Модуль E20-10 в исследовании сверхзвуковой динамики взрыва гремучей смеси

Внедрение: 2011 г.

Специалисты из НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова на двухдиафрагменной ударной трубе исследовали сгорание гремучей смеси с применением скоростного АЦП E20‑10. Определена зависимость времени индукции реакции H₂+O₂ от начального давления смеси. Экспериментально измерена константа скорости и энергия активации реакции 3O₂ → 2O₃.

Сравнивая E20‑10 с цифровыми запоминающими осциллографами, авторы данной работы [1] замечают, что в этой измерительной задаче были востребованы возможности E20‑10 непрерывной записи сигнала с разрешением 14 бит на высокой частоте дискретизации (до 10 МГц), что позволило на длительных промежутках времени сохранять в памяти компьютера экспериментальные данные.

На рисунке 1 представлена схема двухдиафрагменной ударной трубы. 

Рисунок 1. Схема двухдиафрагменной ударной трубы: 1 - свеча зажигания; 2 - демпферный бак; 3 - медная или лавсановая диафрагмы; 4 – модуль E20‑10 фирмы L‑CARD; 5 - ноутбук; КВД, КПД, КНД – камеры высокого, промежуточного и низкого давления соответственно.

Вдоль камеры высокого давления располагаются две пары пьезоэлектрических датчиков давления P1‑P4. В конце камеры промежуточного давления (КПД) также располагается пара пьезоэлектрических датчиков P5‑P6. Эти камеры заполнялись стехиометрической смесью водорода с кислородом в диапазоне давлений 0.4‑2.3 атм. После поджога и сгорания газа разрывалась диафрагма между секциями КПД и КНД, и газ истекал в демпферный бак.

Рисунок 2. Осциллограммы первых четырех датчиков давления P1‑P4 для начального давления гремучей смеси 1.44 атм.

На рисунке 2 представлен пример осциллограмм с сигналов датчиков давления P1‑P4 для начального давления гремучей смеси 1.44 атм. Начало развертки совпадает с началом зарядки высоковольтного накопительного конденсатора малоиндуктивного разрядного контура. На первый вход E20‑10, кроме сигнала первого датчика давления, подавался сигнал с электрического щупа, расположенного в области высоковольтного разрядного контура. Этот сигнал показывает процесс зарядки конденсатора и момент электрического пробоя разрядного промежутка свечи зажигания. Из осциллограмм видно, что в области первых двух датчиков P1, P2 волна сжатия холодного газа, вызванная горением смеси и увеличением объема продуктов сгорания в области поджога, еще не имеет скачкообразного фронта. На датчиках P3 и P4 мы видим уже сформированный фронт сверхзвуковой волны.
 

Рисунок 3. Диаграмма процессов, происходящих в камере высокого давления после поджога смеси.

На рисунке 3 показаны траектория ударной волны сжатия холодного газа, вызванной поджогом смеси, траектории детонационной и ретонационной волн и место начального взрыва смеси. Для определения траекторий использовались сигналы с датчиков давления P1‑P6. Квадратики на графике обозначают время прихода волн на соответствующий датчик.

Координата L=0 соответствует месту расположения свечи зажигания. Траектория AB обозначает движение молекул газа, находившихся в сечении камеры A, в момент прохождения через него ударной волны сжатия холодного газа до сечения камеры B, в котором происходит тепловой взрыв и формируется детонационная волна, распространяющаяся в ту же сторону, что и ударная волна сжатия холодного газа.
 

В результате проведённых исследований горения водород-кислородной смеси в камере высокого давления двухдиафрагменной ударной трубы:

• В диапазоне давлений 1.1‑2.3 атм установлена кубическая зависимость времени индукции реакции от давления, при формировании детонации в гремучей смеси в трубе диаметром 50 мм при ее поджоге наносекундной электрической искрой. Предложен отличный от традиционного механизм индукционного периода реакции водород-кислородной смеси. Ведущую роль при этом играют эффекты поступательной неравновесности во фронте ударной волны и тримолекулярные реакции с участием озона.
• Измерена неравновесная концентрация озона, образующаяся за фронтом ударной волны в кислороде в диапазоне начальных давлений 0.53‑1 атм при числах Маха 2.7‑2.9. Определена скорость реакции O₂+O₂+O₂→O₃+O₃ при температурах 686 K и 760 K, получена энергия активации этой реакции.

Источник:

Козлов П.В., Лосев С.А., Романенко Ю.В. Измерение времени индукции реакции H₂ + O₂ инициированной ударной волной в стехиометрической смеси // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. – Москва. – 2011. – № 1, Т. 12. – С. 1‑8.

Разработчик: П.В. Козлов, С.А. Лосев, Ю.В. Романенко (НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова)