Детонация в стратифицированных двухфазных системах «газообразный окислитель – жидкая пленка горючего»: трехмерный расчет

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Представлены результаты многомерных численных расчетов прямого инициирования детонации и перехода горения в детонацию (ПГД) в горизонтальных плоских каналах разной высоты, заполненных газообразным кислородом при нормальных условиях, с нанесенными на нижнюю стенку пленками н-гептана и н-декана. Показана определяющая роль летучести паров горючего в механизме распространения пленочной детонации. Ведущий механизм распространения детонации в системе с пленкой н-гептана — самовоспламенение паров горючего в газовой фазе, а в системе с пленкой н-декана — механическое разрушение пленки и испарение образующихся микрокапель с последующим самовоспламенением паров горючего в газовой фазе. Показано, что при ПГД в каналах разной высоты с пленкой н-гептана предпламенные вторичные взрывы, приводящие к ПГД, происходят в ударно сжатой смеси кислорода с предыспаренным горючим вблизи лидирующей ударной волны (УВ), но на большом удалении от пленки: в областях с повышенной температурой и повышенным временем пребывания газа. Скорость УВ к моменту ПГД составляет 800–900 м/с, а образующаяся детонационная волна (ДВ) распространяется со скоростью 1300 м/с и выше. При низких энергиях зажигания могут существовать два предельных значения высоты канала — минимальное и максимальное, при которых еще возможен ПГД. Минимальная высота канала определяется потерями количества движения и энергии на стенках, а максимальная — наличием дополнительного механизма выравнивания давления в пламени.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Владислав Сергеевич Иванов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук; Федеральное государственное учреждение «Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук»

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

(р. 1986) — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Федерального исследовательского центра химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук; научный сотрудник Научно-исследовательского института системных исследований Российской академии наук

Россия, 4 Kosygin Str., Moscow 119991; 36-1 Nakhimovskii Prosp., Moscow 117218

Сергей Михайлович Фролов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук; Федеральное государственное учреждение «Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук»

Email: smfrol@chph.ras.ru

(р. 1959) — доктор фи-зико-математических наук, заведующий отделом, заведующий лабораторией Федерального исследовательского центра химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук; профессор Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ"; ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института системных исследований Российской академии наук

Россия, 4 Kosygin Str., Moscow 119991; 36-1 Nakhimovskii Prosp., Moscow 117218

Илья Витальевич Семенов

Федеральное государственное учреждение «Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук»

Email: ilyasemv@yandex.ru

(р. 1973) — кандидат физико-математических наук, заведующий отделом

Россия, 36-1 Nakhimovskii Prosp., Moscow 117218

Список литературы

  1. Lewis B., Von Elbe G. Combustion flames and explosion of gases. — 2nd ed. — London, U.K.: Academic Press Inc., 1961. 570 p. doi: 10.1016/C2013-0-12402-6.
  2. Loison R. Propagation d’une deflagration dans un tube recouvert d’une pelliculle d’huile // Comptes Rendus, 1952. Vol. 234. No. 5. P. 512–513.
  3. Гордеев В. Е., Комов В. Ф., Трошин Я. К. О детонационном горении гетерогенных систем // Докл. Акад. наук СССР, 1965. Т. 160. № 4. С. 853–856.
  4. Комов В. Ф., Трошин Я. К. О структуре и механизме детонации гетерогенных систем // Докл. Акад. наук СССР, 1965. Т. 162. № 1. С. 133–135.
  5. Комов В.Ф., Трошин Я. К. О свойствах детонации в некоторых гетерогенных системах // Докл. Акад. наук СССР, 1967. Т. 175. № 1. С. 109–112.
  6. Лесняк С. А., Назаров М. А., Трошин Я. К. К механизму распространения гетерогенной детонации // Докл. Акад. наук СССР, 1968. Т. 182. № 5. С. 1122–1125.
  7. Лесняк С. А., Назаров М. А., Трошин Я. К. Взаимодействие ударной волны с пленкой вязкой жидкости // Докл. Акад. наук СССР, 1968. Т. 183. № 3. С. 628–631.
  8. Borisov A. A., Kogarko S. M., Lyubimov A. V. Ignition of fuel films behind shock waves in air and oxygen // Combust. Flame, 1968. Vol. 12. No. 5. P. 465–468. doi: 10.1016/0010-2180(68)90059-X.
  9. Ragland K. W., Nicholls J. A. Two-phase detonation of a liquid layer // AIAA J., 1969. Vol. 7. No. 5. P. 859–863. doi: 10.2514/3.5236.
  10. Bowen J. R., Ragland K. W., Steffes F. J., Loflin T. G. Heterogeneous detonation supported by fuel fogs or films // Symposium (International) on Combustion, 1971. Vol. 13. No. 1. P. 1131–1139. doi: 10.1016/S0082-0784(71)80110-8.
  11. Sichel M., Rao C. S., Nicholls J. A. A simple theory for the propagation of film detonations // Symposium (International) on Combustion, 1971. Vol. 13. No. 1. P. 1141–1149. doi: 10.1016/S0082-0784(71)80111-X.
  12. Ragland K. W., Garcia C. F. Ignition delay measurements in two-phase detonations // Combust. Flame, 1972. Vol. 18. No. 1. P. 53–58. doi: 10.1016/0010-2180(72)90032-6.
  13. Rao C. S. R., Sichel M., Nicholls J. A. A two-dimensional theory for two phase detonation of liquid films // Combust. Sci. Technol., 1972. Vol. 4. No. 1. P. 209–220. doi: 10.1080/00102207108952487.
  14. Fujitsuna Y., Tsuge S. 1973. On detonation waves supported by diffusion flames: I. The equivalent Chapman–Jouguet condition // Symposium (International) on Combustion, 1973. Vol. 14. No. 1. P. 1265–275. doi: 10.1016/ S0082-0784(73)80113-4.
  15. Митрофанов B. B., Пинаев A. B. Спиновая детонация в гетерогенной системе типа газ–пленка // Докл. Акад. наук СССР, 1975. Т. 225. № 3. С. 613–616.
  16. Лесняк C. А., Назаров М. А., Сербинов А. И., Трошин Я. К. О задержке воспламенения во фронте гетерогенной (газ–пленка) детонации // Физика горения и взрыва, 1975. № 6. С. 897–903.
  17. Воробьев М .В., Лесняк С. А,, Назаров М. А., Трошин Я. К. Неустойчивость границы раздела газ–жидкость за фронтом ударной волны, скользящей вдоль поверхности пленки жидкости // Докл. Акад. наук СССР, 1976. Т. 227. № 4. С. 900–903.
  18. Воробьев М. В., Лесняк С. А., Назаров М. А., Трошин Я. К. Разрушение пленки вязкой жидкости потоком ударно сжатого газа // Докл. Акад. наук СССР, 1976. Т. 300. № 2. С. 344–346.
  19. Воробьев М. В., Лесняк С. А., Назаров М. А., Трошин Я. К. Воспламенение гетерогенных (газ–пленка) систем ударными волнами // Докл. Акад. наук СССР, 1976. Т. 231. № 1. С. 119–122.
  20. Пинаев А. В. Структура детонационных волн и зона реакции в гетерогенной системе газ–пленка // Физика горения и взрыва, 1977. Т. 13. № 3. С. 408–415. EDN: YPNIIL.
  21. Борисов А. А., Гельфанд Б. Е., Шерпанев С. М., Тимофеев Е. И. О механизме смесеобразования за ударной волной, скользящей по поверхности жидкости // Физика горения и взрыва, 1981. № 5. С. 86–93.
  22. Пинаев А. В., Субботин В. А. О структуре зоны реакции при детонации систем типа газ–пленка // Физика горения и взрыва, 1982. Т. 18. № 5. С. 103–111. EDN: YPNIXL.
  23. Фролов С. М., Гельфанд Б. Е., Тимофеев Е. И. Взаимодействие пленки жидкости с высокоскоростным газовым потоком за ударной волной // Физика горения и взрыва, 1984. № 5. С. 107–114.
  24. Фролов С. М., Гельфанд Б. Е., Борисов А. А. Простая модель детонации в системе газ–пленка с учетом механического уноса горючего // Физика горения и взрыва, 1985. № 1. С. 110–117.
  25. Гельфанд Б. Е., Фролов С. М., Поленов А. Н., Цыганов С. А. Воспламенение пленок горючего за ударными волнами // Хим. физика, 1987. Т. 6. № 5. С. 702–706.
  26. Borisov A. A., Mailkov A. Е., Kosenkov V. V., Aksenov V. S. Propagation of gaseous detonations over liquid layers // Dynamics of detonations and explosions: Detonations / Eds. J.-C. Leyer, A. A. Borisov, A. L. Kuhl, W. A. Sirignano. — Progress in astronautics and aeronautics ser. — Washington, D.C., USA: AIAA, 1991. Vol. 133. P. 268–278.
  27. Лямин Г. А., Пинаев А. В. Гетерогенная детонация (газ–пленка) в пористой среде. Область существования и пределы // Физика горения и взрыва, 1992. № 5. С. 102–108.
  28. Kobiera A., Wolanski P. Ignition of liquid and dust fuel layers by gaseous detonation // Shock Waves, 2003. Vol. 12. P. 413–419. doi: 10.1007/s00193-002-0174-x.
  29. Rodriguez V., Jourdan G., Marty A., Allou A., Parisse J.-D. Planar shock wave sliding over a water layer // Exp. Fluids, 2016. Vol. 57. P. 125. doi: 10.1007/s00348-016-2217-6.
  30. Rodriguez V., Jourdan G., Marty A., Allou A., Parisse J.-D. Liquid-surface entrainment induced by shocked air stream // Shock Waves, 2019. Vol. 29. P. 361–364. doi: 10.1007/s00193-018-0807-3.
  31. Фролов С. М., Аксёнов В. С., Шамшин И. О. Переход горения в детонацию в системе газ – пленка жидкого горючего // Докл. Акад. наук, 2017. Т. 474. № 4. С. 448–453.
  32. Фролов С. М., Аксёнов В. С., Шамшин И. О. Переход горения в детонацию в стратифицированной системе кислород – пленка жидкого топлива // Хим. физика, 2017. Т. 36. № 6. С. 34–44.
  33. Шамшин И. О., Аксёнов В. С., Фролов С. М. Переход горения в детонацию в гетерогенной системе <<кислород – пленка жидкого н-декана>> // Горение и взрыв, 2017. Т. 10. № 4. С. 36–44.
  34. Фролов С. М., Шамшин И. О., Аксенов В. С., Садыков И. А., Гусев П. А., Зеленский В. А., Евстратов Е. В., Алымов М. И. Ракетный двигатель с непрерывной пленочной детонацией жидкого горючего // Докл. Акад. наук, 2018. Т. 4. № 48. С. 1–5.
  35. Frolov S. M., Shamshin I. O., Aksenov V. S., Gusev P. A., Zelenskii V. A., Evstratov E. V., Alymov M. I. Rocket engine with continuously rotating liquid-film detonation // Combust. Sci. Technol., 2020. Vol. 192. No. 1. P. 144–165. doi: 10.1080/00102202.2018.1557643.
  36. Frolov S. M., Shamshin I. O., Aksenov V. S. Deflagration-to-detonation transition in stratified oxygen–liquid fuel film systems // Combust. Sci. Technol., 2021. doi: 10.1080/00102202.2021.1929196.
  37. 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.
  38. 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. doi: 10.30826/CE24170305.
  39. Иванов В. С., Фролов С. М. Трехмерное математическое моделирование детонации в капельной газовзвеси нормального гексадекана в воздухе // Горение и взрыв, 2024. Т. 17. № 3. С. 62–73. doi: 10.30826/CE24170306.
  40. Gamezo V. N., Bachman C. L., Oran E. S. Flame acceleration and DDT in large-scale obstructed channels filled with methane–air mixtures // P. Combust. Inst., 2020. Vol. 38. Iss. 3. P. 3521–3528. doi: 10.1016/ j.proci.2020.09.018.
  41. Jia X., Zhao N., Liu S., Chen X., Zhu W., Zheng H. Numerical investigation of detonation initiation for low-volatility liquid fuel/air mixtures // Aerosp. Sci. Technol., 2021. Vol. 113. P. 106690. doi: 10.1016/j.ast.2021.106690.
  42. Фролов С. М. Ускорение перехода горения в детонацию: от К. И. Щелкина до наших дней // Физика горения и взрыва, 2012. Т. 48. № 3. P. 13–24.
  43. 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.
  44. 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.
  45. Ivanov V. S., Shamshin I. O., Frolov S. M. Computational study of deflagration-to-detonation transition in a semi-confined slit combustor // Energies, 2023. Vol. 16. P. 7028.
  46. Frolov S. M. Detonations of liquid sprays and drop suspensions: Theory. — Von Karman Institute for Fluid Mechanics lecture ser. “Liquid fragmentation in high-speed flow”, 2009.
  47. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. — М.: Наука, 1987. Ч. 2. 360 с.
  48. Nigmatulin R. I., Nigmatulin B. I., Khodzhaev Ya. D., Kroshilin V. E. Entrainment and deposition rates in a dispersed-film flow // Int. J. Multiphas. Flow, 1996. Vol. 22. No. 1. P. 19–30.
  49. Bhattacharya S., Lutfurakhmanov A., Hoey J., Swenson O., Mahmud Z., Akhatov I. Aerosol flow through a converging-diverging micro-nozzle // Nonlinear Engineering, 2013. Vol. 2. doi: 10.1515/nleng-2013-0020.
  50. Saffman P. G. The lift on a small sphere in a slow shear flow // J. Fluid Mech., 1965. Vol. 22. P. 385–400.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Подъем микрокапель за воздушной УВ, скользящей над пленкой жидкого н-гексадекана: (а) M=1,7; (б) M=2,0. Цвет капель соответствует их размеру

Скачать (176KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сравнение расчетных (сплошные кривые) и измеренных [21] (значки) зависимостей высоты подъема микрокапель жидкости от времени после прохождения воздушной УВ с числом Маха M=1,7 (1) и 2,0 (2)

Скачать (108KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схемы каналов в экспериментах [32, 33]. Заштрихованная стенка соответствует поверхности пленки. Размеры указаны в миллиметрах

Скачать (446KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Расчетные зависимости скорости пленочной ДВ от пройденного расстояния в канале высотой H=54 мм: (а) пленка н-гептана; (б) пленка н-декана. Пунктирная линия соответствует скорости пленочной детонации, измеренной в [33, 36]

Скачать (224KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Расчетные распределения температуры, давления и массовой доли паров горючего в ДВ, скользящих в канале высотой H=54 мм над пленками н-гептана (а) и н-декана (б). Точками показаны микрокапли над поверхностью пленки. Стрелками показаны начала зон энерговыделения

Скачать (561KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Расчетные зависимости скорости лидирующей УВ от пройденного расстояния при ПГД в каналах высотой 24 (пунктирный кривые) и 54 мм (сплошные кривые) с пленками н-гептана при энергии зажигания 5 (серые кривые) и 10 Дж (черные кривые). Стрелками показаны условные значения преддетонационного расстояния LDDT

Скачать (120KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Пример трехмерных расчетных распределений давления и поверхности фронта пламени в канале высотой H=54 мм с пленкой н-гептана на начальной стадии распространения пламени t=1 мс после зажигания

Скачать (367KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Расчетные распределения температуры, массовой доли паров горючего и нормированной скорости предпламенных реакций при ПГД в канале высотой H=54 мм с пленкой н-гептана: (а) начальная стадия распространения пламени; (б) непосредственно до ПГД; (в) непосредственно после ПГД. Точками показаны микрокапли над поверхностью пленки Энергия зажигания 5 Дж

Скачать (660KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Расчетное распределение температуры в канале высотой H=54 мм с пленкой н-гептана при энергии зажигания 0,1 Дж. Точками показаны микрокапли над поверхностью пленки

Скачать (123KB)
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».