Газовая и волновая динамика - часть 31

Переход горения в детонацию в газах

Смирнов Н. Н., Никитин В. Ф.

1

Без сомнения, среди всех процессов, связанных с горением и взрывом, пере-

ход горения в детонацию (ПГД) – один из наиболее интересных. Изучение этого
процесса относится к исследованиям в области взрывоопасности газов и паров. Зна-
ние механизмов управления возбуждением детонации весьма важно для выработки
эффективных превентивных мер, а именно: мер по предотвращению ПГД в случае
возгорания газовой смеси, а также методов по остановке детонационной волны в
случае, когда она уже образовалась. Представляет значительный интерес в этой свя-
зи исследование смесей углеводородного топлива с воздухом, поскольку внезапные
выбросы горючих природных газов в атмосферу могут иметь очень серьезные по-
следствия. Крайнюю опасность таких выбросов показали аварии в Фликсборо (1974,
Великобритания), Мехико (1984, Мексика) и под Уфой (1989, СССР).

Статья содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований

процессов ПГД в смесях углеводородов с воздухом. Рассматривается влияние внут-
ренней геометрии и турбулизации потока на возникновение детонации; также обсуж-
дается влияние температуры и концентрации топлива в несгоревшей смеси. Работа
является продолжением исследований ПГД, начатых на кафедре газовой и волновой
динамики под руководством Зверева И. Н. в 1985 году.

1. Введение

Исследования перехода горения в детонацию (ПГД) в смесях водорода с воздухом
(Oppenheim et al., 1966; Саламандра, 1959; Солоухин, 1969), а затем в смесях углево-
дородов с воздухом (Смирнов и др., 1986, 1995) показали множественность сценари-
ев перехода. Различные механизмы возникновения детонации зависят от конкретной
структуры течения, созданного ускоряющимся пламенем, что делает процесс пере-
хода горения в детонацию не воспроизводимым экспериментально во всех деталях
и мельчайших подробностях. В настоящее время существуют различные точки зре-
ния на механизм ПГД: «взрыв во взрыве» Оппенгейма (Oppenheim et al., 1966) и
градиентный механизм «спонтанного горения» Зельдовича (1970).

Последующий теоретический анализ показал, что на микроуровне увеличение

неравномерности распределения температуры и рост градиентов концентраций в
окрестности локальных экзотермических центров («горячих точек») перед фронтом
пламени может быть достаточным для развития из отдельно взятого очага как вол-
ны детонации, так и волны нормального горения (Мержанов, 1966; Борисов, 1974;
Kailasanath and Oran, 1983; Zeldovich et al., 1988; Смирнов и др., 1989, 1995). Анализ

1

Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант

02-03-32060) и INTAS (грант 00-0706).

128

и сравнение теоретических и экспериментальных результатов показали, что самовос-
пламенение в одной или нескольких горячих точках перед ускоряющимся пламенем с
последующим развитием детонации или горения из каждого локального экзотерми-
ческого центра является причиной существования множественности сценариев пере-
хода горения в детонацию (Смирнов и др., 1999). Общей чертой всех этих сценариев
является формирование локальных экзотермических центров по стохастическому ме-
ханизму Оппенгейма с последующим развитием детонации на микроуровне согласно
спонтанному механизму Зельдовича (Смирнов и др., 1999). Исследования ПГД при
взаимодействии отраженной ударной волны с ламинарным пламенем (Brown and
Thomas, 1999; Khohlov and Oran, 1999) также показали, что переход к детонации
в горячих точках идет по градиентному механизму, в то время как взаимодействие
ударной волны и волны горения, а также локальные неоднородности потока, создают
условия для возникновения самих горячих точек.

Экспериментальным исследованиям чувствительности ПГД к изменениям пара-

метров смеси присущи естественные ограничения на точность результатов, посколь-
ку установление различных режимов ПГД зависит от случайных неоднородностей
течения, создаваемого ускоряющимся пламенем. При этом незначительные измене-
ния параметров потока могут привести к существенным изменениям сценария пе-
рехода. Кроме того, в физических экспериментах практически невозможно добиться
независимого изменения отдельных параметров.

Численные исследования ПГД создают уникальную возможность плавного варьи-

рования параметров независимо друг от друга с целью исследования их влияния на
режим перехода к детонации. В статье представлены результаты теоретических и
экспериментальных исследований перехода горения в детонацию в гомогенных га-
зовых смесях. Рассмотрены вопросы чувствительности ПГД к изменениям значений
определяющих параметров.

2. Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования пульсирующих режимов возбуждения детонации в
смесях углеводородных топлив с воздухом проводились с использованием установки,
изображенной на рис. 1. Детальное описание процедуры и оборудования для этих
экспериментов содержится в (Смирнов и др., 1999).

Исследование влияния геометрии рабочей зоны на ускорение турбулентного пла-

мени и развитие детонации или дефлаграции проводилось с использованием камер,
объем которых мог меняться от эксперимента к эксперименту. Боковые стенки камер
(1) и (2) (рис. 1) имели резьбу на внутренней поверхности, что позволяло ввинчи-
вать цилиндрические перегородки (3) и (4) на различную глубину внутрь камер,
меняя таким образом их объем. Смесь поджигалась в камере (1) при помощи свечи
зажигания (5). Поток газа, вызываемый расширением зоны горения, был сильно тур-
булизован из-за геометрии устройства: в камере (2) возникал тороидальный вихрь,
что приводило к резкому ускорению пламени при переходе из одной камеры в дру-
гую. Подъем давления в обеих камерах приводил к закрытию обратного клапана

129

Рис. 1: Устройство для экспериментального исследования ПГД в трубе с каме-
рами переменного объема

(6). Расширение продуктов сгорания в узкую трубу (7) вызывало дополнительное
ускорение пламени за счет поршневого эффекта, улучшая таким образом условия
развития ПГД.

Для бензино-воздушной смеси преддетонационное расстояние сокращалось до 1.5

– 2.0 м в трубах диаметром 22 мм. Шлирен-фотографии, иллюстрирующие множе-
ственность сценариев перехода, были опубликованы ранее (Смирнов и др., 1995,
1999). Рис. 2 – 4 иллюстрируют структуру течения на различных расстояниях от
секции, где проходило инициирование. Пламя распространяется слева направо, вре-
мя увеличивается снизу вверх. Тем самым шлирен-фотографии демонстрируют x-t
диаграмму процесса. Ось x соответствует координате вдоль оси трубы, за начало
отсчета принят клапан (6). Ось t обозначает ось времени, за точку отсчета принят
момент начала регистрации.

Рис. 2 соответствует течению до перехода к детонации. Наличие турбулизаци-

онных камер приводит к возникновению существенных неоднородностей в потоке
перед зоной пламени, что может привести к возникновению детонации. Поршне-
вой эффект, создаваемый расширяющимися продуктами горения смеси в камерах,
порождает серию первичных ударных волн, движущихся перед фронтом пламени.
Некоторые волны образуются в результате взаимодействия поперечных волн сжа-
тия, возникающих при ускорении турбулентного пламени. Пламя распространяется
со скоростью до 950 м/с. Волны, формирующиеся позади фронта пламени, обгоняют
его и взаимодействуют с первичными волнами сжатия, что в конце концов приводит
к возникновению впереди сильной ударной волны, поддерживаемой волнами сжатия,
формируемыми пламенем (рис. 3, 4).

Детонационная волна возникает вследствие воспламенения смеси в локальных

экзотермических центрах («горячих точках») впереди зоны пламени. Сценарий пе-
рехода, иллюстрируемый на рис. 3, характеризуется образованием горячей точки в
зоне высокой энтальпии на контактной поверхности, образовавшейся после взаимо-
действия двух первичных ударных волн. Рис. 4a демонстрирует переход, возникший
при формировании вторичной зоны горения между головной ударной волной и фрон-
том пламени за счет самовоспламенения локального экзотермического центра. Зона

130

Рис.

2.

Волны

сжа-

тия перед ускоряющим-
ся турбулентным фрон-
том пламени

Рис.

3.

Возникновение

детонации перед фрон-
том турбулентного пла-
мени на контактном раз-
рыве

Рис.

4,

а.

Само-

воспламенение

в

горячей точке перед
фронтом

пламени,

порождающее новую
зону горения

Рис. 4, b. Само-
воспламенение

в

нескольких

горя-

чих точках перед
фронтом пламени

горения расширяется во всех направлениях от горячей точки, и через 180 мкс возни-
кает детонационная волна. Рис. 4b иллюстрирует случай, когда возгорание происхо-
дит последовательно в нескольких горячих точках перед фронтом пламени. Каждое
из этих возгораний непосредственно не приводит к формированию детонационной
волны. Пламя, распространяющееся во всех направлениях от горячих точек, приво-
дит к формированию объемного горения и последующему сжатию смеси позади го-
ловной ударной волны. Детонационная волна возникает в одном из экзотермических
центров, примыкающих к ударной волне, который находится вне зоны фотографиро-
вания. Возникновение детонации подтверждается наличием ретонационной волны,
распространяющейся назад по потоку со скоростью 1350 м/с, которая появляется в
верхней части рис. 4b. Анализ экспериментов показывает, что формирование детона-
ции происходит в одном из экзотермических центров (в «горячей точке»), располо-
женном в области сжатого газа между головной ударной волной и зоной горения. В
зависимости от локальной структуры и расположения горячих точек горение может
привести либо к детонации, либо к дефлаграции, распространяющейся от одной из
горячих точек (Смирнов и др., 1999).

Неоднородности в зоне сжатого газа перед фронтом пламени могут возникать, в

частности, вследствие взаимодействия ударных волн, идущих впереди. Такая струк-
тура течения формируется при зажигании на расстоянии от закрытого торца и при
использовании форкамер, обеспечивающих дополнительный поршневой эффект при
расширении продуктов сгорания. Как видно из рис. 2, в последнем случае перед

131