Газовая и волновая динамика - часть 36

Рис. 13: Траектории и средние по сечению скорости фронта реакции при уско-
рении пламени в газовой смеси в многокамерных устройствах для коэффи-
циента расширения β

ER

= 0.60 при значениях концентрации горючего: (a) –

C

f uel

= 0.012; (b) – C

f uel

= 0.012

148

Рис. 14: Самоподдерживающиеся скорости фронта реакции в многокамерных
устройствах как функции коэффициента расширения при концентрации горю-
чего: 1 – C

f uel

= 0.012; 2 – C

f uel

= 0.015

ции горючего приводит к возрастанию переходных значений параметра расширения
β

ER

.

На рис. 14 представлены значения средней скорости самоподдерживающегося

режима распространения фронта реакции в трубах с равномерно распределенными
по оси камерами расширения как функции коэффициента расширения при различном
составе смеси. Из графика видно, что средняя скорость фронта реакции уменьшается
при увеличении коэффициента расширения β

ER

.

Таким образом, суммируя роль камер турбулизаторов большого диаметра на ПГД

в трубах, следует отметить, что наличие камер в начальной секции, где производится
зажигание, способствует ускорению пламени и ПГД. С другой стороны, уже сформи-
ровавшаяся детонационная волна может разрушаться при выходе в камеру большого
диаметра, что приводит к подавлению детонации. Сколько же камер необходимо
интегрировать в начальную секцию трубы, чтобы добиться максимального эффекта
ускорения ПГД? Проведенные расчеты для β

ER

= 0.96 показывают, что таких камер

достаточно две. Теоретическое объяснение опирается на выполнение необходимого
условия ПГД, а именно: условия превышения скоростью пламени скорости звука в
невозмущенном газе (критерий «сцепления», Зельдович и др., 1970, 1988). Анализ
результатов расчетов (рис. 9) показывает, что поршневой эффект расширяющихся
продуктов сгорания в форкамере приводит к резкому ускорению пламени при выходе
в более узкую трубу. При выходе из первой камеры пламя приобретает среднюю
скорость в диапазоне 110

÷ 260 м/с в зависимости от состава смеси (рис. 9), что

оказывается ниже скорости звука в исходной смеси. При выходе из второй камеры

149

пламя проталкивается в трубу со скоростью в диапазоне 435

÷ 920 м/с, что уже

значительно выше необходимого критерия. Поэтому дальнейшее увеличение числа
камер нецелесообразно.

8. Влияние начальной температуры смеси на ПГД в газах

Влияние температуры на ПГД в газах является одной из наименее изученных сто-
рон процесса. Имеющиеся экспериментальные данные весьма ограниченны и часто
противоречивы. Так, увеличение температуры в стехиометрических смесях водоро-
да с кислородом приводило к возрастанию преддетонационного расстояния (Laffitte,
1928). При уменьшении концентрации водорода существенного влияния температу-
ры на преддетонационное расстояние обнаружено не было (Bollinger et al., 1961).
Исследование ПГД в смесях углеводородов с воздухом (Смирнов, Бойченко, 1986)
показало уменьшение преддетонационного расстояния при увеличении начальной
температуры смеси.

Причина таких противоречивых результатов в том, что изменение температуры

исходной смеси приводит к возникновению двух противоположных эффектов. С од-
ной стороны, увеличение начальной температуры приводит к возрастанию скорости
химических реакций, способствуя тем самым ускорению пламени. С другой сторо-
ны, переход горения в детонацию возможен после того, как скорость турбулентного
пламени превысит скорость звука в газе, которая также возрастает с увеличением
температуры, затрудняя тем самым переход горения в детонацию. Вероятно, сов-
местное влияние этих двух противоборствующих механизмов и приводит к такой
разнородности экспериментальных результатов.

Как уже отмечалось, в стехиометрических смесях водорода с кислородом в трубах

постоянного поперечного сечения преддетонационное расстояние возрастает с уве-
личением температуры при постоянном давлении. Эти результаты показывают, что
для таких систем преобладающее влияние оказывает фактор возрастания скорости
звука по сравнению с возрастанием скорости пламени, что затягивает процесс ПГД.

В наших исследованиях ПГД в трубах, содержащих форкамеры большого объема

в секции зажигания, ускорение пламени в узкой трубе происходит в большей сте-
пени вследствие его проталкивания вытекающими из камеры горячими продуктами
реакции. Результаты расчетов (рис. 9) показывают, что уже на выходе из второй
камеры скорость пламени значительно превосходит скорость звука в невозмущенной
среде, что является результатом чисто газодинамических особенностей рассматри-
ваемой схемы. Поэтому, возрастание или уменьшение скорости звука в исходной
смеси в результате изменения температуры не может оказать существенного влия-
ния на выполнение данного критерия, что нейтрализует негативное влияние на ПГД
возрастания скорости звука в исходной смеси. Таким образом, фактор возрастания
скоростей реакций (сокращения времен индукции) при возрастании температуры
смеси должен стать доминирующим при определении сценария развития ПГД.

Численное моделирование распространения пламени в обедненных топливо-

воздушных смесях (C

f uel

= 0.011

÷ 0.012) при повышенной температуре (T

0

= 353

150

К) показало, что возрастание начальной температуры способствует переходу горе-
ния в детонацию. На рис. 15 изображены траектории и скорости фронта горения как
функции времени для нормальной (a: 300 К) и повышенной температуры (b: 353
К) при концентрации горючего C

f uel

= 0.011. На рис. 16 такая же серия графиков

иллюстрирует развитие процесса ПГД в таком же двухкамерном устройстве, но при
более высокой начальной концентрации горючего (C

f uel

= 0.012).

Из графиков (рис. 15, C

f uel

= 0.011) видно, что при низкой температуре (T

0

= 300

К) рождения детонационной волны в устройстве не происходит. При столь низкой
концентрации горючего возникает режим галопирующего горения. При повышенной
температуре (T

0

= 353 К) процесс ПГД имеет место и формируется самоподдержи-

вающаяся детонационная волна (рис. 15b), выход на которую осуществляется через
режим пересжатой детонации. При более высокой концентрации горючего (рис. 16,
C

f uel

= 0.012) переход горения в детонацию в рассматриваемом устройстве имеет

место как при нормальной (T

0

= 300 К, рис. 16a), так и при повышенной начальной

температуре (T

0

= 353 К, рис. 16b). Тем не менее, формирование самоподдержива-

ющейся детонационной волны при повышении начальной температуры происходит
раньше, чем при низкой температуре. Преддетонационное расстояние с повышением
температуры также сокращается.

Подводя предварительные итоги, следует отметить, что в трубах с форкамерами

большого диаметра повышение начальной температуры смеси способствует ПГД и
сокращает преддетонационное расстояние. В то же время в трубах без форкамер
повышение начальной температуры газовой смеси может вызывать обратный эффект
увеличения преддетонационного расстояния.

9. Заключение

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показывают, что в
процессе перехода горения в детонацию зарождение детонации происходит в ло-
кальных экзотермических центрах («горячих точках») между ускоряющейся зоной
турбулентного горения и головной ударной волной. Эти «горячие точки» возникают
вследствие неоднородности потока, в большинстве случаях, на контактных поверх-
ностях, образовавшихся в результате догонного взаимодействия ударных волн перед
фронтом пламени.

В зависимости от структуры горячих точек, они могут служить источниками волн

горения или волн детонации. При возникновении детонации, она распространяется
во все стороны от источника, догоняет головную ударную волну, и после их вза-
имодействия по несгоревшей смеси распространяется квазиплоская волна сильной
детонации, постепенно замедляющаяся до самоподдерживающегося значения скоро-
сти Чепмена-Жуге.

При возникновении в горячей точке волны горения она распространяется значи-

тельно медленнее, что дает время для воспламенения в других горячих точках и, в
конечном итоге, может также привести к возникновению волны детонации.

Наличие одной или двух турбулизующих камер с широким поперечным сечением

151