WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Наливайченко Денис Геннадьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТОНАЦИИ В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ РЕАГИРУЮЩЕЙ СМЕСИ

01.02.05 механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск 2007

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики

им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Звегинцев Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Крайко Александр Николаевич

кандидат физико-математических наук

Троцюк Анатолий Владиславович

Ведущая организация: Институт гидродинамики им.

М.А. Лаврентьева СО РАН,

г. Новосибирск

Защита состоится « » 2007г. в часов на заседании диссертационного совета Д003.035.02 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, Новосибирск 90, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТПМ СО РАН.

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим высылать по адресу: 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1, ИТПМ СО РАН, ученому секретарю диссертационного совета Д003.035.02.

Автореферат разослан « » 2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н. Засыпкин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Режим детонации обеспечивает максимально быстрое сгорание горючей смеси с огромной мощностью энерговыделения и потому может быть эффективно использован в силовых установках перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), где традиционные низкоскоростные способы сжигания оказываются неэффективными. Попытки реализации детонационного горения в практических схемах силовых установок указали на необходимость проведения широкого круга физических исследований и решения целого ряда научных и технических задач, таких как:

- проблема эффективного смешения топлива и окислителя с целью обеспечения гомогенности горючей смеси в зоне детонационного сжигания;

- экспериментальное исследование характеристик детонационного горения в сверхзвуковом потоке горючей смеси – предмет диссертации;

- решение проблемы инициирования горения в местах инжектирования топлива и в пограничном слое;

- получение реалистичных оценок КПД силовой установки с детонационным горением.

Обычно в экспериментальных исследованиях рассматривается случай, когда детонационная волна распространяется по неподвижной смеси. Работы, в которых детонация реализуется в высокоскоростном потоке, единичны и очень редки. Однако, в рамках решения задачи создания силовых установок с детонационным сжиганием топлива, такая постановка вызывает наибольший интерес. Каких-либо проблем при переносе результатов из неподвижной системы отсчета в движущуюся (инерциальную) в соответствии с классическим принципом относительности не должно возникать. Однако, немногочисленные исследования формирования и распространения детонации в движущейся горючей смеси свидетельствуют о заметном отличии поведения детонационной волны в потоке по сравнению с распространением её по неподвижной смеси. Одна из основных причин различия заключается в геометрическом ограничении любого реального потока и обусловленного таким ограничением развитого турбулентного пограничного слоя на границах потока. Это приводит к неоднородности параметров потока в произвольном его сечении и, в первую очередь, к неоднородности скорости. В свою очередь подобная неоднородность делает неоднозначным выбор базовой системы отсчета для движущегося потока (в ядре потока или в пограничном слое) и указывает на отсутствие полной эквивалентности детонации в неподвижных и движущихся смесях.

Недостоверность простого переноса явления из неподвижной смеси в движущуюся заставляет практически заново исследовать весь комплекс вопросов, связанных с инициированием и распространением детонации в движущихся горючих смесях.

Прогресс в развитии вычислительной техники и методов расчета стимулировал появление большого количества теоретических работ, вычислительных экспериментов. Однако, сложная газодинамическая картина течения, большое количество влияющих факторов вызывают определенные трудности при создании эффективных методов расчета процессов детонационного горения в высокоскоростных потоках. На фоне растущего числа вычислительных работ, необходимость экспериментальных результатов очевидна.

Цели работы:

- разработка и тестирование экспериментальной установки для исследования детонационного горения в сверхзвуковом потоке гомогенной реагирующей смеси;

- реализация детонационного горения в сверхзвуковом потоке водородо-воздушной смеси;

- исследование параметров и основных особенностей распространения детонации в условиях сверхзвукового потока, ограниченного стенками канала;

- накопление экспериментального материала для расширения представления об исследуемом явлении и верификации численных методов.

Научная новизна:

- впервые выполнено систематическое исследование формирования и распространения детонационного горения в сверхзвуковом потоке водородо-воздушной смеси в канале, характерные размеры которого сопоставимы с реальными размерами камеры сгорания перспективных силовых установок;

- впервые выполнены эксперименты с инициированием и распространением детонационной волны по сверхзвуковому потоку горючей смеси, в которых обнаружен эффект занижения скорости детонации в сравнении с прогнозируемой скоростью классической детонации Чепмена-Жуге.

Научная и практическая ценность. Результаты экспериментальных исследований детонации в сверхзвуковом потоке, полученные в данной работе, носят базовый, фундаментальный характер. Подтвержден известный ранее, эффект повышения скорости при распространении детонации навстречу сверхзвуковому потоку горючей смеси. В тоже время впервые, выполнены исследования распространения детонации по сверхзвуковому потоку горючей смеси и обнаружен эффект уменьшения скорости детонации. Полученные результаты необходимы для понимания физики происходящих процессов и верификации результатов численных экспериментов.

Рассматривая практическую ценность результатов работы, следует отметить, что исследования проводились в экспериментальной установке, характерные размеры которой сопоставимы с размерами реальных силовых установок, в сверхзвуковом потоке водородо-воздушной смеси, как наиболее вероятном случае для прямоточных схем силовых установок, поэтому их можно перенести на натуру.

В ходе работы над диссертацией создана установка для исследования сверхзвукового горения и процессов распространения детонации в сверхзвуковом потоке гомогенной реагирующей смеси. Установка обеспечивает проведение экспериментов в широком диапазоне параметров рабочих режимов. В настоящее время установка, благодаря удобству работы и многофункциональности, используется для решения различных научных задач.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается подробным анализом точности измерений, многократной повторяемостью результатов. Для повышения точности и достоверности измерений были применены современные методы и устройства сбора, накопления и обработки экспериментальных данных, многократные калибровки датчиков и измерительной аппаратуры.

На защиту выносятся:

результаты экспериментальных исследований газодинамической структуры и химической однородности потока реализуемого в тестовом канале экспериментальной установки;

  • результаты экспериментальных исследований формирования и распространения детонационного горения в сверхзвуковом потоке однородной горючей смеси при различных способах инициирования (по потоку и против потока).

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на международном семинаре "Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах" (Санкт-Петербург, 2000г.), международной конференции "Третьи Окуневские чтения" (Санкт-Петербург, 2002г.), на IV Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2002)/XIX Международный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, 2002г.), на международном коллоквиуме по применению детонации в силовых установках (Санкт-Петербург, 2004г.), на международном коллоквиуме по динамике взрыва и реактивным системам (ICDERS) (Монреаль, США, 2005г.), на пятом международном семинаре по структуре пламени (Новосибирск, 2005г.), на семинарах ИТПМ СО РАН (2003г.- 2007г.).

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены лично автором, либо при его непосредственном участии в качестве ведущего исполнителя на всех этапах исследований, а именно при постановке конкретных задач, разработке основных систем установки, проведении всех экспериментов, в обработке, анализе и обобщении полученных данных, подготовке печатных работ по результатам исследований. Совместные результаты представлены с согласия соавторов.

Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 8 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 49 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 104 страницы, включая 67 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложена актуальность работы, её практическая ценность, сформулированы основные положения, которые выносятся на защиту. Кратко представлено содержание работы по главам.

В первой главе проведен обзор литературы по экспериментальному исследованию детонационного горения в движущемся газе и перспективах практического применения такого вида сжигания топлива в силовых установках летательных аппаратов. Обозначены основные научные и технические проблемы, требующие ответа и детального рассмотрения. На основе обзора сформулированы основные цели диссертационной работы.

Вторая глава посвящена технике эксперимента. Здесь приведено описание экспериментальной установки и ей основных систем, применяемых методов исследования и измерительной техники. Представлены методики и результаты исследований газодинамической структуры и химической однородности реализуемого в экспериментальной установке течения. Приводятся результаты предварительных испытаний с горением направленных на выяснение влияния энергии инициирования на характер и параметры распространения детонации.

Экспериментальная установка (Рис.1) для исследования детонационного горения в сверхзвуковом потоке гомогенной горючей смеси выполнена на основе импульсной аэродинамической трубы «Транзит-М»[4].

Рис. 1 Схема установки.

Установка состоит из следующих основных элементов:

Источник рабочего газа (воздуха) – форкамерный блок импульсной аэродинамической трубы «Транзит-М» обеспечивает высокие параметры рабочего потока (давление торможения до 200 атм., температура торможения до 650 К, время режима до 2 с.).

Система подачи топлива включает в себя емкость для водорода (объем 2 дм3, давление до 200 атм.), быстродействующие электроклапаны и камеру смешения (объем 2 дм3), где через пилоны осуществляется впрыск водорода (до 200 г/с) в поток рабочего газа. Камера смешения располагается сразу за источником рабочего газа перед сверхзвуковым соплом, что позволяет осуществлять впрыск горючего в зоне малых дозвуковых скоростей.

Осесимметричное профилированное сверхзвуковое сопло (d=100мм) обеспечивает равномерный поток с числом Маха М=4.

Тестовый канал выполнен по схеме присоединенного трубопровода и представляет собой канал круглого сечения диаметром 100мм и длиной 2.2 м, состоящий из четырех взаимозаменяемых измерительных секций. Каждая секция оборудована девятью портами для установки измерительных элементов и оптических окон. В одной из четырех секций возможна установка гребенки полного давления.

Система воспламенения включает в себя четыре детонационных трубки расположенных диаметрально друг другу и направленных под углом 45 градусов к оси потока. В эксперименте трубки заполнялись стехиометрической смесью ацетилен + кислород которая легко воспламеняется, детонирует и дает высокую температуру горения (до 3500 К).

Вакуумная емкость обеспечивает безопасность в экспериментах с горением, а также существенно увеличивает время существования режима работы установки.

Установка оборудована системой синхронизации эксперимента, задача которой – своевременный запуск всех систем (измерительной системы, системы подачи топлива, системы инициирования).

Все системы установки оборудованы измерительными элементами с целью регистрации текущих параметров на всем протяжении режима работы.

Созданная установка, со всеми составляющими её элементами, представляет новый экспериментальный комплекс. Использование его для исследования задач детонации и сверхзвукового горения было возможно только после проведения тщательных исследований реализуемых в установке условий.

Первая обширная серия экспериментов была направлена на получение информации о структуре течения и газодинамических параметрах потока в проточном тракте установки, которые имеют первостепенное значение при постановке экспериментов и расшифровке результатов. С помощью гребенки датчиков полного давления получены поля распределения давлений в четырех сечениях по длине тестового канала. Распределение статического давления по длине получено с помощью датчиков статического давления, расположенных на стенке канала. Используя полученные данные, построены профили скорости потока в различных сечениях проточного тракта установки (Рис.2) и распределение среднего числа Маха по длине канала (Рис.3).

Рис. 2. Профили скорости. Рис. 3. Распределение числа Маха.

Эксперименты с впрыском водорода в камере смешения, и увеличением температуры торможения потока до 550 К указывают на несущественное влияние этих факторов на газодинамическую структуру потока.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»