Пульсирующее горение водородно-воздушной смеси в канале с внезапным расширением

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Численно исследовано высокоскоростное турбулентное реагирующее течение в канале с внезапным расширением в виде двух симметрично расположенных уступов. Описаны различные фазы горения: начальная с низкой полнотой сгорания и интенсивная с высокой полнотой сгорания. В интенсивной фазе в зависимости от мощности тепловыделения могут реализоваться пульсирующий (автоколебательный) режим с периодическим движением зоны интенсивного тепловыделения вверх и вниз по потоку и режим с тепловым запиранием, при котором образовавшийся в тепловом горле прямой скачок уплотнения, распространяясь вверх по потоку, выходит в узкую инжекторную часть канала и перекрывает (“запирает”) канал. Переход к дозвуковому течению происходит, если тепловыделение превышает суммарный тепловой поток на входе в полтора и более раза. Пульсационный режим, в котором скорость в ядре потока остается сверхзвуковой, реализуется, если суммарная мощность тепловыделения примерно равна тепловому потоку на входе в канал. Анализ этапов пульсирующего режима горения предварительно неперемешанной водородно-воздушной смеси показал, что движение области активного горения вверх по потоку, сопровождающееся повышением тепловыделения, связано с отрывом пограничного слоя от стенок канала и формированием горячей пристенной струи, направленной к уступу, т.е. против основного потока. После стабилизации теплового источника в начале прямой секции канала интенсивность тепловыделения снижается из-за полного выгорания окислителя, в результате чего тепловое горло расширяется, и в канал начинают поступать свежие реагенты. В конце прямого участка канала формируется новый тепловой источник, который начинает двигаться вверх по потоку, и весь процесс периодически повторяется.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Н. Федорова

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: nfed@itam.nsc.ru
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Anderson J.D. Fundamentals of Aerodynamics. New York: McGraw-Hill, 2007.
  2. M. Sun, H. Wang, Z. Cai, J. Zhu Unsteady Supersonic Combustion. Singapore: Springer, 2020. https://doi.org/10.1007/978-981-15-3595-6
  3. Liberman M.A. Combustion Physics: Flames, Detonations, Explosions, Astrophysical Combustion and Inertial Confinement Fusion. Springer Int. Publ., 2021.
  4. Ларионов В.М., Зарипов Р.Г. Автоколебания газа в установках с горением. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2003.
  5. Meng X., de Jong W., Kudra T. // Renew. Sust. Energ. Rev. 2016. V. 55. P. 73. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.10.110
  6. Poinsot T. // Proc. Comb. Inst. 2017. V. 36. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.05.007
  7. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. М.: Физматгиз, 1967.
  8. Lieuwen T. C. Unsteady Combustor Physics. Cambridge: Cambridge University Press, 2021. https://doi.org/10.1017/9781108889001
  9. Mejia D., Selle L., Bazile R., Poinsot T. // Proc. Combust. Inst. 2015. V. 35. № 3. P. 3201. https://doi.org/10.1016/j.proci.2014.07.015
  10. Choi J.-Y., Ma F., Yang V. // Ibid. 2005. V. 30. P. 2851. https://doi.org/10.1016/j.proci.2004.08.250
  11. Lin K.-C., Jackson K., Behdadnia R. et al. // J. Propul. Power. 2010. V. 26. P. 1161. https://doi.org/10.2514/1.43338
  12. Wang H., Wang Z., Sun M. // Exp. Therm. Fluid Sci. 2013.V. 45. P. 259. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.10.013
  13. Wang H., Wang Z., Sun M., Wu H. // Sci. China Technol. Sc. 2013. V. 56. P. 1093. https://doi.org/10.1007/s11431-013-5198-1
  14. Wang H., Wang Z., Sun M., Qin N. // Int. J. Hydrogen Energ. 2013. V. 38. P. 5918. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.02.100
  15. Ouyang H., Liu W., Sun M. // Acta Astronaut. 2015. V. 117. P. 90. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.07.016
  16. Han Y., He Y., Tian Y., Zhong F., Le J. // Aerosp. Sci. Technol. 2018. V. 72. P. 114. https://doi.org/10.1016/j.ast.2017.11.003
  17. Zhao G.-Y., Sun M.-B., Song X.-L., Li X.-P., Wang H.-B. // Acta Astronaut. 2019. V. 155. P. 255. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2018.12.011
  18. Nguyen T.M., Sirignano W.A. // AIAA J. 2019. V. 57. P. 5351. https://doi.org/10.2514/1.J057743
  19. Vlasenko V.V., Sabelnikov V.A., Molev S.S. et al. // Shock Waves. 2020. V. 30. P. 245. https://doi.org/10.1007/s00193-020-00941-4
  20. Jeong S.-M., Han H.-S., Sung B.-K., Lee E. S., Choi J. AIAA Paper 2021-3535. https://doi.org/10.2514/6.2021-3535
  21. Jeong S.-M., Han H.-S., Sung B.-K., Kim W., Choi J.-Y. // Aerospace. 2023. V. 10. P. 932. https://doi.org/10.3390/aerospace10110932
  22. Wang T., Wang Z., Sun M., Li F., Huang Y. // AIAA J. 2023. V. 61. P. 2591. https://doi.org/10.2514/1.J062051
  23. Guo S., Zhang X., Liu Q., Yue L. // Phys. Fluids. 2023. V. 35. P. 045108. https://doi.org/10.1063/5.0142210
  24. Jeong S.-M., Lee J.-H., Choi J.-Y. // Proc. Combust. Inst. 2023. V. 39. P. 3107. https://doi.org/10.1016/j.proci.2022.07.245
  25. Boulal S., Genot A., Klein J.-M. et al. // Combust. and Flame. 2023. V. 257. P. 112999. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2023.112999
  26. Mohamadi M., Tahsini A. M., Tavazohi R. // Int. J. Hydrogen Energ. 2024. V. 67. P. 769. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.04.205
  27. Yasunaga S., Nakaya S., Tsue M. // Proc. Combust. Inst. 2024. V. 40. P. 105302. https://doi.org/10.1016/j.proci.2024.105302
  28. Zhang L., Li S., Liu T., Zhou H., Ren Z. // Int. J. Hydrogen Energ. 2025. V. 97. P. 444. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.11.402
  29. Zakharova Y.V, Fedorova N. N., Goldfeld M. A., Vankova O. S. // J. Phys. Conf. Ser. 2019. V. 1382. P. 012055. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1382/1/012055
  30. Федорова Н.Н., Гольдфельд М.А // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. № 2. С. 3. http://dx.doi.org/10.21883/PJTF.2021.02.50536.18525
  31. Федорова Н.Н., Ванькова О.С., Гольдфельд М.А.// Физика горения и взрыва. 2022. Т. 58. № 2. С. 3. https://doi.org/ 10.15372/FGV20220201
  32. Федорова Н.Н., Гольдфельд М.А., Пикалов В.В.// Физика горения и взрыва. Т. 58. № 5. С. 33. https://doi.org/ 10.15372/FGV20220505
  33. Федорова Н.Н., Гольдфельд М.А., Пикалов В.В.// Физика горения и взрыва. Т. 58. № 5. С. 44. https://doi.org/ 10.15372/FGV20220506
  34. Федорова Н.Н. // Физика горения и взрыва. 2023. Т. 59. № 4. С. 12. https://doi.org/ 10.15372/FGV2023.9304
  35. Гольдфельд М.А.// Теплофизика и аэромеханика. 2020. Т. 27. № 4. С. 601.
  36. Maas U., Warnatz J. // Combust. and Flame. 1988. V. 74. № 1. P. 53. https://doi.org/10.1016/0010-2180(88)90086-7
  37. Ванькова О.С., Фёдорова Н.Н.// Физика горения и взрыва. 2021. Т. 57. № 4. С. 18. https://doi.org/ 10.15372/FGV20210402
  38. Yamashita H., Shimada M., Takeno T. // Proc. Combust. Inst. 1996. V. 26. P. 27. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(96)80196-2
  39. Gerlinger P., Stoll P., Kindler M., Schneider F., Aigner M. // Aerosp. Sci. Technol. 2008. V. 12(2). P. 159. https://doi.org/10.1016/j.ast.2007.04.003

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Расчетная область и граничные условия.

Скачать (454KB)
Метаданные
3. Рис. 2. а – Экспериментальные (символы) и расчетные распределения статического давления на стенке для случаев без инжекции и с инжекцией водорода, б – экспериментальные (символы) и расчетные распределения тепловых потоков.

Скачать (923KB)
Метаданные
4. Рис. 3. а – Расчетные распределения массовой доли водорода в поперечных сечениях x / h = 0 (1), 2 (2), 4 (3), 6 (4), 8 (5), 10 (6) и 12 (7); б – осредненный по массе индекс однородности смеси.

Скачать (653KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Графики интегральных мониторов: суммарного тепловыделения (1), средней по объему статической температуры (2), массы H2O (3), OH (4) и HO2 (5) в зависимости от времени.

Скачать (595KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Поля статического давления (а), статической температуры (б), тепловыделения (в) и индекса пламени (г) в продольном сечении, проходящем через центр отверстия инжекции, в момент времени t1.

Скачать (4MB)
Метаданные
7. Рис. 6. Поля массовых долей Н2 (а), О2 (б), ОН (в), Н2О (г) в сечениях x / h = 0 (1), 2 (2), 4 (3), 6 (4), 8 (5), 10 (6) и 12 (7) в момент времени t1.

Скачать (2MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Поля статического давления (а), статической температуры (б), тепловыделения (в) и индекса пламени (г) в продольном сечении, проходящем через центр отверстия инжекции, в момент времени t3.

Скачать (4MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Поля массовых долей Н2 (а), О2 (б), ОН (в), Н2О (г) в сечениях x / h = 0 (1), 2 (2), 4 (3), 6 (4), 8 (5), 10 (6) и 12 (7) в момент времени t3.

Скачать (2MB)
Метаданные
10. Рис. 9. Поля статического давления (а), статической температуры (б), тепловыделения (в) и индекса пламени (г) в продольном сечении, проходящем через центр отверстия инжекции, в момент времени t4.

Скачать (3MB)
Метаданные
11. Рис. 10. Поля массовых долей Н2 (а), О2 (б), ОН (в), Н2О (г) в сечениях x / h = 0 (1), 2 (2), 4 (3), 6 (4), 8 (5), 10 (6) и 12 (7) в момент времени t4.

Скачать (2MB)
Метаданные
12. Рис. 11. Поля статического давления (а), статической температуры (б), тепловыделения (в) и индекса пламени (г) в продольном сечении, проходящем через центр отверстия инжекции, в момент времени t5.

Скачать (4MB)
Метаданные
13. Рис. 12. Поля массовых долей Н2 (а), О2 (б), ОН (в), Н2О (г) в сечениях x / h = 0 (1), 2 (2), 4 (3), 6 (4), 8 (5), 10 (6) и 12 (7) в момент времени t5.

Скачать (2MB)
Метаданные
14. Рис. 13. Полнота сгорания: а – водорода и б – кислорода по длине канала. Кривые 1–6 соответствуют моментам времени t1–t6.

Скачать (1011KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025