси с воздухом // Кинетика и катализ, 1999, том 40, №1, с. 11-26.

24. П.А. Теснер, C.B. Шурупов. Образование сажи из смеси ацетилена и бензола // Кинетика и катализ. 1995, том 36, №4, с.485-489.

25. I. Kazuhiro, M. Motohide, T. Tomohiro, A. Takenori, 20-th ICDERS, Montreal, 2005. Paper 112.

26. Семенов H.H. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М.: АН СССР. 1956. 686 с.

27. Азатян В.В., Каланчев В.И., Масалова В.В. Роль обрыва реакционных цепей в подавлении углеводородами горения водородо-воздушных смесей // Кинетика и катализ. 2006. Т. 47. № 4. С. 498-503.

28. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Гос. изд. ин. лит., 1948.

29. Гелъфанд Б.Е., Попов O.E., Чайванов Б.Б. Водород: параметры горения и взрыва. М: Физматлит, 2008. 288 с.

30. Edeskuty, F.J. and Stewart, W.F. II Safety in the Handling of Cryogenic Fluids. Publishing Corporation, 1996, New York. Chapter 7.

31. Баев B.K., Шумский В.В., Ярославцев М.И. Самовоспламенение горючего газа, истекающего в среду окислителя // Физика горения и взрыва. 1983. № 5. С. 73-80.

32. Baev V.K., Biizukov A.A., Shumskii V.V. II Combustion and Explosion, 2000, 36, 3, 3-9.

33. D. Pinto, К. Aizawa, Y.F. Liu, H. Sato, A.K. Hayashi, andN. Tsuboi Auto-ignition of high pressure hydrogen release // In Proc. of The 21th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reacting Systems, Poitiers, France, 2007.

34. Mogi Т., Shiina H., Kim. D., Horigiishi S. Ignition of high pressure hydrogen by a rapid discharge // In Proc. of The 31st International Symposium on Combustion, Heidelberg, Germany. 2006

35. Dryer F., Chaos M., Zhao Zh., Stein J., AlpertJ., Homer Ch. Spontaneous ignition of pressurized release of hydrogen and natural gas into air // Combust. Sci. and Tech., 179: 663-694. 2007.

36. V.V Golub. Development of shock wave and vortex structures in unsteady jets. // ShockWaves 3, 1994, P. 279-285

37. Bazhenova T.V., Bragiti M.V., Golub V.V., Ivatiov M.F. Self ignition of a fuel gas upon pulsed efflux into an oxidative medium // Technical Physics Letters, 32, 3, 269-271. 2006.

38. Bazhenova T.V., Bragin M.V., Golub V.V., Scherbak S.B., Volodin V.V. II In Abstracts of The 25th International Symposium on Shock Waves, Bangalore P. 229. 2005

39. Bityurin V.A., Bocharov A.N., Filimonova E.A. II In Proc of The 15 Int. Conference on MGD Energy Conversion and 6 Int. Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Moscow. P. 359. 2005

40. A. Sakurai. Auto-ignition of hydrogen by a shock-compressed oxidizer // Proc. Of 15th Shock Waves and Shock Tubes Symposium, 1985, P77-86.

41. Mallard E., Le Chatelier H. L. И Compt. Rend. Acad. Sci. Paris. 1881. V. 93. P. 145.

42. Bertelot M., VieilleP. И Compt. Rend Acad. Sci. Paris. 1881. V. 93. P. 18.

43. Михельсон В. А. О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей//Учен. зап. Моск. ун-та Отд. физ.-матем 1893. Вып. 10. С. 1-92.

44. Ranline W. J. М. On the termodinamic theory of waves of finite longitudinal disturbance // Phil. Trans. 1987. P. 277-288.

45. Hugoniot H. Memoire sur la propogation du mouvement dans un fluide indefmi//Journ. Lionville. 1887. V.3. P.477-492; 1888. V.4. P. 153-167.

46. Щепкин К. И., Трогигш Я. К. Газодинамика горения. М.: Изд-во АН СССР, 1963.

47. Neumann J. Theory of detonation waves // Office of Scientific Research and Development Rept. 1942. N 549.

48. Doring W., Burkhard G. Contriburion to the theory of detonation // Tech. Rept., Wright-Patterson Air Forse Base, Dayton, 1949.

49. Войцеховский Б. В., Митрофанов В. В., Топчиян М. Е. Структура фронта детонации в газах. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 196351. http://www.galcit.caltech.edu/detndb/htrnl/

50. Bull D.C., Elsworth J.E., ShuffP.J. and Metcalfe E. Detonation cell structure in fuel/air mixtures, Combustion and Flame, 1982, V.45, p.7-22.

51. J.H. Lee, R. Knystautas, C.M. Guirao II In: Fuel air explosions, Toronto, 1982.

52. R. Knystautas, J.H. Lee, C.M. Guirao II The Critical Tube Diameter for Detonation Failure in Hydrocarbon Air Mixtures.- Combustion and Flame, 1982, V.48, p.63-83.

53. Berman. M. A critical review of recent large-scale experiments on Hydrogen-Air Detonations //Nuclear science and engineering. 1986, 93, p 321-347.

54. Васильев А. А., Митрофанов В. В., Топчиян М. Е. Детонационные волны в газах// Физика горения и взрыва. 1987. №5. С. 109-131.

55. Левин В. А., Марков В. В., Осинкин С. Ф. Моделирование инициирования детонации в горючей газовой смеси электрическим разрядом. //Журнал химической физики. 1984. № 3. 4. С. 611- 619.

56. A. A. Borisov et al. Experimental determination of minimum energies of direct initiation of detonation in fuel air mixtures.- Proc. of 16th ICDERS, 1997, Poland, p.220-221.

57. А.А. Васильев, Ю.А. Николаев, В.Ю. Улъянгщкий. Критическая энергия инициирования многофронтовой детонации. ФГВ 1979, т. 15, № 6, с. 94103.

58. D.C. Bull, I.E. Elsworth, G Hooper Initiation of spherical detonation in hydrocarbon-air-mixtures. Acta Astronáutica 1978, V.5, p.997 1008

59. J.H. Lee, H. Matsui A comparison of the critical energies for direct initiation of spherical detonations in acetylene-oxygen mixtures. Combust. Flame. 1977 V.28. No.l. p.61-66.

60. Jackson S.I., Grunthaner M.P. and Shepherd J.E. Wave implosion as an initiation mechanism for pulse detonation engines // 39th AIAA, paper 2003-4820, 2003.

61. Зельдович Я.Б., Когарко С., Смирнов Н.Н. Экспериментальные исследования сферической детонации в газах // Сов. физ.-тех. физика, 1956, т.1, с.1689-1713.

62. М.А. Nettleton. Recent work on gaseous detonations // Shock waves. 2002. 12: 312. P. 3-12.

63. Щепкин К.И. Два случая нестационарного горения // Журнал экспериментальной и теоретической Физики. 1959. № 36(2). С. 600 -609.

64. Bazhenova T.V., Solotikhin R.I. Gas ignition behind the shock wave. / In: Proceedings .of the VII Int. Symposium on combustion. London. 1959. P. 866-875.

65. Васильев A.A., Митрофанов В.В., Топчиян М.Е. Детонационные волны в газах. // Физика горения и взрыва. 1987. №5. С. 109-131.

66. Гелъфанд Б. Е., Попов О. Е., Медведев С. П. и др. Отличительные признаки самовоспламенения водородо-воздушных смесей при высоком давлении // Докл. РАН. 1993. Т. 33, № 4. С. 457-459.

67. Гельфанд Б. Е., Медведев С. П., Поленов А. Н. и др. Основные режимы самовоспламенения и условия их реализации в горючих газовых смесях // Физика горения и взрыва. 1997. Т. 33, № 2. С. 3-10.

68. Voevodsky V. V., Soloukhin R. I. On the mechanism and explosion limits of H2+O2 chain selfignition in shock waves // Proc. 10th Symp. (Int.) on Combustion. Pittsburgh: Combust. Inst., 1965. P. 279-283.

69. Хасегава К, Асаба Т. Изучение реакции волспламенения кислорода с водородом при относительно высоких давлениях и низких температурах в ударной трубе// Физика горения и взрыва. 1972. Т. 8, № 3. С. 394-403.

70. Opponheim А. К. Dynamic features of combustion // Phil. Trans. Roy, Soc. London. 1985. V. A3115. P. 471-508.

71. Vermeer D. J., Meyer J. W. Oppengheim A. K. Autoignition of hydrocarbons behind reflected waves // Combust. Flame. 1972. V. 18, N 2. P. 327-336.

72. Fermeer D. J., Meyer J. W., Adomeit G. Comparison of shock tube ignition characteristics of various fuel-air mixture at high pressure // Book of Abstract 19 ISSW. Univ. de Provence, 1993. V. 1. P. 253-254.

73. Fieweger K., Blumental R. Adomeit G. Shock tube investigation of the self-ignition of hydrocarbon + air mixtuires at high pressure // Proc. 25th Symp. (Int.) on Combustion. UCI, 1994. Pap. N 25-280.

74. Зельдович Я. Б., Компанеец А. С. Теория детонации. М.: Гостехиздат, 1955.

75. Щетинное Е. С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965.

76. Щепкин К. И. Два случая нестационарного горения // Журнал экспериментальной и теоретической Физики. 1959. № 36(2). С. 600 -609.

77. Smirnov N. N., Nikitin V. F., Boichenko A. P., Tyurnikov M. V., Baskakov V. V. Control of deflagration to detonation transition in gaseous systems / In: Control of detonation processes, ed. by G. Roy, ELEX-KM Publishers, Moscow. 2000. P. 2-6.

78. Oppenheitn A.K., Urtiew P. A. Experimental observations of the transition to detonation in an explosive gas // Proc Roy Soc A. 1966. V. 295. P. 13-28.

79. Зельдович Я. Б., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М., Снвашинскнй Г. М. Развитие детонации в неравномерно нагретом газе // Журнал прикладной механики и технической физике. 1970. № 2. С. 76-82.

80. Starik А. М., Titova N. S. Initiation of deflagration and detonation in H2 + 03 mixtures by exitation of electronic states of oxygen molecules. / In: Control of detonation processes, ed. by G. Roy, Elex-KM Publishers, Moscow, 2000. P. 102103.

81. Baklanov D.I., Gvozdeva L.G., Scherbak N.B. Pulsed detonation combustion chamber for PDE /In: High-Speed Deflagration and Detonation: Fundamentals and Control. Ed. by G.D. Roy and others. Moscow: ELEX-KM Publishers, 2001, P. 239-250.

82. Baklanov D.I., Gvozdeva L.G., Scherbak N.B. The formation of high-speed gas flow in frequency mode during non-stationary propagation of detonation // AIAA Paper 98-2562.

83. C.M. Фролов, B.C. Аксенов, В.Я. Басевич. Макет-демонстратор воздушно-реактивного импульсного двигателя на жидком топливе // Доклады Академии Наук, 2005, т. 402, №4, с. 1-3

84. Kaltajev A, J. Leblanc and Т. Fujiwara. Influence of Turbulence on the Deflagration to Detonation Transition in a Tube. 17th International Coll. on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. Heidelberg, Germany, July 31-August 5, 2005.

85. Elaine S. Oran, Vadim N. Gamezo, and Alexei M. Khokhlov, Detonationless Supersonic Flame Spread, In: CD Proc. of 19th ICDERS. 2003. Hakone. ISBN 49901744-1-0.

86. N.N.Smirnov, V.F.Nikitin, Fundamentals of Deflagration to Detonation Transition in Gases, In: CD Proc. of 19th ICDERS. 2003. Hakone. ISBN 4-9901744-1-0.

87. В.Ю.Гидаспов, И.Э.Иванов, И.А.Крюков, И.М.Набоко, В.А.Петухов, В. Ю. Стрельцов. Исследование процессов распространения волн горения и детонации вкумулирующем объеме // Мат ем. моделирование, 2004, 16:6, 118122

88. Baklanov D.I., Gvozdeva L.G., Scherbak N.B. Estimation of frequency characteristics of pulsed detonation engine / In: 13 ONR Propulsion Meeting 2000. Ed. By G. Roy and P. Strikowsky. Univ. Of Minnesota. Minneapolis. 2000. P. 233238.

89. Gaseous and heterogeneous detonations. Ed. by G.D. Roy, S.M. Frolov, K. Kailasanath and N.N. Smirnov, ENAS Publishers Moscow. 1999. 384 p.

90. G.D. Roy, S.M. Frolov, A.A. Bonsov, D.W. Netzer, Pulse detonation propulsion: challenges, current status, and future perspective, Progress in Energy and Combustion Science, 2004. 30. 545-672.

91. Bird G.A. (1957) A note on Combustion Driven Shock Tubes, in Hypersonic Facilities in the Aerodynamics Department. Royal Aircraft Establishment, ed. by P.A. Hyfton, AGARD Report 146.

92. Лосев С.А.; О свертке информации, получаемой в экспериментах на ударных трубах,- Научные труды. Институт Механики МГУ, М., Изд-во МГУ, 1973, №21, с.3-21

93. Vanderburg, J. W., Kuerten, J. G. M.; Zandbergern, P. J. Roe's scheme and the MUSCL technique for the Navier-Stokes equations // The SAO/NASA Astrophysics Data System. 1992STIN.9331527V

94. Miller, J. A., Bowman, С. I. Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion. Progress in Energy and Combustion, 1989. Sciences 15.0 ^ БЛАГОДАРНОСТИ