Детонационные двигатели и некоторые другие вопросы

[Алексей Любопытный]

mihalchuk пишет:
Поищите теорию, где есть ключевое выражение "косой скачок уплотнения".
Это то, что будет при столкновении двух сверхзвуковых потоков. Область внедрения молекул одного потока в другой соразмерна длинне свободного пробега молекул. Узнайте, сколько это, помножьте на 10, и подумайте, стало ли от этого легче.

Не понимаю, чем ваши слова отличаются от моих. Именно об этом процессе я и рассказал. И именно он наблюдается в детонационном горении.

[Alexandr_A]

Что может дать детонационное горение в РД?

Тут кстати речь идет о диапазоне скоростей 10-20 М. Кому теперь нужен РД? [IMG]

Salo пишет:
Терешин А. М.
Гиперзвуковой ПВРД с детонационным горением / А. М. Терешин // Вестник двигателестроения. - 2014. - № 2. - С. 112-116.
 http://nbuv.gov.ua/j-pdf/vidv_2014_2_20.pdf

В настоящее время для высокоскоростных летательных аппаратов, используемых в атмосфере Земли, рассматриваются сверхзвуковые и гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели с дозвуковым или сверхзвуковым диффузионным процессом горения топлива в камере сгорания. Рассмотрена концепция гиперзвукового ПВРД, у которого возможно полностью решен один из основных вопросов реализации детонационного процесса горения: обеспечение гомогенной смеси перед фронтом детонации. Расчетными исследованиями показано, что в предлагаемой концепции гиперзвукового ПВРД реализуется либо смешанное диффузионное, либо (на расчетных режимах) детонационное горение. В качестве топлива подразумевается использование водорода или какого-либо другого альтернативного топлива. Определены основные конструктивные параметры проточного тракта двигателя и области его эксплуатации.

[Алексей Любопытный]

mihalchuk пишет:
Дальше пойдёт взаимная диффузия веществ, затем - турбулентное перемешивание.

А вот тут есть ещё одно важное явление! Как я уже говорил, в зоне скачка уплотнения горение происходит с более высоким КПД. Выделяется довольно много энергии в узко сосредоточенной локальной области. Эта энергия кроме указанной вами диффузии и турбулентности при идеальных условиях порождает сферическую ударную волну, которая порождает несколько интересных эффектов:
1. Ударная волна в самом начале своего развития расширяется со сверхзвуковой скоростью. Эта скорость резко падает до звуковой и далее волна движется с постоянной скоростью тратя энергию.
2. Если ударная не успев потерять много энергии встретится с другой встречной ударной волной или с твёрдым препятствием, то образуется новый скачек уплотнения. В котором в свою очередь происходит ещё один акт детонационного горения с генерацией новой ударной сферической волны.
3. И такие "пузыри" постоянно рождаются и гаснут в акте детонационного горения. Причём смерть одних пузырей является зерном зарождения других.

Я уже выкладывал интересные картинки на эту тему, могу выложить ещё раз.

Это отпечаток ударного фронта детонационного горения на специальной поверхности.


Область сверхвысокого давления образуется в скачках уплотнения между стенками "пузырей".

А здесь наглядно видно рождение одних "пузырей" за счёт смерти других.


Всё это я уже подробно описывал.
Осталось только объяснить почему горение в скачках уплотнения проходит с более высоким КПД, а значит с более высоким выходом полезной энергии.

[Алексей Любопытный]

Alexandr_A пишет:
Тут кстати речь идет о диапазоне скоростей 10-20 М. Кому теперь нужен РД?

В интернете есть патент этого устройства.

[mihalchuk]

Zveruga пишет:

mihalchuk пишет:
Поищите теорию, где есть ключевое выражение "косой скачок уплотнения".
Это то, что будет при столкновении двух сверхзвуковых потоков. Область внедрения молекул одного потока в другой соразмерна длине свободного пробега молекул. Узнайте, сколько это, помножьте на 10, и подумайте, стало ли от этого легче.

Не понимаю, чем ваши слова отличаются от моих. Именно об этом процессе я и рассказал. И именно он наблюдается в детонационном горении.

А вы посчитайте. И подумайте, откуда у вас взялось двукратное увеличение давления.

[Татарин]

mihalchuk пишет:

Татарин пишет:
1. ПуВРД не обязан иметь пластинчатый клапан. Прелесть детонации в том, что можно пользоваться присоединённой массой, не прокачивая её в объём камеры сгорания.
2. Многие спецы считают, что тема очень перспективная (особенно для малых ВРД - крылатые ракеты и т.п.). Работы ведутся, деньги выделяются в куче стран (Штаты, Англия, Китай, Россия как минимум). Возможно, они все ошибаются (в истории такое бывало), но возможно и нет.

А возможно, люди нашли замену КРАСНОЙ РТУТИ.

А в Киеве дядка.

[mihalchuk]

Татарин пишет:
А в Киеве дядка.

О Хосспади! Татары уже до Киева добрались!

[mihalchuk]

Zveruga пишет:

mihalchuk пишет:
Дальше пойдёт взаимная диффузия веществ, затем - турбулентное перемешивание.

А вот тут есть ещё одно важное явление! Как я уже говорил, в зоне скачка уплотнения горение происходит с более высоким КПД.

Вы сначала картинку чёткую нарисуйте - где у вас скачки уплотнения, и где горение.

[Алексей Любопытный]

mihalchuk пишет:
откуда у вас взялось двукратное увеличение давления.

Только не давления, а концентрации. Давление растёт ещё выше.

Молекулы имеют инерцию, благодаря которой можно успеть провести акт диффузии, на осуществление которого требуется преодолеть определённый порог энергии. И порог этот можно вычислить по формуле в которой есть следующие параметры:

1. Групповая скорость молекул в потоке.
2. Температура молекул в потоке, которая есть скорость отдельных молекул относительно центра масс потока.
3. Концентрация молекул в потоке.

Чем быстрее поток, тем сильнее диффузия. Значит размер области детонации прямо пропорционален групповой скорости молекул потока.


Чем быстрее молекулы относительно центра масс потока (чем горячее поток), тем меньше диффузия. Значит размер области детонации обратно пропорционален температуре молекул в потоке.
Чем выше концентрация тем ниже энтропия! Так как фотоны находящиеся вне молекул чаще встречают на своём пути эти молекулы и присоединяются к ним. Следовательно размер области детонации прямо пропорционален концентрации.

[Алексей Любопытный]

Чем быстрее молекулы относительно центра масс потока (чем горячее поток), тем меньше диффузия. Значит размер области детонации обратно пропорционален температуре молекул в потоке.

Вот  это моё изречение возможно неверно. Наверное всё таки прямо пропорционально. Ведь диффузия происходит на встречных молекулах, а не на разбегающихся.

[mihalchuk]

Zveruga пишет:

mihalchuk пишет:
откуда у вас взялось двукратное увеличение давления.

Только не давления, а концентрации. Давление растёт ещё выше.

Молекулы имеют инерцию, благодаря которой можно успеть провести акт диффузии, на осуществление которого требуется преодолеть определённый порог энергии. И порог этот можно вычислить по формуле в которой есть следующие параметры:

1. Групповая скорость молекул в потоке.
2. Температура молекул в потоке, которая есть скорость отдельных молекул относительно центра масс потока.
3. Концентрация молекул в потоке.

И где пример расчёта?

Чем быстрее поток, тем сильнее диффузия. Значит размер области детонации прямо пропорционален групповой скорости молекул потока.

Впервые слышу, чтобы диффузия зависела от скорости потока.

Чем быстрее молекулы относительно центра масс потока (чем горячее поток), тем меньше диффузия. Значит размер области детонации обратно пропорционален температуре молекул в потоке.
Чем выше концентрация тем ниже энтропия! Так как фотоны находящиеся вне молекул чаще встречают на своём пути эти молекулы и присоединяются к ним. Следовательно размер области детонации прямо пропорционален концентрации.

У менгя складывается впечатление, что вы - очень смышлёный, но робот.

[Алексей Любопытный]

mihalchuk пишет:
Вы сначала картинку чёткую нарисуйте - где у вас скачки уплотнения, и где горение.

Согласен. Определение терминологии очень важно для понимания.

Суть скачка уплотнения ясна из простоты его названия. Скачёк уплотнения есть граница между областями с низкой концентрацией молекул и высокой.
Гидродинамический разрыв есть тоже самое, что и скачёк уплотнения. С той лишь разницей, что скачёк говорит о росте концентрации, а гидродинамический разрыв и о росте, и о спаде.
Горение происходит везде, и в областях с низкой концентрацией молекул и с высокой. Но с разной скоростью и с разным КПД!

Спойлер

Для человека акт горения мгновенный процесс, - вот он газ, а вот он уже огонь и где граница непонятно. Но если попытаться умозрительно замедлить процесс до возможности наблюдения за процессами в кучке копошащихся молекул, то можно будет понять как протекает горение при различных условиях.
В самом простом представлении из химии горение есть акт соединения молекулы горючего с молекулой окислителя. Но ведь в топливной смеси не одна молекула, а огромное число. Это нам кажется, что смешав топливо с окислителем все молекулы горючего должны мгновенно провести хим.реакцию с окислителем. На микромасштабе при турбулентном смешивании молекулы топлива и окислителя представляют из себя огромные массивы вещества из одного только топлива или окислителя. Процессы проходящие в реакторе исчисляются мгновениями, а за них ни о каком идеальном перемешивании не может идти речи. По этому на масштабах молекул и мгновений времени процессы окисления проходят в течении какого-то продолжительного времени, в течении которого все молекулы топлива должны достичь молекул окислителя.

Молекулы топлива и окислителя притягиваются друг к другу из-за разности электрических потенциалов. Но даже на масштабах микромира эти притяжения могут играть не первую роль. Фактически обычное горение проходит не в объёме, а в тонкой плёнке - границе между слоями окислителя и топлива. Конечно в результате турбулентного перемешивания эта плёнка выглядит не как ровный плоский лист бумаги, а как скрученный, рваный и жёванный. В целом на микроуровне процесс встречи реагентов скорее случайность чем гарантированное событие.

На своём пути к окислителю молекулы топлива будут сталкиваться со своими конкурентами, другими молекулами топлива, а также с продуктами горения, что будет замедлять скорость горения. Т. е. скорость горения зависит от степени перемешивания топлива с окислителем.
Кроме того расстояния между молекулами очень большие, гораздо больше чем между звёздами в галактике, если бы молекулы были размером со звёзды. Можно было бы сказать, - ну и что, ведь у них и скорости огромны для преодоления этих расстояний? На что я бы ответил, мы сравниваем горение не в масштабах процессов макромира, время в котором оценивается секундами минутами и часами, а в масштабах микромира, процессы в котором измеряются микро-, нано- секундами и т. п. единицами измерения. По этому скорость процесса окисления зависит от среднего расстояния между молекулами в топливной смеси, т. е. от концентрации.
Из закона Кулона мы знаем, что сила притяжения между молекулами реагентов зависит от расстояния не линейно, а квадратично. Из этого следует, что рост концентрации не линейно повышает скорость горения, а по параболическому закону. Из-за этого линейный рост концентрации повышает выход энергии за единицу времени нелинейно.

[свернуть]

В областях с более высокой концентрацией горение протекает гораздо быстрее чем с низкой.

Диффузия достигаемая с помощью гидродинамического разрыва позволяет получить область высокой концентрации. За скачками уплотнения в результате диффузии как раз образуются области высокой концентрации.
Но высокая концентрация не только повышает скорость горения. Она даёт ещё один эффект на который ранее не обращали внимание. Все выше перечисленные параметры в основном влияют на скорость горения массопереносом вещества, но на процесс окисления также влияет теплоперенос.
Теплоперенос обычно принято рассматривать как конвекцию, т. е. по сути это тот же самый массоперенос вещества. Но тепло также переносится с помощью излучения, влияние которого для осуществления полезной работы до сих пор недооценивали.

При обычном горении излученные фотоны часто выполняют бесполезную работу рассеиваясь во внешней среде или присоединяясь к молекулам корпуса двигателя. Но не все фотоны теряются в холостую, часть из них на своём пути встречает другие молекулы топливной смеси и присоединяется к ним. В результате чего эти молекулы изменяют векторы своего движения. Так как фотоны рассеиваются во всех направлениях, то и молекулы поглотившие фотоны изменяют свои векторы скоростей в различных направлениях. Т. е. в процессе такого циклического излучения и поглощения фотонов вещество в реакторе становится горячим.
КПД такого процесса будет соотношением числа фотонов присоединившихся к молекулам топливной смеси и числа фотонов улетевших во внешнюю среду.

С ростом концентрации топливной смеси излученные фотоны чаще встречают на своём пути молекулы и чаще поглощаются. Отсюда растёт КПД горения. Меньше фотонов теряется излучаясь во внешнюю среду. Выполняется больше полезной работы.

[Алексей Любопытный]

mihalchuk пишет:
И где пример расчёта?

Мне даже неловко спрашивать, почему вы не просите меня сразу написать кандидатскую с выводом всех формул?  :oops:

Те люди, у которых есть формулы детонационного горения (а я считаю, что у Фортова они есть) о них не распространяются. Но выводы о зависимости параметров в этих формулах сделать несложно.

[mihalchuk]

Точно робот.

[salto]

Zveruga пишет:
Осталось только объяснить почему горение в скачках уплотнения проходит с более высоким КПД, а значит с более высоким выходом полезной энергии.

Ну раз уж приведены такие фотографии, то следует внимательней прочитать Ваши посты. Но вопрос- какое в пределе можно ожидать увеличение КПД? Применительно к ЖРД его нужно сравнивать с полнотой сгорания в КС?

[Старый]

Zveruga пишет: 
Осталось только объяснить почему горение в скачках уплотнения проходит с более высоким КПД, а значит с более высоким выходом полезной энергии.

 А что такое, простите "КПД горения"? 
В военное время КПД горения может достигать 112%? И энергии выйти больше чем её содержалось в горючем?

[Alex Degt]

Кто-то может осветить вопрос какой прирост тяги и УИ можно ожидать от детонационных двигателей?

[космофан]

Alex Degt пишет:
Кто-то может осветить вопрос какой прирост тяги и УИ можно ожидать от детонационных двигателей?

никакого, потому что детонационный двигатель не будет работать, конечно один раз он бахнет, с высоким УИ, а вот дальше будут проблемы, то есть постоянной высокой тяги, необходимой для первой ступени, получить нельзя, и это в прямолинейном случае, с круговой детонацией всё ещё хуже.

[dmdimon]

я насчет фотонов не понял. типа плотность молекул такова, что свободный пробег фотонов в газовой струе существенно меньше характерных геометрических размеров двигателя?

[Татарин]

Детонационные двигатели, над которыми работают, это ВРД, а не РД.
Нет смысла говорить об УИ в отрыве от остальных параметров, да и диапазон возможных УИ такой же как у турбин - от 1000 до 20000с.

Преимущества детонационных двигателей в другой плоскости - либо возможных рабочих скоростях (до гиперзвука), либо в удельной мощности, либо дешевизне.

Космосу, наверное, интересен тут гиперзвук - можно было б использовать на первой ступени. Но и то сомнительно. В первую очередь это для оружия.