RU2429409C1 - Initiation method of detonation in tube with flammable mixture and device for its implementation - Google Patents
Initiation method of detonation in tube with flammable mixture and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2429409C1 RU2429409C1 RU2010107751/06A RU2010107751A RU2429409C1 RU 2429409 C1 RU2429409 C1 RU 2429409C1 RU 2010107751/06 A RU2010107751/06 A RU 2010107751/06A RU 2010107751 A RU2010107751 A RU 2010107751A RU 2429409 C1 RU2429409 C1 RU 2429409C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shock wave
- pipe
- combustible mixture
- primary
- ignition
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относятся к способам и устройствам для сжигания топлива, а именно к газовой и газокапельной детонации, и могут быть использованы для инициирования детонации горючей смеси в различных технологических устройствах и энергетических установках, в частности в импульсных детонационных двигателях.The invention relates to methods and devices for burning fuel, namely to gas and gas-droplet detonation, and can be used to initiate detonation of a combustible mixture in various technological devices and power plants, in particular in pulse detonation engines.
Главной проблемой при создании импульсных детонационных двигателей является необходимость максимального уменьшения преддетонационного расстояния и времени при использовании минимальной энергии источника зажигания. Классические способы инициирования детонации предполагают либо использование неприемлемо мощного кратковременного выделения энергии (Зельдович Я.Б., Когарко С.М., Симонов Н.Н. // ЖТФ, 1956, том 26, №8, с.1744-1752), либо достижение перехода горения в детонацию (ПГД) при слишком больших расстоянии и времени.The main problem when creating pulsed detonation engines is the need to minimize the pre-knock distance and time while using the minimum energy of the ignition source. Classical methods of initiating detonation involve either the use of an unacceptably powerful short-term energy release (Zeldovich Ya.B., Kogarko S.M., Simonov N.N. // ZhTF, 1956, Volume 26, No. 8, pp. 1744-1752), or achievement of the transition of combustion to detonation (PGD) at too large a distance and time.
Известны способ инициирования детонации в горючих смесях и устройство для его осуществления, предложенные в патенте RU 2333423, F23C 15/00, F23R 7/00, опубл. 10.02.2008. Способ заключается в организации вихревого течения топливной смеси, состоящей из горючего и окислителя, таким образом, что помимо основного вихря образуют систему мелкомасштабных вихрей, оси которых перпендикулярны плоскости потока. Способ осуществляют в устройстве, содержащем камеру сгорания, систему подачи топлива и источник зажигания. Камера сгорания выполнена в виде замкнутого плоского кольцевого канала, ограниченного цилиндрической поверхностью и двумя плоскими стенками. Диаметр кольцевого канала больше расстояния между плоскими стенками. Вдоль цилиндрической поверхности равномерно расположены отверстия (форсунки) для раздельной подачи горючего и окислителя, причем отверстия для подачи одного из топливных компонентов (обычно окислителя) направлены тангенциально или под углом к цилиндрической поверхности. Одна или обе плоские стенки имеют в центре отверстие для выхода детонационной волны и продуктов детонации. Основные недостатки известных способа и устройства - сложная организация движения окислителя и горючего, а также необходимость достижения значительной «видимой» скорости турбулентного фронта пламени для ПГД, характерной для классического механизма ПГД (более 1000 м/с в топливно-воздушных смесях).A known method of initiating detonation in combustible mixtures and a device for its implementation, proposed in patent RU 2333423, F23C 15/00, F23R 7/00, publ. 02/10/2008. The method consists in organizing the vortex flow of the fuel mixture, consisting of fuel and an oxidizing agent, so that in addition to the main vortex, they form a system of small-scale vortices, the axes of which are perpendicular to the plane of the flow. The method is carried out in a device containing a combustion chamber, a fuel supply system and an ignition source. The combustion chamber is made in the form of a closed flat annular channel bounded by a cylindrical surface and two flat walls. The diameter of the annular channel is greater than the distance between the flat walls. Holes (nozzles) are arranged uniformly along the cylindrical surface for the separate supply of fuel and oxidizer, and the holes for supplying one of the fuel components (usually the oxidizer) are directed tangentially or at an angle to the cylindrical surface. One or both flat walls have a hole in the center for the exit of the detonation wave and detonation products. The main disadvantages of the known method and device are the complex organization of the movement of the oxidizing agent and fuel, as well as the need to achieve a significant "visible" speed of the turbulent flame front for PGD, characteristic of the classical mechanism of PGD (more than 1000 m / s in fuel-air mixtures).
Известны способ инициирования детонации в трубах с горючей смесью и устройство для его осуществления - спираль Щепкина (Щепкин К.И. Быстрое горение и спиновая детонация газов, М.: Военное изд-во МВС СССР 1949 г., стр.81, рис.34). Увеличение «видимой» скорости фронта пламени достигается путем турбулизации готовой топливовоздушной смеси, движущейся соосно трубе, в турбулизаторе в виде спирали, расположенном между источником горючей смеси и участком гладкой трубы. Недостатком данных способа и устройства является необходимость достижения значительной «видимой» скорости турбулентного фронта пламени (более 1000 м/с в топливно-воздушных смесях) для ПГД и, как следствие, большое преддетонационное расстояние в широких трубах, что ведет к росту массогабаритных характеристик технологических устройств и энергетических установок.A known method of initiating detonation in pipes with a combustible mixture and a device for its implementation is the Schepkin spiral (Schepkin K.I. Fast burning and spin detonation of gases, M .: Military Publishing House of the USSR Ministry of Internal Affairs 1949, p. 81, Fig. 34 ) The increase in the "visible" speed of the flame front is achieved by turbulizing the finished air-fuel mixture moving coaxially in the turbulator in the form of a spiral located between the source of the combustible mixture and the section of the smooth pipe. The disadvantage of the data of the method and device is the need to achieve a significant "visible" speed of the turbulent flame front (more than 1000 m / s in fuel-air mixtures) for PGD and, as a result, a large pre-knock distance in wide pipes, which leads to an increase in the mass-dimensional characteristics of technological devices and power plants.
Известны способ инициирования детонации в длинных трубах (длина 18 м, диаметр 5, 15 и 30 см) с горючей смесью и устройство для его осуществления, описанные в работе О.Peraldi, R.Knystautas and J.H.Lee "Criteria for transition detonation in tubes". Twenty-First Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute, 1986, pp.1629-1637. По всей длине трубы установлены регулярные кольцевые препятствия прямоугольного профиля, на которых осуществляется турбулизация пламени и затем ускорение турбулентного фронта пламени. Образующаяся при этом первичная ударная волна (УВ), отражаясь от препятствий, приводит к периодическому локальному повышению температуры за фронтом бегущей УВ, в результате рано или поздно (в зависимости от достигнутой скорости УВ и диаметра трубы) возникают очаги самовоспламенения горючей смеси, которые, воздействуя на фронт УВ, ускоряют ее вплоть до возникновения детонации. В работе исследовалось влияние параметров трубы (длины и диаметра) и параметров кольцевых препятствий (диаметра отверстия, высоты, шага) на время и длину (преддетонационное расстояние) ПГД. ПГД наблюдался только на расстоянии от первого препятствия 5-10 м и только для «чувствительных» топливно-воздушных смесей (водород, ацетилен и др.).A known method of initiating detonation in long pipes (length 18 m, diameter 5, 15 and 30 cm) with a combustible mixture and a device for its implementation, described in the work of O. Peraldi, R. Knystautas and JHLee "Criteria for transition detonation in tubes" . Twenty-First Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute, 1986, pp. 1629-1637. Regular rectangular obstacles are installed along the entire length of the pipe, on which the flame is turbulized and then the turbulent flame front is accelerated. The resulting primary shock wave (HC), reflected from obstacles, leads to a periodic local increase in temperature behind the front of the traveling HC, sooner or later (depending on the achieved speed of the HC and the diameter of the pipe) there are foci of self-ignition of the combustible mixture, which, acting to the front of the shock wave, accelerate it until detonation occurs. The influence of pipe parameters (length and diameter) and ring obstacle parameters (hole diameter, height, pitch) on the time and length (pre-knock distance) of the PGD was studied. PGD was observed only at a distance of 5-10 m from the first obstacle and only for “sensitive” air-fuel mixtures (hydrogen, acetylene, etc.).
Главным недостатком данных известных способа и устройства является следующее: при распространении УВ через кольцевые препятствия простой формы (имеющие при продольном разрезе трубы прямоугольный профиль), очаг самовоспламенения возникает не в свободном ядре течения горючей смеси, а на периферии течения с наветренной стороны препятствия (то есть на значительном удалении от фронта УВ), поэтому область самовоспламенения подвергается сильному воздействию волн разряжения, что значительно снижает эффективность локального энергетического воздействия очагов самовоспламенения на скорость УВ и, тем самым, ограничивает возможности способа и устройства по сокращению длины и времени ПГД, тогда как одной из наиболее важных проблем является поиск условий надежного инициирования детонации в топливно-воздушных смесях в коротких трубах - порядка 1.5-2.5 м (при помощи слабых источников энергии за кратчайшее время).The main drawback of the data of the known method and device is the following: during the propagation of HC through annular obstacles of a simple shape (having a rectangular profile with a longitudinal section of the pipe), the self-ignition center does not arise in the free core of the flow of the combustible mixture, but on the periphery of the flow from the windward side of the obstacle (i.e. at a considerable distance from the shock front), therefore, the self-ignition region is strongly affected by rarefaction waves, which significantly reduces the efficiency of the local energy the effect of self-ignition foci on the speed of hydrocarbons and, therefore, limits the ability of the method and device to reduce the length and time of PGD, while one of the most important problems is the search for conditions for reliable initiation of detonation in fuel-air mixtures in short pipes - about 1.5-2.5 m (using weak energy sources in the shortest time).
В Институте химической физики РАН в течение длительного времени проводятся фундаментальные исследования условий ПГД. Разработан способ инициирования детонации в короткой гладкой трубе с помощью бегущего импульса принудительного зажигания (Фролов С.М., Басевич В.Я. и др. // ДАН, 2004, Т.394, №2, с.222-224; ДАН, 2004, Т.394, №4, с.503-505).The Institute of Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences has been conducting fundamental research on the conditions of PGD for a long time. A method has been developed for initiating detonation in a short smooth tube using a traveling positive ignition pulse (Frolov S.M., Basevich V.Ya. et al. // DAN, 2004, V.394, No. 2, p. 222-224; DAN, 2004, T.394, No. 4, p. 503-505).
Наиболее близкими к предлагаемым изобретениям по технической сущности являются способ инициирования детонации в трубе с горючей смесью и устройство для его осуществления, описанные в работе (Фролов С.М., Семенов И.В., Комиссаров П.В., Уткин П.С., Марков В.В. Сокращение длины и времени перехода горения в детонацию в трубе с профилированными регулярными препятствиями. // ДАН, 2007, Т.415, №4, с.509-513), выбранной за прототип.Closest to the proposed inventions in technical essence are the method of initiating detonation in a pipe with a combustible mixture and a device for its implementation, described in (Frolov S.M., Semenov I.V., Komissarov P.V., Utkin P.S. , Markov VV Reduction of the length and time of the transition of combustion to detonation in a pipe with profiled regular obstructions. // DAN, 2007, V.415, No. 4, p. 509-513), selected for the prototype.
Способ-прототип включает генерацию первичной УВ в камере высокого давления (КВД) с числом Маха не выше 3.0-3.2 (скорость 900-1100 м/с) и последующее принудительное ускорение первичной УВ путем локального многократного энергетического воздействия на фронт бегущей УВ от очагов самовоспламенения горючей смеси в результате периодического локального повышения температуры в области за фронтом бегущей УВ, возникающего при отражении бегущей УВ от регулярных профилированных препятствий, установленных в трубе с горючей смесью. Использование в способе-прототипе профилированных препятствий специальной формы - в виде параболических зубьев, образованных пересечением двух парабол с фокусами, лежащими в ядре течения горючей смеси, - позволило фокусировать отраженные волны давления в центральную часть фронта УВ в ближайшей окрестности фронта УВ в ядре течения горючей смеси, что исключило воздействие волн разряжения на область самовоспламенения, характерное для препятствий прямоугольной формы, и обеспечило существенное сокращение длины и времени ПГД по сравнению с другими известными способами - ПГД наблюдался на расстоянии 1.9-2.3 м от разрывной мембраны, разделяющей КВД и рабочий участок трубы.The prototype method includes the generation of a primary hydrocarbon in a high-pressure chamber (HPC) with a Mach number not higher than 3.0-3.2 (speed 900-1100 m / s) and subsequent forced acceleration of the primary hydrocarbon by local multiple energetic effects on the front of a traveling hydrocarbon from foci of self-ignition of a combustible mixture as a result of a periodic local temperature increase in the region behind the front of the traveling hydrocarbon that occurs when the traveling hydrocarbon is reflected from regular shaped obstacles installed in the pipe with the combustible mixture. The use in the prototype method of profiled obstacles of a special shape — in the form of parabolic teeth formed by the intersection of two parabolas with the foci lying in the core of the flow of the combustible mixture — made it possible to focus the reflected pressure waves into the central part of the hydrocarbon front in the immediate vicinity of the front of the hydrocarbon in the core of the flow of combustible mixture , which excluded the effect of rarefaction waves on the self-ignition region, characteristic of rectangular obstacles, and provided a significant reduction in the length and time of PGD compared other known ways - ADG was observed at a distance of 1.9-2.3 m from the rupture disc separating the HPC and the working portion of the tube.
Однако известный способ-прототип недостаточно технологичен из-за использования в нем вспомогательной КВД и мембранного узла.However, the known prototype method is not technologically advanced due to the use of auxiliary HPC and membrane unit in it.
Устройство-прототип представляет собой лабораторную детонационную трубу мембранного типа, снабженную КВД, предназначенной для генерации первичной УВ, и камерой низкого давления (КНД) с рабочим участком. КВД и КНД разделяет разрывная мембрана. В КНД для обеспечения безопасности рабочего участка от осколков разрывающейся мембраны имеется буферный участок без препятствий. Рабочий участок трубы имеет квадратное сечение и оборудован регулярными профилированными препятствиями, установленными на верхней и нижней стенке рабочего участка трубы. Профилированные препятствия выполнены в виде зубьев параболической формы, образованных пересечением двух парабол с фокусами, лежащими в ядре течения горючей смеси. Устройство содержит регистрирующую аппаратуру, соединенную с персональным компьютером.The prototype device is a laboratory detonation tube of a membrane type, equipped with an HPC, designed to generate a primary hydrocarbon, and a low pressure chamber (KND) with a working section. KVD and KND are divided by a rupture membrane. In KND, to ensure the safety of the working section from fragments of a tearing membrane, there is a buffer section without obstacles. The working section of the pipe has a square section and is equipped with regular profiled obstacles installed on the upper and lower walls of the working section of the pipe. The shaped obstacles are made in the form of parabolic teeth formed by the intersection of two parabolas with the foci lying in the core of the flow of the combustible mixture. The device contains recording equipment connected to a personal computer.
Недостатком устройства-прототипа является низкая технологичность, что обусловлено наличием в нем вспомогательной КВД и рвущейся мембраны между основной и вспомогательной камерами.The disadvantage of the prototype device is the low manufacturability, which is due to the presence in it of an auxiliary HPC and a tearing membrane between the main and auxiliary cameras.
Задачей изобретения является повышение технологичности способа инициирования детонации и устройства для его осуществления.The objective of the invention is to improve the manufacturability of the method of initiating detonation and a device for its implementation.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:The solution to this problem is achieved by the proposed:
- способом инициирования детонации в трубе с горючей смесью, включающим генерацию первичной УВ и последующее локальное многократное энергетическое воздействие на фронт бегущей УВ от очагов самовоспламенения горючей смеси, возникающих в результате взаимодействия УВ с криволинейной поверхностью, в котором для генерации первичной УВ горючую смесь в трубе поджигают, фронт пламени турбулизуют и ускоряют при помощи турбулизатора до видимой скорости пламени 550-750 м/с с образованием первичной УВ с числом Маха не выше 2.5-3.0, затем пространственно разделяют турбулентный фронт пламени и фронт ударной волны, а локальное многократное энергетическое воздействие на фронт бегущей УВ осуществляют в возникшее пространство, разделяющее турбулентный фронт пламени и фронт УВ, путем организации дифракции первичной УВ на наветренной криволинейной поверхности расширяюще-сужающегося тела, помещенного в трубу в ядре течения горючей смеси, с последующим многократным отражением волн давления от стенок трубы и от подветренной криволинейной поверхности указанного тела, приводящим к ударному сжатию и самовоспламенению горючей смеси в пространстве между стенкой трубы и этой поверхностью, при этом в ядре течения горючей смеси с подветренной стороны указанного тела обеспечивают возникновение дополнительных очагов самовоспламенения вследствие кумуляции отраженных волн давления.- a method of initiating detonation in a pipe with a combustible mixture, including the generation of a primary hydrocarbon and subsequent local multiple energetic impact on the front of a traveling hydrocarbon from foci of self-ignition of a combustible mixture resulting from the interaction of a hydrocarbon with a curved surface, in which a combustible mixture is ignited in the pipe to generate a primary hydrocarbon , the flame front is turbulized and accelerated with a turbulator to an apparent flame speed of 550-750 m / s with the formation of a primary shock wave with a Mach number not higher than 2.5-3.0, then spatial separate the turbulent flame front and the shock wave front, and local multiple energy impact on the front of the traveling hydrocarbon front is carried out in the space that separates the turbulent flame front and the front of the hydrocarbon by organizing diffraction of the primary hydrocarbon on the windward curved surface of the expanding-narrowing body placed in the tube in the core flow of a combustible mixture, followed by multiple reflection of pressure waves from the pipe walls and from the leeward curved surface of the specified body, leading to shock with Atia and self-ignition of the combustible mixture in the space between the pipe wall and this surface, while in the core flow of the combustible mixture in the lee side of said body provide additional outbreaks occurrence of self-ignition due to cumulation of the reflected pressure waves.
В качестве турбулизатора можно использовать спираль Щепкина или любое другое устройство для ускорения пламени.As a turbulizer, you can use the Schepkin spiral or any other device to accelerate the flame.
Расширяюще-сужающееся тело, помещенное в детонационную трубу в ядре течения горючей смеси, может быть осесимметричным или несимметричным.An expanding-contracting body placed in a detonation tube in the core of the flow of a combustible mixture can be axisymmetric or asymmetric.
Ось расширяюще-сужающегося тела, помещенного в детонационную трубу в ядре течения горючей смеси, и ось трубы совпадают или не совпадают.The axis of the expanding-tapering body placed in the detonation tube in the core of the flow of the combustible mixture, and the axis of the pipe are the same or not.
- устройством для осуществления способа инициирования детонации в трубе с горючей смесью, включающим детонационную трубу, снабженную системой генерации первичной УВ и элементом, обеспечивающим взаимодействие первичной УВ с криволинейной поверхностью, в котором система генерации первичной УВ состоит из источника зажигания и турбулизатора для турбулизации и ускорения фронта пламени до видимой скорости пламени 550-750 м/с с образованием первичной ударной волны с числом Маха не выше 2.5-3.0, а элемент, обеспечивающий взаимодействие первичной УВ с криволинейной поверхностью, представляет собой расширяюще-сужающееся тело с криволинейной поверхностью, помещенное в трубу в ядре течения горючей смеси на расстоянии от конца турбулизатора не менее L=V·τ, где V - видимая скорость пламени, τ - время индукции самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении ударной волны от жесткой стенки, обеспечивающем пространственное разделение турбулентного фронта пламени и фронта первичной ударной волны.- a device for implementing the method of initiating detonation in a pipe with a combustible mixture, including a detonation pipe equipped with a primary hydrocarbon generation system and an element for interacting with the primary hydrocarbon with a curved surface, in which the primary hydrocarbon generation system consists of an ignition source and a turbulator for turbulence and front acceleration flame up to a visible flame speed of 550-750 m / s with the formation of a primary shock wave with a Mach number not higher than 2.5-3.0, and the element that ensures the interaction of the primary with a curved surface, is an expanding-tapering body with a curved surface, placed in a pipe in the core of the flow of the combustible mixture at a distance from the end of the turbulator of at least L = V · τ, where V is the apparent flame speed, τ is the self-ignition time of the combustible mixture at normal reflection of the shock wave from the rigid wall, providing spatial separation of the turbulent flame front and the front of the primary shock wave.
Источник зажигания может быть искровым, например автомобильной свечой, или любым другим, способным поджечь горючую смесь.The ignition source can be a spark, for example, a car candle, or any other that can ignite a combustible mixture.
В качестве турбулизатора может быть использована спираль Щепкина или любое другое устройство для ускорения пламени.As a turbulizer, a Shchepkin spiral or any other device for accelerating a flame can be used.
Максимальная площадь поперечного сечения расширяюще-сужающегося тела SЦТ может достигать 0.85 от площади поперечного сечения трубы SТР(SЦТ≤0.85SТР).The maximum cross-sectional area of the expanding-tapering body S CT can reach 0.85 of the cross-sectional area of the pipe S TP (S CT ≤0.85S TP ).
Расширяюще-сужающееся тело с криволинейной поверхностью, помещенное в трубу в ядре течения горючей смеси, может быть осесимметричным или несимметричным.An expanding-contracting body with a curved surface, placed in a pipe in the core of the flow of a combustible mixture, can be axisymmetric or asymmetric.
Ось расширяюще-сужающегося тела, помещенного в трубу в ядре течения горючей смеси, и ось трубы с горючей смесью могут совпадать или не совпадать.The axis of the expanding-tapering body placed in the pipe in the core of the flow of the combustible mixture, and the axis of the pipe with the combustible mixture may or may not coincide.
При разработке предлагаемых способа и устройства было установлено, что быстрый переход слабой УВ в детонацию возможен не только при использовании набора регулярных профилированных препятствий, как в способе-прототипе, но и в трубе с одним препятствием специальной формы (имеющим криволинейные поверхности), размещенным в ядре течения горючей смеси (далее тело называется центральным). Были проведены исследования по поиску оптимальной формы препятствия, а также места его расположения в трубе, которые смогут обеспечить максимальную эффективность локального многократного энергетического воздействия на фронт бегущей УВ.When developing the proposed method and device, it was found that a quick transition of a weak HC to detonation is possible not only by using a set of regular profiled obstacles, as in the prototype method, but also in a pipe with one obstacle of a special shape (having curved surfaces) located in the core the flow of the combustible mixture (hereinafter referred to as the central body). Studies have been conducted to find the optimal shape of the obstacle, as well as its location in the pipe, which can provide maximum efficiency of local multiple energy impact on the front of the traveling hydrocarbon.
Принципиальным результатом проведенных расчетов было установление факта, что необходимо разделять во времени и пространстве турбулентный фронт пламени и бегущую перед ним УВ, тогда между фронтом УВ и фронтом пламени образуется движущаяся «пробка» ударно сжатой и разогретой горючей смеси (следует отметить, что в способе-прототипе в КВД генерируется непосредственно УВ с числом Маха≈3.0 в результате взрыва топливно-кислородной смеси). Было установлено также, что величина (длина) «пробки» должна быть не меньше L=V·τ, где V - видимая скорость пламени, τ - время индукции самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении УВ от жесткой стенки (100-150 мкс - в зависимости от скорости УВ - Басевич В.Я., Фролов С.М., Посвянский B.C. Условия существования стационарной гетерогенной детонации // Химическая физика, 2005, т.24, №7, с.60-70), следовательно, центральное тело необходимо размещать в ядре течения горючей смеси на расстоянии не менее L от конца турбулизатора. Если фронт пламени и фронт УВ не разделены, то турбулентный фронт пламени «накрывает» зарождающиеся очаги самовоспламенения за фронтом бегущей УВ, возникающие при отражении УВ от криволинейной поверхности тела, тем самым исключая возникновение детонации.The principal result of the calculations was the establishment of the fact that it is necessary to separate in time and space the turbulent flame front and the hydrocarbon running in front of it, then a moving “plug” of shock-compressed and heated combustible mixture forms between the hydrocarbon front and the flame front (it should be noted that in the method prototype in HPC directly generated hydrocarbon with Mach number ≈ 3.0 as a result of the explosion of the fuel-oxygen mixture). It was also found that the size (length) of the “plug” should be no less than L = V · τ, where V is the apparent flame velocity, τ is the induction time of the self-ignition of the combustible mixture with normal HC reflection from the rigid wall (100-150 μs - depending on the speed of hydrocarbons - Basevich V.Ya., Frolov SM, Posvyanskiy BC Conditions for the existence of stationary heterogeneous detonation // Chemical Physics, 2005, v.24, No. 7, pp. 60-70), therefore, the central body is necessary place in the core of the flow of the combustible mixture at a distance of at least L from the end of the turbulator. If the flame front and the front of the shock wave are not separated, then the turbulent flame front “covers” the incipient foci of self-ignition behind the front of the traveling shock wave arising from the reflection of the shock wave from the curved surface of the body, thereby eliminating the occurrence of detonation.
Расчеты показали что, изменяя форму препятствия, можно управлять местоположением и моментом самовоспламенения горючей смеси за бегущей УВ. В результате исследований была выбрана форма расширяюще-сужающегося тела с криволинейной поверхностью. Площадь поперечного сечения центрального тела с наветренной стороны может достигать 0.85 от площади поперечного сечения трубы, а затем с подветренной стороны уменьшается.Calculations showed that by changing the shape of the obstacle, one can control the location and moment of self-ignition of the combustible mixture behind the traveling hydrocarbon. As a result of research, the shape of an expanding-tapering body with a curved surface was chosen. The cross-sectional area of the central body on the windward side can reach 0.85 of the cross-sectional area of the pipe, and then decreases on the leeward side.
На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства.Figure 1 shows a diagram of the inventive device.
Основной элемент устройства - детонационная труба (1) с поперечным сечением круговой, прямоугольной, овальной и др. геометрической формы. Устройство содержит систему подачи горючей смеси (не показана), узел зажигания (2) с источником зажигания (3), турбулизатор (4), участок без препятствий длиной L (5) и центральное тело с криволинейными поверхностями (6), закрепленное в трубе в ядре течения горючей смеси с помощью механических средств, например жестких растяжек, на расстоянии L от турбулизатора, и выходной участок (7). Система подачи горючей смеси предусматривает заполнение устройства либо только через узел зажигания (2), либо через узел зажигания (2) и входные штуцеры, расположенные вдоль трубы, при этом возможна как раздельная подача горючего и окислителя, так и подача предварительно полностью или частично перемешанной горючей смеси.The main element of the device is a detonation tube (1) with a cross section of circular, rectangular, oval and other geometric shapes. The device comprises a fuel supply system (not shown), an ignition unit (2) with an ignition source (3), a turbulator (4), an obstacle-free section of length L (5), and a central body with curved surfaces (6) fixed in a pipe the core of the flow of the combustible mixture by mechanical means, for example, rigid stretch marks, at a distance L from the turbulator, and the outlet section (7). The fuel mixture supply system provides for filling the device either only through the ignition unit (2), or through the ignition unit (2) and inlet fittings located along the pipe, while it is possible to separately supply fuel and oxidizer, or to supply pre-mixed or partially mixed fuel mixtures.
Центральное тело (6) может быть осесимметричным (см. фиг.1-3) и несимметричным (см. фиг.4). В продольном сечении центральное тело (6) может иметь различную конфигурацию, на фиг.1-4 - для примера приведены возможные конфигурации.The central body (6) can be axisymmetric (see Figs. 1-3) and asymmetric (see Fig. 4). In a longitudinal section, the central body (6) may have a different configuration, Figs. 1-4 show possible configurations as an example.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.
Через систему подачи горючей смеси устройство заполняется горючей смесью. Горючая смесь поджигается в узле зажигания (2), и пламя попадает в турбулизатор (4), который обеспечивает увеличение видимой скорости турбулентного фронта пламени до 550-750 м/с и образование первичной УВ с числом Маха 2.5-3.0. Затем УВ движется вместе с пламенем по участку трубы без препятствий (5), что позволяет фронту УВ перед встречей с центральным телом (6) оторваться от фронта турбулентного пламени. На наветренной поверхности расширяюще-сужающегося центрального тела УВ подвергается дифракции, в результате которой волны давления многократно отражаются от стенок трубы и от подветренной криволинейной поверхности центрального тела, что приводит к ударному сжатию и последующему самовоспламенению горючей смеси в пространстве между стенкой трубы и этой поверхностью. Кроме того, с подветренной стороны центрального тела происходит кумуляция отраженных волн давления с образованием дополнительных очагов самовоспламенения в ядре течения горючей смеси. Очаги самовоспламенения, возникшие в пространстве между стенкой трубы и подветренной поверхностью тела и в ядре течения горючей смеси (от кумуляции), взрываются, взрывные волны отражаются от подветренной поверхности тела и стенок трубы, и в результате происходит быстрый ПГД.Through the supply system of the combustible mixture, the device is filled with the combustible mixture. The combustible mixture is ignited in the ignition unit (2), and the flame enters the turbulator (4), which provides an increase in the apparent velocity of the turbulent flame front to 550-750 m / s and the formation of a primary shock wave with a Mach number of 2.5-3.0. Then, the shock wave moves along with the flame along the pipe section without obstacles (5), which allows the shock wave front to come off the front of the turbulent flame before meeting with the central body (6). On the windward surface of the expanding-contracting central body, the shock wave undergoes diffraction, as a result of which pressure waves are repeatedly reflected from the pipe walls and from the leeward curved surface of the central body, which leads to shock compression and subsequent self-ignition of the combustible mixture in the space between the pipe wall and this surface. In addition, from the leeward side of the central body, cumulation of reflected pressure waves occurs with the formation of additional centers of self-ignition in the core of the flow of the combustible mixture. Foci of self-ignition arising in the space between the pipe wall and the leeward surface of the body and in the core of the flow of the combustible mixture (from cumulation) explode, blast waves are reflected from the leeward surface of the body and the pipe walls, and as a result, rapid PGD occurs.
Приводим расчетные примеры осуществления изобретения при следующих параметрах устройства: участок без препятствий длиной L=0.2 м (диаметр 94 мм), центральное тело общей длиной 0.6 м и конфигурации, приведенной на фиг.2а), (максимальная площадь поперечного сечения SЦТ=0.6, SТР=166.5 см2), прямой выходной участок трубы длиной 1.0 м. Турбулизатор в виде спирали Щепкина длиной 0.6 м свит из проволоки диаметром 4 мм, шаг витков 18 мм. Результаты расчетов для стехиометрической пропановоздушной смеси при нормальных начальных условиях показали, что при числе Маха первичной УВ выше 2.5 между стенкой трубы и подветренной стороной центрального тела формируется пересжатая детонационная волна, движущаяся со скоростью ≈ 2000 м/с. Последующее распространение пересжатой детонационной волны вдоль подветренной стороны центрального тела сопровождается ее постепенным ослаблением и выходом на режим, близкий к режиму самоподдерживающейся детонации. При дальнейшем распространении детонации по выходному участку (длиной 1.0 м) устанавливается режим детонации Чепмена-Жуге (скорость детонационной волны ≈ 1800 м/с).We give calculated examples of carrying out the invention with the following device parameters: a section without obstacles with a length of L = 0.2 m (diameter 94 mm), a central body with a total length of 0.6 m and the configuration shown in Fig. 2a) (maximum cross-sectional area S CT = 0.6, S ТР = 166.5 cm 2 ), a straight outlet pipe section 1.0 m long. The turbulator in the form of a Schepkin spiral 0.6 m long is twisted from a wire with a diameter of 4 mm, a pitch of 18 mm. The results of calculations for a stoichiometric propane-air mixture under normal initial conditions showed that, with a Mach number of the primary HC above 2.5, an overdriven detonation wave is formed between the pipe wall and the leeward side of the central body, moving at a speed of ≈ 2000 m / s. The subsequent propagation of the over-compressed detonation wave along the leeward side of the central body is accompanied by its gradual weakening and entering a regime close to that of self-sustaining detonation. With the further propagation of detonation along the exit section (1.0 m long), the Chapman-Jouguet detonation mode is established (detonation wave velocity ≈ 1800 m / s).
Таким образом, предложенные способ инициирования детонации и устройство для его осуществления характеризуются более высокой технологичностью, а также позволяют при минимальных затратах энергии на инициирование детонации достигать ПГД при минимальном преддетонационном расстоянии.Thus, the proposed method for initiating detonation and a device for its implementation are characterized by higher manufacturability, and also allow for minimal detonation initiation to achieve PGD with a minimum pre-knock distance.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010107751/06A RU2429409C1 (en) | 2010-03-04 | 2010-03-04 | Initiation method of detonation in tube with flammable mixture and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010107751/06A RU2429409C1 (en) | 2010-03-04 | 2010-03-04 | Initiation method of detonation in tube with flammable mixture and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2429409C1 true RU2429409C1 (en) | 2011-09-20 |
Family
ID=44758738
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010107751/06A RU2429409C1 (en) | 2010-03-04 | 2010-03-04 | Initiation method of detonation in tube with flammable mixture and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2429409C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2744308C1 (en) * | 2020-07-22 | 2021-03-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ) | Method for generation of high-speed shock wave in impact pipe |
| RU203856U1 (en) * | 2020-08-31 | 2021-04-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | SHOCK TUBE FOR HIGH-SPEED SHOCK WAVE GENERATION |
-
2010
- 2010-03-04 RU RU2010107751/06A patent/RU2429409C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ФРОЛОВ С.М. и др. Сокращение длины и времени перехода горения в детонацию в трубе с профилированными регулярными препятствиями», ДАН, 2007, т.415, №4, с.509-513. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2744308C1 (en) * | 2020-07-22 | 2021-03-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ) | Method for generation of high-speed shock wave in impact pipe |
| RU203856U1 (en) * | 2020-08-31 | 2021-04-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | SHOCK TUBE FOR HIGH-SPEED SHOCK WAVE GENERATION |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5095724B2 (en) | System and method for igniting a gaseous or dispersed fuel-oxidant mixture | |
| JP5633909B2 (en) | Burner system and method for increasing the efficiency of a heat exchanger | |
| Roy et al. | Pulse detonation propulsion: challenges, current status, and future perspective | |
| JP5112510B2 (en) | Pulse detonation engine operating with air-fuel mixture | |
| RU2427756C1 (en) | Procedure for activation of detonation in pipe with combustible mixture and device for its implementation | |
| US5168123A (en) | Chemical initiation of detonation in fuel-air explosive clouds | |
| RU2430303C1 (en) | Detonation initiation device | |
| CN104500272A (en) | Low-flow-resistant near-wall small-space annular shock wave focusing direct priming device | |
| Sorin et al. | Detonation diffraction through different geometries | |
| RU2429409C1 (en) | Initiation method of detonation in tube with flammable mixture and device for its implementation | |
| RU2333423C2 (en) | Method of initiation of detonation in inflammable mixtures and device for its realisation | |
| WO2014123440A1 (en) | Method and device for initiating detonation in a tube containing a combustible mixture | |
| Sinibaldi et al. | Investigation of transient plasma ignition for pulse detonation engines | |
| Frolov et al. | Pulse-detonation burner unit operating on natural gas | |
| CN101443680A (en) | System and method for generating and controlling conducted acoustic waves for geophysical exploration | |
| JPWO2007099768A1 (en) | Multi-jet ignition detonator, pulse combustor including the detonator, and detonation generation method | |
| Li et al. | Detonation initiation in pulse detonation engines | |
| Ishii et al. | A study on jet initiation of detonation using multiple tubes | |
| JP4912659B2 (en) | Shock wave continuous generator | |
| Frolov et al. | Reduction of the deflagration-to-detonation transition distance and time in a tube with regular shaped obstacles. | |
| Zhao et al. | Experimental investigation on detonation initiation with a transversal flame jet | |
| Frolov et al. | Initiation of heterogeneous detonation in tubes with coils and Shchelkin spiral | |
| Frolov | Detonation initiation techniques for pulse detonation propulsion | |
| Driscoll et al. | Experimental Study of Sustained Shock Initiated Detonation in a Multiple Pulse Detonation-Crossover System | |
| WO2014123442A1 (en) | High-speed pulse detonation gas burner and method of functioning thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20140428 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150305 |