Detonation wave structure in a two-phase system containing gaseous oxidizer and liquid fuel droplets

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The results of three-dimensional simulation of the propagation of detonation waves in suspensions of liquid isooctane droplets in air are presented. The calculation technique is based on solving mass, momentum, and energy conservation equations for the two-phase compressible turbulent reacting flow taking into account the movement, aerodynamic breakup, heating and evaporation of droplets, the finite-rate mixing of fuel components, and chemical transformations. The reliability of the method is verified by comparing the calculated and measured propagation velocities of two-phase detonations in a vertical channel of square cross section. The influence of the prehistory of the formation of a two-phase combustible mixture on the propagation velocity and structure of detonation waves in the channel is considered. New data have been obtained on the structure of the detonation waves in two-phase systems.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Vladislav S. Ivanov

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; Scientific Research Institute for System Analysis of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ivanov.vls@gmail.com

Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Leading Researcher; Researcher

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; Scientific Research Institute for System Analysis of the Russian Academy of Sciences

Email: smfrol@chph.ras.ru

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

Russian Federation, Moscow; Moscow; Moscow

Alan E. Zangiev

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

Email: sydra777@gmail.com

Candidate of Sciences in Physics and Mathematics, Researcher

Russian Federation, Moscow

References

  1. Roy, G. D., S. M. Frolov, A. A. Borisov, and D. W. Netzer. 2004. Pulse detonation propulsion: Challenges, current status, and future perspective. Prog. Energ. Combust. 30(6):545–672.
  2. Frolov, S. M., V. S. Aksenov, V. S. Ivanov, I. O. Shamshin, and S. A. Nabatnikov. 2019. Broskovye ispytaniya bespilotnogo letatel’nogo apparata s pryamotochnym vozdushnoreaktivnym impul’sno-detonatsionnym dvigatelem [Сatapult launching tests of an unmanned aerial vehicle with a ramjet pulsed-detonation engine]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 12(1):63–72. doi: 10.30826/CE19120108.
  3. Bykovsky, F. A., and S. A. Zhdan. 2013. Nepreryvnaya spinovaya detonatsiya [Continuous spin detonation]. Novosibirsk: Institute of Hydrodynamics SB RAS Publs. 422 p.
  4. Frolov, S. M., V. S. Ivanov, I. O. Shamshin, V. S. Aksenov, M. Yu. Vovk, I. V. Mokrynskij, V. A. Bruskov, D. V. Igonkin, S. N. Moskvitin, A. A. Illarionov, and E. Yu. Marchukov. 2022. Forsazhnaya kamera s detonatsionnym goreniem kerosina [Afterburner operating on detonative combustion of liquid jet propulsion fuel]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 15(1):67–71. doi: 10.30826/CE22150108.
  5. Smirnov, N., V. Nikitin, V. R. Dushin, Yu. G. Filippov, V. Nerchenko, and J. Khadem. 2015. Combustion onset in non-uniform dispersed mixtures. Acta Astronaut. 115. doi: 10.1016/j.actaastro.2015.04.021.
  6. Fedorov, A. V., and T. A. Khmel. 2005. Numerical simulation of formation of cellular heterogeneous detonation of aluminum particles in oxygen. Combust. Explo. Shock Waves 41:435–448. doi: 10.1007/s10573-005-0054-7.
  7. Dabora, E. K., and L. P. Weinberger. 1974. Present status of detonations in two-phase systems. Acta Astronaut. 1(3-4):361–372. doi: 10.1016/0094-5765(74)90103-9.
  8. Mitrofanov, V. V. 2003. Detonatsiya gomogennykh i geterogennykh sistem [Detonation of homogeneous and heterogeneous systems]. Novosibirsk: Institute of Hydrodynamics SB RAS Publs. 200 p.
  9. Kailasanath, K. 2003. Recent developments in the research on pulse detonation engines. AIAA J. 41(2):145– 159.
  10. Tangirala, V., A. Dean, O. Peroomian, and S. Palaniswamy. 2007. Investigations of two-phase detonations for performance estimations of a pulsed detonation engine. AIAA Paper No. 2007-1173. doi: 10.2514/6.2007-1173.
  11. Frolov, S. M., and V. S. Posvyanskii. 2010. Detonability of liquid-fuel drop suspensions in air. Explosion dynamics and hazards. Eds. S. M. Frolov, F. Zhang, and P. Wolanski. Moscow: TORUS PRESS. 337–364.
  12. Meng, Q., M. Zhao, Y. Xu, L. Zhang, and H. Zhang. 2022. Structure and dynamics of spray detonation in n-heptane droplet-vapor–air mixtures. 43 p. doi: 10.48550/ arXiv.2209.11913.
  13. Jourdaine, N., N. Tsuboi, and A. K. Hayashi. 2022. Investigation of liquid n-heptane/air spray detonation with an Eulerian–Eulerian model. Combust. Flame 244:112278. doi: 10.1016/j.combustflame.2022.112278.
  14. Ivanov, V. S., and S. M. Frolov. 2010. Matematicheskoe modelirovanie perekhoda goreniya v detonatsiyu v trube so spiral’yu Shchelkina i fokusiruyushchim ustroystvom [Mathematical modeling of the combustion-todetonation transition in a tube with a Schelkin spiral and a focusing device]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 3:63–70.
  15. 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.
  16. Frolov, S. M., V. S. Aksenov, and I. O. Shamshin. 2017. Perekhod goreniya v detonatsiyu v stratifitsirovannoy sisteme kislorod – plenka zhidkogo topliva [Deflagrationto-detonation transition in a stratified system oxygen – liquid fuel film]. Khim. Fizika 36(6):34–44. doi: 10.7868/S0207401X17060073.
  17. Tannehill J. C., A. A. Dale, and R. H. Pletcher. 1997. Computational fluid mechanics and heat transfer. Washington, DC: Taylor and Francis, 1997. 792 p.
  18. Versteeg, H. K., and W. Malalasekera. 2007. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method. London: Longman Scientific and Technical. 696 p.
  19. Dukowicz, J. K. Quasi-steady droplet change in the presence of convection. Los Alamos, CA: University of California, 1979. 18 p.
  20. Reitz, R. D. 1987. Modeling atomization processes in high-pressure vaporizing sprays. Atomisation Spray Technology 3(4):309–337.
  21. Pope, S. B. 1985. PDF methods for turbulent reactive flows. Prog. Energ. Combust. 11(2):119–192.
  22. Frolov, S. M., and V. S. Ivanov. 2010. Combined flame tracking particle method for numerical simulation of deflagration-to-detonation transition. Deflagrative and detonative combustion. Eds. G. Roy and S. Frolov. Moscow: TORUS PRESS. 133–156.
  23. Frolov, S. M., V. S. Ivanov, B. Basara, and M. Suffa. 2013. Numerical simulation of flame propagation and localized preflame autoignition in enclosures. J. Loss Prevent. Proc. 26:302–309.
  24. Basevich, V. Ya., A. A. Belyaev, S. N. Medvedev, V. S. Posvyansky, and S. M. Frolov. 2015. Kineticheskie detal’nyy i global’nyy mekhanizmy dlya surrogatnogo topliva [Detailed and global kinetic mechanisms for surrogate fuel]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 8(1):21–28.
  25. Benmahammed, М. А., B. Veyssiere, B. A. Khasainov, and M. Mara. 2016. Effect of gaseous oxidizer composition on the detonability of isooctane–air sprays. Combust. Flame165:198–207.
  26. Ivanov, V. S., and S. M. Frolov. 2024. Three-dimensional mathematical simulation of two-phase detonation in the system of a gaseous oxidizer with fuel droplets. Russ. J. Phys. Chem. B 18(5):1341–1349. doi: 10.1134/ S1990793124701112.
  27. Frolov, S. M., A. N. Polenov, B. E. Gel’fand, and A. A. Borisov. 1986. Features of detonation in systems with arbitrary losses. Sov. J. Chem. Phys. 5(7):1641–1668.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Calculated distributions of the gas velocity (1) and the mass fraction of fuel vapor (2) when filling the channel with a gas suspension of iso-octane droplets with an initial diameter (before the start of filling the channel) of 400 μm

Download (62KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Calculated dependences of the detonationwave propagation velocity along a vertical channel filledwith a gas suspension of iso-octane droplets with an initial diameter (before the start of filling the channel) of 400 μm at a fuel-to-air equivalence ratio of Φ = 0.7 (1), 1.0 (2), and 1.8 (3). Horizontal dotted lines correspond to the Chapman–Jouguet detonation velocity for homogeneous iso-octane–air mixtures of the same compositions. The vertical dash-and-dotted line corresponds to the cross section of the channel (monitoring location) in which the structure of the self-sustained detonation wave is studied

Download (89KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Comparison of the calculated profiles of pressure (a) and temperature (b) along the center line of the vertical channel for self-sustained detonation waves traveling through a stoichiometric gas suspension of iso-octane droplets with an initial diameter (before the start of filling the channel) of 150 (1) and 400 μm (2); cross section X = 0 corresponds to the leading front of the detonation wave upon its arrival at the monitoring location (3.37 m)

Download (78KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Calculated profiles of pressure (a) and temperature (b) along the center line of the vertical channel for self-sustained detonation waves traveling through gas suspensions of iso-octane droplets with an initial diameter (before the start of filling the channel) of 400 μm at different values of the fuel-to-air equivalence ratio: 1 — Φ = 0.7, 2 — 1.0, and 3 — 1.8; cross section X = 0 corresponds to the leading front of the detonation wave upon its arrival at the monitoring location (3.37 m)

Download (88KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Calculated instantaneous distributions of iso-octane droplet sizes and energy release zones with (upper frames) and without (lower frames) superposition of the corresponding fields behind the leading front of detonation waves traveling through droplet suspensions with fuel-to-air equivalence ratio Φ = 0,7 (a), 1.0 (b), and 1.8 (c) at an initial droplet diameter (before the start of filling the channel) of 400 μm. Energy release zones are shown by grey dots corresponding to spontaneously ignited Monte-Carlo particles

Download (197KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Calculated instantaneous distributions of themass fraction of fuel vapor (upper frames) and temperature (lower frames) in a detonation wave traveling through a gas suspension of iso-octane droplets with an initial diameter (before the start of filling the channel) of 400 μm at Φ = 0.7 (a), 1.0 (b), and 1.8 (c)

Download (157KB)
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».