Deflagration-to-detonation transition in a semiconfined slit combustor with separate supply of ethylene and oxygen at single-point and two-point ignition

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The paper experimentally determines the conditions for mild detonation initiation in a vertical semiconfined flat layer of stoichiometric ethylene–oxygen mixture of finite thickness. Pointwise ignition of the layer is performed by a single spark gap or two spatially separated spark gaps. Mild detonation initiation means deflagration-to-detonation transition (DDT). The flame and detonation propagation process is recorded by high-speed black-and-white and color video cameras. Mixture ignition by a single spark gap shows that the probability of DDT monotonically increases from 0 to 1 with the height of the combustible mixture layer. There is always the critical height of the layer, at which this probability has an intermediate value between 0 and 1. In the experiments, the critical height of the layer was 80–100 mm. Simultaneous ignition of the mixture by two spark gaps can lead to both deceleration and acceleration of DDT. Comparison of black-and-white and color images of the DDT process shows that the shapes of the flame front and detonation wave are similar in both cases but the color image allows obtaining additional information on the flame temperature. However, the black-and-white image with a large dynamic range better displays the structure of the flame front and detonation wave. The obtained results can be used in developing the procedures for safe and reliable starting of continuous-detonation engines, which require careful control of the time of filling the engine combustor with fuel and oxidizer as well as the ignition time of the explosive mixture.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Tatiana I. Eyvazova

MEPhI National Research Nuclear University; N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: Tanya.eyvazova@mail.ru

Student; Engineer

Russian Federation, Moscow; Moscow

Igor O. Shamshin

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

Email: igor_shamshin@mail.ru

Candidate of Sciences in Physics and Mathematics, Leading Researcher

Russian Federation, Moscow

Vladislav S. Ivanov

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

Email: ivanov.vls@gmail.com

Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Leading Researcher

Russian Federation, Moscow

Victor S. Aksenov

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; MEPhI National Research Nuclear University

Email: v.aksenov@mail.ru

Candidate of Sciences in Physics and Mathematics, Senior Researcher; Associate Professor

Russian Federation, Moscow; Moscow

Sergey M. Frolov

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; MEPhI National Research Nuclear University

Email: smfrol@chph.ras.ru

Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Head of the Department, Head of the Laboratory; Professor

Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Bykovskii, F. A., S. A. Zhdan, and E. F. Vedernikov. 2006. Continuous spin detonations. J. Propul. Power 22:1204– 1216.
  2. Rankin, B. A., M. L. Fotia, A. G. Naples, C. A. Stevens, J. L. Hoke, T. A. Kaemming, S. W. Theuerkauf, and F. R. Schauer. 2016. Overview of performance, application, and analysis of rotating detonation engine technologies. J. Propul. Power 33(1):1–13. doi: 10.2514/1.B36303.
  3. Zhou, R., D. Wu, and J.-P. Wang. 2016. Progress of continuously rotating detonation engines. Chinese J. Aeronaut. 29(1):15–29. doi; 10.1016/j.cja.2015.12.006.
  4. Anand, V., and E. Gutmark. 2019. Rotating detonation combustors and their similarities to rocket instabilities. Prog. Energ. Combust. 73:182–234.
  5. Wang, G., W. Liu, S. Liu, et al. 2021. Experimental verification of cylindrical air-breathing continuous rotating detonation engine fueled by non-premixed ethylene. Acta Astronaut. 189:722–732.
  6. Heister, S. D., J. Smallwood, A. Harroun, K. Dille, A. Martinez, and N. Ballintyn. 2022. Rotating detonation combustion for advanced liquid propellant space engines. Aerospace 9:581. doi: 10.3390/aerospace9100581.
  7. Shamshin, I. O., V. S. Ivanov, V. S. Aksenov, P. A. Gusev, and S. M. Frolov. 2022. Experimental study of the initial stage of the operation process in detonation rocket and air-breathing engines. Advances in detonation research. Ed. S. M. Frolov. Moscow: TORUS PRESS. 17–20. doi: 10.30826/ICPCD13A07.
  8. Shamshin, I. O., V. S. Ivanov, V. S. Aksenov, P. A. Gusev, and S. M. Frolov. 2022. Nachal’naya stadiya rabochego protsessa v nepreryvno-detonatsionnom dvigatele [Initial stage of the operation process in a rotating detonation engine]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 15(4):67–78. doi: 10.30826/CE22150407.
  9. Shamshin, I. O., V. S. Ivanov, V. S. Aksenov, P. A. Gusev, K. A. Avdeev, and S. M. Frolov. 2023. Rasprostranenie plameni i perekhod goreniya v detonatsiyu v poluogranichennoy ploskoy shchelevoy kamere sgoraniya s razdel’noy podachey etilena i kisloroda [Flame propagation and deflagration-to-detonation transition in a semiconfined flat slit combustor with separate supply of ethylene and oxygen]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 16(4):38–65. doi: 10.30826/CE23160405.
  10. Shamshin, I. O., V. S. Ivanov, V. S. Aksenov, P. A. Gusev, and S. M. Frolov. 2023. Deflagration-to-detonation transition in a semi-confined slit combustor filled with nitrogen diluted ethylene–oxygen mixture. Energies 16:1098. doi: doi.org/10.3390/en16031098.
  11. Shamshin, I. O., V. S. Ivanov, V. S. Aksenov, P. A. Gusev, K. A. Avdeev, and S. M. Frolov. 2023. Mild detonation initiation in rotating detonation engines: An experimental study of the deflagration-to-detonation transition in a semiconfined flat slit combustor with separate supplies of fuel and oxidizer. Aerospace 10:988. doi: 10.3390/aerospace10120988.
  12. Ivanov, V. S., I. O. Shamshin, and S. M. Frolov. 2023. Computational study of deflagration-to-detonation transition in a semi-confined slit combustor. Energies 16:7028. doi: 10.3390/en16207028.
  13. Shamshin, I. O., V. S. Ivanov, V. S. Aksenov, P. A. Gusev, S. M. Frolov, D. A. Vnuchkov, V. I. Zvegintsev, S. V. Lukashevich, and D. G. Nalivaichenko. 2023. Perekhod goreniya v detonatsiyu v poluogranichennom shchelevom zazore: experiment i raschet [Deflagration-to-detonation transition in semiconfined slit combustor: Experiment and calculation]. Protsessy goreniya i detonatsii v perspektivnykh energotekhnologiyakh [Combustion and detonation processes in advanced power technologies]. Eds. D. M. Markovich and O. V. Sharypov. Novosibirsk: NSU. 364–386.
  14. Shamshin, I. O., V. S. Ivanov, V. S. Aksenov, P. A. Gusev, and S. M. Frolov. 2024. Deflagration-to-detonation transition in a semiconfined slit combustor with separate supply of fuel and oxidizer. Transient deflagrations and detonation. Moscow: TORUS PRESS. 51–58. doi: 10.30826/ICPCD14A09.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic of the distributed spark gap (only 5 of 26 discharge gaps are shown). Dimensions are in millimeters

Download (175KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Coordinates of detonation onset (XDDT, YDDT) during ignition of a layer of C2H4 + 3O2 mixture by a single spark gap located at a height of hspark = 15 (a), 45 (b), and 75 mm (c): 1 — hest = 86 mm; 2 — 97; 3 — 118; 4 — hest = 140 mm; and 5 — Pi, pressure sensors coordinates

Download (110KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Video frames of DDT and detonation propagation in a C2H4 + 3O2 mixture at hest = 118 ± 2 mm and ignition by a single spark gap with hspark = 15 mm: (a) experiment #1179 (color camera, XDDT = 250 mm, YDDT = 27 mm, and TDDT = 0.94 ms); and (b) experiment #1187 (black-and-white camera, XDDT = 260 mm, YDDT = 28 mm, and TDDT = 0.94 ms)

Download (131KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Video frames of DDT and detonation propagation in a C2H4 + 3O2 mixture at hest = 98 ± 2 mm and ignition by a single spark gap with hspark = 45 mm: (a) experiment #1185 (color camera, XDDT = 422 mm, YDDT = 0 mm, and TDDT = 1.65 ms); and (b) experiment #1260 (black-and-white camera, XDDT = 394 mm, YDDT = 0 mm, and TDDT = 1.7 ms)

Download (113KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Video frames of DDT and detonation propagation in a C2H4 + 3O2 mixture at hest = 98 ± 2 mm and ignition by two spark gaps: (a) experiment #1297 (black-and-white camera, hspark,1 = 15 mm and hspark,2 = 75 mm, XDDT = 608 mm, YDDT = 0 mm, and TDDT = 1.46 ms); and (b) experiment #1291 (black-and-white camera, hspark,1 = 45 mm and hspark,2 = 75 mm, XDDT = 305 mm, YDDT = 18 mm, and TDDT = 1.43 ms)

Download (115KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Video frames of DDT and detonation propagation in a mixture of C2H4 + 3O2 at hest = 140 ± 2 mm and ignition by a single spark gap with hspark = 90 mm; experiment #1009 (black-and-white camera, XDDT = 0 mm, YDDT = 10 mm, and TDDT = 0.39 ms)

Download (72KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Video frames of DDT and detonation propagation in a mixture of C2H4 + 3O2 at hest = 140 ± 2 mm and ignition by a single spark gap at hspark = 165 mm; experiment #1024 (black-and-white camera, XDDT = 0 mm, YDDT = 60 mm, and TDDT = 0.62 ms)

Download (91KB)
Indexing metadata

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».