1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки
  4. T. 501, № 1, 2021

Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 501, № 1, стр. 48-53

УПРАВЛЕНИЕ ДЕТОНАЦИОННЫМ ГОРЕНИЕМ ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ПОСРЕДСТВОМ ВНЕСЕНИЯ АРГОНА И ОЗОНА

Академик РАН В. А. Левин 1, *, Т. А. Журавская 1, **

1 Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Москва, Россия

* E-mail: levin@imec.msu.ru
** E-mail: zhuravskaya@imec.msu.ru

Поступила в редакцию 06.08.2021
После доработки 06.08.2021
Принята к публикации 20.10.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Численно исследовано влияние добавок аргона и озона в стехиометрическую водородно-воздушную смесь на параметры волны детонации с целью снижения скорости распространения волны и температуры продуктов горения без существенного увеличения детонационной ячейки, являющейся фундаментальной характеристикой детонационной способности смеси. Установлено, что мольные доли вносимых добавок могут быть подобраны так, что размер ячейки волны детонации в полученной смеси будет близок к среднему размеру ячейки в чистой смеси, при этом скорость волны и температура продуктов детонации будут существенно снижены. Обнаружено, что детонационная волна в смеси с добавками в концентрациях, не допускающих значимого увеличения размера ячейки, более устойчива к возмущениям, вызванным расположенными в канале препятствиями, чем в чистой смеси. Исследование проведено с использованием схемы второго порядка на основе метода Годунова; для моделирования химических реакций использовался детальный кинетический механизм.

Ключевые слова: детонационная волна, стехиометрическая водородно-воздушная смесь, ячеистая структура, аргон, озон

Изменение состава горючей газовой смеси за счет внесения в смесь различных добавок или предварительного преобразования ее компонентов является одним из основных способов управления детонацией. Так, в [1, 2] численно установлена возможность предотвращения гашения детонационного горения стехиометрической водородно-воздушной смеси в каналах с препятствиями посредством предварительной частичной диссоциации молекулярного водорода и кислорода на атомы, приводящей к существенному уменьшению размера детонационной ячейки и незначительному увеличению скорости распространения волны [1–4]. Обнаруженное в численном исследовании измельчение ячеистой структуры без значимого изменения скорости волны в результате указанной предварительной диссоциации подтверждается результатами экспериментов по распространению детонации в водородно-кислородной смеси с добавлением озона, который быстро разлагается за лидирующей ударной волной с образованием атомарного кислорода [5]. Изучение структуры плоской одномерной стационарной волны детонации (структуры детонации Зельдовича–Неймана–Дёринга (ЗНД-структуры)) показало, что как предварительная частичная диссоциация горючего и окислителя в водородно-воздушной смеси [2], так и добавление в горючую смесь озона [5] приводят к значительному уменьшению протяженности зоны индукции, при этом скорость волны детонации Чепмена–Жуге и параметры газа за ней меняются незначительно. Однако использование детонационного горения в различных энергетических установках требует решения сложной проблемы охлаждения стенок детонационной камеры. Упростить задачу возможно снижением температуры продуктов горения. Простым способом понижения температуры за волной является внесение в горючую смесь аргона, приводящее при этом к существенному росту детонационной ячейки. В [6] в рамках ЗНД-модели детонации было рассмотрено влияние на структуру волны добавления в горючую смесь инертных разбавителей и промоутеров (озона и перекиси водорода) с целью уменьшения постдетонационной температуры и предотвращения увеличения зоны индукции.

В данной работе с использованием детальной кинетики химического взаимодействия численно исследуется влияние добавок озона и аргона в стехиометрическую водородно-воздушную смесь на параметры волны детонации с целью снижения скорости распространения волны и температуры продуктов горения без существенного увеличения размера детонационной ячейки, являющегося важным параметром, определяющим ряд критических условий и, как следствие, поведение волны детонации.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассматривается распространение детонационной волны в покоящейся при нормальных условиях (p0 = 1 атм, T0 = 298 K) газовой смеси в полубесконечном плоском канале шириной L (L = 1 см). Для инициирования детонации используется мгновенный однородный сверхкритический (достаточный для прямого инициирования детонации) подвод энергии в области, имеющей форму тонкого слоя, около закрытого торца канала. Изучается детонационное горение как чистой стехиометрической водородно-воздушной смеси, которая моделируется как смесь газов H2, O2 и N2 в молярном соотношении 42 : 21 : 79 соответственно, так и в смеси с добавками озона O3 и аргона Ar.

Система уравнений, описывающих плоское двумерное нестационарное течение невязкой многокомпонентной реагирующей газовой смеси, имеет вид

$\begin{gathered} \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho u)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial (\rho v)}}{{\partial y}} = 0, \\ \frac{{\partial (\rho u)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho {{u}^{2}} + p)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial (\rho uv)}}{{\partial y}} = 0, \\ \frac{{\partial (\rho v)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho vu)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial (\rho {{v}^{2}} + p)}}{{\partial y}} = 0, \\ \frac{{\partial (\rho ({{u}^{2}} + {{v}^{2}}){\text{/}}2 + \rho h - p)}}{{\partial t}} + \\ + \;\frac{{\partial (\rho u(({{u}^{2}} + {{v}^{2}}){\text{/}}2 + h))}}{{\partial x}} + \\ + \;\frac{{\partial (\rho v(({{u}^{2}} + {{v}^{2}}){\text{/}}2 + h))}}{{\partial y}} = 0, \\ \frac{{\partial (\rho {{n}_{i}})}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho u{{n}_{i}})}}{{\partial x}} + \frac{{\partial (\rho v{{n}_{i}})}}{{\partial y}} = \rho {{\omega }_{i}}. \\ \end{gathered} $

Здесь $x$ и $y$ – продольная и поперечная декартовы координаты; $u$ и $v$ – соответствующие компоненты скорости; $t$ – время; $\rho $, $p$ и $h$ – плотность, давление и удельная энтальпия смеси; ${{n}_{i}}$ и ${{\omega }_{i}}$ – удельные молярная концентрация и скорость образования $i$-го компонента смеси. Уравнения состояния горючей смеси суть

$p = \rho {{R}_{0}}T\sum\limits_i^{} {{{n}_{i}}} ,\quad h = \sum\limits_i^{} {{{n}_{i}}{{h}_{i}}(T)} .$

Здесь $T$ – температура, ${{R}_{0}}$ – универсальная газовая постоянная. Зависимости парциальных энтальпий от температуры ${{h}_{i}}(T)$ определяются по приведенным энергиям Гиббса соответствующих компонентов смеси [7]. Для описания химического взаимодействия используется современный детальный кинетический механизм окисления водорода, предложенный в [8].

Для решения уравнений газовой динамики использовалась явная разностная схема второго порядка на основе схемы С.К. Годунова, второй порядок точности по времени в которой достигается с помощью алгоритма типа предиктор-корректор [9]. Расчет проведен на сетке с шагом разбиения Δ = 5 мкм, обеспечивающим корректное разрешение структуры волны детонации. Для численного моделирования использовался оригинальный программный модуль, в котором реализовано гибридное распараллеливание расчетов MPI/OpenMP. Исследование выполнено с использованием оборудования  Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ имени М.В. Ломоносова [10].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Начальный подвод энергии инициирует в канале плоскую детонационную волну, фронт которой со временем теряет устойчивость, возникают поперечные волны, в результате формируется самоподдерживающаяся детонационная волна с ячеистой структурой.

В случае чистой водородно-воздушной смеси получаемая в расчетах волна детонации имеет нерегулярную ячеистую структуру, что соответствует наблюдаемому в эксперименте для разбавленных азотом смесей [11]. Анализ полученной ячеистой структуры волны детонации показал, что максимальное значение относительного отклонения поперечного размера ячейки от среднего составляет более 60%. Численный аналог следа, оставляемого распространяющейся в плоском канале детонационной волной на расположенной вдоль стенки закопченной пластине, представлен на рис. 1а.

Рис. 1.

Ячеистая структура детонационной волны, распространяющейся в плоском канале: а – стехиометрическая H2–воздух смесь; б – H2–воздух–80%Ar–1.5%O3; в – H2–воздух–70%Ar–0.6%O3; г – H2–воздух–70%Ar–1%O3. Здесь и далее X = x/L, Y = y/L, где L − ширина канала. Волна распространяется слева направо.

Моделирование распространения детонации в смеси с добавлением озона показало, что ячеистая детонационная структура становится существенно более мелкой, при этом скорость волны изменяется незначительно, что согласуется с результатами экспериментов [5]. Так, в случае ${{x}_{{{{{\text{O}}}_{3}}}}}$ = 1% (${{x}_{{{{{\text{O}}}_{3}}}}}$ – мольная доля O3) детонационная ячейка уменьшается в 3.2 раза, а скорость ячеистой детонационной волны увеличивается лишь на 0.5%. Отметим, что температура продуктов горения при добавлении озона меняется незначительно и близка к 3000 K.

Простым способом понизить температуру в продуктах детонации является добавление Ar, но внесение данной инертной добавки приводит к существенному росту детонационной ячейки. Однако добавление озона в разбавленную аргоном водородно-воздушную смесь уменьшит размер детонационной ячейки, при этом не увеличив существенно температуру в волне детонации. Проведенные расчеты показали, что мольные доли Ar и O3 можно подобрать так, что размер детонационной ячейки в полученной смеси будет близок к среднему размеру ячейки в чистой водородно-воздушной смеси, при этом скорость волны и температура продуктов детонации будут существенно снижены. Так, получено, что размер ячейки волны в водородно-воздушной смеси с добавкой 80% Ar и 1.5% O3 немного больше, чем в чистой смеси (рис. 1б), при этом температура в волне детонации близка к 1600 K, а скорость волны меньше скорости детонации в чистой смеси в 1.68 раза. Однако количество вносимого в смесь Ar можно уменьшить. Получено, что в случае 70% Ar и 0.6% O3 в смеси формируется детонационная волна, размер ячейки которой немного превышает средний размер детонационной ячейки в чистой смеси (рис. 1в), а увеличение доли озона до 1% приводит к формированию волны детонации с более мелкой (по сравнению с чистой смесью) ячеистой структурой (рис. 1г). При этом температура продуктов горения близка к 2000 K, а скорость волны меньше скорости детонации в чистой смеси более чем в 1.5 раза. Кроме того, в отличие от детонационного горения смеси без добавок волна детонации в смеси, разбавленной одновременно Ar и O3, имеет регулярную ячеистую структуру. Так, максимальное относительное отклонение поперечного размера детонационной ячейки от среднего в рассмотренных смесях не превышает 25%.

С целью исследования устойчивости детонационного горения смеси, полученной после добавления Ar и O3, рассмотрено взаимодействие сформировавшейся ячеистой волны детонации с расположенной в канале областью с барьерами. Подобная область является простой моделью вставки с пористым покрытием на внутренней поверхности канала, например, покрытой стальной ватой [12]. Возможность использования различных пористых покрытий стенок канала для гашения детонационного горения исследовалась в ряде работ, см., например, [13–15]. В случае области с барьерами параметрами, определяющими результат взаимодействия волны с препятствиями, являются протяженность области Lb, расстояние между соседними барьерами ΔLb и высота барьеров Hb. Известно, что как в случае одиночного барьера [16], так и множественных препятствий [1, 2] (при фиксированных значениях Lb и ΔLb) детонационная волна разрушается, если высота барьеров превышает некоторое критическое значение, зависящее от ширины канала. В результате проведенного численного моделирования установлено, что критическая высота препятствий в случаях смесей с добавками Ar и O3 (в указанных выше концентрациях) выше, чем в случае чистой смеси при прочих постоянных параметрах. Численные следовые отпечатки, иллюстрирующие разрушение детонационной волны при взаимодействии с областью барьеров в чистой смеси и сохранение детонации после прохождение той же области в смеси с добавками Ar и O3, представлены на рис. 2. Повышение устойчивости детонации к возмущениям, вызванным расположенными в канале препятствиями, в рассмотренных смесях с добавками обусловлено увеличением интенсивности формующихся поперечных волн при прохождении детонации вдоль области барьеров, что является, по-видимому, следствием разложения озона за отраженными скачками между барьерами, которое сопровождается выделением энергии. В случае сохранения детонационного горения в смеси с добавками Ar и O3 после прохождения области препятствий первоначально формируется детонация с более крупной ячейкой, размер которой постепенно уменьшается (рис. 2б, 2в). Такой механизм восстановления детонационного горения характерен для смесей с регулярной ячеистой структурой детонации [17] и качественно отличается от механизма реинициирования детонации в чистой смеси [2].

Рис. 2.

Распространение детонационной волны в плоском канале при наличии области с барьерами (Lb = 1 см, ΔLb = = 0.1 см, Hb = 0.3 см): а – разрушение детонации в стехиометрической H2–воздух смеси; б, в – сохранение детонационного горения в смесях H2–воздух–70%Ar–0.6%O3 и H2–воздух–70%Ar–1%O3 соответственно. Волна распространяется слева направо.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Используя детальный кинетический механизм химического взаимодействия, численно исследовано влияние добавок аргона и озона в стехиометрическую водородно-воздушную смесь на параметры волны детонации. Установлено, что мольные доли вносимых добавок можно подобрать так, что средний размер ячейки волны детонации в полученной смеси будет близок к среднему размеру ячейки в чистой смеси при этом скорость волны и температура продуктов детонации будут существенно снижены. Обнаружено, что детонационная волна в смеси, полученной после внесения добавок, отличается от волны в чистой водородно-воздушной смеси регулярной ячеистой структурой. Показано, что внесение добавок в концентрациях, предотвращающих существенное увеличение размера детонационной ячейки, повышает устойчивость детонационного горения смеси к возмущениям, вызванным расположенными в канале препятствиями.

Список литературы

  1. Левин В.А., Журавская Т.А. Управление детонационным горением посредством предварительной подготовки газовой смеси // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. Вып. 4. С. 40–44. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.04.49050.18074

  2. Журавская Т.А., Левин В.А. Управление детонационной волной в канале с препятствиями посредством предварительной подготовки газовой смеси // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2020. № 4. С. 59–68. https://doi.org/10.31857/S0568528120040131

  3. Левин В.А., Журавская Т.А. Управление детонационным горением в высокоскоростном потоке газовой смеси // Труды Матем. ин-та им. В.А. Стеклова. 2018. Т. 300. С. 123–134. https://doi.org/10.1134/S0371968518010090

  4. Levin V.A., Zhuravskaya T.A. The Methods of Control of Stabilized Detonation Location in a Supersonic Gas Flow in a Plane Channel // Combustion Science and Technology. 2019. https://doi.org/10.1080/00102202.2018.1557641

  5. Crane J., Shi X., Singh A.V., Tao Y., Wang H. Isolating the effect of induction length on detonation structure: Hydrogen–oxygen detonation promoted by ozone // Combustion and Flame. 2019. V. 200. P. 44–52. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.11.008

  6. Kumar D.S., Ivin K., Singh A.V. Sensitizing gaseous detonations for hydrogen/ethylene-air mixtures using ozone and H2O2 as dopants for application in rotating detonation engines // Proc. Combustion Institute. 2021. V. 38(3). P. 3825–3834. https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.08.061

  7. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред. В.П. Глушко и др. Т. I, кн. 2. М.: Наука, 1978. 328 с.

  8. Bezgin L.V., Kopchenov V.I., Sharipov A.S., Titova N.S., Starik A.M. Evaluation of Prediction Ability of Detailed Reaction Mechanisms in the Combustion Performance in Hydrogen/Air Supersonic Flows // Combustion Science and Technology. 2013. V. 185 (1). P. 62–94. https://doi.org/10.1080/00102202.2012.709562

  9. Родионов А.В. Монотонная схема второго порядка аппроксимации для сквозного расчёта неравновесных течений // ЖВМиМФ. 1987. Т. 27. № 4. С. 585–593.

  10. Voevodin Vl., Antonov A., Nikitenko D., Shvets P., Sobolev S., Sidorov I., Stefanov K., Voevodin Vad., Zhumatiy S. Supercomputer Lomonosov-2: Large Scale, Deep Monitoring and Fine Analytics for the User Community // Supercomputing Frontiers and Innovations. 2019. V. 6. № 2. P. 4–11. https://doi.org/10.14529/jsfi190201

  11. Pintgen F., Eckett C.A., Austin J.M., Shepherd J.E. Direct observations of reaction zone structure in propagating detonations // Combustion and Flame. 2003. V. 133 (3). P. 211–229. https://doi.org/10.1016/S0010-2180(02)00458-3

  12. Bivol G.Yu., Golovastov S.V., Golub V.V. Detonation suppression in hydrogen–air mixtures using porous coatings on the walls // Shock Waves. 2018. V. 28 (5). P. 1011–1018. https://doi.org/10.1007/s00193-018-0831-3

  13. Шарыпов О.В., Пирогов Е.А. О механизме ослабления и срыва газовой детонации в каналах с акустически поглощающими стенками // Физика горения и взрыва. 1995. Т. 31. № 4. С. 71–76.

  14. Teodorczyk A., Lee J.H.S. Detonation attenuation by foams and wire meshes lining the walls // Shock Waves. 1995. V. 4 (4). P. 225–236. https://doi.org/10.1007/BF01414988

  15. Radulescu M.I., Lee J.H.S. The failure mechanism of gaseous detonations: experiments in porous wall tubes // Combustion and Flame. 2002. V. 131 (1–2). P. 29–46. https://doi.org/10.1016/S0010-2180(02)00390-5

  16. Журавская Т.А. Распространение волн детонации в плоских каналах с препятствиями // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2007. № 6. С. 135–143.

  17. Qin H., Lee J.H.S., Wang Z., Zhuang F. An experimental study on the onset processes of detonation waves downstream of a perforated plate // Proc. Combustion Institute. 2015. V. 35 (2). P. 1973–1979. https://doi.org/10.1016/j.proci.2014.07.056

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал