Причина 1) В канале, по мере удаления от среза сопла, происходит существенное искривление профиля скорости основного потока за счет торможения в пограничном слое (см. Рис. 2). Поэтому, фронт детонационной волны, распространяясь по потоку с сильным градиентом скорости по сечению, вероятно должен сам претерпевать существенную деформацию.
По приведенным в работе оценкам, на длине тестовой секции установки, по этой причине волна может приобрести «прогиб» фронта Дmax = 0.3 м.
Причина 2) Второй причиной способной привести к неравномерности скорости детонационной волны в поперечном сечении может быть отличие локальных физических параметров потока на оси и в пограничном слое и, соответственно, влияние их на локальную скорость детонации.
По приведенным в работе оценкам, на длине тестовой секции установки, по этой причине волна может приобрести «прогиб» фронта Дmax = 0.04 м.
Для выяснения действительной формы фронта детонационной волны в сверхзвуковом потоке смеси были проведены исследования с помощью гребенки пъезодатчиков (14 штук), которые фиксировали момент прихода фронта волны в одном сечении.
Схема эксперимента и результаты измерений для случая распространения детонации навстречу потоку смеси в виде профилей «прогиба» фронта волны представлены на Рис.14. Видно, что фронт волны не плоский, каким он бывает при распространении детонации вдоль трубы с неподвижной смесью, а имеет форму тарелки, края которой в области погранслоя несколько опережают центральную часть. Экспериментально зафиксированное максимальное удаление друг от друга точек профиля в погранслое и ядре достигает 13 мм, что на длине 2 м соответствует разнице скоростей около 1%.
Х - расстояние от входа в тестовую секцию
Рис. 14.
Для случая распространения детонационной волны по потоку получены качественно схожие профили фронта. Максимальный «прогиб», зафиксированный в этом случае, наблюдается в сечении Х=2.07 м и равен 15мм.
Полученные результаты наглядно указывают на незначительные изменения формы фронта детонации при движении вдоль канала. Таким образом, на длине тестового канала установки (L=2 м) можно считать, что фронт волны распространяется как единое целое, а скорость, измеренная датчиками на стенке канала, совпадает со скоростью волны в ядре потока.
На основе выполненных в рамках данной работы экспериментов, а также результатов опытов, известных из литературы, сформулированы основные особенности процессов связанных с инициированием и распространением детонации в сверхзвуковом потоке горючей смеси.
Основные результаты главы 3:
- впервые экспериментально показана возможность формирования самоподдерживающегося детонационного горения в сверхзвуковом потоке водородо-воздушной смеси в диапазоне концентраций б = 0.5 ч 2.5;
- установлено, что скорость распространения детонационной волны против потока горючей смеси на 10-15% превышает рассчитанную скорость Чепмена-Жуге для неподвижной смеси с теми же условиями;
- установлено, что скорость распространения детонационной волны по потоку горючей смеси на 7-12% меньше рассчитанной скорости Чепмена-Жуге для неподвижной смеси с теми же условиями.
В заключении приведены основные выводы по работе:
1. Создана экспериментальная установка для исследования горения и детонации в сверхзвуковом потоке однородной горючей смеси.
2. Проведены исследования газодинамической и химической структуры реализуемого установкой течения смеси (число Маха М=4), позволившие получить детальную информацию о газодинамических параметрах и степени однородности горючей смеси в различных точках потока.
3. Для водородо-воздушной смеси впервые экспериментально показана возможность формирования самоподдерживающегося детонационного горения в сверхзвуковом потоке горючей смеси в диапазоне концентраций б = 0.5 ч 2.5 с инициированием и распространением волны как по направлению, так и против направления потока.
4. Установлено, что дистанция, на котором горение переходит в детонацию, составляет несколько диаметров канала и, в случае распространения волны вверх по потоку, примерно вдвое меньше, чем при распространении вниз по потоку. При удалении от стехиометрического соотношения топливо-окислитель в сторону концентрационного предела отмечаются режимы с неустойчивой детонацией и продолжительным участком формирования детонационного фронта.
5. Выполнены эксперименты с распространением детонации навстречу сверхзвуковому потоку горючей смеси, подтвердившие наличие эффекта превышения скорости детонационной волны по сравнению с расчетной скоростью Чепмена-Жуге, отмеченного ранее в экспериментальных работах других авторов.
6. Впервые выполнены исследования с распространением детонации по сверхзвуковому потоку горючей смеси. Обнаружен эффект понижения скорости детонационной волны в сравнении с расчетной скоростью Чепмена-Жуге.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:
Petrov A.P., Nalivaichenko D.G. Spark tracer method for supersonic flow velocity measurement.// Proceedings of 10th International Conference on Methods of Aerophysical Research (ICMAR'2000), 9-16 July 2000, Novosibirsk, Russia, P. 149-152.
Nalivaichenko D.G. Theoretical investigation of the ram-accelerator possibilities for projectiles accelerating to ultrahigh velocities.// Proceedings of International Workshop "Unsteady combustion and interior ballistics". Saint Petersburg, 2000. P. 255-257.
Наливайченко Д.Г. Анализ возможности разгона тел до больших гиперзвуковых скоростей в трубном прямоточном ускорителе.// Журнал Вестник молодых учёных. (технические науки) № 3, 2001. С. 72-79.
Наливайченко Д.Г. Экспериментальная установка для исследования формирования и распространения детонации в сверхзвуковом потоке гомогенной реагирующей смеси.// Всероссийская конференция молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии", Новосибирск, 29-31 октября 2001. С. 23-24.
Афонин Ю. В., Петров А. П., Наливайченко Д.Г. Многоканальный генератор высоковольтных импульсов и условия его применения для визуализации и измерения скорости течения газа с помощью искрового разряда.// Журнал Теплофизика и аэромеханика. Том 9, № 1, 2002. С. 143-149.
Vasil'ev A.A., Zvegintsev V.I., Nalivaichenko D.G. Study of a detonation wave in the supersonic flow of homogeneous mixture.// Proceedings of International Colloquium on Application of Detonation for Propulsion. July 6-9, 2004, St. Petersburg, Russia.
Vasil'ev A.A., Zvegintsev V.I., Nalivaichenko D.G. Detonation waves in supersonic stream of homogeneous reacting mixture.// Extended abstracts of the 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS), Montreal, Canada, 31 July to 5 August 2005.
Васильев А.А., Звегинцев В.И., Наливайченко Д.Г. Детонационные волны в сверхзвуковом потоке реагирующей смеси. // Физика горения и взрыва, 2006. Т. 42, № 5, С. 85-100.