Теплофизика высоких температур, 2021, T. 59, № 2, стр. 231-235

ВВЕДЕНИЕ

Разработка гиперзвуковых летательных аппаратов на детонационных двигателях инициирует исследования детонационного горения различных видов топлива [1–4]. Пропан является самым легким углеводородом, детонационные свойства которого близки к соответствующим величинам для более тяжелых углеводородов, включая керосин [5]. Поэтому пропан наряду с водородом и тяжелыми углеводородами может использоваться как модельное топливо для детонационных двигателей [6–8].

Ударные трубы являются традиционным инструментом для исследований по инициированию детонационного горения различных топлив. Несмотря на значительный прогресс в исследовании детонационных характеристик пропана, экспериментальные исследования по воспламенению пропана за отраженной ударной волной относятся в основном к горючим смесям, разбавленным аргоном [9–11]. Данные по высокотемпературному воспламенению стехиометрических пропано-воздушных смесей достаточно ограниченны и относятся к давлениям менее 20 атм. [5, 12]. В настоящей работе представлены результаты измерения времени задержки воспламенения в стехиометрической пропано-воздушной смеси при давлениях порядка 30 атм. Представленная информация расширяет диапазон имеющихся экспериментальных данных, являющихся основой для тестирования редуцированных кинетических механизмов, используемых для моделирования детонационных процессов в двигателях гиперзвуковых летательных аппаратов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Эксперименты проводились на ударной трубе, входящей в состав экспериментального комплекса “Ударная труба” НИИ механики МГУ [13, 14]. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Внутренний диаметр трубы составляет 57 мм, длина камер высокого (КВД) и низкого (КНД) давлений равна соответственно 1.0 и 3.7 м. Между камерами установлена медная диафрагма с калиброванными насечками (D). Варьируя толщину диафрагмы, глубину насечек и давления в камерах толкающего и исследуемого газов, можно достичь необходимых условий за отраженной волной. Толкающим газом служил гелий. Для получения исследуемой смеси воздух марки ПНГ и пропан (R290 REFO) предварительно смешивались в смесителе. Откачка ударной трубы и смесителя осуществлялась форвакуумным насосом до 10^–3 Тор. Установка позволяет проводить исследования при давлениях за отраженной ударной волной до 60 атм.

Рис. 1.

Схема экспериментальной установки.

Скорость падающей ударной волны определялась непосредственно перед торцевой стенкой ударной трубы. Для этих целей в КНД установлены пьезоэлектрические датчики давления P1 и P2 на расстоянии 57 и 7 мм от торцевой стенки соответственно.

Время задержки воспламенения горючей смеси (время индукции) τ_ind определялось за отраженной ударной волной. Для этих целей в торце ударной трубы были установлены два УФ световода F1 и F2 (SSU 1.1), фиксирующие начало воспламенения по излучению радикала OH на длине волны 308 нм, и датчик давления P3 (PCB113B24). Световод F1 установлен на оси ударной трубы, а световод F2 – на расстоянии 15 мм ниже от оси. Данное расположение световодов позволяло с учетом диаграммы направленности регистрировать излучение на ФЭУ-100, возникающее как из области на оси трубы, так и из пристеночной области. Датчик давления P3 располагался на 15 мм выше оси и позволял определять момент прихода ударной волны к торцу трубы, измерять давление в отраженной ударной волне и регистрировать момент воспламенения смеси. Сигналы с датчиков давления и ФЭУ регистрировались цифровыми осциллографами Е20-10 (L‑Card).

Время индукции τ_ind определялось как время, прошедшее между регистрацией сигнала на датчике давления и появлением сигнала на световодах. Исследовалась стехиометрическая смесь пропана и воздуха (4% C₃H₈ + 96% воздуха).

Временны́е зависимости сигналов со световодов F1, F2 и датчика давления P3 для двух режимов (число Маха M = 3.06 и 3.3, начальное давление p₀ = 0.51 и 0.37 атм.) представлены на рис. 2. На рисунке в момент времени t = 0 наблюдается резкое увеличение давления, что соответствует приходу ударной волны на торцевую стенку. Далее давление остается постоянным. Очередное повышение давления связано с тепловыделением в результате воспламенения исследуемой смеси.

Рис. 2.

Осциллограммы давления и сигналы со световодов за фронтом отраженной ударной волны: (а) – M = 3.06, p₀ = 0.51 атм.; (б) – M = 3.3, p₀ = 0.37 атм.; 1 – давление, датчик Р3; 2 – центральный световод F1, 308 нм; 3 – нижний световод F2, 308 (а) и 589 нм (б).

Момент начала воспламенения регистрируется также при помощи сигналов со световодов F1 и F2. Как видно из осциллограмм, представленных на рис. 2, момент воспламенения соответствует резкому возрастанию сигналов, фиксирующих излучение радикала OH на длине волны 308 нм.

Время задержки воспламенения исследуемой смеси (время индукции) τ_ind определялось как время от момента прихода отраженной ударной волны (по датчику P3) до момента начала воспламенения, определяемого по излучению на световоде F1 и возрастанию давления на датчике P3. Температура за фронтом отраженной ударной волны рассчитывалась с помощью программы GASEQ [15].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты экспериментов по измерению времени индукции τ_ind в стехиометрической пропано-воздушной смеси за отраженной ударной волной в интервале давлений p = 23–33 атм. показаны на рис. 3. Здесь же для сравнения приведены данные, соответствующие измерениям за отраженной ударной волной при более низких давлениях [5]. Как уже отмечалось, экспериментальные данные по высокотемпературному воспламенению стехиометрической пропано-воздушной смеси при давлениях порядка 30 атм. и выше в настоящее время отсутствуют.

Рис. 3.

Сравнение полученных экспериментальных данных в стехиометрической пропано-воздушной смеси с данными измерений величины τ_ind при более низких давлениях: 1 – p = 2–3 атм., [5]; 2 – 6–10, [5]; 3 – 23–33, данная работа; 4 – результаты кинетического расчета с использованием кинетического механизма [16].

Линиями на рис. 3 показаны результаты расчета величины τ_ind с использованием кинетического механизма [16], описывающего как высокотемпературное окисление пропана (T ≥ 1100 К), так и низкотемпературную область (T < 1000 К), которая характеризуется так называемой отрицательной температурной зависимостью (NTC), когда время задержки воспламенения уменьшается с понижением температуры среды. Видно, что расчетные кривые достаточно точно воспроизводят имеющиеся экспериментальные данные.

Анализ представленных на рис. 3 данных показывает, что в большинстве случаев результаты измерения τ_ind, полученные при одинаковой температуре, но при разных давлениях, существенно отличаются друг от друга. При этом между τ_ind и обратной величиной p наблюдается практически линейная зависимость, что указывает на близкий к бинарному характер процесса воспламенения топлива в высокотемпературной области. С другой стороны, данная зависимость позволяет привести значения τ_ind, соответствующие разным давлениям, к нормальному давлению.

Бинарный характер высокотемпературного воспламенения стехиометрической пропано-воздушной смеси проиллюстрирован на рис. 4, где показаны измеренные значения величины pτ_ind в зависимости от обратной температуры. Видно, что при температурах выше 1100 K отклонение экспериментальных точек от аппроксимирующей зависимости

Рис. 4.

Зависимость величины pτ_ind от температуры для стехиометрической пропано-воздушной смеси: 1 – p = 2–3 атм., [5]; 2 – 3–5, [12]; 3 – 6–10, [5]; 4 – 23–33, данная работа; точки – эксперимент, линия – среднеквадратичная подгонка.

Более значительные отклонения наблюдаются в области температур меньше 1100 К. Данный факт, очевидно, связан с повышением роли низкотемпературного механизма окисления пропана, влияние которого возрастает при увеличении давления [16].

При исследовании процессов воспламенения горючих смесей на основе пропана практический интерес представляет вопрос о роли разбавителя [12]. Основное количество работ по измерению времени задержки воспламенения пропана за отраженной ударной волной относится к горючим смесям, сильно разбавленным аргоном [9–11]. В экспериментах в ударных трубах аргон является идеальным термостатом в противоположность азоту, так как в азоте часть энергии уходит во вращательные и колебательные степени свободы. На рис. 5 представлены результаты сравнения времен задержки воспламенения в случае использования в качестве разбавителя аргона и воздуха. Видно, что пропано-воздушные смеси характеризуются более значительным разбросом экспериментальных точек. При этом в горючих смесях, сильно разбавленных аргоном, измеренное время задержки воспламенения практически не зависит от давления, что снижает ценность полученных данных для тестирования кинетических механизмов.

Рис. 5.

Сравнение времен задержки воспламенения в пропано-воздушной смеси и смесях, разбавленных аргоном: 1 – p = 5.3 атм., [Ar] = 92.6% [10]; 2 – 10, 94.5 [9]; 3 – 16, 97.2 [11]; 4 – p = 6–10 атм., воздух [5]; 5 – 23–33, данная работа.

На рис. 6 экспериментальные данные, полученные в настоящей работе, сравниваются с имеющимися экспериментальными данными по воспламенению пропано-воздушной смеси при p ≈ ≈ 30 атм. Сравнение проводится в широком диапазоне изменения температуры газа за отраженной ударной волной при трех значениях коэффициента избытка топлива: ϕ = 0.5, 1.0 и 2.0. Данные [17], полученные в ударной трубе, описывают поведение τ_ind в обедненной пропано-воздушной смеси (ϕ = 0.5) в температурной области 900 ≤ T ≤ ≤ 1300 К. Несколько заниженные результаты, полученные в тех же условиях, приведены в [18]. Экспериментальные данные [19], полученные на быстрой компрессионной установке, охватывают всю низкотемпературную область и при высоких температурах (T ≥ 900 К) лежат значительно ниже данных [17]. В целом наблюдается достаточно плавный переход экспериментальных точек из низкотемпературной в высокотемпературную область.

Рис. 6.

Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами измерений других авторов в низкотемпературной и высокотемпературной областях при p = 30 атм.: 1 – ϕ = 0.5 [19], 2 – 1.0 [19], 3 – 2.0 [19], 4 – 0.5 [17], 5 – 1.0, данная работа; кривые – расчет с использованием модифицированного SD-механизма [20].

Расчетные кривые, приведенные на рис. 6, описывают поведение времени задержки воспламенения τ_ind как при высоких, так и при низких температурах. Эти кривые получены с использованием модифицированного SD-механизма [20], основанного на высокотемпературном SD-механизме [21, 22]. Расчет проведен при трех значениях коэффициента ϕ (0.5, 1.0 и 2.0) при p = 30 атм. в температурном интервале от 600 до 1700 К. Наблюдается достаточно хорошее согласие экспериментальных и расчетных данных в высокотемпературной области. В низкотемпературной области расхождения значительны, особенно при ϕ = 0.5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов проведенных экспериментов по измерению времени задержки воспламенения в стехиометрической пропано-воздушной смеси за отраженной ударной волной в интервале температур T = 1065–1595 К и давлений p = 23–33 атм. показывает, что полученные данные хорошо согласуются с данными других авторов, измеренными при более низких давлениях, а также с результатами кинетических расчетов. Результаты проведенного исследования позволяют расширить диапазон экспериментальных данных, доступных для тестирования новых редуцированных механизмов, используемых для моделирования детонационных процессов в двигателях гиперзвуковых летательных аппаратов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-08-00343).