Влияние облаков частиц алюминия в водородно-воздушной смеси на устойчивость течений и структуры ячеистой детонации

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследование направлено на выявление основных механизмов распространения гибридной детонации в бедной (φ=0,6) водородно-воздушной смеси с частицами алюминия. Методами численного моделирования анализируются процессы взаимодействия установившихся плоских или ячеистых детонационных волн с облаками алюминиевых частиц конечной протяженности. При регуляризации детонационной структуры в облаке структуры остаются стабильными (с регулярной ячейкой) некоторое время после выхода из облака. Установлено увеличение зоны сохранения регулярности с увеличением плотности облака. Проведено сопоставление длин зон стабильности в одномерной и двумерной постановках.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Сергей Андреевич Лаврук

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: lavruk@itam.nsc.ru

(р. 1991) — кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник

Россия, 4/1 Institutskaya Str., Novosibirsk 630090

Татьяна Алексеевна Хмель

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Email: khmel@itam.nsc.ru

(р. 1956) — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Россия, 4/1 Institutskaya Str., Novosibirsk 630090

Список литературы

  1. Golovastov S. V., Bivol G. Y., Alexandrova D. Evolution of detonation wave and parameters of its attenuation when passing along a porous coating // Exp. Therm. Fluid Sci., 2019. Vol. 100. P. 124–134. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2018.08.030.
  2. Radulescu M. I., Lee J. H. S. The failure mechanism of gaseous detonations: Experiments in porous wall tubes // Combust. Flame, 2002. Vol. 131. No. 1-2. P. 29–46. doi: 10.1016/S0010-2180(02)00390-5.
  3. Radulescu M. I., Maxwell B. M. N. The mechanism of detonation attenuation by a porous medium and its subsequent re-initiation // J. Fluid Mech., 2011. No. 667. P. 96–134. doi: 10.1017/S0022112010004386.
  4. Фёдоров А. В., Тропин Д. А. Определение критического размера облака частиц, необходимого для подавления газовой детонации // Физика горения и взрыва, 2011. Т. 47. № 4. С. 100–108. EDN: OHSQZT.
  5. Tropin D., Temerbekov V. Numerical simulation of detonation wave propagation through a rigid permeable barrier // Int. J. Hydrogen Energ., 2022. Vol. 47. No. 87. P. 37106–37124. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.08.256.
  6. Тропин Д. А., Лаврук С. А. Физико-математическое моделирование ослабления гомогенных и гетерогенных детонационных волн облаками капель воды // Физика горения и взрыва, 2022. Т. 58. № 3. С. 80–90. doi: 10.15372/FGV20220308. EDN: DLKVJU.
  7. Tropin D., Vyshegorodcev K. Numerical simulation of interaction of cellular detonation wave with systems of inert porous filters // Int. J. Hydrogen Energ., 2023. Vol. 48. No. 48. P. 18454–18485. doi: 10.1016/j.ijhydene. 2023.01.209.
  8. Khasainov B. A., Veyssiere B. Steady, plane, double-front detonations in gaseous detonable mixtures containing a suspension of aluminum particles // Dynamics of explosions / Eds. A. Borisov, A. L. Kuhl, J. R. Bowen, J.-C. Leyer. — Progress in astronautics and aeronautics ser. — AIAA, 1988. P. 284–299. doi: 10.2514/5.9781600865886. 0284.0299.
  9. Khasainov B. A., Veyssiere B. Initiation of detonation regimes in hybrid two-phase mixtures // Shock Waves, 1996. Vol. 6. P. 9–15. doi: 10.1007/BF02511399.
  10. Veyssiere B., Ingignoli W. Existence of the detonation cellular structure in two-phase hybrid mixtures // Shock Waves, 2003. Vol. 12. No. 4. P. 291–299. doi: 10.1007/ s00193-002-0168-8.
  11. Khasainov B. A., Veyssiere B., Ingignoli W. Numerical simulation of detonation cell structure in hydrogen–air mixture loaded by aluminum particles // High-speed deflagration and detonation: Fundamentals and control / Eds. G. D. Roy, S. M. Frolov, D. W. Netzer, A. A. Borisov. — Moscow: Elex-KM Publs., 2001. P. 163–174.
  12. Wu W., Wang Y., Wu K., Ma Z., Han W., Wang J., Wang G., Zhang M. Experimental evaluation of aluminum powder fuel in a hydrogen/oxygen detonation tube // Int. J. Hydrogen Energ., 2023. Vol. 48. No. 62. P. 24089–24100. doi: 10.1016/j.ijhydene.2023.03.078.
  13. Хмель Т. А., Лаврук С. А., Афанасенков А. А. Распространение гибридной детонации в водород-кислородной смеси с частицами алюминия в канале с расширением // Челябинский физико-математический ж., 2023. Т. 8. № 3. С. 371–386. doi: 10.47475/2500-0101-2023-8-3-371-386.
  14. Хмель Т. А., Лаврук С. А. Структура и распространение волн Чепмена–Жуге в водород-кислородной смеси с частицами алюминия // Челябинский физико-математический ж., 2023. Т. 8. № 4. С. 580–593. doi: 10.47475/2500-0101-2023-8-4-580-593.
  15. Хмель Т. А., Лаврук С. А. Моделирование течений ячеистой детонации в смеси водород–кислород–аргон с частицами алюминия // Физика горения и взрыва, 2024. Т. 60. № 3. С. 104–116. doi: 10.15372/ fgv2023.9298.
  16. Khmel T. A., Lavruk S. A. Development of a model of hybrid detonation in a mixture of oxygen–hydrogen–argon with aluminum particles // Горение и взрыв, 2023. Т. 16. № 1. С. 63–69. doi: 10.30826/CE23160107.
  17. Бедарев И. А., Рылова К. В., Фёдоров А. В. Применение детальных и приведенных кинетических схем для описания детонации водородовоздушных смесей с разбавителем // Физика горения и взрыва, 2015. Т. 51. № 5. С. 22–33. doi: 10.15372/FGV20150503. EDN: UMUJFX.
  18. Bedarev I., Temerbekov V. Estimation of the energy of detonation initiation in a hydrogen–oxygen mixture by a high velocity projectile // Therm. Sci., 2021. Vol. 25. Iss. 5. Part B. P. 3889–3897. doi: 10.2298/TSCI210115180B.
  19. Bedarev I. A., Temerbekov V. M. Modeling of attenuation and suppression of cellular detonation in the hydrogen–air mixture by circular obstacles // Int. J. Hydrogen Energ., 2022. Vol. 47. No. 90. P. 38455–38467. doi: 10.1016/ j.ijhydene.2022.08.307.
  20. Федоров А. В. Структура гетерогенной детонации частиц алюминия, диспергированных в кислороде // Физика горения и взрыва, 1992. Т. 28. № 3. С. 72–83. EDN: XWFPCP.
  21. Федоров А. В., Хмель Т. А. Численное моделирование формирования ячеистой гетерогенной детонации частиц алюминия в кислороде // Физика горения и взрыва, 2005. Т. 41. № 4. С. 84–98. EDN: NXVFDT.
  22. Хмель Т. А. Моделирование ячеистой детонации в газовзвесях субмикронных и наноразмерных частиц алюминия // Физика горения и взрыва, 2019. Т. 55. № 5. С. 73–82. doi: 10.15372/FGV20190509. EDN: LSFURA.
  23. Strauss W. A. Investigation of the detonation of aluminum powder–oxygen mixtures // AIAA J., 1968. Vol. 6. No. 9. P. 1753–1756.
  24. Lavruk S. A., Khmel T. A. Regimes and critical conditions of detonation propagation in expanding channels in gas suspensions of ultrafine aluminum particles // J. Loss Prevent. Proc., 2021. No. 71. P. 104476. doi: 10.1016/ j.jlp.2021.104476.
  25. Khmel T. A., Lavruk S. A. Detonation flows in aluminium particle gas suspensions, inhomogeneous in concentrations // J. Loss Prevent. Proc., 2021. No. 72. P. 104522. doi: 10.1016/j.jlp.2021.104522.
  26. Хмель Т. А., Лаврук С. А. Моделирование ячеистой детонации в газовзвесях субмикронных частиц алюминия c различными распределениями концентрации // Физика горения и взрыва, 2022. Т. 58. № 3. С. 3–18. doi: 10.15372/FGV20220301. EDN: POBAYY.
  27. Tropin D. A., Lavruk S. A. Numerical simulation of the interaction of heterogeneous detonation with the porous insert of different geometry // Горение и взрыв, 2023. Т. 16. № 1. С. 70–75. doi: 10.30826/CE23160108.
  28. Сандарам Д., Янг В., Зарко В. Е. Горение наночастиц алюминия (обзор) // Физика горения и взрыва, 2015. Т. 51. № 2. С. 37–63. EDN: TQUWMP.
  29. Старик А. М., Савельев А. М., Титова Н. С. Особенности воспламенения и горения композитных топлив, содержащих наночастицы алюминия (обзор) // Физика горения и взрыва, 2015. Т. 51. № 2. С. 64–91. EDN: TQUWMZ.
  30. Афанасенков А. А., Хмель Т. А. Валидация модели гибридной детонации водород-воздушных смесей с частицами алюминия // Челябинский физико-математический ж., 2024. Т. 9. № 4. С. 177–186. doi: 10.47475/ 2500-0101-2024-9-2-177-186.
  31. Ciccarelli G., Ginsberg T., Boccio J., Economos C., Sato K., Kinoshita M. Detonation cell size measurements and predictions in hydrogen–air–steam mixtures at elevated temperatures // Combust. Flame, 1994. Vol. 99. No. 2. P. 212–220. doi: 10.1016/0010-2180(94)90124-4.
  32. Ciccarelli G., Ginsburg T., Boccio J., Economos C.,Finfrock C., Gerlach L., Sato K., Kinoshita M. High-temperature hydrogen–air–steam detonation experiments in the BNL small-scale development apparatus. — Upton, NY, USA: Brookhaven National Lab., 1994. 104 p.
  33. Hosoda H., Hayashi A. K., Yamada E. Numerical analysis on combustion characteristics of nano aluiminum particle-oxygen two-phase detonation // Sci. Technol. Energ. Ma., 2013. Vol. 74. No. 1-2. P. 34–40.
  34. Бойко В. М., Киселев В. П., Киселев С. П., Папырин А. Н., Поплавский С. В., Фомин В. М. О взаимодействии ударной волны с облаком частиц // Физика горения и взрыва, 1996. Т. 32. № 2. С. 86–99.
  35. Harten A. High resolution schemes for hyperbolic conservation laws // J. Comput. Phys., 1983. Vol. 49. No. 3. P. 357–393. doi: 10.1016/0021-9991(83)90136-5.
  36. Roache P. J. Computational fluid dynamics. — Albuquerque, NM, USA: Hermosa Publs., 1976. 446 p.
  37. Хмель Т. А., Лаврук С. А. Влияние добавки нанодисперсных частиц алюминия на характеристики детонации водородно-воздушных смесей // Письма в ЖТФ, 2024. Vol. 50. № 8. С. 38–40. doi: 10.61011/PJTF. 2024.08.57519.19832.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Профили давления детонационной волны для облака реагирующих частиц d2=1 (а) и 3,5 мкм (б): левый столбец — плотность облака ρ2=30 г/м3; правый столбец — ρ2=90 г/м3 

Скачать (613KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Поля истории максимального давления при добавлении частиц с d2=3,5 мкм, плотность облака ρ2=90 г/м3 

Скачать (481KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Поля истории максимального давления области за облаком частиц с d2=3,5 мкм: (а) плотность облака ρ2=30 г/м3; (б) 50; (в) ρ2=90 г/м3 

Скачать (356KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Поля истории максимального давления области за облаком частиц с d2=1 мкм: (а) плотность облака ρ2=30 г/м3; (б) 50; (в) ρ2=90 г/м3 

Скачать (357KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Соотношение длины зоны регулярной ячеистой структуры от плотности облака реагирующих частиц: 1 — 1 мкм; 2 — 3,5 мкм; залитые значки — двумерный расчет; пустые значки — одномерный расчет

Скачать (126KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).