Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Для прогнозирования рисков и создания мер подавления динамических и тепловых воздействий взрыва топлив на основе водорода, важно понимать, какие конкретные сценарии могут развиваться. Наиболее опасным из вероятных сценариев развития взрыва считается формирование и распространение детонации [1]. Хорошо изучены сценарии, когда волна горения ускоряется в канале, и горение переходит в детонацию [2–5]. Вопрос же об условиях перехода в детонацию в свободном пространстве остается открытым. Несмотря на то, что в современной науке о горении и детонации сформированы представления о базовых механизмах [6, 7], полной картины того, по какому сценарию развивается переход горения в детонацию в неограниченном пространстве, и каковы критерии перехода, на сегодняшний день не существует. Экспериментальное исследование перехода горения в детонацию (ПГД) при свободном распространении пламени зафиксировано только в одной работе [9], причем для весьма экзотического случая — водород-кислородной смеси при повышенном давлении (10 атм). В недавнем цикле работ [9–11] была показана возможность моделирования процесса перехода горения в детонацию в свободном пространстве путем учета в одномерной газодинамической модели степени развитости поверхности фронта пламени. Для этого авторы увеличивали источниковые члены, ответственные за учет химических превращений, в уравнениях баланса энергии и масс отдельных компонент смеси в раз, где — степень развитости поверхности пламени (удельная площадь фронта). В результате скорость пламени возрастала в раз, что соответствует классическим представлениям о прямой зависимости скорости пламени от площади его поверхности [12]. Увеличение параметра согласно автомодельному закону роста площади фронта пламени [6] в рамках предложенной модели может способствовать повышению скорости пламени и связанному с этим росту давления на фронте горения. Итогом этого процесса становится переход горения в детонацию при достижении некоего критического значения параметра по механизму, подобному тому, что наблюдается при ускорении пламени в канале, и впервые предложенному в работе [13]. Важную роль в формировании детонационной волны играют механизмы, связанные с формированием и эволюцией волн сжатия на фоне развивающегося горения.
Переход горения в детонацию при свободном распространении пламени с хорошей степенью достоверности воспроизводится в приближении плоского фронта, искусственно возмущенного в начальный момент времени (рис. 1) [14]. Важно отметить, что начальное возмущение играет одну из ключевых ролей при развитии плоского фронта пламени. Для детального параметрического анализа процесса ускорения пламени будем варьировать амплитуду начального возмущения () при фиксированной длине волны возмущения (), равной 0,25 мм. В качестве примера рассмотрим горение эквимолярной водород-кислородной смеси при повышенном давлении 10 атм, в которой переход в детонацию при свободном распространении пламени наблюдался экспериментально [9].
Газодинамика процесса рассчитывается на основе полной системы уравнений динамики вязкой сжимаемой среды с учетом теплопроводности, многокомпонентной диффузии и экзотермических реакций [15]. Расчеты проводятся с использованием вычислительного алгоритма на основе бездиссипативной вычислительной методики КАБАРЕ [16]. Для воспроизведения количественных особенностей горения принципиально учитывать детальный кинетический механизм окисления топлива [17]. В настоящей работе для описания процесса горения водород-кислородной смеси используется механизм, предложенный в работе [18]. Ниже представлены результаты анализа расчетов, проведенных на сетке с размером = 12,5 мкм.
На начальной стадии скорость пламени нарастает экспоненциально совместно с амплитудой возмущения, наблюдается линейный рост площади поверхности фронта пламени (рис. 2, б). Линейная стадия роста неустойчивости по истечении времени (4...6 мкс) сменяется нелинейной стадией стабилизации. На этой стадии интенсивно сгорает смесь внутри вогнутых частей фронта пламени, на фоне чего происходит генерация поперечных волн сжатия [14]. В ходе развития этой и следующей стадий пламя продолжает ускоряться, а волны сжатия усиливаются при взаимодействии с разнесенными в пространстве участками фронта (рис. 2, а). Важную роль в развитии волнового процесса вдоль поверхности фронта пламени играет асимметрия в начальных условиях [14]. При этом поверхность пламени, подверженная воздействию поперечных волн сжатия, претерпевает структурные изменения (см. рис. 2, б). На стадии стабилизации сильно растянутый в пространстве фронт пламени сглаживается, что ведет к уменьшению значения . Далее параметр меняется немонотонным образом под действием поперечных волн сжатия. Анализ рис. 2, б показывает, что в случае = 0,4 мм площадь фронта в момент времени 34 мкс оказывается в полтора раза больше, чем в случае = 0,8 мм в момент перехода в детонацию (точка ПГД на рис. 2, б). При этом площадь фронта пламени на линейной стадии в обоих случаях по величине в несколько раз превышает значение в точке ПГД, но тем не менее перехода в детонацию на линейной стадии не происходит. В этом случае в результате сжатия смеси перед экспоненциально ускоряющимся фронтом пламени формируется ударная волна на некотором расстоянии перед фронтом. Более того, достигаемая на этой стадии скорость пламени – дозвуковая, и механизма взаимодействия пламени с зоной сжатия, которое бы смогло обеспечить совместный рост скорости горения и давления, нет. Рассмотрим развитие процесса в случае = 0,8 мм, в котором наблюдается переход в детонацию. Вследствие начальной высокой интенсивности процесса в ходе стадии стабилизации пламя ускоряется до скорости звука в холодной смеси перед фронтом пламени (рис. 2, а). В связи с этим возникает естественное ограничение на рассеяние волн сжатия в направлении движения фронта. Таким образом, имеет место запирание волн внутри фронта пламени. При этом волны сжатия усиливаются, и каждое следующее взаимодействие волны сжатия с фронтом пламени ведет к формированию все более сильной ударной волны. Пламя при взаимодействии с волнами сжатия также ускоряется, что отражено наличием пиков на хронограмме скорости пламени (см. рис. 2, а). В случае, когда локальные скорости ударной волны и фронта пламени превышают скорость звука в продуктах горения (), имеет место их совместное распространение. При этом ударная волна, локализованная в зоне экзотермической реакции, продолжает усиливаться, и в итоге формируется ударная волна, способная инициировать за своим фронтом детонацию.
В случае = 0,4 мм эффекта совместного роста скорости горения и давления, достаточных для перехода в детонацию, не наблюдается.
Для дальнейшего развития модельных представлений о переходе в детонацию при свободном распространении пламени и критериальной оценки возможности такого перехода необходимо на модельном уровне учитывать многомерные эффекты, связанные с эволюцией поля давления на фоне развивающегося пламени
Представленные в работе расчеты и их анализ указывают на необходимость совершенствования модельных представлений о переходе в детонацию при свободном распространении пламени и критериальной оценки возможности такого перехода. Таким образом продемонстрировано, что использование в качестве критерия удельной площади поверхности пламени, характеризующей степень развитости поверхности на различных стадиях эволюции пламени, не является достаточным. В первую очередь это обусловлено тем, что механизм перехода в детонацию при свободном распространении пламени связан с генерацией волн сжатия, распространяющихся в направлении вдоль поверхности фронта, и их усилением по механизму термоакустической неустойчивости [14]. Следовательно, без учета многомерных эффектов одномерная модель не может количественно верно предсказать, в какой точке пространства и в какой момент времени произойдет переход в детонацию, и возможен ли он.
