Численные эксперименты в ударной трубе с промежуточной и детонационной камерой


Просмотр статьи
PDF, 1,5 МБ

Numerical experiments in a shock tube with an intermediate and detonation chamber

The work is aimed at developing a digital analogue of a three-chamber shock tube. The shock tube of the Research Institute of Mechanics of Moscow State University, which is launched by burning an oxyhydrogen mixture in a high-pressure chamber, was chosen as a real prototype. The model is based on two-dimensional non-stationary Navier-Stokes equa-tions for axisymmetric flows of a multicomponent reacting gas, taking into account diffu-sion. Test problems on initiating high-speed shock waves in air are formulated and numeri-cally solved. Calculations are performed for burning of an oxyhydrogen mixture both in the mode of conventional and detonation combustion. It is shown that the proposed digital model of a three-chamber shock tube allows obtaining results close to the experiment when burning an oxyhydrogen mixture in the mode of conventional combustion. According to calculations, detonation combustion of an oxyhydrogen mixture increases the velocity of generated shock waves in all chambers of the setup

shock tube, numerical simulation, Navier-Stokes equations, combustion, detonation

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.4.1192

Павел Владимирович Козлов, Владимир Юрьевич Левашов, Юрий Владимирович Туник

Том 26, выпуск 4, 2025 год



Работа нацелена на разработку цифрового аналога трехкамерной ударной трубы. В качестве реального прототипа выбрана ударная труба НИИ механики МГУ, запуск которой осуществляется сжиганием гремучей смеси в камере высокого давления. Мо-дель строится на основе двумерных нестационарных уравнений Навье-Стокса для осесимметричных течений многокомпонентного реагирующего газа с учетом диффузии. Сформулированы и численно решены тестовые задачи по инициированию высокоскоростных ударных волн в воздухе. Расчеты выполнены как при сжигании гремучей смеси в режиме обычного, так и детонационного горения. Показано, что предложенная цифровая модель трехкамерной ударной трубы позволяет получать близкие к эксперименту результаты при сжигании гремучей смеси в режиме обычного горения. По расчетам детонационное сжигание гремучей смеси повышает скорость генерируемых ударных волн во всех камерах установки.

ударная труба, численное моделирование, уравнения Навье-Стокса, горение, детонация

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.4.1192

Павел Владимирович Козлов, Владимир Юрьевич Левашов, Юрий Владимирович Туник

Том 26, выпуск 4, 2025 год



1. Ударные трубы. Перевод с английского под редакцией Рахматуллина Х.А. и Семенова С.С. Издательство: М.: Иностранной литературы. 1962. 700 с.
2. Баженова Т.В., Гвоздева Л.Г. Нестационарные взаимодействия ударных волн. Москва, Наука, 1977. 274 с.
3. Stalker, R. J. An Investigation of Free Piston Compression of Shock Tube Driver Gas. // Na-tional Research Council of Canada (NRC), Division of Mechanical Engineering, Mechanical Engineering 1961.
4. Sharma S.P, Park C. Operating characteristics of a 60-and 10-cm arc-driven shock tube - part 1: the driver.// J Thermophysics and Heat Transfer 4: 259–265, 1990.
5. Bird G. A. A Note on Combustion Driven Shock Tubes.// AGARD Report No. 146,1957.
6. Зельдович Я.Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения // Журнал технической физики. 1940. Т.10. №17. С. 1453 - 1461.
7. Hongru, Y. Oxyhydrogen combustion and detonation driven shock tube. Acta Mech Sinica 15, 97–107 (1999). https://doi.org/10.1007/BF02485874
8. Li, J., Chen, H. & Yu, H. A chemical shock tube driven by detonation. Shock Waves 22, 351–362 (2012). https://doi.org/10.1007/s00193-012-0374-y
9. Забелинский И.Е., Козлов П.В., Акимов Ю.В., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Туник Ю.В., Левашов В.Ю. Детонационное инициирование сильных ударных волн для иссле-дования радиационных характеристик высокотемпературных газов. Химическая физи-ка, 40(11):22–28, 2021;
10. Kozlov P.V., Zabelinsky I.E., Bykova N.G., Gerasimov G.Ya, Levashov V.Yu, and Tunik Yu.V. Experimental study of air radiation behind a strong shock wave. Acta Astronautica, 194:461–467, 2021
11. Абакумов М.В. Методика моделирования течений вязкого газа в ортогональных криво-линейных координатах. Докторская диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет вычислитель-ной математики и кибернетики. Москва 2020 г.
12. Mason E.A., Saxena S.C. Approximate formula for the thermal conductivity of gas mixtures. Physics of Fluids. 1958. Vol. 1. No. 5. Pp. 361369.
13. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. Пер. с англ. – М.: Мир, 1990, 660 с.
14. Азатян В.В., Андрианова З.С., Иванова А.Н. Моделирование ингибирования распро-странения пламени в водородо-воздушной среде. Кинетика и ката-лиз,2010,Т.51,№4,с.483-491;
15. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. Термодинамические свойства индивиду-альных веществ. Справочник. Т.1. Кн.2. М.: Наука, 1978. 327с. под редакцией В.П. Глушко
16. Попов Н.А. Влияние неравновесного возбуждения на воспламенение водород-кислородных смесей. Теплофизика высоких температур. 2007, Т. 45, № 2, с. 296–315.
17. Зубин М.А., Туник Ю.В. «О стабилизации детонационного горения водорода в сопле Лаваля» Физико-химическая кинетика в газовой динамике, издательство Институт ме-ханики МГУ (Москва), 2015. Том 16, № 3, с. 1-8.
18. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделиро-вание, эксперименты, образование загрязняющих веществ/ Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. Власова П.А. — М.: Физматлит, 2003. - 352 с.
19. 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 Press. Moscow, 2010. Pp. 12-19.
20. Колган В.П. Применение принципа минимальных значений производной к построению конечно-разностных схем для расчета разрывных решений газовой динамики // Ученые записки ЦАГИ. 1972. Т.III, № 6. С. 68‒77.
21. Колган В.П. Конечно-разностная схема для расчета двумерных разрывных решений нестационарной газовой динамики // Ученые записки ЦАГИ. 1975. Т.VI, № 1. С. 9‒14.
22. Тилляева Н.И. Обобщение модифицированной схемы С.К. Годунова на произвольные нерегулярные сетки // Ученые записки ЦАГИ. 1986. Т.XVII, № 2. С. 18‒26.
23. Туник Ю.В. Численное решение тестовых задач на основе модифицированной схемы С.К. Годунова // ЖВМиМФ. 2018. Т. 58, № 10. С. 1629–1641. Doi: 10.31857/S004446690003583-2
24. Родионов А.В. Разработка методов и программ для численного моделирования нерав-новесных сверхзвуковых течений в приложении к аэрокосмическим и астрофизическим задачам. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Саров, Институт теоретической и математической физики. 2019. 299 с.
25. Туник Ю.В. Метод Годунова  Колгана для расчета течений вязкого газа//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т. 23, вып. 5. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-5/articles/1010/
26. Туник Ю.В. Расчет диффузии газов на контактном разрыве методом Годунова-Колгана. //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2024. Т. 25, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2024-25-3/articles/1116/
27. Morley C. 2005. Gaseq: A Chemical Equilibrium Program for Windows. Version 0.79. http://www.gaseq.co.uk.