Расчетно-теоретическое исследование механизмов инициирования детонации в газовых смесях при воздействии неравновесной плазмы электрического разряда

• Автор: Заев, Иван Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 194 с. : ил.

Содержание

Содержание
Введение. Обзор литературы
Актуальность работы
Предмет исследования
Цели работы
Методы исследования
Обзор литературы
Структура изложения материала
Глава
Формирование ударных волн в неоднородной воспламеняющейся среде: роль кинетики химических реакций
1.1 Транспортное уравнение для описания формирования и распространения газодинамических возмущений в воспламеняющейся пространственно неоднородной среде
1.1.1 Постановка задачи: начальные условия и уравнения движения среды
1.1.2 Возмущения в пространственно неоднородной воспламеняющейся среде. Транспортное уравнение
1.1.3 Метод решения задачи о градиентной катастрофе
1.2 Аррениусова кинетика химических реакций. Оценка точности модели. Роль физикохимических параметров
1.2.1 Одностадийная аррениусова кинетика реакции горения
1.2.1 Закономерности формирования ударных волн в пространственно неоднородной воспламеняющейся среде. Параметрический анализ
1.2.2 Закономерности формирования ударных волн в пространственно неоднородной самовоспламеняющейся среде. Интерпретация
1.2.3 Сравнение с решением полной системы уравнений газовой динамики
1.3 Разветвленно-цепная кинетика химических реакций. Роль кинетического закона тепловыделения
1.3.1 Время индукции и тепловыделения в реакциях с аррениусовой и разветвленно-цепной реалистичной кинетикой
1.3.2 Постановка задачи. Модель кинетики химических реакций
1.3.3 Условия и механизм формирования ударной волны
1.4 Выводы
Глава
Модели химической кинетики для интерпретации эффекта влияния неравновесной плазмы на инициирование детонации и предсказательного моделирования динамики детонационных волн
2.1 Модификация модели параметра индукции для предсказательного моделирования динамики детонационных волн в водород-кислородных смесях
2.1.1 Время тепловыделения при горении водород-воздушных смесей
2.1.2 Кинетические особенности тепловыделения при горении водорода
2.1.3 Модифицированная модель параметра индукции и вычисление параметров модели из расчетов с детальным кинетическим механизмом
2.1.4 Моделирование структуры стационарной детонационной волны
2.1.5 Выводы
2.2 Модель самовоспламенения реагирующих смесей в присутствии неравновесной плазмы электрических разрядов
2.2.1 Воздействие неравновесной плазмы электрического разряда на реагирующую газовую смесь

2.2.2 Кинетика воспламенения пропан-кислородазотных смесей под действием неравновесной плазмы электрического разряда
2.2.3 Модель самовоспламенения реагирующих смесей в присутствии неравновесной плазмы электрических разрядов
2.2.4 Выводы
Глава
Применение модифицированной модели параметра индукции к моделированию многофронтовой структуры детонационной волны в водород-кислородных смесях
3.1 Постановка задачи для моделирования многофронтовой структуры детонационной волны
3.2 Результаты моделирования, сравнение с предсказаниями детальной кинетической схемы и экспериментом
3.3 Влияние порядка скорости тепловыделения по давлению на результаты расчетов
3.4 Влияние порядка реакции тепловыделения на результаты расчетов
3.5 Выводы
Глава
Расчетно-теоретическое исследование механизмов инициирования детонации под воздействием неравновесной плазмы импульсного разряда
4.1 Прямое инициирование детонации в присутствии неоднородностей, вызванных неравновесной плазмой импульсных разрядов
4.1.1 Постановка задачи
4.1.2 Распространение ударной волны в отсутствие неоднородностей. Критическая энергия прямого инициирования детонации
4.1.3 Механизмы инициирования детонации в присутствии неоднородностей
4.1.4 Критические условия инициирования детонации в присутствии неоднородностей
4.2 Инициирование детонации падающей ударной волной при взаимодействии с локальными неоднородностями, вызванными неравновесной плазмой импульсных разрядов
4.2.1 Постановка задачи
4.2.2 Тест сходимости результатов расчетов
4.2.3 Взаимодействие падающей ударной волны и «теплого пятна»
4.1.4 Механизм инициирования детонации при прохождении ударной волны через «теплое пятно»
4.1.5 Время инициирования детонации за плоской ударной волной в среде с локальными неоднородностями
4.1.6 Обсуждение результатов, выводы
4.3 Интерпретация экспериментальных результатов по инициированию детонации системой комбинированного поджига
4.4 Выводы
Заключение
Литература

Введение. Обзор литературы
Актуальность работы
Истощение и рост стоимости традиционных углеводородных топлив с
одной стороны и ужесточение норм экологической безопасности с другой требуют разработки новых типов энергетических установок на традиционных топливах с высокой термодинамической эффективностью их работы, а также развитие альтернативных традиционным видов энергетики, в частности водородной. Активно развиваемыми направлениями исследований для решения этих задач являются разработка энергосиловых установок, в основе которых лежит детонационное сжигание топлива, - пульсирующих детонационных устройств (ПДУ), и формирование базиса для развития водородной энергетики.
Как при разработке ПДУ, так и для обеспечения безопасного развития водородной энергетики важной является проблема инициирования детонации. С одной стороны, стадия формирования детонационной волны в прототипах ПДУ, работающих на широко распространенных углеводородных топливах (керосин, метан) ограничивает возможную частоту работы устройств и снижает общую эффективность установки. С другой стороны, определение критических условий инициирования и распространения детонации в водород-воздушных смесях в широком диапазоне начальных условий необходимо для проектирования объектов водородной энергетики и прогнозирования последствий аварий при выбросах водорода.
Воздействие неравновесной плазмы на газодинамические и химические процессы в реагирующей среде может стать эффективным инструментом управления инициированием детонации в ПДУ. Теоретическое исследование механизмов инициирования под действием неравновесной плазмы электрических разрядов является актуальной задачей для совершенствования существующих и разработки новых методик плазменного инициирования детонации.

спонтанное пламя близко к точному решению системы (1.1) и выступает в роли нулевого приближения к нему.
Введем безразмерный параметр задачи
£ = со/™*р’ 0-3)
где со - скорость звука в невозмущенном газе, и рассмотрим предельный
случай
™*р»со> £«1’ С1-4)
то есть спонтанное пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью. Рассматриваемый диапазон скоростей спонтанного пламени (1.4) физически обоснован и представляет наибольший интерес, так как, согласно [79], формирование детонации происходит, когда
~£>с/ »со>
где £>с/~ скорость Чепмена-Жуге в рассматриваемой реагирующей смеси. Решение системы уравнений (1.1) может быть представлено в виде
г = г0+г(1), (1.5)
где ~ = (р,р,и,у) и |г(1)| ~ &|г0|. Переменные с индексом «О» - нулевое приближение к решению системы уравнений газовой динамики (1.1) -описываются уравнениями спонтанного пламени, в которых пренёбрегается сжимаемостью среды (несжимаемый фон). Добавки — малые возмущения, в которых учитывается сжимаемость и конвективная нелинейность течения.
Параметр задачи (1.3) естественен для пространственно неоднородной среды, в которой есть градиент времени индукции, а значит и спонтанное пламя, скорость которого определяется из (1.2).
Уравнения спонтанного пламени Зельдовича. В соответствии с определением спонтанное пламя описывается следующей системой уравнений
мо = О* Л>/ = 0 (16)
р0,=Ш(р0,р0,Уо), У о, = а>(р0,р0,у0),