WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 1 02;03;07 Инициирование детонационной волны при обтекании клина сверхзвуковым потоком водородно-кислородной смеси резонансным лазерным излучением © Л.В. Безгин, В.И. Копченов, А.М. Старик, Н.С. Титова Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, 111116 Москва, Россия e-mail: star@ciam.ru (Поступило в Редакцию 11 апреля 2006 г.) Проанализированы особенности формирования наклонной детонационной волны при обтекании сверхзвуковым потоком водородно-кислородной смеси плоского клина. Показано, что возбуждение электронного + состояния b1 молекулярного кислорода резонансным лазерным излучением с длиной волны 762 nm g позволяет осуществить детонационное горение на расстоянии 1 m от носика клина при низкой температуре газа (500-600 K). При этом достаточно проводить облучение газа в узкой приосевой области потока с поперечным размером 0.5-1 cm перед носиком клина. Показано, что лазерно-индуцированное возбуждение молекулярного кислорода в несколько раз эффективнее простого нагрева смеси для инициирования детонационной волны.

PACS: 47.40.Rs, 42.62.-b Введение процессов формирования детонационной волны в такой геометрии является исключительно важной задачей.

Реализация детонационного горения смеси в сверхНедавние исследования [8,9] показали, что существензвуковом потоке позволяет не только существенно соного сокращения длины зон воспламенения и тепловыдекратить длину зоны энерговыделения по сравнению с ления в сверхзвуковом потоке смесей H2/O2 (воздух) и обычным гомогенным или диффузионным режимами CH4/O2 (воздух) за фронтом наклонной ударной волны горения, но и получить более высокие значения темможно добиться, возбуждая молекулы O2 в электрон+ пературы и давления газа [1]. Анализу возможности ное состояние b1 лазерным излучением с длиной g реализации детонационного горения в горючих смесях, волны I = 762 nm, генерируемым, например, диодным движущихся со сверхзвуковой скоростью, посвящено лазером, даже при малых значениях подведенной к значительное число работ [2–6]. Было показано, что при газу энергии излучения (Ea 10-3 J/cm3). Представляет воспламенении смеси, в зависимости от геометрии и интерес провести анализ эффективности использования параметров газа в потоке, могут возникать различные такого метода для сокращения длины зоны формироватипы как стационарных, так и нестационарных режиния детонационной волны при обтекании клина горючей мов горения и, в частности, детонационный режим.

смесью. Такой анализ и проводится в данной работе.

Важнейшими задачами при реализации детонационного горения являются стабилизация детонационной волны Постановка задачи в сверхзвуковом потоке и инициирование воспламенения смеси при невысоких значениях температуры и физико-математическая модель газа. Самой простой схемой течения, в которой доРассмотрим обтекание клиновидного тела с полустигается стабилизация детонационной волны, является углом раскрытия сверхзвуковым потоком смеси H2/O2.

обтекание клина или конуса сверхзвуковым потоком Пусть на поток перед носиком клина в некоторой горючей смеси. Воспламенение здесь происходит за области, длина которой вдоль потока равна lp, а выфронтом наклонной ударной волны, центрированной сота равна Ye, действует излучение с длиной волны на носике клина, а детонационная волна формируется на некотором расстоянии от поверхности клина в ре- I = 762 nm, интенсивность которого одинакова во всей зультате взаимодействия волны сжатия, возникающей в области воздействия. Частота этого излучения I резозоне горения (тепловыделения), с фронтом наклонной нансна частоте связанно-связанного электронного пере- + ударной волны [2]. При небольших полууглах раскрытия хода m(X3, V = 0, J = 9, K = 8) n(b1, V = 0, g g клина ( = 8-10) расстояние, на котором формируется J = 8, K = 8) молекулы O2, где V и V — колебательдетонационная волна в практически интересном диа- ные, а J, K и J, K — вращательные квантовые числа - + пазоне параметров потока (давление P0 = 103-104 Pa, в состояниях X3 и b1 соответственно. При заданg g температура T0 = 400-700 K и число Маха M0 = 4-6), ных J, K и J, K величина коэффициента поглощедаже для водородно-кислородной смеси слишком велико ния для рассматриваемого электронно-колебательного ( 10 m) [7]. Поэтому поиск методов интенсификации перехода максимальна при температуре газа T = 300 K.

Инициирование детонационной волны при обтекании клина сверхзвуковым потоком... Здесь u, v — проекции вектора скорости на оси OX и OY соответственно, V = u2 + v2; P и —давление и плотность газа; H — удельная энтальпия смеси;

uNi, vNi, Jy и qi + qi — одностолбцовые i ch I матрицы размерности M (M — число компонентов в смеси); Ni — плотность молекул i-го компонента смеси (далее i = 1, 2, 3 соответствуют молекулярному кислороду в основном O2(X3 ) и в возбужденных g + O2(a1 ), O2(b1 ) состояниях); PrT — турбулентное g g Рис. 1. Схема течения и расчетная область.

число Прандтля; µT = T, T — турбулентная вязкость.

При проведении расчетов полагалось PrT = 0.9. Для замыкания системы уравнений привлекается однопараметСхема течения приведена на рис. 1. Параметры потока рическая дифференциальная модель для турбулентной перед зоной воздействия: P0 = 104 Pa, T0 = 500-600 K, вязкости [10]. Выражения для энтальпии смеси H, а M0 = 6.

также источников qi и qi, определяющих изменение ch I Как и в [8,9], будем рассматривать электронно-возконцентрации i-го компонента в смеси в результате + бужденные молекулы O2(b1 ), O2(a1 ) и атомы g g протекания химических реакций и индуцированных пеO(1D), которые могут возникать в реагирующей смеси реходов, удобно представить в виде вследствие протекания химических реакций и процесM сов электронно-электронного обмена, как отдельные h0i H = i + CpT, химические компоненты с соответствующей энтальпией µ i=образования и полагать, что колебательные, вращательные и поступательные степени свободы молекул смеси S S находятся в термодинамическом равновесии. R Cp = + Ci i + Ci i, R v Анализ проведен для случая, когда lp L, где L — µ i=1 i=длина поглощения. В этом случае анализ можно провоL дить, используя приближение оптически тонкого слоя.

i j 2 exp(i j/T ) Ci =, Газодинамика течения реагирующего газа H2/O2 при v T [exp(i j/T ) - 1]+ j=наличии электронно-возбужденных молекул O2(b1 ) и g O2(a1 ) и слоя смешения, возникающего на границе M M g RT Ni внешнего и внутреннего (подверженного воздействию µ = µii, P =, i =, N = Ni, µ N излучения) потоков, рассматривалась в рамках осредi=1 i=ненных параболизованных уравнений Навье-Стокса.

M1i При этом полагалось, что смешение определяется тур- + qi = Siq, Siq =(iq - iq) R+ - R-, ch q q булентным переносом, а коэффициенты турбулентной q=диффузии одинаковы для всех компонентов. Кроме того, считалось, что для всех компонентов числа Льюиса равn+(-) q +(-) iq ны единице. Систему уравнений, описывающую физикоR+(-) = k+(-)q NJ, QI = kI, q химические и газодинамические процессы в сверхзвукоj=вом потоке, можно представить в следующем виде:

gn mnI E (F + Fv) qi = liIWI Nm - Nn, WI =, I + = G, (1) gm hI x y mn ln u v mn = Amn H(x, a), 4bD u2 + P uv E = uv, F = v2 + P, gn k = mn Nm - Nn, Nm = N1m, Nn = N3n, u(H + V 2/2) v(H + V 2/2) gm uNi vNi gmBv exp(-1v /T ) Ej m = exp -, 0 kT 1 - exp(-1/T) kT yx gnBv exp(-lv /T ) Ej Fv = yy, G = 0, n = exp -.

qy QI kT 1 - exp(-l/T ) kT Jy qi + qi i ch I Здесь µi — молярная масса i-го компонента смеси;

u 4 v h0i — энтальпия образования i-го компонента при yx = -µT, yy = - µT, y 3 y T = 298 K; S — число только молекулярных компонентов; Ci = 1 — для компонентов из линейных молекул и µT H µT (Ni/) R qy = uyx + vyy -, Jy = -.

i Ci = 1.5 — для компонентов из нелинейных молекул;

PrT y PrT y R Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 44 Л.В. Безгин, В.И. Копченов, А.М. Старик, Н.С. Титова i j — характеристическая колебательная температура молекулой O2, lp j-й моды для i-го компонента ( j = 1 L); M1i —число k реакций, приводящих к образованию (уничтожению) i-го Es = I0 dx.

+ uNкомпонента; iq и iq — стехиометрические коэффициенты q-й реакции; n+(-) — число компонентов, участвуq Для рассматриваемых параметров потока длина поглоющих в прямой (+) и обратной (-) реакциях; k+(-)q — щения меняется в пределах L = 778-1507 cm. Конконстанты скорости этих реакций; R — универсальная кретный анализ проводился при длине зоны облучения газовая постоянная; h — постоянная Планка; k — lp = 10 cm, т. е. заведомо lp L. В этом случае обпостоянная Больцмана; liI — число квантов, теряемых лучение потока перед носиком клина при небольших (приобретаемых) i-м компонентом при индуцированных Ye можно проводить путем многократного сканирования переходах; Nm и Nn — число молекул в нижнем и верхнем состояниях поглощающего перехода m n, gm поперек потока лазерным пучком с радиусом 0.1-0.5cm при небольшой интенсивности воздействующего излуи gn — кратности вырождения этих состояний; mn — чения I0 = 0.5-5 kW/cm2. Такой способ облучения дадлина волны, соответствующая центру спектральной ет возможность добиться требуемой величины Es при линии поглощающего перехода; Amn — коэффициент воздействии даже относительно слабого источника лаЭйнштейна; bD — допплеровская ширина спектральной зерного излучения.

линии перехода m n, H(x, a) — функция Фойхгта;

Рассмотрим сначала, как меняются параметры смеси Bv — вращательная постоянная молекулы O2 в состов зоне воздействия лазерного излучения при различянии v (v m, v n); Ej и Ej — вращательные ных значениях поглощенной молекулами O2 энергии.

энергии молекулы O2 в состояниях m и n. Их значения На рис. 2 представлено изменение массовых долей вычислялись с учетом расщепления уровня j в состоCi = iµi/µ различных компонентов и температуры газа янии X3 на три компонента с j = K + 1, j = K и g в зоне воздействия для смеси H2/O2 = 2/1. Коэффициj = K - 1.

ент поглощения при x = 0 здесь равен 6.64 · 10-2 m-1, Кинетическая модель, которая использовалась в дансоответственно L = 15 m. Видно, что при более выной работе, включает 89 обратимых химических ре+ соком значении Es концентрация молекул O2(b1 ) g акций с участием H2, H, H2O, OH, HO2, H2O2, O3, - + и O2(a1 ) в смеси выше. Больше при этом и g O2(X3 ), O2(a1 ), O2(b1 ), O(3P), O(1D), а такg g g нагрев среды. Однако в рассматриваемом диапазоне же процессы электронно-электронного (E-E) обмена параметров этот нагрев незначителен, и даже при и процессы тушения возбужденных молекул O2(a1 ), g + Es = 0.05 eV/(molecule O2) не превышает 27 K. При O2(b1 ) и атомов O(1D) [8]. Константы скоростей g T0 = 600 K в зоне облучения уже начинаются химисоответствующих процессов и необходимые для расчета ческие реакции, в которых образуются активные рамолекулярные и спектроскопическике постоянные были дикалы OH и атомы O и H. Эти реакции стимуливзяты такими же, как в [8].

+ рованы образованием возбужденных молекул O2(b1 ) g Для численного интегрирования системы уравнеи O2(a1 ) в смеси [8]. При Es = 0 наработки H, O g ний (1) использовался маршевый метод, в основе и OH не происходит. К концу зоны облучения маскоторого лежит стационарный аналог метода Годусовая доля O2(a1 ) при Es = 0.05 eV/(molecule O2) g нова [11]. Для аппроксимации источниковых членов QI, qi, qi использовалась неявная разностная схема, ch I а для аппроксимации конвективных членов в (1) — метод „предиктор–корректор“, имеющий второй порядок точности. Для определения параметров потока и концентраций компонентов на новом пространственном слое применялась специальная процедура, основанная на методе Гаусса-Зейделя. Для разрешения областей с большими градиентами параметров использовалась адаптивная сетка. Проводился специальный анализ по определению сходимости численного решения. При этом количество расчетных точек по оси OY доходило до 500.

Инициирование детонационного горения при ларезно-индуцированном возбуждении молекул OРис. 2. Изменение массовых долей компонентов и температуры газа при воздействии на сверхзвуковой поток смеКак было показано в [8,9], концентрация возбужси H2/O2 = 2/1 с M0 = 6, P0 = 104 Pa, T0 = 600 K лазерного денных молекул O2 в зоне воздействия определяет- излучения с I = 762 nm, Es = 0.01 и 0.05 eV/(molecule O2) ся величиной энергии излучения, поглощенной одной (сплошные и пунктирные линии, соответственно).

Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. Инициирование детонационной волны при обтекании клина сверхзвуковым потоком... Таблица 1. Температура, давление и мольные доли компонентов смеси в конце зоны воздействия лазерного излучения с I = 762 nm при M0 = T0, K 500 Es, eV/(molecule O2) 0.01 0.03 0.05 0.01 0.03 0.T, K 505.7 517.1 528.4 605.5 616.5 627.P, Pa 1.01 · 104 1.03 · 104 1.06 · 104 1.01 · 104 1.03 · 104 1.05 · O 2.08 · 10-13 2.45 · 10-12 9.02 · 10-12 2.39 · 10-11 2.53 · 10-10 8.48 · 10-O2(X3 - 3.31 · 10-1 3.27 · 10-1 3.23 · 10-1 3.31 · 10-1 3.27 · 10-1 3.23 · 10-) g O3 7.86 · 10-14 2.74 · 10-13 5.40 · 10-13 2.57 · 10-12 8.40 · 10-12 1.54 · 10-H 1.09 · 10-11 4.32 · 10-11 9.67 · 10-11 7.03 · 10-10 2.56 · 10-9 5.22 · 10-H2 6.67 · 10-1 6.67 · 10-1 6.67 · 10-1 6.67 · 10-1 6.67 · 10-1 6.67 · 10-OH 8.82 · 10-13 4.64 · 10-12 1.30 · 10-11 6.34 · 10-11 3.06 · 10-10 7.77 · 10-HO2 1.04 · 10-11 4.08 · 10-11 9.00 · 10-11 4.45 · 10-10 1.60 · 10-9 3.20 · 10-H2O 2.41 · 10-12 1.11 · 10-11 2.85 · 10-11 3.41 · 10-10 1.42 · 10-9 3.25 · 10-H2O2 1.05 · 10-18 5.21 · 10-18 1.47 · 10-17 7.35 · 10-16 3.20 · 10-15 7.79 · 10-O2(a g ) 1.94 · 10-3 5.84 · 10-3 9.74 · 10-3 1.91 · 10-3 5.74 · 10-3 9.58 · 10-O2(b + 1.07 · 10-4 3.15 · 10-4 5.14 · 10-4 1.40 · 10-4 4.14 · 10-4 6.79 · 10-) g достигает 2.5% и становится больше, чем массо- Lind вдоль образующей клина может быть оценена из + вая доля O2(b1 ). Отметим, что молекулы O2(a1 ) простого соотношения Lind = u1ind, где u1 —скорость g g + газа за фронтом ударной волны, а ind — период информируются вследствие тушения состояния O2(b1 ):

g + дукции. Его величина может быть определена из расO2(b1 ) +M = O2(a1 ) +M. Этот процесс протекает g g четов неравновесных физико-химических процессов за существенно быстрее, чем аналогичный для O2(a1 ):

g O2(a1 ) +M = O2(X3 ) +M, где M — любая моg g лекула смеси. Увеличение подведенной к газу энергии интенсифицирует все эти процессы. Естественно, что при этом увеличивается концентрация как электронно-возбужденных молекул O2, так и активных радикалов OH и атомов O и H в смеси. Это хорошо видно из табл. 1, где для разных Es (0.01, 0.03, 0.05 eV/(molecule O2)) даны значения мольных долей различных компонентов смеси, температура и давление в конце зоны воздействия при T0 = 500 и 600 K (P0 = 104 Pa).

Pages:     || 2 | 3 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.