Numerical simulation of hydrogen detonative combustion in a convergent-divergent nozzle with a central body
The work continues research on stabilization of detonation combustion of hydrogen-air mixtures entering axisymmetric convergent-divergent nozzles with high supersonic speed. The possibility of thrust generation under atmospheric conditions at heights of up to 30 km is numerically studied. Hydrogen-air mixture flow modeling is carried out on the basis of non-stationary two-dimensional equations of an inviscid multi-component gas with chemical transformations. Calculations are performed on the basis of S.K. Godunov is of the first order of accuracy, as well as its modification, which increases the approximation order of smooth solutions to the second in spatial variables.It is shown the possibility of stable detonative combustion of hydrogen-air mixtures at altitudes up to 30 km (see figure below) at Mach number of oncoming flow of 7 up to 9. The configuration of suitable axisymmetric convergent-divergent nozzle and a central coaxial body is determined.
hydrogen-air mixture, detonative combustion, initiation, stabilization, thrust, aerodynamic body drag.
Работа продолжает исследования по стабилизации детонационного горения водородовоздушных смесей, поступающих в осесимметричные конвергентно-дивергентные сопла с высокой сверхзвуковой скоростью. Численно изучается возможность генерации тяги в условиях атмосферы на высотах до 30 км. Моделирование течения водородовоздушной смеси проводится на основе нестационарных двумерных уравнений невязкого многокомпонентного газа с химическими превращениями. Расчеты выполняются на базе конечно-разностной схемы С.К. Годунова первого порядка точности, а также ее модификации, повышающей порядок аппроксимации гладких решений до второго по пространственным переменным. Показана возможность стабилизации детонационного горения водородовоздушных смесей на высотах 24 и 30 км при числе Маха набегающего потока от 7 до 9. Определена конфигурация подходящего осесимметричного конвергентно-дивергентного сопла и центрального коаксиального тела.
водородовоздушная смесь, детонационное горение, инициирование, стабилизация, тяга, аэродинамическое сопротивление тела
1. Зельдович Я.Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения // Журнал технической физики. 1940. Т.10. № 17. С. 1453-1461. 2. Kailasanath K. Review of Propulsion Applications of Detonation Waves// AIAA Journal. - 2000. – V. 38, № 9. - Pp. 1698–1708. 3. Tunik Yu V. Control of detonation combustion of rarefied hydrogen-air mixture in a Laval nozzle // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. V. 43. № 41. P. 19260-19266. 4. Туник Ю.В. Стабилизация детонационного горения в высокоскоростном потоке водород-кислородной смеси// МЖГ, Изв. РАН. 2008, № 6, с. 130 – 135. https://doi.org/10.1134/S0015462808060161. 5. Туник Ю.В. Численное моделирование детонационного горения водородовоздушных смесей в сопле Лаваля// МЖГ, Изв. РАН 2010. № 2. С. 107 – 114. https://doi.org/10.1134/S0015462810020110. 6. Туник Ю.В. Детонационное горение водорода в сопле Лаваля с центральным коаксиальным цилиндром// Изв. РАН. МЖГ. 2014. № 5. С. 142-148. https://doi.org/10.1134/S0015462814050160. 7 Зубин М.А., Туник Ю.В. Зубин М.А., Туник Ю.В. О стабилизации детонационного горения водорода в сопле Лаваля //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. Т. 16, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-3/articles/579/. 8 Туник Ю.В. Детонационное горение водорода в осесимметричном сопле Лаваля с центральным телом // ПМТФ. 2016. Т. 57. № 6. С. 3-11. 9 Азатян В.В., Андрианова З.С., Иванова А.Н. Моделирование ингибирования распространения пламени в водородовоздушной среде// Кинетика и катализ. 2012. Т. 51. № 4. С. 461–468. https://doi.org/10.1134/S0023158410040014 10 Азатян В.В., Андрианова З.С., Борисов А.А., Иванова А.Н. Основные реакции, определяющие тепловыделение в процессе горения водорода с кислородом// Кинетика и катализ. 2012. Т. 53. № 6. С. 683-689. 11 Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ/ Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. П.А. Власова. — М.: Физматлит, 2003. - 352 с. 12 Starik A.M., Titova N.S., Sharipov A.S. Kinetic mechanism of H2-O2 ignition promoted by singlet oxygen O2(a1∆g)//Deflagrative and detonative combustion / Ed. by G.D. Roy, S.M. Frolov. — Torus 19Press. Moscow, 2010. Pp. 12-19. 13 Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник. Т.1. Кн.2. М.: Наука. 1978. 327с. 14 Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики// Математический сборник. 1959. Т. 47(89). № 3. С. 271-306. 15 Туник Ю. В. Численное решение тестовых задач на основе модифицированной схемы С.К. Годунова // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2018. Т. 58. № 10. С. 1629-1641. 16 Туник Ю.В. Проблемы численного моделирования на основе некоторых модификаций схемы Годунова //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2018. Т. 19, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2018-19-1/articles/701/. http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.1.701
