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

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).