سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مطالعه تجربی اثر مارپیچ در ناحیه گذار شعله به تراک

نویسندگان
مسعود عیدی ‌عطارزاده
محمد فرشچی
کاوه قربانیان
دانشکده مهندسی هوافضا،دانشگاه صنعتی شریف، تهران،ایران
چکیده
هدف از مقاله پیش رو، بررسی تجربی اثر ابعاد هندسی مارپیچ بر ناحیه گذار ازشعله به تراک و کیفیت تراک تولیدی است. لذا آزمایش‌های گسترده‌ای برای بررسی اثر ابعاد هندسی مارپیچ بر طول ناحیه گذار و کیفیت تراک انجام شد. پدیده گذار از شعله به تراک در این آزمایش‌ها به دلیل کمتر بودن انرژی اعمالی به مخلوط از اندازه انرژی بحرانی آن رخ می‌دهد. در این آزمایش‌ها از مخلوط با نسبت هم‌ارزی یک هیدروژن- اکسیژن استفاده شده و مارپیچ‌ها در ابتدای لوله‌ای با قطر 2/5 و طول 70 سانتی­متر قرار گرفتند. با معرفی معیارهای تراک مطلوب و بررسی نتایج آزمایش‌ها و نزدیکی جواب‌ها از صحت کار اطمینان حاصل شده است. برای انتخاب مارپیچ برتر، معیارهایی براساس پدیده تراک همراه با ضرایب وزنی تعریف شد و مارپیچ‌ها امتیازبندی شدند و در نهایت سه مارپیچ حائز بیشترین امتیاز، انتخاب شدند.

تازه های تحقیق

مارپیچ‌های مختلف با ابعاد هندسی مختلف مورد آزمایش قرار گرفته و اثر آن‌ها بر پدیده DDT نشان داده شد. از آنجا که انرژی داده شده مخلوط به اندازه انرژی بحرانی نیست، لذا پدیده DDT رخ می‌دهد. در این تحقیق برای کاهش طول و زمان DDT از مارپیچ‌ها استفاده شد. در پدیده DDT بر اثر افزایش اغتشاش و نیز انفجارهای پراکنده، سرعت سوزش بالا می‌رود تا حدی که به سرعت تراک برسد. در همین حین بیشینه فشار نیز افزایش می‌یابد. با حرکت موج تراک به سمت پایین­دست لوله، در بیشتر مواقع سرعت آن کاهش می‌یابد که دلیل آن رقیق شدن مخلوط است، اما کماکان با ماهیت موج تراک ولی در مخلوطی رقیق‌تر به حرکت خود ادامه می‌دهد.

در ادامه بر اساس معیارهای مهمی چون زیاد بودن سرعت DDT و بیشینه فشار بعد از مارپیچ‌، مارپیچ‌ها امتیازبندی شدند که در نتیجه مارپیچ‌های برتر عبارت­اند از L15P8T2، L10P8T4 و L10P8T2 که همگی دارای گام مارپیچ‌ 8 میلی­مترند. مارپیچ‌های بعدی دارای گام 14 میلی­متر هستند. به نظر می‌آید که کم بودن گام مارپیچ، باعث به وجود آمدن انفجارهای محلی بیشتر شده و نیز احتراق با سرعت بیشتر دور مارپیچ می‌چرخد و لذا اندرکنش بین شوک و احتراق بیشتر می‌شود بنابراین طول ناحیه DDT کمتر می‌شود. البته همان‌طور که قبلاً گفته شد، پدیده‌های درون DDT بسیار پیچیده و غیرخطی­اند و نمی‌توان به سادگی در مورد آن­ها قضاوت کرد.

کلیدواژه‌ها
تراک
موتور تراک ضربه‌ای
ناحیه گذار به تراک
مارپیچ

عنوان مقاله English

An Experimental Study of Spiral Effect on Deflagration to Detonation Transition

نویسندگان English

مسعود Eidy Attarzade
Mohammad Farshchi
Kaveh Ghorbanian
Department of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The objective of this paper is to experimentally investigate the effects of Shchelkin spiral geometry in the transition from deflagration to detonation on the quality of the produced detonation. Deflagration to detonation transition (DDT) is required in cases where ignition energy release is less than the critical ignition energy required for a direct detonation initiation. A stoichiometric mixture of hydrogen–oxygen has been used in a tube of 25 mm diameter and 700 mm length. Spiral coils have been mounted at the ignition-end of the tube to facilitate DDT. Keeping spiral coil diameter fixed at 22mm, the coil length, pitch and thickness were varied to produce desirable detonation waves. Spiral coil selection was based on several criteria including; the pressure and velocity jump across the wave at the beginning of the tube, and the percentage of successful tests in each batch. The results indicate that the spiral coil pitch has the greatest influence on minimizing the DDT length and obtaining a desirable detonation.

کلیدواژه‌ها English

Detonation
Pulse detonation engine
Deflagration to Detonation Transition Zone
Spiral
1.     Hekiri, H., “Parametric Cycle Analysis for Pulse Detonation Engines,” MS Thesis at Aerospace Engineering Department, The University of TEXAS at Arlington, USA, 2005.
2.     Nori, V., Lerma, N., Gustavsson, J., and Segal, C., “Forced Oscillations in a Mixed-Compression Inlet at Mach 3.5 for Pulse Detonation Engine Systems,” Journal of Fluids Engineering, 128, pp. 494-507, 2006.
3.     Roya, G. D., Frolovb, S. M., Borisovb, A. A., and Netzer, D.W., “Pulse Detonation Propulsion: Challenges, Current Status, and Future Perspective,” Progress in Energy and Combustion Science, 30, pp. 545-672, 2004.
4.     Plaster, M., McClenagan, R. D., Benz, F. J., Shepherd, J. E., and Lee, J. H. S., “Detonation of Cryogenic Gaseous Hydrogen-Oxygen Mixtures,” Prog. Astronaut Aeronaut, 133, pp. 37-55, 1991.
5.     Hoke, J. L., Bradley, R. P., and Schauer, F. R., “Impact of DDT Mechanism, Combustion Wave Speed, Temperature, and Charge Quality on Pulsed-Detonation-Engine Performance,” 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, Reno, Nevada, 2005.
6.     Lee, S. Y., Watts, J., Saretto, S., Pal, S., Conrad, C., Woodward, R., and Santoro, R., “Deflagration to Detonation Transition Processes by Turbulence-Generating Obstacles in Pulse Detonation Engines,” Journal of Propulsion and Power, 20, pp. 1026-1036, 2004.
7.     Meyer, T. R., Hoke, J. L., Brown, M. S., Gord, J. R., and Schauer, F. R., “Experimental Study of Deflagration-to-Detonation Enhancement Techniques in a H2/Air Pulsed-Detonation Engine,” 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, Indiana, 2002.
8.     Cooper, M., Jackson, S. and Shepherd, J. E., “Effect of Deflagration-to-Detonation Transition on Pulse Detonation Engine Impulse,” GALCIT Report FM00-3, 2000.
9.     Farinaccio, R., Harris, P. G., and Stowe, R. A., “Turbulent Flow Effects on DDT Run-up Distance for a Pulse Detonation Engine,” 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Fort Lauderdale, Florida, 2004.
10.  Schultz, E., Wintenberger, E. and Shepherd, J. E., “Investigation of Deflagration to Detonation Transition for Application to Pulse Detonation Engine Ignition Systems,” California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA.
11.  Zhang, F. Y., Fujiwara, T., Miyasaka, T., Nakayama, E., Hattori, T. and Hanson, R. K., “Detonation Studies of High- Frequency-Operation Pulse Detonation Engine with Air/Hydrogen,” 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 2003.
12. صابری‌نژاد، ح؛ "طراحی و ساخت موتور پالس دتونیشن،" پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران، 1387.
13.  Wintenberger, E., Austin, J. M., Cooper, M., Jackson, S., and Shepherd, J. E., “An Analytical Model for the Impulse of a Single-Cycle Pulse Detonation Tube,” 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Salt Lake City, UT, 2001.
14.  Lu, F. K., and Wilson, D. R., “Some Perspectives on Pulse Detonation Propulsion Systems,” Available from: http://arc.uta.edu/publications/cp_files/1051-ISSW24.pdf