Amplification of the shock wave in a two-phase mixture of superheated STEAM and triethylaluminum

S. M. Frolov; Фролов С. М.; I. O. Shamshin; Шамшин И. О.; K. A. Byrdin; Бырдин К. А.; K. A. Avdeev; Авдеев К. А.; V. S. Aksenov; Аксенов В. С.; P. A. Storozhenko; Стороженко П. А.; Sh. L. Guseinov; Гусейнов Ш. Л.

doi:10.31857/S2686740024050034

Amplification of the shock wave in a two-phase mixture of superheated STEAM and triethylaluminum

Authors: Frolov S.M.¹, Shamshin I.O.¹, Byrdin K.A.¹, Avdeev K.A.¹, Aksenov V.S.¹, Storozhenko P.A.², Guseinov S.L.²
Affiliations:
1. N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences
2. State Research Center “State Scientific Research Institute of Chemistry and Technology of Organo-Element Compounds”
Issue: Vol 518, No 1 (2024)
Pages: 17-22
Section: ФИЗИКА
URL: https://journals.rcsi.science/2686-7400/article/view/282853
DOI: https://doi.org/10.31857/S2686740024050034
EDN: https://elibrary.ru/HXUDGX
ID: 282853

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The possibility of shock wave amplification in a two-phase mixture of superheated steam and liquid triethylaluminum (TEA, Al(C2H5)3) has been experimentally demonstrated for the first time. Fine synchronization of TEA injection of TEA into a flow of superheated steam with the arrival of an attenuating shock wave is shown to ensure the self-sustaining propagation of the shock wave in the two-phase medium at a speed of about 1500 m/s.

Keywords

superheated steam, triethylaluminum, shock wave, detonation, pulse detonation engine, continuous detonation engine

Full Text

Импульсно-детонационные двигатели (ИДД) и непрерывно-детонационные двигатели (НДД) рассматриваются как перспективные силовые установки для космических и воздушных летательных аппаратов [1, 2], а также для надводных [3] и подводных [4] транспортных средств. В отличие от традиционных двигателей на химическом топливе, основанных на относительно медленном (дозвуковом) управляемом горении топлива в камере сгорания, рабочий процесс в ИДД и НДД основан на быстром (сверхзвуковом) управляемом горении топлива в импульсных и непрерывных детонационных волнах соответственно. Один из важнейших вопросов для таких двигателей – выбор топлива с требуемыми реакционной способностью в паре с заданным окислителем и экзотермичностью, обеспечивающими устойчивый и энергоэффективный рабочий процесс. Общеизвестно, что использование энергонасыщенных топлив и активных окислителей позволяет получить высокий удельный импульс, особенно если в качестве окислителя используется окружающая среда (воздух или вода).

За исключением нашей работы [5] вопрос об использовании воды в качестве окислителя для ИДД и НДД в литературе никогда ранее не рассматривался. В работе [5] представлены результаты термодинамических расчетов параметров детонации некоторых бор- и алюминий-содержащих соединений в воздухе, воде и диоксиде углерода, которые демонстрируют потенциальную возможность их использования в качестве топлив для перспективных транспортных средств с ИДД и НДД, работающих в атмосфере Земли и в воде. Детонационная способность соединений, содержащих B и Al, изучена недостаточно. Так, в работах [6, 7] измерена скорость детонации смеси диборана с воздухом. В работе [8] исследовалась детонация смеси диборана и бензола с воздухом. В экспериментах измерены низкие скорости распространения волны (менее 1000 м/с), что свидетельствовало о нестационарном режиме детонации. В работах [9–11] определены концентрационные пределы взрыва смесей диборана и пентаборана с кислородом. Одно из соединений, рассмотренных в работе [5], – ТЭА – предмет исследования в настоящей работе. Это пирофорное соединение в смеси с триэтилбором (ТЭБ) используется на практике в качестве компонента пускового топлива жидкостных ракетных двигателей [12]. Возможность использования ТЭА в качестве топлива для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) изучалась в работе [13], где проведены испытания модели ПВРД, работающей на ТЭА, а также на смеси ТЭА с гидридом диэтилалюминия.

Суммарная реакция ТЭА с водяным паром выглядит так:

$2 Al {(C_{2} H_{5})}_{3} + 3 H_{2} O = {Al}_{2} O_{3} + {6C}_{2} H_{6} + Q .$

Учитывая, что стандартные энтальпии образования ТЭА, H₂O (пар), Al₂O₃ и C₂H₆ равны –217.6, –241.8, –1676 и –84.67 кДж/моль, тепловой эффект этой реакции составит 511.7 кДж/моль ТЭА или 4.48 МДж/кг ТЭА. Тепловой эффект реакции на 1 кг смеси водяной пар–ТЭА равен 3.63 МДж/кг.

В нашей работе [14] экспериментально исследовались условия самовоспламенения смеси ТЭА+ТЭБ в перегретом водяном паре. Самовоспламенение с последующим распространением пламени происходило при температуре пара 330–340 °С, причем очаг самовоспламенения возникал в месте контакта жидкой струи ТЭА–ТЭБ с поверхностью, нагретой до 500–600 °С. В работе [5] показано, что термодинамическая скорость детонации в смесях жидкого ТЭА с перегретым водяным паром при начальных температурах до 900 К и давлении 1 бар может достигать 2400 м/с, что близко к скорости детонации стехиометрической метановоздушной смеси при нормальных начальных условиях.

Данная работа рассматривается как продолжение исследования, представленного в работах [5, 14], а ее цель – экспериментально продемонстрировать возможность усиления ударной волны в двухфазной смеси перегретого водяного пара с жидким ТЭА. Постановка эксперимента во многом похожа на постановку эксперимента в [15], где экспериментально изучались условия усиления ударной волны при прохождении зоны форкамерно-факельного зажигания.

Основной элемент экспериментальной установки – обогреваемая (термостатированная) ударная труба (рис. 1) с камерой низкого (атмосферного) давления (КНД) длиной 2.82 м и камерой высокого давления (КВД) длиной 0.6 м, разделенными медной мембраной. Левый конец КНД (см. рис. 1) сообщается с атмосферой, а КВД заполняется метанокислородной взрывчатой смесью при начальном давлении от 0.2 до 0.6 МПа. Через КНД непрерывно прокачивается перегретый водяной пар с температурой от 140 до 180 °С. Чтобы предотвратить конденсацию водяного пара, температура стенок КНД поддерживается на уровне 115–125 °С.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

В КНД на расстоянии 1.3 м от мембранного узла размещен распылитель рабочей жидкости с пороховым генератором давления. В качестве рабочей жидкости используются ТЭА, дистиллированная вода, керосин ТС-1 или н-додекан при комнатной температуре (табл. 1). В отличие от ТЭА, который реагирует с водяным паром, другие используемые рабочие жидкости (вода, керосин и н-додекан) с водяным паром не реагируют.

Таблица 1. Свойства рабочих жидкостей

Жидкость	Плотность, кг/м³	Температура кипения, К	Теплота испарения, Дж/г	Коэффициент поверхностного натяжения, Н/м	Вязкость, Па · с
Вода	1000	373	2300	72.7 × 10^–3	1.0 × 10^–3
Керосин ТС-1	780	423–523	267	27.0 × 10^–3	1.5 × 10^–3
н-додекан	745	489	358	25.5 × 10^–3	1.3 × 10^–3
ТЭА	832	459–466	536–641	26.1 × 10^–3	2.5 × 10^–3

Система регистрации включает 8 высокочастотных датчиков давления P1–P8. Погрешность измерения скорости ударной волны по показаниям датчиков давления оценивается в 2%. Эксперимент управляется цифровым блоком управления, а получаемые данные записываются в память персонального компьютера через АЦП QMS20 фирмы R-Technology (Москва, Россия).

Установка обеспечивает генерацию сильной ударной волны (со скоростью до 2.5 км/с) в КНД путем зажигания взрывчатой смеси в КВД и разрыва мембраны, вызванного повышением давления до некоторого критического значения. Высоковольтный импульс на свечу зажигания формируется автомобильной катушкой зажигания при разряде конденсатора емкостью 68 мкФ, заряженного до напряжения 320 ± 10 В, на ее первичную обмотку.

Распылитель рабочей жидкости состоит из медицинского шприца, заполняемого рабочей жидкостью, диафрагмы, порохового заряда и взрывающейся проволочки. В отличие от других используемых рабочих жидкостей заправка ТЭА в шприц производится в герметичном боксе в инертной среде аргона. Для подрыва проволочки в распылителе используется электролитический конденсатор номинальной емкостью 6800 мкФ, заряженный до напряжения 220 ± 20 В. Под действием давления пороховых газов распылитель образует две струи, направленные в разные стороны: по направлению к мембране и по направлению к открытому концу КНД. Диаметр отверстий – 2 мм. Объем впрыскиваемой дозы – 2.5 мл. Время полного распыления объема шприца c водой приблизительно равно 3.0 мс, а с керосином и н-додеканом – 4.4 мс. Средние скорости передних границ струй приблизительно равны 170 м/с для воды и 110 м/с для керосина и н-додекана, причем начальные скорости струй всех используемых жидкостей составляют 200–250 м/с. После распыления всего объема рабочей жидкости образуется облако с продольной протяженностью 0.8–1 м.

Эксперименты без впрыска и с впрыском рабочей жидкости проводятся при одинаковых начальных условиях. Единственный варьируемый параметр – это интервал времени между началом впрыска рабочей жидкости и моментом прихода ударной волны в сечение распылителя. Этот интервал времени в дальнейшем называется задержкой прихода ударной волны τ_S. Чтобы обеспечить полное распыление рабочих жидкостей до прихода ударной волны, минимальное значение задержки прихода ударной волны выбиралось равным τ_S,_min = 4 мс. Максимальное значение задержки прихода ударной волны в экспериментах достигало τ_S,_min = 50 мс.

На рис. 2 показаны осредненные результаты измерений скорости ударной волны по мере ее распространения в водяном паре без впрыска рабочей жидкости (кривая “Пар”), а также с впрыском воды (кривая “H₂O”), керосина (кривая “ТС-1”), н-додекана (кривая “C₁₂H_26”) и ТЭА (кривая “ТЭА”). Каждой кривой с впрыском рабочей жидкости соответствует некоторое значение задержки прихода ударной волны в миллисекундах, например, “H₂O, 5 мс” или “ТЭА, 7 мс”. Для каждой кривой осреднение проведено по 4–5 опытам. Положение распылителя рабочей жидкости в КНД показано вертикальной штрихпунктирной линией.

Рис. 2. Измеренные зависимости скорости ударной волны от пройденного расстояния в опытах с одинаковыми начальными условиями. Рабочая среда – водяной пар (T = 415 ± 5 К). Рабочая жидкость – ТЭА, керосин ТС-1, н-додекан, вода. Задержка прихода ударной волны от 5 до 9 мс.

Налицо существенное отличие в поведении ударной волны в водяном паре без впрыска и с впрыском рабочей жидкости. В водяном паре без впрыска рабочей жидкости (кривая “Пар”) скорость ударной волны на измерительном участке длиной 1.6 м монотонно снижается от 1740 до 1170 м/с. Такое снижение скорости ударной волны в основном вызвано волной разрежения, отраженной от закрытого конца КВД.

При впрыске воды (кривая “H₂O, 5 мс”), керосина (кривая “ТС-1, 7 мс”) или н-додекана (кривая “C₁₂H₂₆, 9 мс”) ударная волна ослабляется значительно быстрее и до меньшей скорости, чем в водяном паре без впрыска рабочей жидкости. По-видимому, это вызвано дополнительным влиянием двухфазных потерь количества движения и энергии, а также конденсацией водяного пара на холодных каплях этих жидкостей.

При впрыске ТЭА (кривая “ТЭА, 7 мс”) ударная волна на участке КНД до распылителя несколько ослабляется, а затем распространяется по трубе с приблизительно постоянной скоростью 1500 м/с, которая на 500–600 м/с выше, чем при впрыске других жидкостей. Такое поведение кривой для ТЭА однозначно свидетельствует о вкладе энерговыделения в реакции между ТЭА и ударно-сжатым перегретым водяным паром.

На рис. 3 показано сравнение результатов четырех экспериментов с измерением скорости ударной волны в водяном паре с впрыском ТЭА (символы с заливкой) с задержкой прихода ударной волны τ_S = 10 мс с результатами семи экспериментов без впрыска рабочей жидкости (символы без заливки). При такой задержке прихода ударной волны в экспериментах с впрыском ТЭА наблюдается рост скорости ударной волны на участке до распылителя, а на участке за распылителем ударная волна постепенно замедляется до скорости 1300–1500 м/с.

Рис. 3. Измеренные зависимости скорости ударной волны от пройденного расстояния в опытах с одинаковыми начальными условиями. Рабочая среда – водяной пар (T = 415 ± 5 К). В четырех опытах рабочая жидкость – ТЭА (символы с заливкой). Задержка прихода ударной волны 10 мс. В семи опытах (символы без заливки) ударная волна распространяется по перегретому водяному пару без впрыска рабочей жидкости.

Наконец, на рис. 4 показаны осредненные результаты измерений скорости ударной волны в водяном паре без впрыска рабочей жидкости и с впрыском ТЭА и воды при задержках прихода ударной волны τ_S = 22 и 48 мс. Здесь максимальное превышение скорости ударной волны на кривой “ТЭА, 22 мс” над скоростью на кривой “H₂O, 22 мс” еще достигает 400–500 м/с, тогда как максимальное превышение скорости ударной волны на кривой “ТЭА, 48 мс” над кривой “H₂O, 48 мс” уже сокращается до 200 м/с.

Рис. 4. Измеренные зависимости скорости ударной волны от пройденного расстояния в опытах с одинаковыми начальными условиями. Рабочая среда – водяной пар (T = 415 ± 5 К). Рабочая жидкость – ТЭА или H₂O. Задержка прихода ударной волны 22 и 48 мс.

Совместное рассмотрение кривых “ТЭА” на рис. 2–4 показывает, что задержка прихода ударной волны играет ключевую роль в явлении усиления ударной волны при прохождении через облако капель ТЭА. Тот факт, что при τ_S = 7 мс ударная волна ослабляется до распылителя и распространяется с постоянной скоростью после распылителя (см. рис. 2), а при τ_S = 10 мс ускоряется до распылителя и постепенно ослабляется после распылителя (см. рис. 3), означает, что значение τ_S ≈ 7 мс близко к оптимальному значению, при котором вклад энерговыделения в реакции между ТЭА и ударно-сжатым перегретым водяным паром в интенсивность ударной волны максимален. С увеличением задержки прихода ударной волны возрастает доля ТЭА, прореагировавшего с низкотемпературным водяным паром и, следовательно, вклад энерговыделения в указанной реакции уменьшается.

Таким образом, чтобы обеспечить незатухающий характер распространения ударной волны в двухфазной среде перегретый водяной пар–ТЭА со скоростью на уровне 1500 м/c, необходима тонкая синхронизация момента впрыска ТЭА в поток перегретого водяного пара с моментом прихода затухающей ударной волны. Дальнейшая работа будет направлена на определение условий для перехода ударной волны в детонацию в двухфазной среде перегретый водяной пар–ТЭА.