Газовая и волновая динамика - часть 34

Рис. 7: Траектории и средние по сечению скорости фронта реакции при ПГД
в газовой смеси при концентрации горючего C

f uel

= 0.012 в трубе: (a) - без

форкамер в секции зажигания; (b) - с двумя форкамерами в секции зажигания

140

Рис. 8: Траектории и средние по сечению скорости фронта реакции при ПГД
в газовой смеси при концентрации горючего C

f uel

= 0.012 в трубе с двумя

камерами большего диаметра в конечной секции

6. Влияние концентрации горючего на переход горения в дето-

нацию

На рис. 9a-d изображены соответствующие друг другу траектория зоны реакции и
средняя скорость фронта пламени в зависимости от времени для различных зна-
чений концентрации горючего при одной и той же геометрии устройства. Значения
средней скорости пламени на различных участках обозначены также на графиках
траектории зоны реакции. Из рисунков видно, что пламя ускоряется на входе во вто-
рую камеру, но затем замедляется. Затем высокоскоростная волна горения входит в
детонационную трубу, где и происходит ПГД.

Анализ результатов, представленных на рис. 9, показывает, что при снижении

концентрации горючего в исходной смеси снижается ее чувствительность к иници-
ированию детонации посредством ПГД. Преддетонационное время при этом увели-
чивается (рис. 9a, b), но если выход на режим детонации все же происходит, то
детонационная волна распространяется практически с одинаковой скоростью. Диа-
граммы скорости фронта реакции показывают, что выход на детонацию в обоих
случаях происходит через пересжатый режим, т.е. в момент возникновения реги-
стрируется волна сильной детонации, которая с течением времени замедляется до
скорости самоподдерживающегося режима.

Уменьшение молярной концентрации горючего ниже 0.011 приводит к возникно-

вению режимов галопирующего горения. Резкие скачки скорости волны горения в
этих режимах не вызваны численной неустойчивостью при моделировании процесса,

141

Рис. 9: Траектории и средние по сечению скорости фронта реакции при ПГД в
трубе с двумя форкамерами при концентрации горючего C

f uel

: (a) – 0.015, (b) –

0.012, (c) – 0.011, (d) – 0.010

142

поскольку каждый из таких скачков развивается за время порядка 150 – 200 шагов
по времени численного счета. Горячие точки (с повышенными значениями давления)
попеременно возникают на оси и боковых стенках трубы, и приводят к колебаниям
скорости зоны реакции. Эти колебания отчетливо видны на рис. 9c, d. При концен-
трации горючего 0.011 пламя в режиме галопирующего горения распространяется со
скоростью от 420 до 1200 м/с при среднем значении 760 м/с. Переход к детонации
на расстоянии 2.25 м, равном длине устройства, не происходит. При концентрации
горючего 0.010 режим галопирующего горения устанавливается позже; скорость рас-
пространения пламени при этом колеблется от 270 до 1000 м/с со средним значением
435 м/с.

7. Влияние на ПГД камер турбулизаторов при ихрасположении

по всей длине трубы

Результаты предыдущих исследований показали, что введение одной или двух камер-
турбулизаторов на начальном участке трубы, где происходит зажигание смеси, ста-
билизирует процесс ПГД и сокращает преддетонационное расстояние.

Для изучения влияния количества турбулизационных камер на развитие дето-

нации были проведены численные эксперименты с устройством, состоящим из 20
одинаковых камер диаметром 100 мм и длиной 100 мм, насаженных на трубу диамет-
ром 20 мм через равные промежутки, составлявшие 50 мм. Длина всего устройства,
таким образом, составила 2.95 м.

Результаты показали, что при концентрации горючего, равной 0.012, ПГД не про-

исходит вовсе. Устанавливается режим галопирующего горения со скоростью рас-
пространения пламени от 80 до 300 м/с со средней скоростью 156 м/с. На рис. 10
показано распределение плотности газа и скорости для тех последовательных мо-
ментов времени, когда зона пламени проходит камеры 6 и 7. Из рисунка видно, что
при прохождении каждой из камер процесс состоит из следующих стадий: вход в ка-
меру пламени из трубы, расширение его с одновременным торможением, вхождение
переднего конца расширившейся зоны пламени в продолжение трубы, ускорение пла-
мени в трубе под воздействием потока расширяющихся продуктов горения в камере.
Таким образом, процесс имеет циклический характер.

Результат численных исследований показывает, что увеличение числа камер не

облегчал ПГД для рассмотренной конфигурации устройства, но напротив, предот-
вращал переход и приводил к установлению режима галопирующего горения. Этот
эффект возник благодаря резкому перепаду площадей поперечных сечений в устрой-
стве и соответствующему периодическому торможению пламени при его расширении.

Чтобы описать перепады размеров поперечных сечений в подобных структурах,

можно ввести параметр расширения и параметр отношения объемов:

β

ER

=

S

chamb

− S

tube

S

chamb

,

α

ER

=

S

chamb

L

chamb

+ S

tube

L

tube

S

chamb

(L

chamb

+ L

tube

)

,

143