[論文レビュー] Ignition Behind Decaying Shock Waves : Detonation Cells

Kevin Cheevers, Matei I. Radulescu|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2022

Combustion and Detonation Processes被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、爆轟管内の減衰する衝撃波の後方における0次元の ignitions モデルを構築し、衝撃波変化方程式を用いて衝撃波動力学（速度、曲率、減衰）を体積膨張と ignitions 延滞に結びつける。その結果、定常でない衝撃波動力学のため、通常の H₂-O₂-Ar 爆轟において、衝撃波先端を通過するガス粒子の約50％が消火されることを明らかにした。これは、大規模モデルにおける衝撃波先端の自己着火を仮定するのをくつがえし、横方向の衝撃波や乱流混合といった二次的着火機構の必要性を強調している。

ABSTRACT

We first address the problem of initiation behind decaying shock waves analytically and numerically. The ignition along a particle path crossing the shock is analysed in terms of its volumetric expansion, evaluated as a function of the shock strength, decay rate, and curvature using the shock change equations. Closed form solutions are derived for 1-step and 2-step chemistry models. The analytical results are found in excellent agreement with numerical simulations using a detailed thermo-chemical model. The newly developed model is used to study the ignition behind the lead shock in detonation cells. New experiments are reported for cellular dynamics in a very regular H$_2$-O$_2$-Ar system. It is found that the ignition of approximately half of the gases crossing the shock is quenched. In the experiments, this gas reacts behind the transverse waves. Previous experiments in a very irregular system of methane-oxygen are also analysed. In these experiments, more than 70\% of the gases crossing the shock are quenched due to shock non-steadiness. These gases are shed as non-reacted pockets, which react much slower and burn out due to turbulent diffusion. The main conclusion of the study is that both irregular and regular cellular detonations experience ignition quenching due to shock non-steadiness.

研究の動機と目的

• 時間変動する体積膨張を伴う衝撃波の後方における ignitions 延滞を、解析的および数値的手法を用いてモデル化すること。
• 非定常な衝撃波（減衰、曲率、加速）が、規則的および不規則な爆轟構造における ignitions 消火に果たす役割を調査すること。
• 大規模な体積膨張下での ignitions 延滞予測において、詳細なキネティクスと比較して簡略化された1ステップおよび2ステップ化学モデルの妥当性を検証すること。
• 新規実験と衝撃波動力学再構築を用いて、実際の爆轟管内における ignitions 消火を定量化すること。
• 既存のモデルを超えて、衝撃波の減衰および曲率を含む一般化された ignitions 消火基準を提唱すること。

提案手法

• 時間変動する体積膨張下での1ステップおよび2ステップ化学キネティクスモデルを用いて、 ignitions 延滞の閉形式解を導出。
• 衝撃波速度、減衰率、および衝撃波通過時の曲率に基づき、ラグランジュ粒子の体積膨張率を衝撃波変化方程式を用いて計算。
• 導出された膨張率を強制関数として用いて保存則方程式を統合し、衝撃波後方の温度上昇および ignitions 時刻を予測。
• 詳細な熱力学的・化学的シミュレーションとの比較により、簡略化モデルの妥当性を検証し、良好な一致を確認。
• シュレーレン法を用いたシュレーレン可視化を伴う衝撃管実験を、H₂-O₂-Ar（χ=4.7）およびCH₄-O₂（χ=11,000）で実施し、衝撃波動力学を再構築し、衝撃波後方の燃焼挙動を測定。
• 粒子の経路に沿った測定された衝撃波速度および曲率を用いて、爆轟管全体の動的挙動を再構築し、 ignitions 延滞および消火を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝撃波の非定常性（減衰および曲率）が、爆轟管内での ignitions 消火にどの程度寄与するか？
• RQ2 時間変動する大規模な体積膨張下で、1ステップおよび2ステップ化学モデルは ignitions 延滞をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 通常の爆轟（H₂-O₂-Ar）において、衝撃波先端を通過するガス粒子のうち、どの程度が衝撃波の非定常性によって消火されるか？
• RQ4 弱い不安定性（H₂-O₂-Ar）と高い不安定性（CH₄-O₂）の混合物では、消火挙動にどのような差が生じるか？
• RQ5 過去のモデルを超えて、衝撃波の減衰および曲率効果を含む一般化された ignitions 消火基準を導出できるか？

主な発見

• 通常の H₂-O₂-Ar 爆轟において、衝撃波先端を通過するガス粒子の約50％が、非定常な衝撃波動力学のため消火されるが、混合物の低感受性（χ=4.7）にもかかわらず、その事実は顕著である。
• 高い不安定性を示す CH₄-O₂ 混合物では、衝撃波を通過する粒子の70％以上が消火され、その結果、乱流拡散によるゆっくりとした燃焼を示す未反応のパッチが形成される。
• 両混合物において、細胞周期の前半に衝撃波先端と衝撃波後方反応との間で分離（デカップリング）が生じることが同定された。これは、かつては高不安定系でのみ観察されていた現象である。
• 衝撃波の減衰および曲率を含む、提案された ignitions 消火基準は、既存のモデルを一般化しており、強く予測可能な能力を示している。
• 簡略化された1ステップおよび2ステップモデルは、詳細な化学キネティクスのシミュレーションと良好に一致しており、大規模変形を伴う反応性ガス力学モデルへの応用が妥当であることを裏付けている。
• 単一の衝撃波先端自己着火に依存するグローバルモデルは不十分であり、エネルギー全放出を正しく捉えるためには、横方向の衝撃波や乱流混合といった二次的着火機構を明示的にモデル化する必要がある。