Детонационные источники

Размер шрифта: 13

Введение: от дефлаграции к детонации – смена парадигмы в энергетике и технологиях

Современная цивилизация исторически основана на процессах дефлаграционного (медленного) горения – от первых костров до современных газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания.

Однако физические ограничения этого процесса заставляют искать более эффективные альтернативы. Детонационное горение, характеризующееся сверхзвуковым распространением ударной волны с фронтом горения, представляет собой качественно иной подход, способный революционизировать множество технологических процессов.

Всем известно, что детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, температура горения достигает 3000 С.

Согласитесь – довольно заманчивые температурные и скоростные характеристики для целей использования в промышленном производстве.

Считается, что детонационная труба, это безальтернативный вариант. Что в такой трубе для определённых геометрических характеристик достаточно сформировать определённую стехиометрическую топливовоздушную смесь, инициировать высокоэнергетическую волну детонационного горения, повторить процесс и это предел развития.

Оказывается, что все намного сложнее, заманчивее и интереснее. Предлагается подробное исследование в области источников управляемых волн детонационного горения для промышленности, основанное на многолетних авторских разработках и экспериментах.

Детально рассматриваются сами источники волн детонационного горения, их классификация, конструктивные особенности, достоинства и недостатки.

Накопленный эмпирический материал и теоретические изыскания легли в основу предлагаемой рациональной классификации детонационных источников энергии, охватывающей как существующие, так и потенциальные будущие разработки. В книге представлены оригинальные конструктивные решения и результаты опытно-конструкторских работ, выходящие за рамки общепринятых представлений о детонационных устройствах.

1. Начало.

В 80-х годах прошлого века обратил внимание на одну интересную идею полусферического реактивного двигателя, автором которой являлся руководитель авиамодельного кружка дворца пионеров г. Благовещенска Попов Николай Иванович. Такой двигатель он планировал применить для привода лопастей вертолёта в качестве альтернативы прямоточному реактивному двигателю, который на относительно малых скоростях мало эффективен и не экономичен.

Схематически такой полусферический реактивный двигатель представлен на рис. № 1.

Рис. № 1. Полусферический реактивный двигатель, предложен Поповым Николаем Ивановичем.

Основа двигателя – стальная полусфера. Полусфера по диаметру окружена кольцевым соплом, которое заканчивается воздухозаборником. Посредине полусферы – топливная форсунка.

На основании идеи Попова Николая Ивановичя, в 1999 году компании МАККИНЗИ была предложена простейшая конструкция дозвуковой дефлаграционной радиально-аксиальной горелки согласно рис. № 2 для проведения опытно-конструкторских работ (ОКР) в нагревательном оборудовании.

МАККИНЗИ в те времена занималась оптимизацией, в том числе и нагревательного оборудования одной металлургической компании РФ.

Рис. № 2. Полусферическая дефлаграционная газовая горелка

Предполагалось, что такая конструкция горелки более эффективно будет сжигать топливовоздушную смесь. Уменьшится расход газа.

Такое заключение основывалось на простом явлении, которое известно, но до конца не объяснено. Если взять обычный баллон со сжатым воздухом и пустить через кольцевое сопло в фокус полусферы, то на выходе энергетические характеристики потока вырастут процентов на 10.

Предположительно это связано с следующими друг за другом волнами сжатия и разряжения. На крутильных весах этот эффект проявляется небольшим увеличение силы тяги.

В конструктивном плане основа горелки, это стальная полусфера. Полусфера по диаметру окружена кольцевым соплом, которое заканчивается воздухозаборником. Посредине полусферы – газовая форсунка. В такой схеме прослеживается простая зависимость эффективности работы горелки от:

– расхода газа,

– расхода воздуха,

– проходного сечения сопла.

Опытно-конструкторские работы по проверке идеи можно было достаточно просто организовать.

Газ смешивается с воздухом в полусфере в момент его радиального сжатия в фокус. Происходит поджог готовой топливовоздушной смеси. Формируется направленная дозвуковая волна дефлаграционного горения топливовоздушной смеси. При покидании полусферы в ней формируется разряжение, в которое подаётся газ и воздух. Далее цикл повторяется.

Предположения:

1. Предполагалось, что за счёт вышепоименованного явления тепловая эффективность горелки увеличится на 10%.

2. Предполагалось, что за счёт пульсирующего сгорания газа его потребление снизится минимум на 10 %.

К сожалению заявленная идея в 1999 году не получила дальнейшего развития, т.к. МАККИНЗИ сочла идею – околонаучным бредом!

Дальнейшие опытно-конструкторские работы проводились уже собственными силами для целей подтверждения заявленных выше предположений.

Рис. № 3. Внешний вид дефлаграционной полусферической горелки.

Тестировалась одна горелка (см. рис. № 3), в двух ниже поименованных режимах при одинаковом расходе воздуха и газа. Особенность работы заключается в том, что пульсации в заявленной горелке начинают проявляться только с определённого значения уровня расхода первичного воздуха горения.

Такое значение в экспериментах для ниже поименованных случаев было выбрано одинаковым.

Т.е. можно сказать, что при относительно небольшой скорости радиального истечения воздуха из сопла не происходит повышение давления в фокусе сферы до уровня формирования следующих друг за другом волн сжатия и разряжения, и как следствие, горелка превращается в классическую проточную горелку с худшими характеристиками, связанными с дополнительными потерями на поворот воздушного потока на 90 градусов. Для недопущения такого режима нужно регулировать скорость потока.

Режим 1.

Классический прямоточный подвод воздуха горения (режим работы классической прямоточной горелки). Воздушное кольцевое сопло имеет проходное сечение, не формирует строго радиальный поток. Формируется аксиальный воздушный поток для смешивания с газом согласно классике прямоточных современных горелок.

Режим 2.

Радиальный подвод воздуха горения (режим работы заявленной аксиально-радиальной горелки). Воздушное кольцевое сопло имеет проходное сечение, которое формирует радиальный поток с последующим формированием волн сжатия/разряжения в фокусе сферы. Замечание – пульсации начинают проявляться только с определённого значения уровня расхода первичного воздуха горения.

Результаты экспериментов подтвердили все заявленные выше предположения.

В последствии конструкция горелки была незначительно доработана. Это было связано с местом подвода газа и воздуха для использования в каком – либо специальном технологическом процессе производства.

Варианты исполнения газовой горелки с центральным подводом газа представлен на рис. № 4.

Рис. № 4. Полусферическая дефраграционно-резонансная газовая горелка.

Если для технологических целей нужен ввод в фокус полусферы дополнительных мелкодисперсных продуктов, например, для пиролиза и т.п., то конструктивное исполнение дефлаграционно-резонансной горелки представлено согласно рис. № 5.

Рис. № 5. Полусферическая дейфлаграционно-резонансная горелка с дополнительным вводом в фокус горения различных веществ.

Варианты дефлаграционного горения в зависимости от режимов работы горелки представлены на рис. № 6

Рис. № 6. Варианты дефлаграционного горения в зависимости от режимов работы горелки

К сожалению такие типы дефлаграционно-резонансных горелок не получили дальнейшего развития по объективным причинам.

Эффективность дозвуковых горелочных устройств в любом случае ограничена физическими законами дозвукового горения.

Это значит, что заявленная дефлаграционно-резонансная горелка хоть и более эффективна, чем классические горелки различных конструктивных исполнений (вихревые, полно проточные и т.п.), но в любом случае ограничена физическими законами дозвукового горения.

Выход один! Нужно переходить от дозвукового горения к сверхзвуковому управляемому детонационному горению.

Таким образом в 1999 году благодаря некомпетентности сотрудников компании МАККИНЗИ в этом вопросе была заложена основа предлагаемого в настоящее время нового детонационного технологического тренда в промышленности.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

2 Рациональная классификация

Предлагается рациональная классификации существующих и будущих детонационных источников энергии, которые только разрабатываются или ещё не придуманы для использования в различных технологических процессах промышленного производства.

В структуре рациональной классификации заложены векторы возможного направления развития таких идей.

Такая классификация позволит оценить конструктивные исполнения, технически возможности, достоинства и недостатки различных типов детонационных источников энергии и увидеть вектор возможного дальнейшего развития.

Классификация основывается с учётом следующих признаков:

Геометрические признаки. Характеризуют формы камер, в которых происходит детонационное горения топливовоздушной смеси. Все детонационные источники энергии по данному признаку разделяются на:

– Детонационные источники энергии цилиндрической формы

– Детонационные источники энергии с полусферическим резонатором .

Детонационные источники энергии с сферическим резонатором

Конструктивные признаки формирования топливовоздушной смеси для детонационного горения характеризуют способы и места ввода топливовоздушной смеси непосредственно внутрь камеры детонационного горения. Все детонационные источники энергии по данному признаку разделяются на:

– Бесклапанные.

– Клапанные с электромагнитным управлением.

– Клапанные с механическим управлением.

– Клапанные механические с волновой фазовой модуляцией топливовоздушной смеси

Для каждого типа детонационного источника энергии характерны определённые частоты следования волн детонационного горения и как следствие – энергетические характеристики.

На основании выше изложенного предлагается следующая классификация (классификационные решения) всех детонационных источников энергии с визуализацией возможных дальнейших направлений векторов развития таких источников энергии.

Примечание

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

3. Бесклапанный источник волн детонационного горения

Традиционные импульсные детонационные источники энергии представляют собой длинные трубы, по которым с небольшой частотой следуют ударные волны. Из-за низкой частоты следования ударных волн время, в течение которого происходит сжигание топлива, по сравнению с характерным временем цикла, мало. В результате, несмотря на высокий КПД собственно детонационного сжигания – общий КПД таких конструкций низкий.

Рассмотрим классический импульсный детонационный источник энергии цилиндрической формы согласно рис. № 7.

Рис. № 7. Детонационный источник энергии цилиндрической формы, бесклапанный.

Известно, что при горении любой топливно-кислородной смеси в трубе происходит переход горения в детонацию. В этом случае перед фронтом пламени движется исходная смесь, которая турбулизируется стенками трубы, что приводит к увеличению поверхности горения, т. е., в конечном счете, к непрерывному ускорению фронта пламени. Ускоряющееся пламя образует перед собой ударную волну, которая при достижении соответствующих параметров возбуждает детонацию не сгоревшей смеси.

При этом детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000 С.

Особенность цилиндрических источника в том, что из-за низкой частоты следования ударных волн время, в течение которого происходит сжигание топлива, по сравнению с характерным временем цикла, мало. В результате, несмотря на высокий КПД собственно детонационного сжигания – общий КПД таких конструкций низкий.

В конструктивном плане традиционный импульсный детонационный источник энергии представляет собой трубчатую полость, открытую с обеих сторон, см. рис. № 8. На входе монтируется инжекционный конусный смеситель (4), далее стабилизатор (7) и после него – камера быстрого горения/детонации (11).

Принцип работы схож с принципом работы пульсирующего бесклапанного реактивного двигателя за одним исключением – в трубе распространяется волна детонационного горения.

Рис. № 8. Импульсный детонационный источник энергии трубчатой формы.

Где:

1 – патрубок подвода газа.

2 – вход воздуха.

3 – газовая форсунка.

4 – инжекционный смеситель (эжектор).

5 – конфузор смесителя.

6 – диффузор смесителя.

7 – стабилизатор (сетка из нержавейки).

8- Электроискровая свеча зажигания.

9 – труба (корпус).

10- оптимальное расстояние установки свечи для инициации

быстрого горения.

11- камера быстрого горения (детонации).

12 – камера смешивания топливовоздушной смеси.

Корпус устройства разделён на две зоны.

Зона подготовки топливовоздушной смеси (12).

Зона горения (11).

В зоне подготовки топливовоздушной смеси происходит смешивание горючего газа и окислителя (воздуха) с помощью классического инжекционного смесителя (эжектора).

В инжекционном смесителе горючий газ, который истекает из сопла с большой скоростью обладает большим запасом кинетической энергии. За счет энергии газа в эжектор засасывается воздух и осуществляется процесс смесеобразования. Это одно из наиболее совершенных смесительных устройств, обеспечивающих полное выравнивание полей концентраций горючего и окислителя.

Стабилизатор, который отделяет зону подготовки топливовоздушной смеси и зону быстрого горения обеспечивает устойчивое полное предварительное смешивание воздуха и газа.

Для инициации быстрого горения используется классическая свеча зажигания.

Характеристики работы, поддержание его автоколебательного режима детонации топливовоздушной смеси осуществляется путём изменения частоты пробоя искрового разряда свечи зажигания с частотой до единиц Гц.

Представленная конструкция эффективно воспроизводит единичные детонационные импульсы, создавая условия для анализа и исследования таких параметров, как фронт распространения, температура, давление, энергетический выход и детонационно-электрический эффект.

Однако экспериментально подтверждён ряд фундаментальных ограничений, влияющих на общую эффективность и функциональность подобной конструкции:

– Подтверждено, что успешный запуск детонационной волны возможен только при расположении источника инициирования (свечи зажигания) не далее чем L⁄4 от начала трубы, что соответствует фазовым условиям генерации ударного фронта и согласуется с известной теорией стоячих волн в газодинамических резонаторах.

– Временной режим работы установки при текущей реализации соответствует низкой частоте следования детонационных импульсов (-1 Гц), что делает невозможным переход в режим квазинепрерывной генерации энергии.

– Несмотря на крайне высокий термодинамический КПД единичного детонационного сгорания (теоретически достигающий 45–55% и более), общий КПД всей системы остаётся низким по причине:

– высокой энергии потерь между циклами;

– отсутствия рекуперации энергии промежуточных процессов;

– недостаточной частотности импульсов для получения стабильного энергетического потока.

Достоинства:

– Высокая энергетическая плотность единичного детонационного сгорания;

– Простота опытной реализации (трубка малого объёма, пьезозажигание, легкодоступная ТВС);

– Возможность прямой регистрации и изучения, электрических и газодинамических эффектов;

– Является базой для тестирования новых концептов: детонационно-электрического генератора, имплозии, ионизации и плазмообразования.

Недостатки:

– Низкая частота импульсов (1–2 Гц), ограниченная термогазодинамикой, временем подготовки ТВС и охлаждением стенок реактора;

– Низкий общий КПД системы из-за прерывистости процесса и большого времени бездействия между импульсами;

– Ограниченные возможности масштабирования в существующей архитектуре;

– Требование точного позиционирования источника инициирования (L⁄4), снижающее гибкость конструкции.

Представленная однокамерная трубчатая детонационная установка даёт ценную информацию о физической природе и прикладных возможностях управляемой волны детонационного горения, включая уникальные эффекты (такие как детонационно-электрический эффект).

Практическое применение:

– Импульсные теплогенераторы высокой мощности;

– Активаторы детонационных камер предварительного нагрева;

– Инициирующие источники энергии в термобарических и пиротехнических разработках;

– Высокоэнергетические плазменные насосы и реакторы;

– Биомассо- или водородосжигающие мини-установки;

– Возможное применение в авиационном детонационном импульсном двигателе (PDE).

Вывод:

Цилиндрический бесклапанный детонационный источник энергии – это перспективная конструкция, сочетающая в себе простоту, надёжность и высокую удельную мощность, превосходящую традиционные методы сжигания топлива. При дополнительном совершенствовании и увеличении частоты воспламенения установка может стать основой для новых энергоформирующих решений в промышленной детонационной энергетике, теплотехнике, синтезе веществ и компактных импульсных двигателях.

Примечание

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

4. Бесклапанный с полусферическим резонатором источник волн детонационного горения

Одним из способов увеличения собственного КПД детонационного сжигания, и как следствие, общего КПД – является применение дополнительного “центростремительного” сжатия детонационной волны с выхода классической трубы детонационного горения.

Принцип работы основывается в том числе и на явлении, которое проявляется в том, что если взять обычный баллон со сжатым воздухом и пустить через кольцевое сопло в полусферический рефлектором (резонатор), то на выходе энергетические характеристики потока вырастут даже при отсутствии горения, без использования топлива. Это явление до сих пор до конца не объяснено.

Схема детонационного источника энергии цилиндрической формы, бесклапанного, с полусферическим резонатором на выходе представлена на рис. № 9.

Рис. № 9. Детонационный источник энергии цилиндрической формы, бесклапанный, с полусферическим резонатором на выходе.

В детонационной трубе формируется с помощью инжекции воздуха газом топливовоздушная смесь, которая поджигается. Происходит классическое детонационное горение. На выходе классической трубы детонационного горения фронт волны при распространении меняет своё направление с прямолинейного на условно называемое – “центростремительное”.

Благодаря использованию дополнительного полусферического резонатора в его центре, так называемого схлопывания (центростремительного сжатия), формируются сверх высокие давления и температуры, повышающие КПД единичного импульса детонационного горения.

Были проведены ОКР с детонационным источником энергии цилиндрической формы с полусферическим резонатором на выходе, см. рис. № 10.

Рис. № 10. Внешний вид детонационного источника энергии цилиндрической формы с полусферическим резонатором на выходе.

Представленная конструкция детонационного источника энергии цилиндрической формы, бесклапанного, с полусферическим резонатором на выходе, демонстрирует перспективное направление развития технологий импульсного высвобождения энергии с использованием управляемого детонационного горения топливовоздушной смеси и её пространственно-физической фокусировки. Основной целью данного решения является увеличение энергетической эффективности единичного детонационного импульса за счёт последующего центростремительного сжатия продуктов горения в фокусе полусферического резонатора.

Суть предложенной технологии:

– Внутри цилиндрической трубы классическим способом формируется топливовоздушная смесь, которая инициируется с помощью искровой системы зажигания, запускающей детонационную волну;

– При выходе фронта взрывной волны из трубчатой камеры, он теряет прямолинейную конфигурацию и вступает во взаимодействие с геометрией полусферического резонатора;

– В процессе отражения и схлопывания фронтов в центре резонатора, за счёт центростремительного (имплозионного) эффекта происходит значительное повышение давления и температуры в ограниченном объёме, формируя высокоэнергетическую область;

– Это обеспечивает «дожим» и передачу дополнительной энергии в импульсе, тем самым увеличивая давление и кинетическую энергию истекающих продуктов, что в сумме приводит к повышению эффективного выхода энергии даже без увеличения частоты циклов.

Экспериментальные опытно-конструкторские работы (ОКР), проведённые с установкой цилиндрической формы с полусферическим резонатором на выходе, подтвердили базовую гипотезу о повышении выходных энергетических характеристик – давления, температуры, скорости и импульса. Визуальное и динамическое поведение фронта волны в центральной зоне резонатора показывает наличие схлопывания и активной концентрации энергии.

Достоинства предлагаемого решения:

– Повышение КПД единичного детонационного импульса за счёт гидрогазодинамического и акустического «фокусирования» энергии в полусферическом объёме;

– Конструктивная простота: отсутствие клапанов, подвижных частей и система может быть легко масштабирована;

– Возможность интеграции в другие импульсные системы (детонационно-плазменные, термохимические, пиролизные установки и т.п.);

– Высокая пиковая температура и давление в зоне работы, подходящие для запуска термохимических и пиросинтетических процессов (включая синтез, восстановление и разложение веществ);

– Работа в импульсном режиме позволяет использовать установку для направленного воздействия – например, в инициировании физических или химических процессов, кратковременном нагреве, создании ударных волн для экспериментального моделирования.

Недостатки технологии:

– Низкая частота следования импульсов (единицы герц), ограничивающая непрерывную генерацию энергии;

– Сравнительно низкий общий КПД установки в долгосрочном режиме из-за ограниченности частотного ресурса и времени между циклами;

– Отсутствие рекуперации/утилизации тепла после импульса и недостаточная "обратная связь" от центральной зоны резонатора;

– Требуется точная настройка геометрии резонатора и места воспламенения для максимизации эффектов схлопывания волн.

Заключение:

Установка с полусферическим резонатором является важным шагом в направлении повышения эффективности детонационных источников энергии. За счёт эффекта концентрированной имплозии детонационного фронта удаётся повысить энергетическую ценность каждого импульса без увеличения объёмов топлива и сложности конструкции. Несмотря на низкую частоту следования циклов, устройство может быть эффективно применено там, где требуется генерация коротких, мощных, высокоэнергетических импульсов: в высокотемпературных химических реакциях, импульсных плазменных источниках, пиросинтезе, процессах утилизации и преобразования веществ, а также в системах специального назначения.

Примечание

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

5. Бесклапанный с сферическим резонатором источник волн детонационного горения

Для целей повышения КПД детонационного горения предлагается конструкционным решением дополнительно сжимать фронт детонационного горения ТВС. Таким конструкционным решением будет являться сфера, установленная на выходе детонационной трубы согласно рис. № 11.

Рис. № 11. Детонационный источник энергии цилиндрической формы, бесклапанный, с сферическим резонатором на выходе.

Сама сфера в данном случае может выступать в роли резонатора мгновенного действия. Под «мгновенным действием» подразумеваем совершение и усиление одного периода колебания резонатора за время, не большее периода колебания возмущающей силы, т.е. детонационной волны.

Были проведены ОКР с таким типом источника детонационного горения согласно рис. № 12.

В конструктивном плане идея для проверки реализована в следующем виде. Стальной шар диаметром 60 мм с сопловым отверстием 25 мм на конце детонационной трубы диаметром 32 мм согласно рисунка, заявленного ниже. Готовая воздушно газовая смесь подается в детонационную трубу через стальной патрубок внутренним диаметром 18 мм от газовой горелки с пьезоподжигом. Газ – стандартный картридж пропан + изобутан в соотношении 70:30. Давление в баллоне (картридже) 3,5 Атм. Инициация детонационного горения осуществляется искрой пьезоподжига газовой горелки с максимально достижимой частотой 2 Гц.

Рис. № 12. Работа детонационного источника энергии цилиндрической формы с сферическим резонатором на выходе.

Экспериментальным путём установлен оптимальный диаметр в 30 мм так называемого сопла для сферы диаметром 60. При этом зафиксированы следующие характеристики (особенности) работы источника детонационной энергии:

Длинна детонационного сходящегося клина (факела) = 5*D сопла (мм.) = 150 мм.

Формируются одновременно два вихревых кольца. Первичное распространяется прямолинейно и на расстоянии 1 метр сбивает прямоугольную деревянную тестовую пластину размером 70*70*20 мм, весом 70 грамм.

Диаметр первичного вихревого кольца на расстоянии 1 метр от сопла – 100 мм. Визуализация кольцевого следа в дыму представлена здесь: https://www.youtube.com/watch?v=tGGMn52PV7A. Угол расширения вихревого кольца – 0,4 градуса.

Зафиксирован необычный эффект – формирование одновременно с первичным вихревым кольцом – второго вихревого кольца с углом расширения примерно 150 градусов. При этом поперечное сечение расширяющегося вихревого кольца на длине расширения от 0 до 1 метра – не увеличилось и составило 10 мм. Визуализация дымового кольца представлена здесь:

https://www.youtube.com/watch?v=qwdxhVWTT-M .

При зажигании (инициации) топливовоздушной смеси происходит образование фронта детонационной волны. При распространении в сферическом резонаторе, отразившись от внутренней поверхности фронт волны формирует обратную волну сжатия, сходящуюся в фокусе сферы.

Обратная волна сжатия в сфере является тем источником дополнительной энергии, которая позволяет формировать на остром срезе сопла как два сверхвысокоскоростных вихревых кольца, так и сверхзвуковое истечение продуктов детонационного горения со сверхвысокой температурой.

Представленная конструкция – детонационный источник энергии цилиндрической формы, бесклапанный, с установленным на выходе сферическим резонатором – демонстрирует инновационный и экспериментально подтверждённый подход к увеличению эффективности импульсного детонационного горения.

Основой концепции является использование сферы не только как элемент геометрического выхода детонационного канала, но и как динамически активного акустико-гидродинамического резонатора мгновенного действия, усиливающего энергоотдачу каждой детонационной волны за счёт управления её обратным отражением и фокусировкой.

Принцип работы конструкции:

– Внутри цилиндрической трубы формируется и инициируется детонационная волна в предварительно подготовленной топливовоздушной смеси (ТВС).

– На выходе волна попадает в сферический резонатор, где происходит изменение направления её распространения – от прямолинейного к радиально сходящемуся.

– Отражение фронта от сферической внутренней поверхности инициирует вторичную фазу – обратную волну сжатия, которая фокусируется в центральной зоне сферы (вокруг геометрического центра).

– Концентрированная волна сжатия способствует дополнительной импульсной компрессии остаточных продуктов горения и их ускоренному выбросу через сопло, формируя две наблюдаемые вихревые структуры.

Экспериментальные результаты:

– Оптимальные параметры проточной части: диаметр патрубка подачи топлива – 18 мм; внутренний диаметр трубы – 32 мм; диаметр сферы – 60 мм; сопловое отверстие – 30 мм.

– Обнаружено формирование двух вихревых колец:

1. Первичное кольцо – высокоэнергетическое, летит прямолинейно, сбивает нагрузочную деревянную пластину массой 70 г на расстоянии 1 метр.

2. Вторичное кольцо – с углом расширения до 150 градусов, но стабильным поперечным сечением, визуализирует газодинамический поток высокой энергии (см. видеофиксацию).

– Зафиксировано мощное, направленное импульсное истечение продуктов горения со сверхзвуковыми характеристиками и высокой температурой в зоне сопла.

– Реализована стабильная работа с частотой до 2 Гц (ограничение по воспламенителю), что уже является серьёзным шагом по сравнению с другими детонационными источниками единичного импульса.

Анализ результатов:

– КПД единичного импульса детонационного горения повышается за счёт повторной компрессии (обратной волны) и эффективного гидродинамического выброса энергии в направлении сопла;

– Формирование вихревых колец указывает не только на высокую кинетическую энергию потока, но и на его высокую организованность – пригодную для импульсной передачи, очистки газов или направленного разрушения/воздействия;

– Сама сфера работает в режиме акустико-газодинамического резонатора с усилением энергии во времени масштабов порядка микро-/миллисекунд, успевая перераспределить пик давления в полезном направлении без теплопотерь.

Преимущества предложенной конструкции:

– Повышение энергетической отдачи каждого импульса без увеличения заряда ТВС;

– Простота конструкции при высокой эффективности (нет клапанов, движущихся частей);

– Возможность визуального контроля вихреобразования в реальном времени (в том числе для лазерных или тепловизионных систем диагностики);

– Возможность масштабирования (с увеличением параметров сопла/сферы) под промышленные задачи – резка, воздействие на материалы, утилизация, термообработка;

– Универсальность источника – можно применять в различных задачах как энергетического, так и технологического характера (взрывная фокусировка, инициация, пиросинтез и др.)

Потенциальные направления применения:

– Импульсные детонационно-вихревые установки для обработки или разрушения твёрдых тел (например, в горной промышленности или утилизации);

– Компактные источники высокоэнергетического импульса в виде ударной или тепловой волны, применимые в спецтехнике, обороне или науке;

– Устройство направленного высокоскоростного истечения реакционных газов для активации пирозон, водородной очистки, доокисления и др.;

– Системы импульсной струйной термообработки

– Для плавления, резки и модификации поверхностей.

Заключение:

Детонационный источник энергии цилиндрической формы с установленным сферическим резонатором на выходе – это технологически обоснованный и практически подтверждённый способ повышения энергетической эффективности импульсного детонационного горения. За счёт отражения и фокусировки детонационной волны внутри сферы достигается эффект повторной природной компрессии, значительно увеличивающий выходную мощность одного импульса. В данной конфигурации удалось реализовать уникальное сочетание свойств: высокая плотность энергии, направленность, стабильность и простота конструкции. Это открывает широкие перспективы его применения в специализированных энергетических, пиротехнических, технологических и экспериментальных установках.

Примечание

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

6. Пульсирующий источник в режиме детонационного горения.

Известно, что классические пульсирующие клапанные и бесклапанные источник энергии работают в режиме дефлаграционного горения, поэтому не рассматривается в качестве детонационного источника энергии.

Такие источники энергии широко представлены в отрытых источниках применительно к принципам работы, конструктивным решениям и т.п. согласно рис. № 13.

Рис. № 13. Классические пульсирующие источники энергии цилиндрической формы в режиме детонационного горения.

Остаётся открытым только один вопрос. Как изменить работу таких источников с дефлаграционное горения на детонационное?

Режим работы (горения) зависит только от предварительной подготовки топлива.

“Холодное” не подготовленное топливо обеспечивает классический дефлаграционный режим работ источника энергии.

Для того, чтобы классически работающий пульсирующий источник энергии работал в режиме детонационного горения – топливо для горения необходимо подготовить, т.е. предварительно разложить на высокоактивные легко детонирующие составляющие.

В идеале, первичное топливо необходимо полностью разложить на простые, высоко энергетические летучие составляющие, которые достаточно легко подвержены детонационному горению. Такими являются в первую очередь Н2, С2Н2, СО с температурами более 1000 градусов.

Практически реализовать полное разложение топлива теоретически возможно, но практически чрезвычайно трудно.

Все работы в данном направлении основываются на предварительном высокотемпературного нагрева первичного топлива без доступа кислорода. Происходит разложением топлива на высокоактивные составляющие.

Вариант выбора способа в данном случае зависит от энергетической эффективности детонационно-резонансной горелки для конкретных технологических целей.

Таким образом классические пульсирующие клапанные и бесклапанные источники энергии в случае замены так называемого “холодного” топлива на подготовленное, разложенное на простые, высоко энергетические летучие легко детонируемые составляющие- полноценно работают в режиме детонационного горения.

Предложенная концепция модернизации классических пульсирующих цилиндрических источников энергии для перевода их из режима дефлаграционного горения в режим детонационного горения представляет собой перспективное технологическое направление, способное объединить два ранее несовместимых достоинства – высокую стабильность и частоту работы классических пульсационных систем (до 100 Гц) с высокой удельной энергоёмкостью и интенсивностью процессов, характерных для детонационного горения.

Продолжить чтение