Трехмерное математическое моделирование детонации в капельной газовзвеси нормального гексадекана в воздухе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методом численного моделирования изучаются отличия и особенности распространения в вертикальном канале волн гетерогенной детонации в капельно-воздушных газовзвесях н-гексадекана и изо-октана — горючих жидкостей с сильно различающейся летучестью паров при нормальных условиях. Различие в летучести паров приводит к тому, что условия существования гетерогенной детонации в капельно-воздушных газовзвесях н-гексадекана и изо-октана сильно различаются. Если в капельно-воздушных газовзвесях изо-октана гетерогенную детонацию в канале можно инициировать без принятия каких-либо специальных мер, то инициировать гетерогенную детонацию, например в стехиометрической капельно-воздушной газовзвеси н-гексадекана, можно только при степени предыспарения жидкости выше некоторого критического значения (около 40%). При степени предыспарения жидкости ниже этого критического значения химическое энерговыделение за лидирующей ударной волной не обеспечивает самоподдерживающийся характер распространения волны реакции. При переходе через критическое значение степени предыспарения жидкости происходит смена режима энерговыделения в волне реакции: в ней появляется период быстрого (кинетически лимитированного) самовоспламенения паровоздушной смеси за лидирующей ударной волной со значительным повышением температуры, которое ускоряет последующие процессы смесеобразования и (диффузионно-лимитированного) энерговыделения. При докритическом значении степени предыспарения этот период выражен слабо.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Владислав Сергеевич Иванов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук; Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: ivanov.vls@gmail.com

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник; научный сотрудник

Россия, Москва; Москва

Сергей Михайлович Фролов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»; Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук

Email: smfrol@chph.ras.ru

доктор физико-математических наук, заведующий отделом, заведующий лабораторией; профессор; ведущий научный сотрудник

Россия, Москва; Москва; Москва

Список литературы

  1. Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др. Взрывные явления. Оценка и последствия / Пер. с англ. — М.: Мир, 1986. Т. 1. 319 с. (Baker W. E., Cox P. A., Westine P. S., et al. Explosion hazards and evaluation. — 1st ed. — Amsterdam – Oxford – New York: Elsevier Scientific Publishing Co., 1983. 807 p.)
  2. Marshall V. C. Major chemical hazards. — New York, NY, USA: Ellis Horwood, 1987. 587 p.
  3. Зельдович Я. Б., Компанеец А. С. Теория детонации. — М.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1955. 268 с.
  4. Нетлетон М. Детонация в газах / Пер. с англ. — М.: Мир, 1989. 280 с. (Nettleton M. A. Gaseous detonations: Their nature, effects and control. — London – New York: Chapman and Hall, 1987. 255 p.)
  5. Zel’dovich Ya. B. Regime classification of an exothermic reaction with nonuniform initial conditions // Combust. Flame, 1980. Vol. 39. No. 2. P. 211–214.
  6. Frolov S. M., Basevich V. Ya., Posvianskii V. S. Limiting drop size and prevaporization degree required for spray detonation // Application of detonation to propulsion / Eds. G. D. Roy, S. M. Frolov, J. E. Shepherd. — Moscow: TORUS PRESS, 2004. P. 110–119.
  7. Басевич В. Я., Фролов С. М., Посвянский В. С. Условия существования стационарной гетерогенной детонации // Хим. физика, 2005. Т. 24. № 7. С. 58–68.
  8. Papavassiliou J., Makris A., Knystautas R., Lee J. H. S., Westbrook C. K., Pitz W. J. Measurements of cellular structure in spray detonations // Dynamic aspects of explosion phenomena / Eds. A. L. Kuhl, J.-C. Leyer, A. Borisov, and W. A. Sirignano. — Progress in astronautics and aeronautics ser. — Washington, DC, USA: AIAA, 1993. Vol. 154. P. 148–169.
  9. Митрофанов В. В. Детонация гомогенных и гетерогенных систем. — Новосибирск: Изд-во Ин-та гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 2003. 200 с.
  10. Borisov A. A., Gel’fand B. E., Gubin S. A., Kogarko S. M., Podgrebenkov A. L. The reaction zone of two-phase detonations // Astronaut. Acta, 1970. Vol. 15. No. 5-6. P. 411– 417.
  11. Eidelman S., Burkat A. Evolution of a detonation wave in a cloud of fuel droplets. Part I: Influence of ignition explosion // AIAA J., 1970. Vol. 18. No. 9. P. 1103–1109.
  12. Ждан С. А. Расчет сферической гетерогенной детонации // Физика горения и взрыва, 1976. Т. 12. № 4. С. 586–594. EDN: YMECYN.
  13. Ждан С. А. Расчет гетерогенной детонации с учетом деформации и распада капель горючего // Физика горения и взрыва, 1977. Т. 13. №2. С. 258–263. EDN: YMUSRN.
  14. Gubin S. A., Sichel M. Calculation of the detonation velocity of liquid droplets and gaseous oxidizer // Combust. Sci. Technol., 1977. Vol. 17. No. 3-4. P. 109–117.
  15. Borisov A. A., Gelfand B. E., Gubanov A. V. The effect of relaxation processes on the detonation in heterogeneous mixtures // Archivum Combustionis, 1981. Vol. 1. No. 3/4. P. 243–249.
  16. Ждан С. А., Воронин Д. В. Расчет инициирования гетерогенной детонации в трубе взрывом водородокислородной смеси // Физика горения и взрыва, 1984. Т. 20. № 4. С. 112–117. EDN: ZIUQYV.
  17. Sichel M. Numerical modeling of heterogeneous detonations // Numerical approaches to combustion modeling / Eds. E. S. Oran, J. P. Boris. — Progress in astronautics aeronautics ser. — New York, NY, USA: AIAA Inc., 1991. Vol. 135. P. 447–458.
  18. Срезневский Б. И. Об испарении жидкостей //Ж. Русского физико-химического общества, 1882. Т. 14. № 8. С. 420–442.
  19. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. — М.: Наука, 1987. Ч. 1. 464 p.
  20. Фролов С. М., Басевич В. Я., Посвянский В. С., Сметанюк В. А. Испарение и горение капли углеводородного топлива. IV. Испарение капли с учетом коллективных эффектов // Хим. физика, 2004. Т. 23. № 7. С. 41–50. EDN: OXOERR.
  21. Фролов С. М., Сметанюк В. А. Теплои массообмен капли с газовым потоком // Хим. физика, 2006. Т. 25. № 4. С. 42–54. EDN: HTIHTJ.
  22. Ranz W. E., Marshall W. R., Jr. Evaporation from drops, part I // Chem. Eng. Prog., 1952. Vol. 48. P. 141–146.
  23. Борисов А. А., Фролов С. М., Сметанюк В. А., Полихов С. А., Сегал К. Взаимодействие капли горючего с газовым потоком // Хим. физика, 2005. Т. 24. № 7. С. 50–57.
  24. Ju Y., Law C. K. Propagation and quenching of detonation waves in particle laden mixtures // Combust. Flame, 2002. Vol. 129. No. 4. P. 356–364.
  25. Lu T. F., Law C. K. Heterogeneous effects in the propagation and quenching of spray detonations // J. Propul. Power, 2004. Vol. 20. No. 5. P. 820–827.
  26. Фролов С. М., Посвянский В. С. Структура и пределы гетерогенной детонации // Горение и взрыв, 2008. Вып. 1. С. 1–5.
  27. Frolov S. M., Posvyanskii V. S. Detonability of liquid-fuel drop suspensions in air // Explosion dynamics and hazards / Eds. S. M. Frolov, F. Zhang, P. Wolanski. — Moscow: TORUS PRESS, 2010. P. 337–364.
  28. Фролов С. М., Басевич В. Я. Горение капель // Законы горения / Под ред. Ю. В. Полежаева. — М.: УНПЦ «Энергомаш», 2006. С. 130–159.
  29. Иванов В. С., Фролов С. М., Зангиев А. Э. Структура детонационной волны в двухфазной системе газообразный окислитель – капли жидкого горючего // Горение и взрыв, 2024. Т. 17. № 3. С. 49–61.
  30. Ivanov V. S., Frolov S. M. Three-dimensional mathematical simulation of two-phase detonation in the system of a gaseous oxidizer with fuel droplets // Russ. J. Phys. Chem. B, 2024. Vol. 18. No. 5. P. 1341–1349. doi: 10.1134/S1990793124701112.
  31. Benmahammed М. А., Veyssiere B., Khasainov B. A., Mara M. Effect of gaseous oxidizer composition on the detonability of isooctane–air sprays // Combust. Flame, 2016. Vol. 165. P. 198–207.
  32. Reitz R. D. Modeling atomization processes in highpressure vaporizing sprays // Atomization Spray Technology, 1987. Vol. 3. No. 4. P. 309–337.
  33. Dukowicz J. K. Quasi-steady droplet change in the presence of convection. — Los Alamos, CA, USA: University of California, 1979. 18p.
  34. Pope S. B. PDF methods for turbulent reactive flows // Prog. Energ. Combust., 1985. Vol. 11. No. 2. P. 119–192.
  35. Frolov S. M., Ivanov V. S. Combined flame tracking particle method for numerical simulation of deflagrationto-detonation transition // Deflagrative and detonative combustion / Eds. G. Roy, S. Frolov. — Moscow: TORUS PRESS, 2010. P. 133–156.
  36. Frolov S. M., Ivanov V. S., Basara B., Suffa M. Numerical simulation of flame propagation and localized preflame autoignition in enclosures // J. Loss Prevent. Proc., 2013. Vol. 26. P. 302–309.
  37. Басевич В. Я., Беляев А. А., Медведев С. Н., Посвянский В. С., Фролов C. М. Кинетические детальный и глобальный механизмы для суррогатного топлива // Горение и взрыв, 2015. Т. 8. № 1. С. 21–28.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Расчетное изменение скорости лидирующей ударной волны в капельно-воздушной газовзвеси н-гексадекана вдоль канала (d = 150 мкм, Φ = 1,5, базовые значения давления и температуры в инициирующей области)

Скачать (63KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сравнение осредненных по сечению канала расчетных профилей давления (а) и температуры (б) в ДВ, бегущей по капельно-воздушной газовзвеси изо-октана при d = 400 мкм (1), и в нестационарной волне реакции, бегущей по капельно-воздушной газовзвеси н-гексадекана, в момент прихода лидирующего фронта в контрольное сечение канала L = 3,2 м при d = 150 (2) и 400 мкм (3) и Φ = 1.8

Скачать (87KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Расчетная зависимость скорости волны реакции (в контрольном сечении канала L = 3,2 м) в стехиометрической (Φ = 1) капельно-воздушной газовзвеси н-гексадекана с каплями начального диаметра (до начала продувки канала) d = 150 мкм от степени предыспарения горючего Ω при нормальных условиях. Штриховой линией соединены точки, в которых волна реакции еще распространяется нестационарно (замедляется), а сплошной линией — точки, в которых наблюдается установившееся распространение гетерогенной детонации

Скачать (73KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Усредненные по сечению канала расчетные профили давления (а) и температуры (б) в волнах реакции, бегущих по стехиометрическим капельно-воздушным газовзвесям н-гексадекана с различной степенью предыспарения жидкости Ω > 10%–70% при d = 150 мкм и нормальных условиях. Группы кривых А и Б соответствует самоподдерживающимся (Ω ≥ 40%) и неустановившимся (Ω ≤ 30%) ДВ соответственно. Толстые линии соответствуют крайним значениям Ω = 30% и 40%

Скачать (119KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Расчетные мгновенные распределения массовой концентрации паров горючего, давления и температуры в волнах реакции, бегущих по стехиометрическим капельно-воздушным газовзвесям н-гексадекана при Ω = 30% (а) и 40% (б) при d = 150 мкм и нормальных условиях. Распределения построены в центральном продольном сечении канала в момент времени, когда лидирующий фронт волны реакции достиг контрольного сечения L = 3,2 м. Стрелки показывают направление распространения волны реакции 

Скачать (115KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Расчетные мгновенные распределения массовой доли паров горючего (поле) и размера капель горючего (точки) в волнах реакции, бегущих по стехиометрическим капельно-воздушным газовзвесям н-гексадекана при Ω = 30% (а) и 40% (б), d = 150 мкм и нормальных условиях. Стрелки показывают направление распространения волны реакции

Скачать (126KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».