Лекция 9. Детонация

Детонация – распространение волны экзотермической реакции со сверхзвуковой скоростью. Это особый вид горения, для которого характерны чрезвычайно высокая скорость распространения пламени и большое местное повышение давления. Детонация естественно реализуется в определенных условиях. В некоторых случаях обычное нормальное горение (дефлаграция) способно переходить в детонационное.

При нормальном горении скорость распространения пламени составляет в лучшем случае метры в секунду, в случае же детонации скорость волны реакции достигает нескольких тысяч метров в секунду, что во много раз больше скорости звука в свежей смеси. Скорость детонационной волны, как будет показано ниже, может быть достаточно точно определена на основании термодинамических соотношений, однако для описания структуры волны необходим учет кинетики химических превращений.

Элементарная теория детонации

Элементарная теория детонационной волны (в одномерной плоской постановке задачи), также как и теория нормального горения быть построена на основе системы законов сохранения для одномерного движения реагирующей смеси. В этой постановке фронт волны реакции, грубо говоря, является некоторой комбинацией скачка уплотнения (ударной волны) и следующей за ним волны реакции, разделенных в пространстве слоем смеси, соответствующей периоду индукции (``задержка воспламенения'') (см. рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема продольной структуры детонационной волны.

Течение смеси относительно детонационной волны характеризуется также весьма высокими скоростями и плотностями потоков. Ввиду небольшой толщины скачка сжатие в нем значительно опережает возможные химические реакции, которые, как можно в большинстве случаев считать, начинаются в условиях за скачком, в зоне, параметры в которой получаются из соотношений на прямом скачке уплотнения. В ряде случаев заметное изменение параметров заметно отстает от скачка, а полностью переход к равновесным параметрам и составу за детонационной волной происходит в достаточно широкой зоне [реакции]. При этом, во-первых тепловыделение в высокоскоростном потоке приводит к сложному совместному изменению параметров в зоне реакции (см. рис. 9.1). Во-вторых, невысокие значения градиентов параметров в зоне реакции при высокой плотности конвективных потоков позволяют пренебречь величинами потоков градиентного (молекулярного) переноса по сравнению с конвективными.

Приняв данную физическую картину течения, можно наметить такую последовательность расчета искомых интегральных параметров, представляющих интерес в задаче о детонационной волне -- скорости движения детонационной волны и параметров за ней (как и в случае нормального горения -- эти параметры определяются термодинамическими свойствами и состоянием свежей смеси, но в очень малой степени -- свойствами молекулярного переноса). В системе координат, связанной с детонационной волной, система интегральных законов сохранения для стационарного течения через контрольную поверхность, охватывающую зону детонационной волны, принимает вид

,

,

,

равенств [плотностей] потоков массы импульса и энергии с учетом термодинамических свойств для газов зонах “г” и “н”. Здесь , , а. u_n = u_Н – искомая скорость движения детонационной волны отночительно смеси, которая может рассматриваться как решение данной системы уравнений.

Как можно видеть, для определения u_n достаточно оперировать термодинамическими свойствами свежей смеси и продуктов сгорания, и не требуется учитывать ни кинетику химических процессов, ни процессы молекулярного переноса. Учет кинетики потребуется для расчета распределения параметров в зоне реакции. И здесь, легко видеть, что при использовании обоснованных допущений о том, что реакции начинаются в точке, соответствующей параметрам непосредственно за бесконечно тонким скачком уплотнения, и о том, что процессы молекулярного переноса несущественны, параметры в зоне от скачка вниз по потоку описываются системой обыкновенных дифференциальных уравнений, учитывающих химические реакции, протекающие с конечной скоростью

(которые легко можно получить из общей сисемы законов сохранения для плоского реагирующего течения), а ограничения, связываюие параметры состояния задаются уравнениями сохранения и принимают вид алгебраических соотношений.... В этом случае начальные условия для решения данной задачи возможно задать в виде параметров за фронтом УВ, полученных по уравнениям вида (9.1), но без учета химических реакций (“замороженное” течение) как для скачка уплотнения, движущегося со скоростью u_n, определенной по (9.1).

Практические проявления детонации

В реальных условиях детонация может сопровождаться и осложняться разнообразными явлениями, ...с которыми, как и с условиями ее возникновения, рекомендуется ознакомиться по литературным источникам ...

Детонационное сгорание наблюдается в ДВС с внешним смесеобразованием при неблагоприятных условиях, при которых образуется значительные зоны свежей смеси, обладающей повышенной температурой и (чему способствует длительное пребывание при высокой температуре) реакционной способностью. В этих условиях возмущения полей давления при сгорании части смеси способны вызвать волны самовоспламенения, которые накладываясь друг на друга и отражаясь от стенок камеры, порождают явления, подобные классической детонации и характеризующиеся значительным тепловыделением. Это один из видов нарушения нормального процесса сгорания в ДВС, приводящий к ряду нежелательных последствий.

Сжигание смесей по механизму детонационной волны может быть эффективным техническим применением явления детонации в случаях, когда требуется реализовать сгорание смеси при высоких скоростях движения смеси. Так, возможна организация горения смеси, движущейся со сверхзвуковой скоростью, в специальных камерах сгорания с организованной в них системой косых стоячих детонационных волн.

Явление детонационного сгорания, осуществляемое в условиях “чистого” эксперимента, может быть удобным объектом экспериментального исследования с целью определения, например, констант скоростей реакций в широком диапазоне изменения параметров.