بررسی اثر زنجیرهآغازی بر آغازش مستقیم تراک

هاشمی, سید عبدالمهدی; افرند, مسعود

بررسی اثر زنجیرهآغازی بر آغازش مستقیم تراک

نویسندگان

سید عبدالمهدی هاشمی

مسعود افرند

دانشکده مهندسی، گروه مهندسی مکانیک،دانشگاه کاشان،کاشان،ایران

چکیده

در این مقاله نقش مکانیزم واکنش احتراق بر آغازش مستقیم تراک به طور عددی مطالعه شده است. بدین منظور مکانیزم احتراق به کمک یک مدل سه مرحله‌ای مدل می‌شود که شامل زنجیره‌های آغازی، شاخه‌ای و پایانی است. در این تحقیق نقش زنجیره آغازی بر روی آغازش مستقیم تراک بررسی می‌شود. به منظور بررسی نقش مکانیزم، برای هر زنجیره یک زمان مشخصه (τ) تعریف می شود که دربرگیرنده اثر پارامترهای سینتیکی مختلف است. شبیه سازی عددی نشان می دهد که با افزایش زمان مشخصه زنجیره آغازی، انرژی بحرانی افزایش می‌یابد. برای بررسی تاثیر زنجیره آغازی در آغازش تراک نمودار رفتار فشار شوک برای زمان مشخصه‌های مختلف و همچنین انرژی‌های آغازش گوناگون رسم شده است. این نمودارها بیانگر این هستند که در tIهای کوچکتر، سینتیک نقش مهمتری را بر رفتار موج دارد. همچنین با افزایش انرژی آغازش، وابستگی مقدار حداقل فشار شوک در آغازش مستقیم به tI کم می‌شود. رفتار موج در آغازش بحرانی برای τIهای بزرگ تقریباً مستقل از τI است و رفتار موج طی آغازش برای یک E0 مشخص تقریبا بر هم منطبق است. رابطه انرژی آغازش بحرانی با τI بستگی به مقدار τI دارد. برای مقادیر کم τI این رابطه نسبتا خطی با شیب کم و برای مقادیر زیاد این رابطه مجددا خطی با شیب بیشتری است.

تازه های تحقیق

نتایجی که از بررسی اثر تغییر انرژی آغازش و زمان مشخصهی زنجیره آغازی بر آغازش مستقیم تراک برای τ_b=0.033 می‌توان گرفت عبارتاند از:

الف- با افزایش زمان مشخصهی واکنش آغازی (τ_I) انرژی آغازش بحرانی افزایش می‌یابد.

ب- برای t_Iهای بزرگ معیار شرت و کویرک برای رژیم زیر بحرانی آغازش صحیح نیست.

ج- در یک E₀ ثابت، با افزایش τ_I مقدار P_min در مرحلهی افت فشار اولیه آغازش کاهش پیدا می‎کند. در حالتی که τ_I کوچکتر است نرخ واکنش آغازی بیشتر بوده و پالس فشاری لازم برای تقویت موج شوک زودتر شکل می‎گیرد.

د- برای انرژی آغازش بیشتر، اختلاف بین P_min برای دو زمان مشخصه مختلف کمتر است. بنابراین با افزایش انرژی آغازش، وابستگی مقدار حداقل فشار شوک به زمان مشخصهی زنجیره آغازی کم می‌شود. در واقع با افزایش E₀ قدرت شوک در مرحلهی آغازش از حداقل مورد نیاز برای فعال کردن واکنش آغازی بیشتر می‎شود. زمانی که قدرت از این حداقل فراتر رود، نقش زنجیره آغازی کمتر می‎شود.

ه- رفتار موج در آغازش بحرانی برای τ_I های بزرگتر انطباق بیشتری نسبت به τ_I های کوچکتر دارد.

و- در τ_I های بزرگ عملا رژیم آغازش بحرانی و فوق بحرانی بر یکدیگر منطبقاند.

ز- رابطه انرژی آغازش بحرانی با τ_I بستگی به مقدار τ_I دارد. برای مقادیر کم τ_I این رابطه نسبتا خطی با شیب کم و برای مقادیر زیاد این رابطه مجددا خطی با شیب بیشتری است

کلیدواژه‌ها

زنجیره آغازی

زمان مشخصه واکنش

آغازش مستقیم

تراک

انرژی بحرانی

عنوان مقاله English

Investigation of the Effect of Chain Initiation on Direct Initiation of Detonation

نویسندگان English

Seyed Abdolmahdi Hashemi

Masuod Afrand

Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran

چکیده English

In this paper, the role of reaction mechanism in direct initiation of detonation is studied numerically. The combustion mechanism is presented using a three-step kinetics model, which consists of chain initiation, chain branching and chain termination. In this research, the role of chain initiation on the blast initiation is studied. To investigate the role of chemical mechanism, a characteristic time (τ) is defined for each step, which contains the effect of various kinetics parameters. Numerical simulation shows that extending the initiation characteristic time (t_I) causes an increase in the critical energy of direct initiation. To demonstrate the role of chain initiation on detonation initiation, shock pressure diagrams are presented for different values of t_I, and also for various initiation energies (E₀). These diagrams show that for smaller t_I's, kinetics has a more important effect than for larger values of t_I's. Also, it is shown that by increasing the initiation energy, dependence of minimum value of the shock pressure on t_I is decreased. For large values of t_I's, the behavior of the wave in the critical initiation is almost independent of t_I; thus, detonation behavior for a given E₀ nearly coincides with the respective t_I's. The relationship between a t_I and E₀ depends on the value of t_I. For small t_I, this relationship is linear with a small slope, whereas for large t_I, it is linear with a large slope.

کلیدواژه‌ها English

Chain initiation

Characteristic time of reaction

Direct initiation

Detonation

Initiation energy

1. Mazaheri, K., “Mechanism of the Onset of Detonation in Direct Initiation,” PhD Thesis, Department of Mechanical Engineering, McGill University, Canada, 1997.

2. Sharpe, G. j., and Falle, A. E. G., “One-Dimensional Numerical Simulation of Idealized Detonations,” Proc. R. Soc. Lond. 455, pp. 1203-1214, 1999.

3. Eckett, C. A., Quirk, J. J., and Shepherd, J. E., “The Role of Unsteadiness in Direct Initiation of Gaseous Detonation,” J. Fluid Mech., 421, pp. 147-183, 2000.

4. Short, M., and Quirk, J. J., “ On the Nonlinear Stability and Detonability of a Detonation Wave for a Model Three-step Chain-branching Reaction,” J. Fluid Mech., 339, pp. 89-119, 1997.

5. Ng, H. D., and Lee, J. H. S., “Direct Initiation of Detonation with a Multi-Step Reaction Scheme,” J. Fluid Mech., 476, pp. 179-211, 2002.

6. Mazaheri, K., and Hashemi, S. A., “The Effect of Chain Initiation Reaction on the Stability of Gaseous Detonations,” Combust. Sci. and Tech., 179, pp. 1701-1736, 2007.

7. Bourlioux, A., “Numerical Studies of Unstable Detonations,” PhD Thesis, Department of Applied and Computational Mathematics, Princeton University, U.S.A, 1991.

8. Colella, P., and Woodward, P. R., “The Piecewise Parabolic Method (PPM) for Gas-dynamical Simulations,” J. Comput. Phys., 54, pp. 174-201, 1984.

9. Chern, I. L., and Colella, P., “A Conservative Front Tracking Method for Hyperbolic Conservation Laws,” Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL 97200, 1987.

10. Berger, M. J., and Colella, P., “Local Adaptive Mesh Refinement for Shock Hydrodynamics,” J. Comput. Phys., 82, pp. 64-84, 1989.

11. Korobeinikov, V. P., Problems of Point-Blast Theory, American Institute of Physics, 1991.