Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 1-15
Оценка тепловых потерь на фронте детонационной волны при движении вдоль металлической пористой поверхности
https://doi.org/10.7463/aersp.0516.0849886Аннотация
Рассматривается метод расчета теплового потока от горячих продуктов детонационного горения внутрь пористого покрытия, и оценка эффективного слоя этого покрытия, приводящего к замедлению фронта пламени в пренебрежении поперечного смещения массы продуктов горения водородно-воздушной смеси.
Проведена оценка начальных термодинамических параметров продуктов горения на поверхности пористого покрытия. Определена температура торможения потока.
Поставлена задача расчета теплового потока внутрь цилиндрического длинного металлического волокна радиуса 15 мкм. По справочным значениям теплоемкости и теплопроводности сделана оценка температуропроводности в широком диапазоне температур. Для удобства расчета параметров приведена аппроксимационная зависимость.
Приведен алгоритм расчета с использованием явной четырехточечной схемы. Обоснована сходимость и достоверность результатов. Для подтверждения достоверности результатов была сделана теоретическая оценка с использованием цилиндрических функций Бесселя.
С использованием фотографий движения фронта детонации и горячих продуктов сгорания проведена суммарная оценка тепловых потерь. На основе сравнения суммарных тепловых потерь и количества энергии, поглощенной одиночным волокном сделано заключение об эффективной толщине пористого покрытия, приводящей к затуханию детонационной волны.
Список литературы
1. Nettleton M. A. Recent work on gaseous detonations // Shock Waves. 2002. Vol. 12. Iss. 1. Pp. 3-12. DOI: 10.1007/s001930200134
2. Щелкин К. И. Два случая нестационарного горения // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1959. Т. 36. Вып. 2. С. 600-609.
3. Васильев А. А., Николаев Ю. А., Ульяницкий В. Ю. Критическая энергия инициирования многофронтовой детонации // Физика горения и взрыва. 1979. Т. 15. №. 6. С. 94-104.
4. Bull D. C., Elsworth J. E., Hooper G. Initiation of spherical detonation in hydrocarbon/air mixtures // Acta Astronautica. 1978. Vol. 5. Iss. 11-12. Pp. 997-1008. DOI: 10.1016/0094-5765(78)90005-X
5. Lee J. H., Matsui H. A comparison of the critical energies for direct initiation of spherical detonations in acetylene-oxygen mixtures // Combustion and Flame. 1977. Vol. 28. Pp. 61-66. DOI: 10.1016/0010-2180(77)90008-6
6. Яковенко И. С. Численное моделирование горения в трехмерных каналах // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 3. С. 31-32. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/560457.html
7. Смыгалина А. Е. Создание программного модуля для решения задач горения с учетом детальной химической кинетики // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. № 4. С. 19-20. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/564391.html
8. Войцеховский Б. В., Митрофанов В. В., Топчиян М. Е. Структура фронта детонации в газах. Новосиб.: Изд-во СО АН СССР, 1963. 167 c.
9. Radulescu M. I., Lee J. H. S. The failure mechanism of gaseous detonations: experiments in porous wall tubes // Combustion and Flame. 2002. Vol. 131. Iss. 1-2. Pp. 29-46. DOI: 10.1016/S0010-2180(02)00390-5
10. Микушкин А. Ю., Самойлова А. А., Бивол Г. Ю., Коробов А. Е., Головастов С. В. Метод расчета нестационарного тягового усилия эжекторного насадка пульсирующего реактивного двигателя // Наука и образование. МГТУ им Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 6. С. 130-144. DOI: 10.7463/0616.0842134
11. Bivol G. Yu., Golovastov S. V., Golub V. V. Attenuation and recovery of detonation wave after passing through acoustically absorbing section in hydrogen-air mixture at atmospheric pressure // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2016. Vol. 43. Pp. 311-314. DOI: 10.1016/j.jlp.2016.05.032
12. Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1006 с.
13. Корчагова В. Н. Исследование математической модели теплопроводности для пространственно-нелокальной сплошной среды // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. С. 13-14. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/727943.html
14. Кукшинов Н. В., Французов М. С. Численное исследование теплообмена в плоском тракте с вихревыми каналами // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 1. С. 325-338. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/696278.html
15. Клюквин А. Д. Анализ влияния зависимости теплофизических свойств воздуха от температуры на точность расчета параметров турбулентных течений при различных видах осреднения уравнений Навье-Стокса // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 8. C. 256-267. DOI: 10.7463/0814.0725648
16. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. 3-е изд. Москва: Наука. 1966. 724 с.
17. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. 3-е изд. М.: Наука, 1986. 736 с.
Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 1-15
Evaluation of Heat Losses Behind the Front of the Detonation Moving Along the Metallic Porous Surface
https://doi.org/10.7463/aersp.0516.0849886Abstract
The paper considers a computational technique of the heat flow from the hot products of detonation combustion into the porous coating and estimates the efficiency of the coating layer that results in slowing the flame front down with disregard the transverse displacement of the combustion products weight of a hydrogen-air mixture.
Initial thermodynamic parameters of combustion products on the porous coating surface have been estimated. A drag (stagnation) temperature of flow was determined.
The statement of task was to calculate the heat flow into the long cylindrical metal fiber with radius of 15 μm. The reference values of heat capacity and heat diffusivity were used to estimate a thermal diffusivity in a wide range of temperatures. An approximation of the parameters is given for a wide range of temperatures.
The calculation algorithm using an explicit four-point scheme is presented. The convergence and accuracy of the results were confirmed. The theoretical estimation using cylindrical Bessel functions was made to prove the accuracy of the results.
Total heat loss was estimated using the photos of moving detonation front and hot combustion gases.
Comparison of the total heat loss and the amount of energy absorbed by a single fiber allowed us to find that the porous coating thickness, resulting in attenuation of detonation wave, is efficient.
References
1. Nettleton M. A. Recent work on gaseous detonations // Shock Waves. 2002. Vol. 12. Iss. 1. Pp. 3-12. DOI: 10.1007/s001930200134
2. Shchelkin K. I. Dva sluchaya nestatsionarnogo goreniya // Zhurnal eksperimental'noi i teoreticheskoi fiziki. 1959. T. 36. Vyp. 2. S. 600-609.
3. Vasil'ev A. A., Nikolaev Yu. A., Ul'yanitskii V. Yu. Kriticheskaya energiya initsiirovaniya mnogofrontovoi detonatsii // Fizika goreniya i vzryva. 1979. T. 15. №. 6. S. 94-104.
4. Bull D. C., Elsworth J. E., Hooper G. Initiation of spherical detonation in hydrocarbon/air mixtures // Acta Astronautica. 1978. Vol. 5. Iss. 11-12. Pp. 997-1008. DOI: 10.1016/0094-5765(78)90005-X
5. Lee J. H., Matsui H. A comparison of the critical energies for direct initiation of spherical detonations in acetylene-oxygen mixtures // Combustion and Flame. 1977. Vol. 28. Pp. 61-66. DOI: 10.1016/0010-2180(77)90008-6
6. Yakovenko I. S. Chislennoe modelirovanie goreniya v trekhmernykh kanalakh // Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2013. № 3. S. 31-32. Rezhim dostupa: http://sntbul.bmstu.ru/doc/560457.html
7. Smygalina A. E. Sozdanie programmnogo modulya dlya resheniya zadach goreniya s uchetom detal'noi khimicheskoi kinetiki // Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik. MGTU im. N.E. Baumana. 2013. № 4. S. 19-20. Rezhim dostupa: http://sntbul.bmstu.ru/doc/564391.html
8. Voitsekhovskii B. V., Mitrofanov V. V., Topchiyan M. E. Struktura fronta detonatsii v gazakh. Novosib.: Izd-vo SO AN SSSR, 1963. 167 c.
9. Radulescu M. I., Lee J. H. S. The failure mechanism of gaseous detonations: experiments in porous wall tubes // Combustion and Flame. 2002. Vol. 131. Iss. 1-2. Pp. 29-46. DOI: 10.1016/S0010-2180(02)00390-5
10. Mikushkin A. Yu., Samoilova A. A., Bivol G. Yu., Korobov A. E., Golovastov S. V. Metod rascheta nestatsionarnogo tyagovogo usiliya ezhektornogo nasadka pul'siruyushchego reaktivnogo dvigatelya // Nauka i obrazovanie. MGTU im N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2016. № 6. S. 130-144. DOI: 10.7463/0616.0842134
11. Bivol G. Yu., Golovastov S. V., Golub V. V. Attenuation and recovery of detonation wave after passing through acoustically absorbing section in hydrogen-air mixture at atmospheric pressure // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2016. Vol. 43. Pp. 311-314. DOI: 10.1016/j.jlp.2016.05.032
12. Tablitsy fizicheskikh velichin: Spravochnik / Pod red. akad. I.K. Kikoina. M.: Atomizdat, 1976. 1006 s.
13. Korchagova V. N. Issledovanie matematicheskoi modeli teploprovodnosti dlya prostranstvenno-nelokal'noi sploshnoi sredy // Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2014. S. 13-14. Rezhim dostupa: http://sntbul.bmstu.ru/doc/727943.html
14. Kukshinov N. V., Frantsuzov M. S. Chislennoe issledovanie teploobmena v ploskom trakte s vikhrevymi kanalami // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2014. № 1. S. 325-338. Rezhim dostupa: http://technomag.bmstu.ru/doc/696278.html
15. Klyukvin A. D. Analiz vliyaniya zavisimosti teplofizicheskikh svoistv vozdukha ot temperatury na tochnost' rascheta parametrov turbulentnykh techenii pri razlichnykh vidakh osredneniya uravnenii Nav'e-Stoksa // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2014. № 8. C. 256-267. DOI: 10.7463/0814.0725648
16. Tikhonov A. N., Samarskii A. A. Uravneniya matematicheskoi fiziki. 3-e izd. Moskva: Nauka. 1966. 724 s.
17. Landau L. D., Lifshits E. M. Gidrodinamika. 3-e izd. M.: Nauka, 1986. 736 s.
