WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

С целю выяснения эффективности работы камеры смешения и соответствия реализуемого течения постановке задачи (гомогенность потока горючей смеси) были выполнены исследования химической однородности потока. Отбор газа из потока осуществлялся при помощи гребёнки специальных пробоотборников. Для обеспечения безопасности экспериментов вместо водорода в камере смешения впрыскивался гелий. Захваченные из потока пробы газа исследовались на объемное содержание кислорода с помощью датчика концентрации. По показаниям датчика вычислялась объемная концентрация гелия в каждой пробе газа. Так как отбор газа производился из холодного потока, то никаких дополнительных условий и требований к системе анализа не предъявлялось. Предполагалось, что химический состав пробы газа во времени не претерпевает каких-либо изменений.

По результатам измерений построены профили концентрации гелия в поперечных сечениях канала (Рис.4)

Отбор газа осуществлялся только в двух сечениях проточного тракта установки Х=150 мм и Х=600 мм. Результаты газоанализа, полученные во втором сечении показали, что профиль близок к равномерному (неравномерность < 5 %) и позволили не проводить исследования концентрации в следующих по потоку сечениях (Х > 600 мм), где, очевидно, смесь можно уже считать гомогенной.

С целью тестирования и наладки системы воспламенения выполнена серия экспериментов по инициированию детонации в потоке горючей смеси и исследовано влияние энергии инициирования на характер и параметры распространения детонационной волны. Для выяснения необходимой и достаточной энергии инициирования детонации проведены эксперименты при одинаковых физико-химических условиях течения в тестовом канале и с различными давлениями (0,5 атм.(Е=4.3 кДж), 1 атм.( Е=8.6 кДж), 2 атм.( Е=17.2 кДж)) стехиометрической смеси ацетилен + кислород в поджигающей трубке. Воспламенение осуществлялось при помощи одной детонационной трубки. На рис. 5 представлены графики скорости фронта детонации по длине тестового канала для трех различных случаев подвода энергии инициирования навстречу сверхзвуковому потоку с одинаковыми физико-химическими параметрами. Видно, что величина энергии инициирования детонации в основном потоке горючей смеси влияет только на продолжительность участка формирования детонационного фронта и, соответственно, на время выхода на стационарный режим. При удалении от стехиометрического соотношения горючее-окислитель в сторону концентрационных пределов это влияние существенно возрастает. При малых энергоподводах отмечаются режимы с неустойчивой детонацией и продолжительным участком формирования детонационного фронта. Опыты показали, что для инициирования детонации в потоке достаточно мощности одной детонационной трубки.

Рис. 5. Рис. 6.

Результаты экспериментов с инициированием детонации по сверхзвуковому потоку качественно подтверждают установленные зависимости для инициирования против потока. Однако отмечена необходимость повышения энергии инициирования для получения уверенного режима детонационного горения в основном канале с непродолжительным участком формирования детонационного горения (Рис. 6).

Основные результаты главы 2:

- разработана установка для исследования горения и детонации в сверхзвуковом потоке гомогенной реагирующей смеси. Исследованы работоспособность и диапазоны рабочих параметров всех систем установки;

- выполнены экспериментальные исследования газодинамической структуры и химической однородности реализуемого в установке течения горючей смеси. Получена картина распределения полей основных газодинамических параметров потока в проточном тракте установки. Результаты газового анализа позволяют сделать вывод о достаточной эффективности используемой системы смешения и химической однородности создаваемого сверхзвукового потока, пригодного для проведения исследований гомогенного горения;

- определено влияние энергии инициирования на характер формирования детонационной волны. Выявлено, что величина энергии инициирования детонации в основном потоке горючей смеси влияет на продолжительность участка формирования детонационного фронта и, соответственно, на время выхода на стационарный режим. При удалении от стехиометрического соотношения горючее-окислитель в сторону концентрационных пределов это влияние существенно возрастает.

Третья глава посвящена результатам экспериментального исследования детонации в сверхзвуковом потоке гомогенной реагирующей смеси.

В ходе тестовых и предварительных экспериментов показана возможность реализации на установке режимов устойчивого самоподдерживающегося детонационного горения в сверхзвуковом потоке водородо-воздушной смеси в широком диапазоне концентраций горючей смеси (=0.52.5) с распространением волны, как против потока, так и по потоку. Типичные экспериментальные осциллограммы двух произвольных пъезодатчиков давления, установленных вдоль тестовой секции, представлены на рис. 7

Рис.7.

Все эксперименты проводились при одинаковых физических условиях. Параметры сверхзвуковой водородо-воздушной смеси на входе в тестовую секцию: число Маха М=3.95, статическая температура смеси Т=800 К.

Основные результаты были получены в трех сериях экспериментов:

  1. с инициированием смеси на выходе тестовой секции и распространением детонационной волны навстречу сверхзвуковому потоку водородо-воздушной смеси;

Из литературы известны экспериментальные работы с инициированием и распространением детонации навстречу сверхзвуковому потоку горючей смеси ограниченному стенками канала, однако, практически все они проводились со смесями водорода с кислородом на установках небольших размеров. В данной работе исследования проводятся в горючей смеси водород+воздух на установке, характерные размеры которой сопоставимы с размерами реальных силовых установок.

Схема эксперимента первой серии представлена на рис. 8.

Рис. 8. Рис. 9.

В эксперименте смесь водород+воздух, подготовленная в камере смешения, поступает через сверхзвуковое сопло в тестовый канал. На выходе из канала смесь воспламеняется с помощью детонационной трубки. Горение в основном потоке быстро переходит в детонацию, которая распространяется вверх по сверхзвуковому потоку в сторону сопла.

По показаниям пьезодатчиков, расположенных на стенке вдоль тестового канала, фиксируются моменты прохождения фронта детонации и выстраиваются (x-t) - диаграммы распространения детонационной волны (Рис. 9). Используя эти данные, определяется скорость движения детонационной волны относительно стенок тестового канала (W) для каждого отдельного случая.

Полученная ранее информация о параметрах основного потока по сечению и по длине канала позволяет пересчитать эту скорость в системе координат, связанной с движущимся газом и определить скорость распространения детонационной волны относительно смеси (D0).

Рис. 10.

На результирующем графике (Рис.10)представлены две кривые:

- полученная из эксперимента скорость распространения детонационной волны по отношению к набегающему газу (D0) в зависимости от коэффициента избытка воздуха (концентрации горючей смеси);

- расчетная зависимость скорости стационарной детонационной волны (Чепмена-Жуге) в неподвижной горючей смеси от концентрации (расчет выполнен А.А. Васильевым).

График наглядно иллюстрирует превышение экспериментальной скорости фронта детонации над вычисленной величиной – эффект превышения скорости. Отличие составляет 10-15%.

Эффект увеличения скорости распространения детонации над скоростью Чепмена-Жуге, при движении её навстречу сверхзвуковому потоку ограниченному стенками, был отмечен впервые в 1967 году в работе американского исследователя МакКенна для смеси водород+кислород в цилиндрическом канале диаметром 38 мм. В данной работе впервые этот эффект получен для смеси водород+воздух в широком диапазоне концентраций горючей смеси и в канале большого размера (диаметр 100 мм).

  1. с инициированием смеси сразу за сверхзвуковым соплом на входе в тестовую секцию и распространением детонационной волны вниз по потоку;

В данной работе впервые был предложен и экспериментально реализован случай инициирования и распространения детонационной волны по сверхзвуковому потоку горючей смеси.

Схема эксперимента второй серии представлена на рис. 11.

Рис. 11. Рис. 12.

Готовая смесь водород+воздух через сверхзвуковое сопло поступает в тестовый канал длинной 2.2 м. После установления режима, сразу за соплом, на входе в канал, смесь воспламеняется с помощью детонационной трубки. Горение в основном потоке быстро переходит в детонацию, которая распространяется вниз по сверхзвуковому потоку в сторону вакуумной емкости.

По показаниям пъезодатчиков, расположенных на стенке вдоль тестового канала, выстраивались (x-t) - диаграммы распространения детонации (см. Рис. 12) Используя эти результаты, определялась скорость распространения детонационной волны относительно стенок тестового канала для каждого отдельного случая.

Обобщенный график серии экспериментов представлен на рис. 13.

Рис. 13.

Здесь представлены два графика: экспериментально полученная скорость распространения детонационной волны по отношению к движущемуся газу D0 в зависимости от коэффициента избытка воздуха и расчетная зависимость скорости стационарной детонации (Чепмена-Жуге) в неподвижной горючей смеси. Рисунок наглядно иллюстрирует уменьшение экспериментальной скорости фронта детонации по сравнению с расчетной величиной – эффект понижения скорости. Отличие составляет 7-12%.

Таким образом, обнаружен эффект понижения скорости детонации в сравнении с классической скоростью Чепмена-Жуге при распространении детонационной волны вниз по сверхзвуковому потоку горючей смеси.

  1. исследование профиля фронта детонационной волны.

При пересчете скорости детонационной волны в систему отсчета, связанную с потоком, было принято существенное предположение, что фронт детонации плоский, т.е. скорость каждой точки фронта относительно стенок канала одинакова. Следовательно, предполагалась тождественность скорости движения фронта в ядре канала и скорости волны, измеренной с помощью датчиков, расположенных на стенке канала (в пограничном слое). Кроме того, скорость потока принималась равной скорости газа в ядре канала. Однако важной особенностью распространения детонации в сверхзвуковом потоке, ограниченном стенками канала, является наличие пограничного слоя, а, следовательно, различие скоростей смеси в ядре потока и на его периферии (а также вдоль тракта).

При анализе картины распространения детонационной волны в сверхзвуковом потоке в канале были сформулированы две причины, способные привести к существенной неравномерности скорости детонации (а, следовательно, кривизне фронта волны) в поперечном сечении.

Причина 1) В канале, по мере удаления от среза сопла, происходит существенное искривление профиля скорости основного потока за счет торможения в пограничном слое (см. Рис. 2). Поэтому, фронт детонационной волны, распространяясь по потоку с сильным градиентом скорости по сечению, вероятно должен сам претерпевать существенную деформацию.

По приведенным в работе оценкам, на длине тестовой секции установки, по этой причине волна может приобрести «прогиб» фронта max = 0.3 м.

Причина 2) Второй причиной способной привести к неравномерности скорости детонационной волны в поперечном сечении может быть отличие локальных физических параметров потока на оси и в пограничном слое и, соответственно, влияние их на локальную скорость детонации.

По приведенным в работе оценкам, на длине тестовой секции установки, по этой причине волна может приобрести «прогиб» фронта max = 0.04 м.

Для выяснения действительной формы фронта детонационной волны в сверхзвуковом потоке смеси были проведены исследования с помощью гребенки пъезодатчиков (14 штук), которые фиксировали момент прихода фронта волны в одном сечении.

Схема эксперимента и результаты измерений для случая распространения детонации навстречу потоку смеси в виде профилей «прогиба» фронта волны представлены на Рис.14. Видно, что фронт волны не плоский, каким он бывает при распространении детонации вдоль трубы с неподвижной смесью, а имеет форму тарелки, края которой в области погранслоя несколько опережают центральную часть. Экспериментально зафиксированное максимальное удаление друг от друга точек профиля в погранслое и ядре достигает 13 мм, что на длине 2 м соответствует разнице скоростей около 1%.

Х – расстояние от входа в тестовую секцию

Рис. 14.

Для случая распространения детонационной волны по потоку получены качественно схожие профили фронта. Максимальный «прогиб», зафиксированный в этом случае, наблюдается в сечении Х=2.07 м и равен 15мм.

Полученные результаты наглядно указывают на незначительные изменения формы фронта детонации при движении вдоль канала. Таким образом, на длине тестового канала установки (L=2 м) можно считать, что фронт волны распространяется как единое целое, а скорость, измеренная датчиками на стенке канала, совпадает со скоростью волны в ядре потока.

На основе выполненных в рамках данной работы экспериментов, а также результатов опытов, известных из литературы, сформулированы основные особенности процессов связанных с инициированием и распространением детонации в сверхзвуковом потоке горючей смеси.

Основные результаты главы 3:

- впервые экспериментально показана возможность формирования самоподдерживающегося детонационного горения в сверхзвуковом потоке водородо-воздушной смеси в диапазоне концентраций = 0.5 2.5;

- установлено, что скорость распространения детонационной волны против потока горючей смеси на 10-15% превышает рассчитанную скорость Чепмена-Жуге для неподвижной смеси с теми же условиями;

- установлено, что скорость распространения детонационной волны по потоку горючей смеси на 7-12% меньше рассчитанной скорости Чепмена-Жуге для неподвижной смеси с теми же условиями.

В заключении приведены основные выводы по работе:

1. Создана экспериментальная установка для исследования горения и детонации в сверхзвуковом потоке однородной горючей смеси.

2. Проведены исследования газодинамической и химической структуры реализуемого установкой течения смеси (число Маха М=4), позволившие получить детальную информацию о газодинамических параметрах и степени однородности горючей смеси в различных точках потока.

Pages:     | 1 || 3 |






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