Математическое моделирование перехода горения в детонацию во взрывчатых газовых смесях

• Автор: Иванов, Владислав Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1: Обзор литературы

1.1 Модели турбулентности

1.2 Модели горения

1.3 Модели образования оксидов азота

1.4 Модели перехода горения в детонацию

1.5 Расчеты рабочего процесса ИДД

Глава 2: Математическая модель химически реагирующех'о течения

2.1 Модель турбулентного течения газа

2.2 Модель фронтального горения

2.3 Модели объемного горения
Глава 3: Расчет ускорения фронта пламени и перехода горения в детонацию
3.1 Сравнение с экспериментальными данными
3.2 Расчет перехода горения в детонацию в пропане
Глава 4: Расчеты горения в закрытых сосудах
4.1 Горение пропана
4.2 Г орение водорода
Глава 5: Расчет течения в импульсном детонационном двигателе
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация направлена на решение фундаментальной проблемы теории горения и взрыва - количественного описания и прогнозирования перехода горения в детонацию (ПГД) во взрывчатых смесях газообразных горючих с воздухом. Несмотря на длительные экспериментальные и теоретические исследования ПГД количественная прогностическая теория этого физико-химического явления в настоящее время отсутствует. Такое положение дел объясняется чрезвычайной сложностью явления, в результате которого скорость распространения фронта химической реакции увеличивается па 3-4 порядка (от нескольких десятков см/с до 1800-2000 м/с) в течение очень короткого промежутка времени (до 10-15 мс). Решение указанной фундаментальной проблемы неразрывно связано с совершенствованием техники безопасности на взрывоопасных производствах, а также с переходом к практическому использованию детонации в энергетике и на транспорте - в технологических горелках и в новых системах реактивного движения. Этим обусловлена актуальность темы диссертационной работы.
Цель работы — создание эффективного алгоритма и вычислительной программы для многомерного численного моделирования ПГД в каналах сложной геометрии с одновременным пространственным и временным разрешением фронтальных и объемных химических реакций в сжимаемом турбулентном газовом потоке.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:
(1) разработана новая модель горения с явным выделением фронта пламени, сопряженная с методом частиц, учитывающая одновременное протекание фронтальных и объемных химических реакций;
(2) новая модель горения с явным выделением фронта пламени и методом частиц проверена на экспериментальных данных по распространению пламени в воздушных смесях водорода, метана и пропана в полуоткрытых гладких трубах и трубах с регулярными препятствиями, а также в закрытых сосудах;
(3) впервые с помощью численного моделирования показано, что предпламенное самовоспламенение газа при горении в закрытом сосуде имеет ярко выраженный очаговый характер, причем видимая скорость распространения объемной реакции в предпламенной зоне определяется предысторией процесса горения, непостоянна по времени и неизотропна по пространству;
(4) с помощью новой модели впервые проведен многомерный расчет ПГД в стехиометрической пропано-воздушной смеси в канале с ускорителем пламени в виде

регулярных препятствий и фокусирующим элементом в виде сопла и показано, что удельный импульс силы, действующей на закрытый конец канала составляет -2500 с;
(5) с помощью новой модели горения с явным выделением фронта пламени и методом частиц впервые проведены многомерные расчеты нестационарного газодинамического течения в воздушно-реактивном импульсном детонационном двигателе (ИДД), работающем в циклическом режиме на газообразном пропане, и его обтекания в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 на высоте 9.3 и 16 км;
(6) впервые показано, что в воздушно-реактивном ИДД с длиной и диаметром тракта 2.12 м и 83 мм возможен циклический рабочий процесс с частотой 48 Гц с быстрым ПГД на расстоянии всего 5-6 калибров камеры сгорания;
(7) впервые показано, что удельный импульс воздушно-реактивного ИДД в условиях сверхзвукового полета с числом Маха 3.0 приблизительно составляет 1700 с, что существенно выше удельного импульса, характерного для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) на обычном горении в тех же условиях полета (1200-1500 с).
Практическая значимость. Разработанный алгоритм и вычислительная программа, адаптированная для массивно-параллельных расчетов ПГД и детонации, станут инструментом для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание взрывобезопасных технологий и взрывозащищенных сооружений, экологически чистых камер сгорания, а также устройств новой техники -импульсных детонационных газодинамических устройств (реактивных тяговых модулей, горелок, испарителей, размельчителей и др.).
Основные результаты, представляемые к защите. На защиту выносятся следующие результаты:
(1) Новая модель горения с явным выделением фронта пламени и методом частиц, учитывающая одновременное протекание фронтальных (во фронте пламени) и объемных (в предпламенной зоне и в продуктах горения) химических реакций;
(2) Результаты сравнения расчетов по модели горения с явным выделением фронта пламени и методом частиц с экспериментальными данными по распространению пламени в гладких трубах, трубах с регулярными препятствиями и в закрытых сосудах;
(3) Результаты трехмерных расчетов турбулентного горения пропано-воздушных смесей с образованием «быстрого» и «термического» оксида азота, а также двумерных

осесимметричный сверхзвуковой входной диффузор, коллектор, клапан; камеру сгорания, и выходное сопло. Коллектор представлял собой объем, в котором происходило смешение топливах воздухом, причем смешение считалось однородным и полным. Камера сгорания; представляла, собой:, трубу длиной 50 см и диаметром 10 см. Рассматривалась смесь водорода с воздухом. В расчетах детонация инициировалась в начале трубы сильным источником. Во входной части ИДЦ, и в коллекторе течение не; моделировалось. Считалось, что параметры за коллектором известны: они использовались как входные для камеры сгорания двигателя.
В; работе рассматривалось большое количество парамётров; влияющих на; тяговые характеристики ИДЦ, в частности, скорость и высота полета, а также конфигурация выходного; хопла. Исследовалось влияние способа; управления рабочим процессом в> камере сгорания ИДЦ. Рассматривалось два1 варианта.управления: внешний и внутренний. При;внешнем способе управления фиксировались-значения времени; когда клапаш был закрыт ш в; камере сгорания; происходил процесс детонационного; сжигания; топлива, времени? освобождения, камеры сгорания от продуктов горения и времени заполнения-» трубы смесью. Внутренний способ управления; был основан; на. анализе процессов; происходящих в камере сгорания. Также как и для внешнего способа. управления; для внутреннего способа потребовалось три параметра: пороговое; давление на; закрытом; конце трубы; при; котором происходило открытие клапана; степень, продувки: трубы воздухом и степень заполнения трубы смесью;
В [69] проведено болыное количество расчетов и исследовано, влияние различных параметров на тяговые характеристики ИДЦ. Было получено' значение; удельного импульса двигателя притскорости полетах М = 2.1 на высоте 9.3 км. Значение удельного импульса ИДЦ при внешнем способе управления рабочим процессом составило 4656 с. Воспроизводимость рабочих циклов, достигалась, после 3-4 циклов: При: внутреннем способе управления воспроизводимость циклов достигалась на 7-8 цикле, однако значение удельного импульса было выше на 100 с и составило 4775 с.
<----------2Г
Рисунок 6. Схема ИДЦ [69]: 1 - входной диффузор, 2 - изолятор, 3 - коллектор, 4 - камера
сгорания, 5 — выходное сопло.