Введение к работе
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.
