Three-dimensional mathematical simulation of two-phase detonation in the system of gaseous oxydizer with fuel droplets

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of a three-dimensional numerical study of the propagation of detonation waves in a two-phase mixture of liquid iso-octane with air are presented. The detonation calculation technique is based on Navier-Stocks equations with the simulation of liquid phase evolution using the Lagrangian formalism. Numerical models consider droplet movement, evaporation and breakup as well as finite-rate mixing and chemical transformations. The reliability of the method is confirmed by the comparison of predicted and measured velocities of heterogeneous detonation in a vertical channel of square cross-section. The influence of the prehistory on the formation of a two-phase detonable mixture in the channel on the propagation velocity and structure of detonation waves is considered. The influence of droplet coagulation is also taken into account. New data on the spatiotemporal structure of a two-phase detonation wave have been obtained.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. S. Ivanov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: smfrol@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

S. M. Frolov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Author for correspondence.
Email: smfrol@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. G.D. Roy, S.M. Frolov, A.A. Borisov, D.W. Netzer, Progr. Energy Combust. Sci., 30, 545 (2004).
  2. S.M. Frolov, V.S. Aksenov, V.S. Ivanov, I. O. Shamshin, S.A. Nabatnikov, Gorenie Vzryv, 12, 63 (2019).
  3. F.A. Bykovskiy, S.A. Zhdan, Continous spin detonation. Novosibirsk: Lavrientev insitute SB RAS, 2013.
  4. S.M. Frolov, V.S. Ivanov, I.O. Shamshin, Gorenie Vzryv, 15, 67 (2022)
  5. S.M. Frolov, V.S. Ivanov, Russ. J. Phys. Chem. B., 15(2), 318 (2021).
  6. N. Smirnov, V. Nikitin, V.R. Dushin, Yu.G. Filippov, V. Nerchenko, J. Khadem, Acta Astronautica, 115, 94 (2015).
  7. A. Fedorov, T.A. Khmel, Combust. Explos. Shock Waves, 41, 435 (2005)
  8. E.K. Dabora, L.P. Weinberger, Acta Astronautica, 1, 361 (1974)
  9. V.V. Mitrofanov, Homogenious and heterogenious detonation. Novosibirsk:, Lavrientev insitute SB RAS 2003.
  10. K. Kailasanath, AIAA J., 41, 145 (2003).
  11. V. Tangirala, A. Dean, O. Peroomian, S. Palaniswamy, Proc. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, NV, 24, 1173 (2007)
  12. S.M. Frolov, V.S. Posvyanskii // Explosion Dynamics and Hazards, Eds. S.M. Frolov, F. Zhang, and P. Wolanski. Moscow, Torus Press, (2010).
  13. Q. Meng, M. Zhao, Y. Xu, L. Zhang, H. Zhang (2022). doi: 10.48550/arXiv.2209.11913
  14. N. Jourdaine, N. Tsuboi, A. K. Hayashi, Combust. Flame, 244, 112278 (2022)
  15. V. S. Ivanov, S. М. Frolov, Gorenie Vzryv, 3, 63 (2010).
  16. V.S. Ivanov, I.O. Shamshin, S.M. Frolov, Energies, 16, 7028 (2023).
  17. S.M. Frolov, V.S. Aksenov, I.O. Shamshin, Khim. Fizika, B., 36, 34 (2017); in russian.
  18. J.C. Tannehill, A.A. Dale, R.H. Pletcher, Computational fluid mechanics and heat transfer. Washington DC: Taylor and Francis, (1997).
  19. H.K. Versteeg, W. Malalasekera, An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. London: Longman Scientific and Technical (2007)
  20. J.K. Dukowicz, Quasi–steady droplet change in the presence of convection Los Alamos: University of California (1979).
  21. R.D. Reitz, Atomisation Spray Technology, 3, 309 (1987).
  22. S.B. Pope, Progress in Energy and Combustion Science. 11, 119 (1985).
  23. S.M. Frolov, V.S. Ivanov, B. Basara, M. Suffa, J. Loss Prevention Process Industries, 26, 302 (2013).
  24. S.M. Frolov, V.S. Ivanov, Deflagrative and detonative combustion / Ed. by G. Roy, S. Frolov. Moscow: Torus Press (2010).
  25. L. Mangani, C. Bianchini // Proc. OpenFOAM International Conference, 1, 1, (2007). https://flore.unifi.it/retrieve/handle/2158/418277/15222/OFIC-07.pdf
  26. К.А. Avdeev, V.S. Ivanov, S.M. Frolov, B. Basara, P. Priesching, M. Suffa, Gorenie Vzryv, 5, 91, (2012).
  27. V.N. Piskunov, Theoretical models of aerosols formation. Sarov: VNIIEF (2000).
  28. V.Ya. Basevich, А.А. Belyaev, S.N. Medvedev, V.S. Posvyanskiy, S.М. Frolov, Gorenie Vzryv, 8, 21, (2015).
  29. C. Naik, C.K. Westbrook, O. Herbinet, W. Pitz, M. Mehl, Proc. Combust. Inst. 33. P. 383 (2011).
  30. Z. Wu, Y. Mao, L. Yu, Y. Qian, X. Lu, Combust. Flame, 228, 302, (2021).
  31. S.М. Frolov, A.N. Polenov, B.E. Gelfand, А. А. Borisov, Sov. J. Chem. 5, 7 (1986).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. a – Schematic representation of the calculation area – a vertical channel with the gravity acceleration vector directed from top to bottom; b – mass distribution of isooctane droplets by size: curve 0 – experiment, curves 1–4 – calculation according to the droplet coagulation model for different channel sections, numbers 1–4 correspond to the distance from the beginning of the channel in meters.

Download (62KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Calculated change in the velocity of the detonation wave front along a vertical channel filled with a stoichiometric isooctane-air mixture. The calculation was performed for conditions obtained by blowing the channel with an initially monodisperse two-phase mixture with droplets 400 μm in diameter. The horizontal dashed line corresponds to the thermodynamic detonation velocity of the black liquid.

Download (19KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Calculated distributions of temperature, pressure and mass fraction of fuel vapor during propagation of heterogeneous detonation from bottom to top in a vertical channel with different initial mixture compositions: a – Ф = 0.7, b – Ф = 1.0, c – Ф = 1.8. The calculation was performed for conditions obtained by blowing the channel with an initially monodisperse two-phase mixture of air with isooctane droplets with a diameter of 400 μm. The reaction zone in the detonation wave, inside which the difference between the detonation and cocurrent flow velocities is less than the local speed of sound, is shown in white in the lower figures, and the ЧЖ condition is satisfied at the edges.

Download (116KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Comparison of calculated (curves) and measured (squares) dependences of the detonation velocity in a two-phase isooctane-air mixture on the total excess fuel coefficient. Calculations were performed for conditions obtained by blowing the channel with initially monodisperse two-phase mixtures with droplets of 150 (curve 1) and 400 μm (curve 2) diameters and for conditions with an initial polydisperse two-phase mixture, taking into account the coagulation of droplets during channel blowing (curve 3). The black dot corresponds to the thermodynamic detonation velocity of the BL.

Download (29KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».