Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences68095210.31857/S0207401X24100054Combustion, explosion and shock wavesГорение, взрыв и ударные волныResearch ArticleThree-dimensional mathematical simulation of two-phase detonation in the system of gaseous oxydizer with fuel dropletsТрехмерное математическое моделирование детонации в двухфазных системах газообразный окислитель – капли жидкого горючегоIvanovV. S.ИвановВ. С.
Russian Federation
smfrol@chph.ras.ruFrolovS. M.ФроловС. М.
Russian Federation
smfrol@chph.ras.ruSemenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of SciencesФедеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наукNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”151020244310617029052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/680952

The results of a three-dimensional numerical study of the propagation of detonation waves in a two-phase mixture of liquid iso-octane with air are presented. The detonation calculation technique is based on Navier-Stocks equations with the simulation of liquid phase evolution using the Lagrangian formalism. Numerical models consider droplet movement, evaporation and breakup as well as finite-rate mixing and chemical transformations. The reliability of the method is confirmed by the comparison of predicted and measured velocities of heterogeneous detonation in a vertical channel of square cross-section. The influence of the prehistory on the formation of a two-phase detonable mixture in the channel on the propagation velocity and structure of detonation waves is considered. The influence of droplet coagulation is also taken into account. New data on the spatiotemporal structure of a two-phase detonation wave have been obtained.

Приведены результаты трехмерного моделирования процесса распространения детонационных волн в двухфазной смеси воздух – капли жидкого изооктана. Методика расчета детонации основана на решении трехмерных уравнений двухфазного сжимаемого турбулентного реагирующего течения с учетом движения, дробления, нагрева и испарения капель и конечных скоростей смешения топливных компонентов и химических превращений. Достоверность методики проверена путем сравнения расчетных и измеренных скоростей гетерогенной детонации в вертикальном канале квадратного сечения. Рассмотрено влияние предыстории формирования двухфазной горючей смеси на скорость и структуру детонационной волны, в частности учтено влияние коагуляции капель. Получены новые данные о структуре детонационной волны в двухфазных системах.

heterogeneous detonationthree-dimensional mathematical simulationdroplet coagulationdetonation structuredetonation velocityгетерогенная детонациятрехмерное математическое моделированиекоагуляция капельструктура детонациискорость детонацииРоссийский научный фондRussian Science Foundation23-23-00364G.D. Roy, S.M. Frolov, A.A. Borisov, D.W. Netzer, Progr. Energy Combust. Sci., 30, 545 (2004).Roy G.D., Frolov S.M., Borisov A.A., Netzer D.W. // Progr. Energy Combust. Sci. 2004. V. 30. Issue 6. P. 54.S.M. Frolov, V.S. Aksenov, V.S. Ivanov, I. O. Shamshin, S.A. Nabatnikov, Gorenie Vzryv, 12, 63 (2019).Фролов С.М., Аксёнов В.С., Иванов В.С., Шамшин И.О., Набатников С.А. // Горение и взрыв. 2019. Т. 12. №1. С. 63.F.A. Bykovskiy, S.A. Zhdan, Continous spin detonation. Novosibirsk: Lavrientev insitute SB RAS, 2013.Быковский Ф. А., Ждан С.А. Непрерывная спиновая детонация. Новосибирск: ИГиЛ СО РАН, 2013.S.M. Frolov, V.S. Ivanov, I.O. Shamshin, Gorenie Vzryv, 15, 67 (2022)Фролов С.М., Иванов В.С., Шамшин И.О. и др. // Горение и взрыв. 2022. Т. 15. №1. С.67.S.M. Frolov, V.S. Ivanov, Russ. J. Phys. Chem. B., 15(2), 318 (2021).Фролов С.М., Иванов В.С. // Хим. физика. 2021. T. 40. № 4. C. 68.N. Smirnov, V. Nikitin, V.R. Dushin, Yu.G. Filippov, V. Nerchenko, J. Khadem, Acta Astronautica, 115, 94 (2015).Smirnov N., Nikitin V., Dushin V.R. et al. // Acta Astronautica. 2015. V. 115. P. 94.A. Fedorov, T.A. Khmel, Combust. Explos. Shock Waves, 41, 435 (2005)Fedorov A., Khmel T.A. // Combust. Explos. Shock Waves. 2005. V. 41. P. 435.E.K. Dabora, L.P. Weinberger, Acta Astronautica, 1, 361 (1974)Dabora E.K., Weinberger L.P. // Acta Astronautica. 1974. V. 1. P. 361.V.V. Mitrofanov, Homogenious and heterogenious detonation. Novosibirsk:, Lavrientev insitute SB RAS 2003.Митрофанов В.В. Детонация гомогенных и гетерогенных систем. Новосибирск: Изд-во Ин-та гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 2003.K. Kailasanath, AIAA J., 41, 145 (2003).Kailasanath K. // AIAA J. 2003. V. 41. №2. P. 145.V. Tangirala, A. Dean, O. Peroomian, S. Palaniswamy, Proc. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, NV, 24, 1173 (2007)Tangirala V., Dean A., Peroomian O., Palaniswamy S. // Proc. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. V. 24. Reno, NY, 2007. P. 1173. doi:10.2514/6.2007-1173S.M. Frolov, V.S. Posvyanskii // Explosion Dynamics and Hazards, Eds. S.M. Frolov, F. Zhang, and P. Wolanski. Moscow, Torus Press, (2010).Frolov S.M., Posvyanskii V.S. // Explosion Dynamics and Hazardss Eds. by Frolov S.M., Zhang F., Wolanski P. Moscow: Torus Press, 2010. P. 337.Q. Meng, M. Zhao, Y. Xu, L. Zhang, H. Zhang (2022). doi:10.48550/arXiv.2209.11913Meng Q., Zhao M., Xu Y., Zhang, L., Zhang H. doi:10.48550/arXiv.2209.11913. 2022N. Jourdaine, N. Tsuboi, A. K. Hayashi, Combust. Flame, 244, 112278 (2022)Jourdaine N., Tsuboi N., Hayashi A.K. // Combust. And Flame. 2022. V. 244. P. 112278.V. S. Ivanov, S. М. Frolov, Gorenie Vzryv, 3, 63 (2010).Иванов В.С., Фролов С.М. // Горение и взрыв. 2010. № 3. C. 63–70.V.S. Ivanov, I.O. Shamshin, S.M. Frolov, Energies, 16, 7028 (2023).Ivanov V.S., Shamshin I.O., Frolov S.M. // Energies. 2023. V. 16. P. 7028.S.M. Frolov, V.S. Aksenov, I.O. Shamshin, Khim. Fizika, B., 36, 34 (2017); in russian.Фролов С.М., Аксёнов В.С., Шамшин И.О. // Хим. физика. 2017. T. 36. № 6. C. 34.J.C. Tannehill, A.A. Dale, R.H. Pletcher, Computational fluid mechanics and heat transfer. Washington DC: Taylor and Francis, (1997).Tannehill J.C., Dale A.A., Pletcher R.H. Computational fluid mechanics and heat transfer. Washington DC: Taylor and Francis, 1997.H.K. Versteeg, W. Malalasekera, An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. London: Longman Scientific and Technical (2007)Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. London: Longman Scientific and Technical, 2007.J.K. Dukowicz, Quasi–steady droplet change in the presence of convection Los Alamos: University of California (1979).Dukowicz J. K. Quasi–steady droplet change in the presence of convection Los Alamos: University of California, 1979.R.D. Reitz, Atomisation Spray Technology, 3, 309 (1987).Reitz R.D. // Atomisation Spray Technology. 1987. V. 3(4). P. 309.S.B. Pope, Progress in Energy and Combustion Science. 11, 119 (1985).Pope S.B. // Prog. Energy Combust. Sci. 1985. V. 11. № 2. P. 119.S.M. Frolov, V.S. Ivanov, B. Basara, M. Suffa, J. Loss Prevention Process Industries, 26, 302 (2013).Frolov S.M., Ivanov V.S., Basara B., Suffa M. // J. Loss Prevention Process Industries. 2013. V. 26. P. 302.S.M. Frolov, V.S. Ivanov, Deflagrative and detonative combustion / Ed. by G. Roy, S. Frolov. Moscow: Torus Press (2010).Frolov S.M., Ivanov V.S. // Deflagrative and detonative combustion / Eds. Roy G., Frolov S. Moscow: Torus Press, 2010. P. 133.L. Mangani, C. Bianchini // Proc. OpenFOAM International Conference, 1, 1, (2007). https://flore.unifi.it/retrieve/handle/2158/418277/15222/OFIC-07.pdfMangani L., Bianchini C. // Proc. OpenFOAM International Conference. V. 1. 2007. P. 1; https://flore.unifi.it/retrieve/handle/2158/418277/15222/OFIC-07.pdfК.А. Avdeev, V.S. Ivanov, S.M. Frolov, B. Basara, P. Priesching, M. Suffa, Gorenie Vzryv, 5, 91, (2012).Авдеев К.А., Иванов В.С., Фролов С.М., Basara B., Priesching P., Suffa M. // Горение и взрыв. 2012. T. 5. C. 91.V.N. Piskunov, Theoretical models of aerosols formation. Sarov: VNIIEF (2000).Пискунов В.Н. Теоретические модели кинетики формирования аэрозолей. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2000.V.Ya. Basevich, А.А. Belyaev, S.N. Medvedev, V.S. Posvyanskiy, S.М. Frolov, Gorenie Vzryv, 8, 21, (2015).Басевич В.Я., Беляев А.А., Медведев С.Н., Посвянский В.С., Фролов C.М. // Горение и взрыв. 2015. Т. 8. № 1. C. 21.C. Naik, C.K. Westbrook, O. Herbinet, W. Pitz, M. Mehl, Proc. Combust. Inst. 33. P. 383 (2011).Naik C., Westbrook, C.K., Herbinet O. Pitz W. Mehl M. // Proc. Combust. Inst. 2011 V. 33. P. 383.Z. Wu, Y. Mao, L. Yu, Y. Qian, X. Lu, Combust. Flame, 228, 302, (2021).Wu Z., Mao Y., Yu L., Qian Y., Lu, X. // Combust. and Flame. 2021. V. 228. P. 302.S.М. Frolov, A.N. Polenov, B.E. Gelfand, А. А. Borisov, Sov. J. Chem. 5, 7 (1986).Фролов С.М., Поленов А.Н., Гельфанд Б.Е., Борисов А.А. // Хим. физика. 1986. T. 5. №7. C 978.