Измерение протяженности детонационной волны в смеси гремучего газа с азотом

Внедрение: 2018 г.

В работе [1] проводилось сравнение экспериментальных и расчетных данных по протяженности детонационных волн в смесях гремучего газа (2Н₂ + О₂) с азотом. В теории за толщину детонации принимается расстояние от ударного фронта волны до точки Чепмена–Жуге, в которой относительная скорость газа равна местной скорости звука. 

На рисунке 1 представлены результаты вычисления толщины детонационной волны и продолжительности зоны тепловыделения с использованием двух кинетических моделей в переменных, соответственно, длины и времени.

Рисунок 1. Толщина ε, продолжительность τ детонационной волны и зоны тепловыделения (ε₁ и τ₁) в зависимости от начальной молярной доли азота: кинетическая модель В.В. Азатяна (слева); кинетическая модель Ю. Варнатца (справа).

Эксперименты, где использовались модули E20‑10, проводились на двухдиафрагменной ударной трубе, схема которой приведена на рисунке 2. Секции изготовлены из нержавеющих труб внутренним диаметром 50 мм. Для поджога гремучей смеси в центре глухого фланца расположен искровой промежуток (автомобильная свеча зажигания ФОРКАМ‑1), через который можно осуществить наносекундный разряд керамических высоковольтных конденсаторов КВИ‑3. Наносекундные времена разряда обеспечиваются тем, что конденсаторы и искровой промежуток представляют собой малоиндуктивный контур. Разряд в контуре возникает при самопробое искрового промежутка во время импульсного заряда (300 ÷ 400 мкс) керамических конденсаторов. Энергия разряда составляет порядка 100 мДж.

Вдоль камеры высокого давления располагаются пьезоэлектрические датчики давления P1 Pi6. В сечениях пьезоэлектрических датчиков P2, P3, P5 и P5 устанавливаются приемники оптического излучения на длину волны 300 ÷ 320 нм F2, F3, F5 и F5. Приемники состоят из УФ‑оптического волокна, один конец которого направляется в трубу, а излучение с другого через систему оптических фильтров поступает на ФЭУ. Временное разрешение оптической схемы менее 0,5 мкс. Между двумя секциями при высоких (более 1 атм) начальных давлениях горючей смеси устанавливается толстая разделительная перегородка из нержавеющей стали.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки. Sparkplug – свеча зажигания; D1 – убираемая перегородка; цифровой запоминающий осциллограф 14 бит 2,5 МГц (модули E20‑10); P1‑Pi6 – пьезодатчики; F2, F3, F5 и F6 – приемники излучения; HPC – камера сгорания; Prechamber – форкамера.

В экспериментах камера заполняется стехиометрической смесью водорода с кислородом с разбавлением азотом до 50 %. Общее давление смеси варьируется в диапазоне 1,5 ÷ 5,2 атм. Наполнение осуществляется поочередно кислородом, водородом и азотом через два крана, расположенных с разных сторон секций. Перемешивание продолжается не менее часа. Более продолжительное перемешивание существенно не влияет на результаты экспериментов.

Зона тепловыделения определяется по свечению электронно-возбужденного радикала ОН. Расчет по кинетической модели В.В. Азатяна обеспечивает результаты, близкие к экспериментальным; модель Ю. Варнатца почти вдвое занижает длительность интенсивного тепловыделения.

Численно показано, что при разбавлении гремучего газа азотом с увеличением его молярной доли от 0 до 55 % толщина детонационной волны и протяженность зоны интенсивного тепловыделения ускоренно растут, соответственно, от 20 до 60 мм и от 1 до 25 мм. Используемая кинетическая модель В.В. Азатяна обеспечивает в одномерных расчетах результаты, близкие к экспериментальным. Модель Ю. Варнатца почти вдвое занижает длительность интенсивного тепловыделения.

Соотношение между толщиной зоны интенсивного тепловыделения и протяженностью детонационной волны, определяемой удаленностью точки Чепмена–Жуге от головного ударного фронта, зависит от молярной доли азота таким образом, что введение коэффициента пропорциональности между этими величинами нецелесообразно.

Работа выполнена с использованием суперкомпьютера МГУ «Ломоносов».

Источник:
Туник Ю.В., Козлов П.В., Майоров В.О. Протяженность стационарной детонационной волны в смеси гремучего газа с азотом // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. – 2018. – Т. 19. № 3. – С. 1‑7.

Разработчик: Туник Ю.В., Козлов П.В., Майоров В.О. (НИИ механики, МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва)