Расчет состава продуктов детонации топливно

УДК 544(06) Химическая физика, горение и детонация
У.Ф. БРЯКИНА, С.А. ГУБИН, В.А. ШАРГАТОВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
РАСЧЕТ СОСТАВА ПРОДУКТОВ ДЕТОНАЦИИ
ТОПЛИВНО-КИСЛОРОДНЫХ
И ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
ЗА СФЕРИЧЕСКОЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ ВОЛНОЙ
В работе определены границы применимости модели химической равновесной смеси для расчета состава продуктов
детонации топливно-кислородных и топливно-воздушных смесей в волне разрежения за сферической детонационной
волной.
Состав продуктов взрыва изменяется в процессе их расширения и остывания. Это изменение надо учитывать при численном моделировании течений с участием продуктов взрыва по следующим причинам.
Во-первых, каким бы ни было уравнение состояния продуктов взрыва, его коэффициенты зависят от химического состава среды. Даже в простейшем случае использования уравнения состояния идеального газа
его молекулярный вес и теплоемкость зависят от состава смеси.
Во-вторых, изменение состава смеси продуктов взрыва приводит к дополнительному выделению «химической» составляющей внутренней энергии, переходящей в тепловую энергию и работу продуктов взрыва.
Например, непосредственно при детонации стехиометрической смеси водорода с воздухом выделяется энергия 2,7 МДж/кг, а при последующем расширении продуктов детонации до атмосферного давления выделяется дополнительно 0,7 МДж/кг.
В-третьих, изменение состава представляет интерес само по себе, когда целью расчета является определение количества попадающих в атмосферу вредных примесей. Например, окиси азота, несгоревших углеводородов, окиси углерода и других вредных веществ.
Расчет химического состава расширяющихся продуктов взрыва одновременно с проведением газодинамических вычислений приводит к многократному увеличению времени, необходимого для получения решения. Без решения уравнений химической кинетики удается обойтись, если предположить, что продукты детонации ведут себя либо как смесь постоянного состава, либо как смесь, находящаяся в состоянии химического равновесия в каждый момент времени в каждой точке пространства. В случае предположения о существовании химического равновесия задача определения состава сводится к термодинамическим расчетам,
которые выполняются в сотни раз быстрее, чем при использовании детального механизма химического превращения смеси.
В данной работе исследовано изменение состава продуктов детонации в волне разрежения, возникающей
за сферической детонационной волной, в топливно-кислородной и топливно-воздушных смесях. Считается,
что однородная исходная смесь в детонационной волне мгновенно превращается в химически равновесные
продукты детонации. Затем состав продуктов детонации, расширяющихся в волне разрежения, рассчитывается с помощью уравнений химической кинетики. Зависимости давления и температуры от времени для
каждого микрообъема продуктов получены путем численного решения уравнений газовой динамики для
автомодельного движения [1]. Для термодинамических расчетов использовалась компьютерная программа
[2].
Рассматривался состав, продуктов детонации в микрообъеме, находившемся в начальный момент на расстоянии R от места инициирования детонации. Для водородно-кислородной и ацетилено-кислородной смесей состав мало отличается от равновесного при R>25 см. При этом в ацетилено-кислородной смеси выход
на равновесие происходит медленнее, чем в водородно-кислородной.
При детонации смеси водорода с воздухом и ацетилена с воздухом процесс установление равновесия
требует большего времени, чем для кислородных смесей, поскольку вследствие разбавления смеси азотом
реакции рекомбинации протекают медленнее. В продуктах, состоящих только из С, Н и О элементов, состояние становится близким к локально-равновесному при R>2,5 м. Общее химическое равновесие при этом не
достигается, так как концентрации азотосодержащих соединений (в первую очередь NO) остаются далеки от
равновесных вплоть до R=10 м.
Список литературы
1. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. «Наука», М., 1997, С.440.
2. Victorov S.B., Gubin S.A., Maklashova I.V., Revyakin I.I. Thermodynamic TDS code. 32nd Int. Annual Conf. of ICT, Karlsruhe, Germany, 2001, P. 6
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 4
1