Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Иванов Кирилл Владимирович
УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕХОДОМ ГОРЕНИЯ В ДЕТОНАЦИЮ В КАНАЛАХ СУБКРИТИЧЕСКОГО ДИАМЕТРА
01.04.14 Цтеплофизика и теоретическая теплотехника
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенный институт высоких температур РАН.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, проф.
В.В. Голуб (ОИВТ РАН).
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.В. Марков (Математический институт им.
В.А. Стеклова РАН);
кандидат физико-математических наук В.В. Власенко (Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского)
Ведущая организация: НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова.
Защита состоится л 2012 г. в час. мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.02 в ОИВТ РАН по специальности 01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника по адресу 125412, Москва, ул. Ижорская д.13, стр.2, Объединенный институт высоких температур РАН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Автореферат разослан л 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук А.Л. Хомкин й Объединенный институт высоких температур РАН, 20
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы На сегодняшний день процессы, происходящие в ускоряющемся пламени и волне детонации в каналах, хорошо описываются существующими моделями и позволяют производить расчет параметров на фронте детонационной волны с достаточной точностью только когда диаметр канала больше размера детонационной ячейки.
Однако при переходе к малым масштабам, когда диаметр канала становится порядка характерного размера неоднородности пламени (детонационной ячейки), возникает ряд явлений (таких как, например, спиновая и галопирующая детонация), которые невозможно детально объяснить в рамках существующих теорий. Для их корректного описания необходимо применять модели, учитывающие трехмерный характер происходящих процессов и которые на сегодняшний момент еще окончательно не разработаны. Кроме того, граничные эффекты, такие как теплопотери в стенки (в узких каналах они становятся сравнимыми с тепловым эффектом реакции) и потери импульса за счет вязкого прилипания, становятся столь существенны, что оказывают значительное влияние на пределы существования и скорость стационарной детонации, а также пределы перехода горения в детонацию.
Для большинства современных технических приложений в связи с требованиями портативности необходимо сокращение расстояния между точкой поджига и местом фактического возникновения детонационной волны. При этом среди всех способов возбуждения детонации в газе наиболее предпочтительным является переход горения в детонацию (ПГД) так как не требует большого начального вложения энергии. Добиться этого можно различными способами (обычно применяемыми на практике совместно), которые условно можно разделить на три группы. К первой относятся различные воздействия на фронт пламени, уже распространяющийся в канале (акустическое воздействие, шероховатости канала, применение форкамер) и эта категория воздействий изучена наиболее полно. Ко второй группе относятся влияния, связанные с увеличением эффективности поджига (акустическое воздействие на очаг воспламенения, струйный и объемный поджиг). Здесь основным критерием практической применимости того или иного решения является энергия, вкладываемая в процесс инициирования горения за счет электрического разряда, лазерного импульса, взрыва инициирующего заряда или других средств поджига.
В третьей группе находятся влияния, связанные с тем фактом, что расстояние, на котором возникает волна детонации, тем меньше, чем меньше диаметр канала, в котором распространяется горение. Таким образом, для минимизации объема газа, сгорающего в не детонационном режиме и сокращения физического размера устройств, является целесообразным возбуждать волну детонации в узких каналах, в пределе - около или субкритического диаметра. Однако на пути использования узких каналов для сокращения преддетонационного расстояния встают проблемы, связанные с отклонением процесса ПГД от классического сценария.
Согласно работе [1], в осесимметричных трубках постоянного поперечного сечения диаметром 2 мм минимальное начальное давление, при котором наблюдался переход горения в детонацию в кислородно-водородной смеси, составляло 2,17 атм при энергии инициирования 0,4 Дж. При этом критический диаметр канала для этой смеси при атмосферном давлении менее миллиметра. По мнению авторов, отсутствие ПГД при меньших давлениях объясняется большими теплопотерями в стенки и низкой скоростью пламени на начальном этапе. В работе [2] была получена зависимость критической энергии инициирования детонации от продолжительности разряда, и было показано, что при увеличении продолжительности более определенной величины требуется большая величина энергии, вложенной в разряд для инициирования детонации.
Для уменьшения преддетонационного расстояния в широких каналах известно применение форкамеры (расширение в начале детонационного канала) [3]. В связи с ускорением фронта пламени в канале вследствие расширения продуктов сгорания газа в форкамере, на начальном этапе достигается смещение баланса между выделяемой в ходе реакции и диссипирующей энергиями в положительную сторону. Подобное влияние форкамеры может быть использовано для возбуждения ПГД в каналах с диаметром меньше размера детонационной ячейки.
Используя форкамеру в начале детонационного канала, авторы работы [1] показали возможность получения детонации в водородно-кислородной стехиометрической смеси при атмосферном давлении в трубках диаметром 1, 1,5 и 2 мм на расстоянии 120 - 150 калибров. В этой и других работах, затрагивающих эту тему, в основном приводятся экспериментальные данные, без обсуждения фундаментальных факторов, определяющих осуществимость и детали процесса перехода в детонацию в субкритических условиях.
Цели работы Основная цель работы заключалась в том, чтобы экспериментально определить влияние различных способов возбуждения детонации на режимы процесса ПГД в каналах, диаметр которых меньше критического диаметра распространения стационарной детонации, и установить возможность их применения в прикладных целях.
Вспомогательными целями являлись:
Определение влияния акустического воздействия на очаг воспламенения в пропано-бутано-воздушной смеси на режимы ПГД в канале для различных энергий искрового поджига.
Экспериментальное исследование струйного безыскрового воспламенения смеси за счет эффекта самовоспламенения водорода.
Определение влияния длины форкамеры на ПГД в узком канале в водородно-кислородной и водородно-воздушной смеси.
Определение влияния состава метано-кислородной смеси на ПГД.
Экспериментальное определение влияния энергии, выделяющейся в форкамере на режимы ПГД.
Экспериментальное определение влияния длительности сгорания горючей смеси в форкамере на режимы ПГД.
Разработка критерия эффективности влияния форкамеры на ПГД в субкритических каналах.
Экспериментально установить возможность использования детонации для ускорения лекарственного препарата в устройствах для безыгольных инъекций.
Научная новизна работы 1. Впервые экспериментально определено влияние акустического поля на очаг воспламенения в зависимости от энергии поджига.
2. Впервые получена экспериментальная зависимость эволюции скорости фронта пламени в водородно-воздушной и метано-кислородной смесях вдоль узкого канала от длительности сгорания горючей смеси и энергии, выделяющейся в форкамере.
3. Впервые экспериментально получен переход горения в детонацию в водородно-воздушной и метано-кислородной смеси в канале с диаметром меньше критического диаметра распространения стационарной детонации Чепмена-Жуге.
4. Обнаружены режимы ПГД с немонотонным ускорением фронта пламени в водородно-воздушной и метано-кислородной смеси в узком канале.
5. Получена закономерность влияния длительности сгорания горючей смеси и энергии, выделяющейся в форкамере, на режим ПГД в узком канале.
6. Предложен критерий для определения эффективности влияния форкамеры на ПГД в субкритических каналах.
7. Впервые проведены расчеты скорости лекарственного препарата ускоряемого за счет энергии детонационного сгорания газовой смеси в узком канале.
8. Экспериментально подтверждена возможность достижения необходимых скоростей лекарственного препарата для осуществления безыгольной инъекции с помощью устройства, использующего газовую детонацию.
Практическая ценность результатов работы Предложенный в работе критерий позволит рассчитывать эффективность использования форкамеры для осуществления перехода горения в детонацию в субкритических каналах и оптимизировать расход горючего в импульсном и частотном детонационных режимах.
Полученные в работе научные результаты позволят осуществлять проектирование портативных устройств, использующих газовую детонацию.
Основные результаты, представляемые к защите Результаты экспериментальных исследований влияния акустического поля на очаг воспламенения при энергии поджига в диапазоне 0,06 - 0,46 Дж.
Результаты экспериментальных исследований перехода горения в детонацию в водородно-кислородной и водородно-воздушной смеси в узком канале и зависимость скорости фронта пламени вдоль узкого канала от длительности сгорания горючей смеси и энергии, выделяющейся в форкамере.
Результаты экспериментальных исследований перехода горения в детонацию в метано-кислородной смеси в диапазоне стехиометрических коэффициентов (ER) от 1 до 0,33 в узком канале и зависимость скорости фронта пламени вдоль узкого канала от длительности сгорания горючей смеси и энергии, выделяющейся в форкамере.
Критерий эффективности влияния форкамеры на ПГД в субкритических каналах.
Результаты расчета скорости лекарственного препарата ускоряемого за счет энергии детонационного сгорания газовой смеси в узком канале.
Результаты экспериментальных измерений скорости лекарственного препарата, ускоренного детонационной волной и глубины проникновения в агарозный гель, имитирующий кожный покров человека.
Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: конференции Московского физико-технического института (государственного университета) (2007, 20гг.); 19th International Shock Interaction Symposium, 31 авг. - 3 сен., Москва, 2010; 7th International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations, 4 - Окт., Санкт-Петербург, 2010; XXVI international conference on Interaction of intense energy fluxes with matter, Эльбрус, 2011; XVII международная конференции по вычислительной механике и современным прикладным системам, Алушта, 2011; 28th International Symposium on Shock Waves, Manchester, UK, 2011; 23rd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, July 24-29 2011, Irvine, California, USA; Второй минский международный коллоквиум по физике ударных волн, горения и детонации.
14-18 ноября 2011.
Структура и объем диссертации Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 112 страницах и включает 4 таблицы и рисунков. Список литературы содержит 96 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее основные цели и положения, выносимые на защиту, указана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
Первая глава содержит обзор литературы и посвящена различным аспектам теории детонации и ее экспериментальным подтверждениям, а также известным способам инициирования детонации в газовых смесях.
Описана общая теория детонации, приведена краткая историческая справка и основные термины, общепринятые в этой области. Далее рассматриваются неустойчивости в детонационный волне в одномерной и плоской моделях и постулируется принципиальная невозможность существования плоского детонационного фронта в канале. Приводится описание нестационарных режимов детонации в каналах, таких как спиновая и галопирующая детонация. Рассмотрены пределы распространения детонации в канале. В этой части рассматриваются факторы, от которых зависит возможность существования детонации и приводится критерий распространения детонационной волны в канале (существования одного спина). Далее рассмотрены различные способы инициирования детонации:
прямое инициирование детонационной волны за сильными ударными волнами и величина критической энергии прямого инициирования; возбуждение детонации за слабыми и отраженными ударными волнами и механизм развития детонационной волны из горячих точек за фронтом головной ударной волны; развитие детонационной волны из ускоряющегося пламени в канале (ПГД). Далее рассматриваются пределы перехода горения в детонацию, указывается на пробел в современных знаниях о пределах ПГД по диаметру канала и о факторах, от которых зависит их значение. Особое внимание уделяется рассмотрению влияния теплопотерь в стенки канала на процесс ПГД, как фактору наиболее значимому по мнению многих исследователей именно в условиях околокритических и субкритических размеров канала. Рассматриваются результаты численного моделирования различных способов возбуждения детонации и процессов взаимодействия фронта горения с ударными волнами и препятствиями. Последняя часть посвящена способам осуществления ПГД в субкритических каналах. Особое внимание уделяется влиянию форкамер (расширений канала) на режимы перехода горения в детонацию, преддетонационное расстояние в широких каналах и осуществимость ПГД в узких каналах.
Во второй главе представлены результаты экспериментов по управлению ПГД за счет воздействий на область поджига. Исследовалось влияние акустического поля и возможность струйного безыскрового воспламенения смеси за счет эффекта самовоспламенения водорода.
Раздел 2.1 посвящен исследованию влияния акустического поля на очаг воспламенения в пропано-бутано-воздушной смеси, в отличие от большинства экспериментальных исследований влияния звука на ПГД, в которых изучался вопрос воздействия акустики на распространение развитого пламени [4].
Эксперименты показали, что при относительно высокой энергии инициирования (0,46Дж), акустическое поле практически не влияет на динамику пламени. Однако, в случае малой энергии инициирования (0,06Дж), влияние акустического воздействия на скорость пламени становится существенным. В присутствии ультразвука средняя скорость пламени снижается на 30% на начальной стадии. Далее это падение скорости сохраняется на протяжение всего процесса.
При уменьшении энергии, вложенной в искру, и, как следствие, снижении начальной температуры в области воспламенения, увеличивается время индукции и доля энергии, отводящейся из области разогретого искрой газа за счет теплопроводности по сравнению со всей энергией вложенной в искру при той же мощности ультразвука. Таким образом эффект влияния акустического воздействия на область воспламенения газа при небольших энергиях инициирования, которые наиболее востребованы в технических приложениях, оказывается отрицательным.
Раздел 2.2 посвящен исследованиям возможности применения струйного воспламенения (которое эффективнее точечного искрового [5]) в канале с использованием эффекта самовоспламенения водорода для безыскрового поджига основного объема горючей смеси. Эксперименты по самовоспламенению водорода проводились в канале диаметром 5 мм и длиной до 185 мм, Для осуществления внезапного истечения водорода в канал, использовался разрыв диафрагмы. Из-за высокого давления и температуры за ударной волной происходит воспламенение в зоне перемешивания на контактной поверхности с последующим абсолютным ускорением фронта пламени.
Определен диапазон начальных давлений водорода, при которых возможно самовоспламенение, и получена зависимость расстояния возникновения пламени на контактной поверхности от давления на фронте ударной волны в канале. Ударная волна, формируемая при истечении импульсной струи водорода из сосуда под давлением выше 40 атм., вызывает его самовоспламенение, на расстоянии до 27 калибров. При увеличении начального давления в сосуде вдвое расстояние самовоспламенения сокращается втрое.
Применение струйного воспламенения с использованием эффекта самовспламения водорода при истечении в канал для возбуждения детонации на расстояниях до 10 калибров затруднено необходимостью наличия водорода под высоким давлением (~100 атм.).
В третьей главе представлены результаты экспериментов с водородно-кислородной и водородно-воздушной горючими смесями в канале субкритического диаметра. В разделе 3.1 описывается экспериментальный стенд, состоящий из пульта управления, системы газового снабжения, блока поджига, системы регистрации сигналов датчиков и рабочей части. Данные собирались с четырех фотодатчиков, расположенных вдоль детонационного канала на равных расстояниях, и датчика давления, находящегося в торце канала. Рабочая часть стенда состояла из гладкого детонационного канала диаметром 3 мм и длиной 450 мм а также форкамеры (см. рис. 1) с изменяемой длиной и диаметром 16 мм, в которой производился поджиг. Все эксперименты проводились с четырьмя длинами форкамеры: 49, 38, 30 и мм. Точность измерения скорости определялась точностью измерения временных интервалов и длин секций и составляла 2%.
Рисунок 1. Схема форкамеры и детонационного канала. S - свеча; FC - форкамера, Dfc - диаметр форкамеры 16 мм; ФД1, ФД2, ФД3, ФД4 - фотодатчики; ДД - датчик давления; 1,2 и 3 - магистрали; К1-К3 - краны.
В разделе 3.2 приводятся экспериментальные данные исследований влияния длины форкамеры на преддетонационное расстояние в канале, полученные для обеих смесей при атмосферном давлении. Так как размер детонационной ячейки для стехиометрической смеси H2+О2 при начальном давлении 1 атм составляет 1 мм (d/>1) то возникающая детонация в канале должна выходить на стационарное значение, что подтвердилось экспериментами. При этом преддетонационное расстояние в водороднокислородной смеси во всех исследованых диапазонах длин форкамер оказывается меньше положения первого фотодатчика, что не позволило выявить его зависимость от длины форкамеры.
В случае водородно-воздушной смеси, у которой детонационная ячейка составляет = 10 мм при начальном давлении 1 атм, диаметр канала оказывается меньше критического. Это означает, что детонация в случае ее возникновения должна затухать, или распространяться в одном из нестационарных режимов - галопирующем или низкоскоростном.
При длине форкамеры равной 49 мм преддетонационное расстояние оказалось меньше 154 мм (начала первого измерительного сечения), детонация возникала перед первым датчиком. Уменьшение длины форкамеры до 38 мм приводит к появлению детонации уже за первым измерительным сечением. Скорость фронта пламени на первом участке узкого канала упала, а на втором возросла по сравнению с предыдущим случаем. Это говорит о том, что фронт пламени только часть первого участка распространялся с детонационной скоростью. Дальнейшее уменьшение длины форкамеры до 30 мм еще больше увеличивало преддетонационное расстояние. Значения скоростей указывают на то, что возникновение детонации происходило перед третьим измерительным сечением.
При уменьшении длины форкамеры до 12 мм, детонация стала возникать за третьим измерительным сечением. Преддетонационное расстояние в этом случае превышало 300 мм. Данные по скоростям на последнем измерительном отрезке не позволяют с уверенностью говорить о дальнейшем режиме фронта пламени, можно сказать только что выхода на стационарный режим не происходит.
В разделе 3.3 приводятся экспериментальные данные аналогичных экспериментов при начальном давлении 2 атм. Для стехиометрической водородно-кислородной смеси эксперименты проводились только при одной длине форкамеры равной 49 мм. Это объясняется тем, что при увеличении начального давления можно ожидать только сокращения преддетонационного расстояния, которое оказывалось меньше измерительного диапазона установки уже при атмосферном давлении. При использовании водородно-воздушной смеси, повышение начального давления приводило к сокращению преддетонационного расстояния. При длине форкамеры равной 49 и 38 мм детонационная волна возникала перед первым сечением. Дальнейшее уменьшение длины форкамеры до 30 мм вызывало появление детонации уже после первого датчика, а до 22 - после второго.
Таким образом, применение форкамеры позволяло осуществить ПГД в водородно-воздушной смеси при атмосферном давлении в субкритическом канале диаметром 3 мм. Преддетонационное расстояние составляло менее 150 мм (50 калибров).
Раздел 3.4 посвящен экспериментам по изучению профиля давления детонационной волны в обеих смесях. Эти эксперименты проводились с форкамерой длиной 49 мм и максимальной длиной канала, равной 450 мм.
При отражении детонационной волны, возникающей в водороднокислородной смеси при начальном давлении 1 атм, зафиксировано давление равное 50 атм в течение 6 мкс. При повышении начального давления смеси до 2 атм давление на торцевой стенке составляло 76 атм и держалось 18 мкс.
Затем давление в продуктах детонации уменьшалось. При начальном давлении смеси равном 1 атм падение давления более резкое, чем при 2 атм.
Детонационное давление в водородно-воздушной смеси при отражении держалось на уровне 31 атм в течение 22 мкс, при начальном давлении смеси 1 атм и 50 атм в течении 22 мкс, при 2 атм.
Полученные уровни давления за отраженной волной хорошо совпадают с расчетными давлениями, основанными на известных параметрах для условия Чемпена - Жуге.
В разделе 3.5 приводятся данные экспериментов с водородновоздушной смесью в удлиненном канале с увеличеной разрешающей способностью измерения скорости пламени, позволяющую производить более детальное изучение процесса ПГД.
Еще одним усовершенствованием установки была секция длиной мм с установленными в одном сечении фотодатчиком и датчиком давления PCB. Такое расположение датчиков позволяло сделать вывод о наличии детонационной волны в сечении при одновременном сигнале с обоих датчиков.
Из рисунка 2 видно, что увеличение длины форкамеры приводило к росту начальной скорости в канале и сокращению преддетонационного расстояния. Кроме того, с увеличением объема форкамеры возрастало время существования пересжатой детонации. Скорость стационарной детонации Чепмена-Жуге для водородно-воздушной смеси в широких каналах равна 1920 м/с, а зарегистрированные скорости пламени на расстоянии 570 мм от входа в канал составляли 2100 м/с для 47 мм форкамеры и 1850 м/с для форкамер длиной 38, 30 и 22 мм.
Рисунок 2. Эволюция скорости фронта пламени в водородно-воздушной смеси в канале для различных длин форкамеры при начальном давлении 1 атм. Пунктирной линией обозначена скорость Ч-Ж в широких каналах (1920 м/с) Так как в момент перехода пламени в канал газ в форкамере сгорает еще не полностью [3], то увеличение времени существования пересжатой детонации можно связать со временем сгорания газа в форкамере, которое тем больше, чем больше ее объем. На начальной стадии горения газа в форкамере, из-за генерации фронтом пламени слабых волн сжатия, возникает поток газа в канал, вследствие чего фронт пламени перестает быть сферическим и искривляется, вытягиваясь в сторону входного отверстия в канал. Сгорающий в форкамере газ продолжает подпитывать фронт пламени в канале тем дольше, чем больше длина форкамеры, что, в свою очередь, означает, что режим распространения пламени в канале должен зависеть от количества энергии, выделенного в форкамере при сгорании горючей смеси.
В разделе 3.6 приводятся результаты экспериментов по определению зависимости преддетонационного расстояния от начального давления водородно-воздушной смеси. Особенности конструкции форкамеры не позволяли сократить длину камеры менее 22 мм, поэтому эксперименты с меньшими энергиями сгорания смеси в форкамере проводились при пониженном давлении. На рисунке 3 представлена эволюция скорости фронта пламени при ПГД в водородно-воздушной горючей смеси при начальном давлении 1, 0,72 и 0,6 атм.
Рисунок 3. Эволюция скорости фронта пламени в водородно-воздушной смеси в канале при различных начальных давлениях смеси при длине форкамеры 22 мм.
Из рисунка 3 видно, что ускорение фронта пламени происходило не плавно, а скачками, при начальных давлениях 0,72 и 0,6 атм наблюдается скачка скорости. Данные, полученные с помощью секции с датчиками давления и света показали, что несмотря на высокую скорость фронта пламени в районе второго пика (на расстоянии около 250 мм от входа в канал) детонационная волна в смесях с начальным давлением 0,72 и 0,6 атм на этой длине еще не сформировалась, в то время как в смеси с начальным давлением 1 атм сформировавшаяся волна пересжатой детонации была зарегистрирована на расстоянии 240 мм от входа в канал.
В случае начальных давлений 0,72 и 0,6 атм переход в детонацию происходил на третьем скачке скорости фронта пламени, и наличие детонационной волны было зафиксировано на расстоянии 3мм от начала детонационного канала.
Из полученных Рисунок 4. Зависимость длины ПГД от экспериментальных данных дополнительной энергии, выделенной в следует (см. рис. 4), что в форкамере.
диапазоне дополнительной энергии, выделяющейся в форкамере, от 10 до 28 Дж зависимость преддетонационного расстояния имела линейный характер. Дальнейшее увеличение дополнительной энергии практически не оказывало влияния на преддетонационное расстояние.
Такой вывод косвенно подтверждает расчет, приводящийся в пункте 3.7. Расчет был проведен для водородно-кислородной смеси в аналогичных экспериментальным условиям.
В четвертой главе представлены результаты экспериментов с метанокислородной смесью.В разделе 4.1 приводятся экспериментальные данные исследования влияния состава метано-кислородной смеси в диапазоне стехиометрических коэффициентов (ER) от 1 до 0,33 на процесс ПГД.
Для значений стехиометрического коэффициента больше 0,детонационная волна возникала до середины первого измерительного участка (97 мм), поэтому получение зависимости преддетонационного расстояния от состава смеси не представлялось возможным. В конце канала скорость детонационной волны принимала (в пределах ошибки) стационарное значение Чепмена-Жуге с учетом теплопотерь. При ER = 0,после возникновения детонации наблюдалось монотонное уменьшение скорости фронта горения, что указывало на развал детонационной волны.
Аппроксимация экспериментальных данных о ширине детонационной ячейки, полученных в работе [6] дает значение критического диаметра канала порядка 3.5 - 5 мм. Таким образом, использовавшийся канал диаметром 3 мм являлся субкритическим для этой смеси, и возникающая в результате ПГД детонация не может распространяться стационарно в таком канале. Скорость Чепмена-Жуге в широком канале для метано-кислородной смеси с ER=0,составляет 188120 м/с.
В разделе 4.2 описана экспериментальная установка (см. рис. 5) с модернизированной форкамерой, на которой проводились все дальнейшие исследования. Во всех экспериментах использовалась метано-кислородная смесь с ER=0,33.
Рисунок 5. Схема экспериментальной установки с форкамерой с изменяемой конфигурацией. FC - форкамера; S - свеча, закрепленная в подвижном блоке; PT - датчик давления; 1 - магистраль, ведущая к манометру; 2 - магистраль откачки; 3 - магистраль подачи газа; К1-К3 - краны.
Конструкция форкамеры позволяла изменять длину форкамеры от 3 мм до 34 мм и ее внутренний диаметр от 10 мм до 26 мм. Эксперименты проводились при четырех диаметрах и пяти длинах форкамеры, которые были подобраны так, чтобы образовывались группы с близкими объемами.
Точные конфигурации форкамеры, которые использовались в экспериментах, приведены в таблице 1.
Таблица 1. Конфигурации форкамеры, использовавшиеся в экспериментах.
V = V = V = V = V = 1,050,05 мл 2,590,07 мл 4,140,08 мл 6,710,15 мл 10,650,04 мл (5,9 Дж) (14,5 Дж) (23,1 Дж) (37,5 Дж) (59,5 Дж) d = 26 мм 5 (0.19) 8 (0.31) 20 (0.77) d = 20 мм 8 (0.4) 13 (0.65) 21 (1.05) 34 (1.7) d = 16 мм 5 (0.31) 13 (0.81) 21 (1.31) 34 (2.13) d = 10 мм 34 (3.4) В ячейках таблицы стоит длина форкамеры в мм, в скобках длина форкамеры в калибрах.
Смесь поджигалась свечой у дальнего от детонационного канала торца форкамеры с помощью блока инициирования. Энергия разряда не превышала 0,1 Дж.
В разделе 4.3 представлены результаты экспериментов, направленных на изучение влияния энергии, выделяющейся в форкамере, на режим ПГД.
Экспериментальные данные сгруппированы по диаметру (16, 20 и 26 мм) и длине форкамеры (5, 8, 12, 21 и 34 мм).
На большей части экспериментальных кривых наблюдается немонотонное ускорение фронта пламени вдоль канала: при меньших объемах форкамеры (и, соответственно, меньших энергиях, выделяющихся в форкамере при сгорании газа), точке возникновения детонации предшествует локальный максимум скорости, расположенный в зависимости от объема форкамеры на 65-83 калибрах канала. В этом режиме ПГД возникает на втором этапе ускорения фронта пламени при превышении им скорости 1.км/с, а преддетонационное расстояние зависит от объема и геометрических параметров форкамеры.
При достаточно больших объемах форкамеры увеличение скорости горения происходило монотонно, и детонация возникает на длине порядка 50-65 калибров канала. За скачком скорости, превышающем по величине скорость Чепмена-Жуге и означающим возникновение детонации, во всех случаях наблюдалось замедление фронта пламени. Такое поведение характерно для распространения детонации в субкритическом канале и означает дальнейшее затухание и распад детонационной волны или ее распространение в галопирующем режиме.
Для форкамеры диаметром 16 мм (рис. 6а) локальный максимум скорости фронта пламени предшествующий ПГД наблюдался при энергии газа в форкамере не превышающей значения порядка 30 Дж. При большей энергии ускорение пламени происходило монотонно с переходом в детонацию на расстоянии равном примерно 65 калибрам канала. В экспериментах с форкамерой диаметром 20 мм (см. рис. 6б) наблюдались аналогичные зависимости режимов ПГД от энергии сгорающего в форкамере газа, однако режим ПГД с монотонным ускорением пламени наблюдался при энергии газа в форкамере превышающей 48 Дж. Преддетонационное расстояние в этом случае составляло порядка 54 калибров канала.
a) б) Рисунок 6. Эволюция скорости распространения фронта пламени в узком канале с форкамерой различной длины и диаметром 16 и 20 мм. Пунктирной линией обозначена скорость Ч-Ж в широких каналах (1880 м/с) В случае форкамеры диаметром 26 мм локальный максимум скорости фронта пламени наблюдался для энергий сгорания газа в форкамере меньших 60 Дж. Перехода горения в детонацию с монотонным ускорением фронта пламени не наблюдалось.
Представленные результаты показывают, что энергия сгорающего в форкамере газа не может являться универсальным критерием эффективности форкамеры, так как, например, при использовании форкамер длиной 34 мм и диаметром 16 и 22 мм наблюдалось непрерывное ускорение фронта пламени, в то время как при больших энергиях, выделяющихся в форкамере диаметром 26 мм, ускорение фронта происходит в два этапа. Следовательно, при создании критерия необходимо учитывать другие факторы, например длительность сгорания газа в форкамере.
а) б) Рисунок 7. Эволюция скорости распространения фронта пламени в узком канале с форкамерами различной геометрии с постоянной энергией сгорания газа в форкамере 14,5 Дж (объем 2,6 мл). и 23,1 Дж (объем 4,18 мл). Пунктирной линией обозначена скорость Ч-Ж в широких каналах (1880 м/с) В разделе 4.4 исследуется влияние длительности сгорания газа в форкамере на режим ПГД. Эксперименты проводились для форкамер объемом 2,6 (14,5 Дж), 4,18 (23,1 Дж), 6,7 (37,5 Дж) и 10,65 мл (59,5 Дж).
Длительность сгорания газа в форкамере определяется наибольшим геометрическим размером - длиной или радиусом (так как поджиг смеси производится на оси симметрии форкамеры). В том случае, когда длительность сгорания постоянна влияние энергии на скорость пламени в начале канала не наблюдалось. Как только длительность сгорания начинает возрастать, начальная скорость пламени в канале увеличивается, а преддетонационное расстояние сокращается.
При Е = 14,5 Дж (рис. 7а) преддетонационное расстояние незначительно сокращается при увеличении длительности сгорания смеси в форкамере. При этом наблюдается локальный максимум на графике скорости фронта пламени.
При Е = 23,1 Дж (рис. 7б) наблюдалось более сильное воздействие длительности сгорания на преддетонационное расстояние. Увеличение длительности сгорания смеси в форкамере менее чем в два раза (с 26х8 и 20х13 мм до 16х21 мм) приводило к сокращению преддетонационного расстояния со 150 до 100 калибров канала, в то время как при энергии 14,Дж увеличение длительности сгорания более чем в три раза (с 26х5, 20х8 и 16х13 мм до 10х34) практически не уменьшало его.
Таким образом, в зависимости от энергии, выделяющейся в форкамере, интенсивность влияния длительности сгорания горючей смеси на преддетонационное расстояние оказывается различной. Следовательно, по отдельности в качестве критерия эффективности форкамеры не подходит ни энергия газа, сгорающего в форкамере, ни время, в течение которого происходит сгорание газа в форкамере.
Раздел 4.5 посвящен анализу полученных данных, на основании которых предлагается критерий эффективности форкамеры.
Известно [7], что на процесс перехода горения в детонацию оказывает влияние путь, пройденный пламенем в относительных единицах (калибрах).
Чем меньше отношение диаметра канала к размеру детонационной ячейки , тем сильнее увеличивается преддетонационное расстояние в канале, и при достаточно малом диаметре канала возникает режим, в котором инициированное горение не переходит в детонацию, несмотря на то, что диаметр канала может быть больше критического (для распространения детонации Чепмена-Жуге) [1].
На основе теории размерности предложен критерий эффективности форкамеры, определяющий, насколько быстро горение в узком канале перейдет в детонацию. Данный безразмерный критерий ГИБ учитывает следующие факторы, влияющие на преддетонационное расстояние:
ГИБ = Ехим/Екр * tгор/tинд * L/D, где Ехим - Энергия горючей смеси запасенная в форкамере [Дж], Екр - энергия, необходимая для возникновения трехмерной детонации в месте поджига [Дж], tгор - длительность полного сгорания горючей смеси в форкамере [сек], tинд - время индукции горючей смеси [сек], L - длина форкамеры [м], D - диаметр форкамеры [м].
Параметр учитывает: энерговыделение в форкамере (Ехим) в зависимости от детонационный способности смеси (Екр); длительность поджатия продуктов сгорания в канале (tгор); относительное расстояние пройденное фронтом пламени в форкамере (L/D) и химическую активность горючей смеси (tинд).
Рисунок 8. Эволюция скорости распространения фронта пламени в узком канале с форкамерами с различным критерием эффективности (ГИБ). Пунктирной линией обозначена скорость Ч-Ж в широких каналах (1880 м/с) Рисунок 8 иллюстрирует влияние критерия ГИБа на эффективность форкамеры. С ростом критерия ГИБа скорость фронта пламени на начальном отрезке узкого канала возрастала. Для форкамер с наибольшим критерием ГИБа ПГД наблюдалось монотонное ускорение пламени, а преддетонационное расстояние для них оказывалось наименьшим и находилось в диапазоне 50-65 калибров канала.
При значении критерия ГИБа меньше 150 наблюдалось немонотонное ускорение фронта пламени и появление локального максимума скорости.
При этом с уменьшением значения критерия, тем больше преддетонационне расстояние. Форкамера диаметром 10 мм и длиной 34 мм обладает наименьшим критерием ГИБа, поэтому преддетонационное расстояние в этом случае оказывается наибольшим и достигает 140 калибров канала.
Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию возможности достижения необходимых скоростей лекарственного препарата для осуществления безыгольной инъекции с помощью устройства использующего газовую детонацию.
В разделе 5.1 приведены результаты оценки скорости лекарственного препарата, ускоряемого деформируемой под действием детонационной волны диафрагмы. Используя эмпирические данные величины давления в профиле детонационной волны в водородно-кислородной смеси (представленные в главе 2) были получены значения скоростей от 75 до 1м/с в зависимости от материала диафрагмы. Такие значения скоростей являются достаточными для совершения безыгольных инъекций.
В разделе 5.2 приводятся результаты экспериментального исследования динамики капли модельного лекарственного препарата, отрывающейся от свободной поверхности деформирующейся под действием детонационной волны диафрагмы. Эксперименты проводились с диафрагмами, изготовленными из стали толщиной 0.1 и 0.08 мм и меди толщиной 0.14 и 0.08 мм. Использовалась экспериментальная установка, описанная в главе 2, с форкамерой диаметром 16 мм и длиной 22 мм и установленным в торце детонационного канала диафрагменным блоком со свободной сменной диафрагмой. Рабочей смесью являлась водороднокислородная смесь в стехиометрической пропорции. Измерения скорости капли проводились электронно-оптической камерой К011 с многокадровой разверткой.
Таблица 2. Максимальные скорости струи, соответствующие им расстояния и времена для разных диафрагм.
Максимальная Максимальная Материал и толщина Время, достижения расчетная скорость эксп. скорость диафрагмы макс. скорости, мкс диафрагмы, м/с струи, м/с Сталь, 0.10 мм 115,5 67,5 Сталь, 0.08 мм 144 72,5 1Медь, 0.14 мм 72 28 1Медь, 0.08 мм 126 65 2Из представленных в таблице 2 результатов видно, что чем тоньше диафрагма, тем ее максимальная скорость, время достижения этой скорости и расстояние от диафрагмы в этот момент больше. Материал диафрагмы также влияет на эти параметры. При одной и той же толщине, стальная диафрагма оказалась более эффективной. Максимальная скорость составила 72.5 м/с для стальной диафрагмы, в то время как для медной только 65 м/с, при этом время достижения максимальной скорости почти в 2 раза меньше для стальной диафрагмы.
Наблюдаемое различие динамики полета струи, объясняется жесткостью материала диафрагмы. При одних и тех же размерах процесс необратимой деформации для медной диафрагмы начинается при меньших нагрузках, чем для стальной диафрагмы. При этом энергия деформации, обратно пропорциональная жесткости, для медной диафрагмы больше, чем для стальной, следовательно, при использовании меди в качестве материала для диафрагм меньшее количество энергии переходит в кинетическую энергию капель.
В разделе 5.3 описано экспериментальное исследование глубины проникновения струи модельного лекарственного препарата в 1% агарозный гель, моделирующий кожный покров человека. Струя формировалась с помощью модифицированного диафрагменного блока, в котором жидкость под действием деформирующейся диафрагмы выбрасывалась через тонкое отверстие диаметром 0,1 мм, на расстоянии нескольких миллиметров от которого находился образец агарозного геля.
В экспериментах измерялась глубина проникновения струи в агарозный гель в зависимости от начального давления стехиометрической водородно-кислородной смеси, длины детонационного канала, а также материала и толщины используемой диафрагмы. Измеренная в экспериментах глубина проникновения составляла до 15 мм, что подтверждает возможность осуществления безыгольной инъекции за счет энергии газовой детонации в тонком канале.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Экспериментально определено влияние акустического воздействия на область воспламенения газа при энергиях инициирования в диапазоне 0,06 - 0,48 Дж. При энергиях инициирования меньших 0,1 Дж влияние акустического воздействия на область воспламенения имеет негативный характер.
2. Применение струйного воспламенения с использованием эффекта самовспламения водорода при истечении в канал для возбуждения детонации на расстояниях до 10 калибров затруднено необходимостью наличия водорода под высоким давлением (~100 атм.).
3. Экспериментально осуществлен переход горения в детонацию в водородно-воздушной смеси в канале диаметром меньше критического диаметра распространения стационарной детонации Чепмена-Жуге.
Определена динамика скорости фронта пламени для различных энергий, выделяющихся в форкамере вследствие сгорания горючей смеси.
Полученные уровни давления за отраженной волной хорошо совпадают с расчетными давлениями, основанными на известных параметрах для условия Чемпена - Жуге.
Обнаружено, что в зависимости от энергии, выделяющейся в форкамере, переход горения в детонацию может происходить по трем различным сценариям: немонотонное ускорение с несколькими локальными максимумомами, немонотонное ускорение с одним локальным максимумом и монотонное ускорение фронта пламени. Дальнейшее увеличение энергии перестает оказывать влияние на преддетонационное расстояние.
4. Впервые экспериментально осуществлен переход горения в детонацию в метано-кислородной смеси в узком канале для значений стехиометрического коэффициента 0,33 и выше. Определена динамика скорости фронта пламени. Показано, что преддетонационное расстояние может не превышать 30 калибров. После стадии пересжатой детонации скорость волны принимала (в пределах ошибки) стационарное значение Чепмена-Жуге.
5. Обнаружены режимы ПГД с немонотонным ускорением фронта пламени в метано-кислородной смеси с ER= 0,33 в канале диаметром меньше критического диаметра распространения стационарной детонации ЧепменаЖуге. Определены пороговые энергии режима ПГД с немонотонным ускорением пламени в метано-кислородной смеси с ER= 0,33 для форкамер различного диаметра. В зависимости от энергии, выделяющейся в форкамере, переход горения в детонацию происходил по двум различным сценариям.
При увеличении энергии в форкамере немонотонный характер ускорения фронта пламени сменялся монотонным, при котором преддетонационное расстояние переставало зависеть от энергии в форкамере.
Полученные результаты показывают, что энергия, выделяющаяся в форкамере, не может являться универсальным критерием эффективности форкамеры.
6. Обнаружено, что увеличение длительности сгорания горючей смеси в форкамере уменьшает длину перехода в детонацию в каналах субкритического диаметра, причем степень влияния зависит от энергии, выделяющейся в форкамере.
Полученные результаты показывают, что длительность сгорания газа в форкамере также не может являться универсальным критерием эффективности форкамеры.
7. Предложен универсальный критерий эффективности форкамеры в процессах перехода горения в детонацию в узких каналах, учитывающий энерговыделение в форкамере; длительность сгорания смеси и относительное расстояние пройденное фронтом пламени в форкамере.
8. Экспериментально и теоретически изучено воздействие детонационной волны, генерируемой в узком канале, на мембрану и разгоняемое ей модельное лекарственное средство. Экспериментально подтверждена возможность осуществления безыгольной инъекции с помощью устройства, использующего газовую детонацию. Измерены начальная скорость модельного лекарственного препарата и глубина проникновения лекарственного препарата в гель, моделирующий кожный покров человека.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
[1] Hsu Y.C., Chao Y.C. УAn experimental study on flame acceleration and deflagration-to-detonation transition in narrow tubesФ, Proc. of the 22nd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Minsk, Belarus, 20[2] Levin V.A., V.V. Markov, and S.F. Osinkin. 1984 Modeling the initiation of detonation in a combustible gas mixture by an electric discharge. Chemical Physics Reports 3 (4):611.
[3] Смирнов Н.Н., Газовая и волновая динамика, Айрис-пресс, Москва, 2005.
[4] Кумагаи С. Горение. М.: Наука, 1979. 254с.
[5] Knystautas R, Lee J. H., Moen J., Wagner H. G., Direct initiation of spherical detonation by a hot turbulent gas jet// Symposium on Combustion, Pittsburgh, 1978.
[6] R. Akbar, M.J. Kaneshige, E. Schultz, and J.E. Shepherd. Detonations in H_2-N_2O-CH_4-NH_3-O_2-N_2 mixtures. Technical Report FM97-3, Explosion Dynamics Laboratory, California Institute of Technology, 1997.
[7] Нетлетон М. Детонация в газах, М., Мир, 1989, 280 с.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ 1. С. В. Головастов, Д. И. Бакланов, В. В. Володин, В. В. Голуб, К. В.
Иванов, Экспериментальное исследование самовоспламенения водорода в канале // Химическая физика, 2009, том 28, №5, с. 18-25.
2. Голуб В. В., Бакланов Д. И., Головастов С. В., Иванов К. В., Иванов М. Ф., Киверин А. Д., Володин В. В., Воздействие акустического поля на развитие пламени и переход в детонацию// Теплофизика высоких температур, 2010, Т. 48, № 6, С. 1-7.
3. Бакланов Д.И., Голуб В.В., Иванов К.В., Кривокорытов М.С., Переход горения в детонацию в канале с диаметром меньше критического диаметра существования стационарной детонации/ Теплофизика высоких температур, 2011, том 49, № 6, с. 1Ц6.
4. В. В. Голуб, Т. В. Баженова, Д. И. Бакланов, К. В. Иванов, М. С.
Кривокорытов, Применение детонации водородо-воздушной смеси в устройствах для безыгольной инъекции// Теплофизика высоких температур, 2013, том 51, № 1, с. 1Ц5. В. Иванов, Д.А. Ленкевич, Разработка инновационных газодинамических методов безыгольных инъекций// Труды 52-й научной конференции МФТИ Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук:
Часть IV. Молекулярная и биологическая физика. Том 2. Ч М.: МФТИ, 2009.
Ч 194 с.
6. V. V. Golub, K. V. Ivanov, M. S. Krivokoritov, D. I. Baklanov, Investigation of an effect of detonation in the narrow channels on deformable diaphragms for a needleless development// 19th International Shock Interaction Symposium, august 31 - September 3, Moscow 2010.
7. K.V. Ivanov, D.I. Baklanov, M.S. Krivokoritov, I.N. Tarasenko, V.V.
Golub, Investigation of gas detonation in narrow channels for developing needleless injection devices// 7th International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations, October 4, 2010 - October 8, St. Petersburg, Russia 2010.
8. Патент РФ №103476 от 20.04.2011 Устройство для безыгольных инъекций.
9. V. Golub, K. V. Ivanov, M. S. Krivokoritov, D. I. Baklanov, An experimental study of deflagration to detonation transition via flame propagation from wide channel to narrow one// In progress of XXVI international conference on Interaction of intense energy fluxes with matter, Elbrus 2011, p.108.
10. V. Golub, K. V. Ivanov, M. S. Krivokoritov, D. I. Baklanov, Application of gas detonation in the narrow channels for a needleless device development// In progress of XXVI international conference on Interaction of intense energy fluxes with matter, Elbrus 2011, p. 107.
11. Бакланов Д.И., Голуб В.В., Иванов К.В., Кривокорытов М.С. Деформация диафрагмы под действием волны детонации // Материалы XVII международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным системам, Алушта, 2011. С.286-288.
12. Голуб В.В., Иванов К.В., Иванов М.Ф., Киверин А.Д., Кривокорытов М.С. Экспериментальное и численное исследование формирования детонации в каналах докритического диаметра // Материалы XVII международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным системам, Алушта, 2011, С.522-524.
13. V. Golub, K. V. Ivanov, M. S. Krivokoritov, D. I. Baklanov, Flame propagation out from wide chamber into narrow channel of subcritical diameter and transition to detonation// 28th International Symposium on Shock Waves, Manchester, UK, 2011, Paper No 2735.
14. V. Golub, K. V. Ivanov, M. S. Krivokoritov, D. I. Baklanov, Application of gas detonation for needleless injections devices development// 28th International Symposium on Shock Waves, Manchester, UK, 2011, Paper No 2784.
15. Golub V.V, Baclanov D.I., Ivanov K.V., Krivokoritov M.S, Deflagration to Detonation Transition in Narrow Channel with For-chamber// 23rd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, July 24-2011, Irvine, California, USA, Paper No 286.
16. V. Golub, K. V. Ivanov, M. S. Krivokoritov, D. I. Baklanov, Deflagration to Detonation Transition in channel with subcritical diameter// Второй минский международный коллоквиум по физике ударных волн, горения и детонации.
14-18 ноября 2011. С. 8.
Иванов Кирилл Владимирович УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕХОДОМ ГОРЕНИЯ В ДЕТОНАЦИЮ В КАНАЛАХ СУБКРИТИЧЕСКОГО ДИАМЕТРА Автореферат Подписано в печать 21.11.2012 г. Формат 60x84/Печать офсетная Уч.-изд.л. 1.25 Ус.-печ.л. 1.Тираж 100 экз. Заказ N 440 Бесплатно ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике