CC BY
7Поляков Ю. А., Макаров Ю. В.
ТЕПЛОВАЯ ДИАГНОСТИКА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ВОДОРОДОВОЗДУШНОй СМЕСИ ЗА УДАРНОЙ ВОЛНОЙ
В работе представлены результаты тепловой диагностики воспламенения горючей смеси за ударной волной методом плёночной термометрии. Определены режимы течения горючей смеси, при которых происходит воспламенение. Показано, что термосенсор, установленный на боковой поверхности канала, практически мгновенно фиксирует факт воспламенения смеси за отражённой ударной волной.
Ключевые слова: воспламенение, ударная волна, термосенсор.
Polyakov Yu., Makarov Yu.
HEAT DIAGNOSTICS OF IGNITION HYDROGEN-AIR MIXTURE BEHIND THE SHOCK WAVE
The results of heat diagnostics of ignition gas mixture behind the shock wave by film thermometer method are observed. The regimes of flow gas mixture because of which take place ignition are defined. It is shown that termosensor installed on surface of canal practically instantly establish of the fact of ignition mixture behind reflection the shock wave.
Keywords: ignition, shock wave, termosensor.
I
И
сследования проводились в ударной трубе, основной принцип их действия довольно простой: ударная волна образуется при движении какого-либо поршня в трубе, наполненной исследуемым газом.
В простейшем случае увеличение давление толкающего газа в камере высокого давления приводит к разрыву диафрагмы, разделяющей камеры высокого (КВД) и низкого давления (КНД). После раскрытия диафрагмы газ КВД устремляется в КНД и сжимает исследуемый газ, по которому распространяется ударная волна.
Схематически изображение явлений, происходящих в ударной трубе после удаления диафрагмы, дано на рисунке 1 в качестве диаграммы x - t, соответствующей развёртке процессов в различных точках трубы во времени.
> б
t=0
t=tn
t = t
t = t
2 ^ в 1
Рисунок 1. Схема процессов в ударной трубе:
а) перед началом опыта ^=0); б) в момент времени t=^ (показано распределение давления р и температуры Т в трубе); в) х - t-диаграмма течения в трубе;
1-4 - газовые области в период движения ударной волны; 1и - длина высокотемпературной зоны за фронтом ударной волны, Я - веер волн разрежения, Д - диафрагма, К - контактная поверхность, Ф - фронт ударной волны
Для определения размеров ударно нагретого газа в воздухе методом теплового зонда была использована полусферическая стеклянная модель с плёночным термосенсором в передней критической точке (рис. 2) [1].
Рисунок 2. Тепловой зонд с плёночным термометром сопротивления в лобовой части
4
1
а
Опыты проводились в воздухе в ударной трубе общей длиной более 5 м и диаметром 50 мм. В качестве толкающего газа применялся водород. Тепловой зонд выставлялся навстречу движению ударной волны (рис. 3).
Рисунок 3. Измерительная секция с тепловым зондом:
1 - корпус секции; 2 - фланец крепления зонда;
3 - датчик запуска ждущей развёртки луча осциллографа; 4 - тепловой зонд; б - внутренний диаметр канала; В - расстояние от датчика запуска ждущей развёртки до измерительного зонда
При прохождении «горячей» пробки происходит теплообмен сверхзвукового потока газа с моделью. При этом, как известно, температура плёнки на полупространстве имеет почти параболический закон изменения во времени. Появление после контактной поверхности более холодного газа (в нашем случае, водорода) снижает температурный тренд, в какой-то степени охлаждая плёнку сенсора.
Рисунок 4. Термограмма теплового зонда: М= 7,9; р„ = 1 мм рт. ст.; т = 800 мксек
s ' 1 1 разв
Это хорошо видно из фотоосциллограммы на рисунке 4. По таким термограммам для различных чисел М можно оценить размер ударно нагретой области, установить примерный момент прихода контактной зоны.
Одновременно на приборе Теплера-Максутова (ИАБ-451) была выполнена специальная работа по визуализации картины обтекания аналогичной по форме полусферической латунной модели сверхзвуковым потоком газа пробки.
В этом случае применялась ударная труба с внутренним квадратным сечением 40 х 40 мм.
Модель диаметром 11 мм устанавливалась в торце секции, приспособленной для скоростной фотосъёмки с боковыми стеклянными окнами.
Обе работы проводились с одинаковым соотношением площадей сечения и на одинаковом расстоянии от диафрагмы.
Для съёмок с прибором ИАБ-451 применялся импульсный источник света, частота следования кадров ~30 000 кадров в секунду, скорость движения фотоплёнки, на которую проецировались кадры, составляла 68 ± 2 м/с, начало съёмки синхронизовано с процессом движения волны в испытательной секции, время экспозиции кадра - примерно 3-5 мксек. На рисунке 5 приведён ряд фотоснимков последовательных стадий процесса обтекания модели сверхзвуковым потоком газа.
Следует отметить, что контактная область, как показывают многокадровые теплеровские фотоснимки картины течения в ударной трубе, не имеет, как правило, плоского переднего фронта; часто передний фронт толкающего газа вторгается в газ пробки, перемешиваясь с воздухом в некоторой зоне. Иначе говоря, в процессе движения по каналу форма контактной поверхности меняется, что наблюдается во многих исследованиях, применяющих визуальные методы диагностики.
По фотоснимкам и термограммам можно оценить время стационарного обтекания и протяжённость пробки [2].
^^^^^ ■ |
Рисунок 5. Многокадровая съёмка обтекания модели газом «пробки» в трубе квадратного сечения (по стрелке - движение фронта)
На совмещённой по времени термограмме и развёртке теплеровской картины обтекания (рис. 6) видно, что при подходе ударной волны к модели происходит некоторое уменьшение её скорости, а затем, в течение примерно двух микросекунд, происходит формирование отсоединённого скачка уплотнения около лобовой части тела. Далее, одновременно с повышением температуры при торможении потока термосенсор практически мгновенно начинает фиксировать процесс теплообмена. Ударная волна проходит «сквозь» модель, что видно на первых двух снимках на рисунке 5.
Рисунок 6. Совмещённая термограмма и шлирен-снимок
В месте, где начинается теплообмен, видна светлая полоса ответвления от наклонной растущей светлой дорожки, представляющая собой изображение падающей ударной волны. Ответвление направлено вниз. Скорее всего, это слабая отражённая от скачка волна, которая затухает через некоторое время.
Нижняя тёмная кривая, иллюстрирующая температурную запись термосенсором процесса теплообмена, в конце имеет тенденцию к снижению теплового взаимодействия.
Момент излома связан с приходом контактной зоны; с этого времени начинается охлаждение чувствительного элемента датчика. Однако эти обстоятельства не помешали индикации временной длины области горячего газа. В результате были вычислены размеры ударно нагретого газа в воздухе в зависимости от скорости ударной волны.
Значительный интерес для практических целей имеет быстрая индикация взрывного воспламенения в высокоскоростных потоках газовых смесей. С помощью плёночного термосенсора было зафиксировано (см. рис. 3) воспламенение в разбавленной водородо-воздушной смеси за фронтом отсоединённого скачка уплотнения, образованного при обтекании полусферического тела.
В качестве ударного газа применялся водород, который при добавлении воздуха в передней зоне контактной поверхности при соприкосновении с высокотемпературной зоной между скачком и телом способен к взрывному воспламенению при соответствующих значениях температуры и давлении в зоне за скачком.
Из фотоснимков видно, что следующий за горячей «пробкой» водород проникает в неё; по мере движения ударного разрыва по каналу перемешивание водорода и горячего воздуха становится
более интенсивным и «подготовленная» горючая смесь способна к воспламенению при встрече с зоной повышенной температуры, по сути дела являющейся источником зажигания. Исследования проводились при начальном давлении воздуха в КНД, равном р1 = 0,7 мм рт. ст. в диапазоне чисел М от 8 до 12.
На фото (рис. 7 а-в) приведены термограммы записи процесса теплообмена заторможенного воздуха в критической точке модели и начального периода теплового взаимодействия области за контактной поверхностью с моделью, когда появляется смесь водорода и воздуха.
ния водорода и воздуха приводит к снижению температурной кривой. При этих режимах мы не наблюдаем каких-либо добавочных энергетических воздействий; смесь в пограничной зоне контактной области более холодная по сравнению с газом пробки. Температурная кривая несколько снижается, что говорит о том, что воспламенение отсутствует.
Другое дело - режим при М = 12. Спустя примерно 45 микросекунд происходит резкое изменение температуры поверхности. Изменение интенсивности теплообмена связано с дополнительным энергетическим воздействием за счёт воспламенения водородовоздушной смеси. При этом следует отметить, что температура в заторможенной зоне за скачком имеет довольно высокое значение.
Плёночный термосенсор, размещённый на боковой стенке трубы, также фиксировал возникновение воспламенения горючей смеси при прохождении мимо теплопеленгатора водородовоз-душной смеси, представляющей собой взрывоопасную зону. Как известно, за падающей ударной волной следует область однородного потока сжатого газа секции низкого давления, отделённая от потока «холодного» толкающего газа (в нашем случае, водорода) контактной поверхностью. При этом на стенке трубы происходит развитие пограничного слоя, как показано на схеме 8.
Рисунки 7 (а-в). Термограммы импульсов плёночного термосенсора при М = 8,7 (а), 10,25 (б), 12 (в). Метки по 10 мкс
Проанализируем эти импульсы. На фото а и б можно наблюдать окончание теплообмена с пробкой по искажению тренда температуры поверхности (плёнки). Естественно, появление менее нагретой зоны смеше-
Рисунок 8. Течение в ударной трубе при небольших начальных давлениях газа (стрелка - вектор скорости волны, V - скорость ударной волны)
По мере прохождения газовой «пробки» пристеночный слой в каждой точке внутренней поверхности канала растёт, являясь функцией расстояния в данный момент времени. Благодаря многочисленным опытам отечественных и зарубежных экспериментаторов, а также решением сопряжённой тепловой нестационарной задачи установлено, что в период прохождения «горячей» пробки в конкретной точке поверхности пограничный слой имеет ламинарный режим.
При этом температура поверхности поднимается на некоторую величину и остаётся постоянной в течение определённого периода теплового взаимодействия газа со стенкой канала. При отражении температура дважды сжатого газа выше температуры за падающей ударной волной примерно на 40-60 % в диапазоне чисел М от 8 до 12 [6].
Рисунок 9. Измерительная секция ударной трубы: б - внутренний диаметр канала; I - расстояние между датчиками; БС - блок-синхронизатор; У - усилитель
Первый по ходу движения волны плёночный термосенсор служил для запуска ждущей развёртки луча осциллографа, второй - регистрировал температурные флуктуации на поверхности мерного тела.
Скорость падающей волны вычислялась по времени прохождения волной базы - расстояния между двумя сенсорами.
Рисунок 10. Термограмма процесса теплообмена за фронтом падающей и «отражённой» ударных волн при М = 8,9 (время развёртки - 1 мс)
Прокомментируем термограмму. Прямоугольная ступенька соответствует теплообмену с газом «пробки» после прохождения ударной волной чувствительного элемента термосенсора. По времени это примерно 200 мкс, в то время как по визуальным исследованиям (см. рис. 6) это время при М = 8,9 ударной волны составляет около 100-110 мкс. Эта ситуация отвечает качественной схеме (см. рис. 8).
Резкий скачок температуры поверхности по амплитуде, примерно в 4-4,5 раза превышающий начальный подъём температуры, говорит о том, что это не приход отражённой волны, так как многократное увеличение интенсивности теплообмена не является следствием повышения температуры газа за отражённой волной, которая при этом режиме увеличивается всего лишь на 40-60 % по сравнению с температурой газа за падающей волной [7]. Это - первый факт в пользу взрывного воспламенения, инициированного, видимо, отражённой волной.
Расчёт времени движения волн (падающей и отражённой) до торца и обратно показал, что классическая отражённая волна не может так быстро
дойти до термосенсора, ибо её скорость должна быть равной 1 600 м/с.
Расчёты и эксперименты показали, что её скорость составляет
Д м/с
500
250
V, м/с
1 000
2 000
3 000
4 000
Рисунок 11. Зависимость скорости отражённой волны от скорости падающей волны (р1 = 10-3 атм). Расчёт по [7]
величину, по крайней мере, в 3 раза меньшую (см. рис. 11).
Как видим, в данном опыте источником зажигания служила отражённая волна, и уже при меньшем значении числа М (8,9) взрывное воспламенение с переходом, возможно, в детонационную волну происходит около торца ударной трубы. Тем не менее, этот интересный факт нуждается в дальнейших исследованиях.
Можно сделать вывод, что метод плёночной термометрии обеспечивает безынерционную индикацию различного рода взрывных явлений и воспламенения горючих смесей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Поляков Ю. А. Применение плёночных датчиков для изучения теплообмена в диссоциированном потоке газа // Физическая газодинамика: теплообмен и термодинамика газов высоких температур: Сб. науч. трудов. -М.: АН СССР, 1962. - С. 251-260.
2. Поляков Ю. А, Набоко И. М, Макаров Ю. В. Экспериментальное определение рабочего времени ударной трубы методом теплового зонда // Теплофизика высоких температур. -1965. - № 3. - С. 457-462.
3. Файзуллов Ф. С, Соболев Н. Н, Кудрявцев Е. М. Оптика и спектроскопия. - 1960. - Т. 8. -№ 5. - С. 35-44.
4. Коньков А. А. Вихревая механика и физическая газодинамика. - М.: Альтаир, 2004.
5. Roshko A. Phys. Fluids. - 1960. - V. 3. -№ 835. - P. 67-77.
6. Основные результаты экспериментов на ударных трубах / Под ред. Фер-ри. - М., 1963.
7. Баженова Т. В., Предводителева О. А. Значения параметров воздуха за прямым скачком уплотнения и за отражённой ударной волной при равновесной и замороженной диссоциации. - Физическая газодинамика и теплообмен: Сб. науч. трудов. -М.: АН СССР, 1961. - С. 15-24.
