سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

بررسی اثراصطکاک روی پایداری موج یک بعدی تراک گازی در مخلوطهای با انرژی فعالسازی کم

نویسندگان
مجید سبزپوشانی 1
حدیثه کریمایی 2
1 پژوهشکده انرژی،دانشگاه کاشان،کاشان،ایران
2 دانشکده مهندسی، گروه مهندسی مکانیک،دانشگاه کاشان،کاشان،ایران
چکیده
در این مقاله، رفتار موج تراک در محیط غیرایدئال مطالعه شده است. شبیه­ سازی تراک بر اساس معادلات اولر واکنشی یک ­بعدی و با درنظرگرفتن اثر اصطکاک به صورت عبارت چشمه در معادله بقای تکانه انجام شده است. از مدل سینتیکی یک­ مرحله­ ای آرنیوسی برای مدل­ کردن واکنش شیمیایی استفاده شده است. نتایج حاضر مشخص کردند که درنظرگرفتن اصطکاک در مخلوط با انرژی فعالسازی خیلی کم ( برابر 8) باعث کاهش سرعت تراک و افزایش طول ناحیه واکنش تا یک حد مشخص شده است. با این وجود، رفتار پایدار تراک حتی در مقادیر زیاد اصطکاک دیده شده است. همچنین، نتایج حاضر نشان دادند که در انرژی فعالسازی 22، که نزدیک حد پایداری تراک ایدئال است، و در مقادیر کم اصطکاک تراک پایداری خود را حفظ می­ کند، ولی با زیادشدن اثر اصطکاک تراک ناپایدار شده و رفتار آن نوسانی می­شود. با افزیش بیشتر اصطکاک، ابتدا تراک با نواسانات دوگانه ظاهر شده و در نهایت هنگامی که ضریب اصطکاک از یک مقدار بحرانی بیشتر می ­شود جدایی ناحیه واکنش از موج ضربه ­ای پیشرو اتفاق می­ افتد و تراک میرا می ­شود. درحقیقت، رفتار تراک غیرایدئال توسط رقابت میان نرخ انرژی آزادشده توسط واکنش شیمیایی و نرخ اتلاف تکانه توسط اصطکاک کنترل می­ شود.

تازه های تحقیق

در این مطالعه، رفتار تراک غیر ایدئال در مخلوط­های با انرژی فعالسازی کم و در کانال­های زبر با مدلسازی عبارت منبع اصطکاک در معادله تکانه بررسی شده است. از جمله نتایج به­دست­آمده می­توان موارد زیر را بیان کرد:

- برای تراک با اصطکاک، حد پایداری کاهش می­یابد و اصطکاک یا اتلاف تکانه باعث کاهش سرعت متوسط و فشار متوسط تراک نسبت به مقدار CJ می­شود.

- افزایش اصطکاک در انرژی فعالسازی خیلی کم (برابر 8 در این تحقیق) تنها باعث تضیف تراک شده و روی پایداری تراک تاثیری نداشته است.

- اصطکاک در انرژی فعالسازی 22 سبب نوسانی­شدن رفتار تراک می­شود. با بیشترشدن اصطکاک تا حدود 05/0، دامنه نوسانات و گام­هایش بزرگ­تر می­شود. در ضرایب اصطکاک بیشتر از 05/0، تراک با نوسانات دوگانه مشاهده شده است.

- در انرژی فعالسازی 22، اثر افزایش اصطکاک مشابه اثر افزایش سطح انرژی فعالسازی است با این تفاوت که میرایی با افزایش اثر اصطکاک مشاهده می­شود، ولی با افزایش انرژی فعالسازی واکنش یک مرحله­ای، میرایی تراک قابل پیش­بینی نیست. رفتار ساختار تراک در فاصله­های دورتر و تا مقدار بی­بعد 5000 از محل آغازش تراک نیز بررسی شده و نتایج نشان دادند که آغازش دوباره اتفاق نیفتاده است.

- تضعیف و میرایی تراک در انرژی فعالسازی 8 به خاطر اتلافات اصطکاکی و کاهش سرعت تراک است درحالی که در انرژی فعالسازی 22 تضعیف و میرایی، علاوه بر سازوکار فوق، به خاطر جدایی ناحیه واکنش از موج ضربه­ای پیشرو نیز می­باشد.

کلیدواژه‌ها
شبیه ­
سازی عددیتراک غیرایدئالپایداری تراکاثر اصطکاک

عنوان مقاله English

Investigation of the Friction Effects on Instability of the One-Dimensional Gaseous Detonation Waves in the Mixtures with Low Activation Energy

نویسندگان English

Majid Sabzpooshani 1
Hadiseh Karimaei 2
1 Energy Research Institute, University of Kashan, Kashan, Iran
2 Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran
چکیده English


In this paper, behavior of the non-ideal detonation wave is studied. Simulation of detonation is performed based on the one-dimensional Euler equations, taking into consideration the friction effects by additional momentum source term in the momentum conservation equation. One-step Arrhenius reaction model is utilized for modeling of the chemical reactions. The yielded results indicated that in the very low activation energy (equal to 8), considering the friction caused a reduction in detonation velocity and an extension in length of the reaction zone up to a specific value. Nevertheless, stable behavior of detonation wave is observed even at higher values of friction factor. The results also show that in the activation energy of 22 (which is close to stability limit in the ideal detonation) and with low values of the friction factor, detonation wave retains its stability; but with increasing the friction factor, detonation wave leads to unstable and pulsating detonation. For higher values of the friction factor, at first, double oscillation detonation is appeared and finally, when friction factor exceeds the critical value, separation of the reaction zone and precursor shock wave occurs and then the detonation will be attenuated. Indeed, the behavior of detonation waves is controlled by the competition between the rate of energy release from chemical reaction and the rate of momentum dissipation by friction effect.

کلیدواژه‌ها English

Numerical simulation
Non-ideal detonation
Detonation stability
Friction effect
1.     W. Fickett and W.C. Davis, Detonation, University of California Press, 1979.
2.     M. I. Radulescu and J. H. S. Lee, “The Failure Mechanism of Gaseous Detonations: Experiments in Porous Wall Tubes,” Combustion and Flame, 131, pp. 29-46, 2002.
3.     J. J. Lee, G. Dupre, R. Knystautas and J. H. Lee, “Doppler Interferometry Study of Unstable Detonations,” Shock Waves, 5, pp. 175- 181, 1995.
4.     G. Dupre, O. Peraldi, J. H. Lee and R. Knystautas, “Propagation of Detonation Waves in an Acoustic Absorbing Walled Tube,” AIAA Prog. Astronaut Aeronaut, 114, pp. 248-263, 1988.
5.     C. Guo, G. Thomas, J. Li and D. Zhang, “Experimental Study of Gaseous Detonation Propagation Over Acoustically Absorbing Walls,” Shock Waves, 11, pp. 353-359, 2002.
6.     M. W. Evans, F. I. Given and W. E. Richeson, “Effects of Attenuating Materials on Detonation Induction Distances in Gases,” J Appl. Phys, 26, pp. 1111-1113, 1955.
7.     J. H. S. Lee, The Detonation Phenomenon, Cambridge University Press, 2008.
8.     J. P. Dionne, “Theoretical Study of the Propagation of Non-Ideal detonation,” PhD Thesis, McGill University, 2000 
9.     J. H. S. Lee, “Detonation Waves in Gaseous Explosives,” Handbook of Shock Waves, 3, pp. 309-415, 2001.
10.  Y. B. Zeldovich, “On the Theory of the Propagation of Detonation in Gaseous System,” Zh. Eksp. Teor. Fiz, 10, pp. 542-568, 1940. Also in NACA TM 1261,1960.
11.  Y. B. Zeldovich, B. E. Gelfand, Ya. M. Kazhdan and S. M. Frolov, “Detonation Propagation in Rough Tube Taking Account of Deceleration and Heat Transfer,” Sov. J. Chem. Phys., 4, No. 2, pp. 103-112, 1987.
12.  J. H. S. Lee and F. Zhang, “Friction-Induced Oscillatory Behaviour of One Dimensional Detonation,” Proc. R. Soc- Land., A 446, pp. 87-105, 1994.
13.  K. Mazaheri, “Mechanism of the Onset of Detonation,” PhD Thesis, McGill University, 1997.
14.  A. Bourlioux, “Numerical Studies of Unstable Detonations,” PhD Thesis, Department of Applied and Computational Mathematics, Princeton University, U.S.A., 1991.
15.  P. Colella and P. R. Woodward, “The Piecewise Parabolic Method (PPM) for Gas-Dynamical Simulations,” J. Comput. Phys., 54, pp. 174-201, 1984.
16.  I. L. Chern and P. Colella, “A Conservative Front Tracking Method for Hyperbolic Conservation Laws,” Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL 97200, 1987.
17.  M. J. Berger and P. Colella, “Local Adaptive Mesh Refinement for Shock Hydrodynamics,” J. Comput. Phys., 82, pp. 64-84, 1989.
18. J. H. S. Lee, “Dynamic Parameters of Gaseous Detonations,” Ann. Rev. Fluid. Mech., 16, pp. 311-336, 1984.
19.  S.A. Hashemi, “Numerical Study of the Role of Kinetic Parameters on Instability of Gaseous Detonations,” PhD Thesis, Department of Mechanic, Faculty of Engineering, Tarbiat Modares University, Iran, 2004, (In Farsi).