vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2018-63-1-93-100vestift-366Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯTHERMODYNAMICAL EFFICIENCY OF A DETONATION ENGINEХаледАльхусанKhaledAlhussan

кандидат физико-математических наук, директор

Ph. D. (Physics and Mathematics), Director of the National Center for Aeronautical Technology, KACST, Saudi Arabia, National Center for Aeronautical Technology (KACST)

kalhussan@kacst.edu.saАссадМ. С.AssadM. S.

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

D. Sc. (Engineering), Leading Researcher

assad@hmti.ac.byПенязьковО. Г.PenyazkovO. G.

академик Национальной академии наук Беларуси, доктор физико-математиче- ских наук, директор

Academician of the National Academy of Sciences of Belarus, D. Sc. (Physics and Mathematics), Director

penyaz@dnp.itmo.byЧернухоИ. И.ChernuhoI. I.

аспирант, младший научный сотрудник

Ph. Student, Junior Researcher

chernuho.ivan@mail.ruНациональный центр аэрокосмических исследований, KACSTKing Abdulaziz City for Science and Technology, KACSTИнститут тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси, МинскA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk20180504201863193100Copyright © Халед А., Ассад М.С., Пенязьков О.Г., Чернухо И.И., 20182018Халед А., Ассад М.С., Пенязьков О.Г., Чернухо И.И.Khaled A., Assad M.S., Penyazkov O.G., Chernuho I.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/366

Предпринята попытка качественно и количественно проанализировать термодинамический цикл детонационного сгорания и сопоставить его с циклами Отто и Брайтона с целью установления степени его термо-динамического совершенства. Сравнение термодинамических циклов Отто, Брайтона и детонационного сгорания производилось по эквивалентным циклам Карно, обладающим той же степенью термодинамического совершенства, что и исследуемые циклы. Для определения параметров детонационного цикла использована классическая теория детонации, основанная на законах термодинамики и газодинамики. Показано, что детонационный цикл по сравнению с циклами Брайтона и Отто имеет бóльшую энтропию в конце подвода тепла и меньшую в конце отвода тепла. Это означает, что он обладает более высокой среднеинтегральной температурой подвода теплоты и более низкой среднеинтегральной температурой отвода теплоты. Так, в диапазоне характерных значений показателя адиабаты k температура в конце процесса сообщения тепла в цикле детонационного сгорания превышает температуру цикла Отто примерно на 7–15 %. Следовательно, детонационный цикл термически более эффективен, поскольку термический КПД цикла увеличивается с расширением температурных границ эквивалентного цикла Карно.

 

An attempt has been made to analyze qualitatively and quantitatively the thermodynamic cycle of detonative combustion and to compare it with the Otto and Brayton cycles in order to establish the degree of its thermodynamic perfection. A comparison of the thermodynamic cycles of Otto, Brayton, and detonation was carried out for equivalent Carnot cycles, which has the same degree of thermodynamic perfection as the investigated cycles. To determine the parameters of the detonation cycle, the classical detonation theory based on the laws of thermodynamics and gasdynamics was used. It is shown that the detonation cycle in comparison with the cycles of Brayton and Otto has larger entropy at the end of the heat supply and smaller one at the end of the heat removal. That means it has a higher mean-integral temperature of heat input and a lower mean-integral temperature of heat removal. Thus, in the range of characteristic values of the adiabatic index k, the temperature at the end of the heat input process in the detonation cycle exceeds the Otto cycle temperature by about 7–15 %. Consequently, the detonation cycle is thermally more efficient, since the thermal efficiency of the cycle increases with the expansion of the temperature boundaries of the equivalent Carnot cycle.

термодинамический КПДдетонационный циклцикл Оттоцикл Брайтонасреднеинтегральная температураthermodynamic efficiencydetonation cycleOtto cycleBrayton cyclemean-integral temperatureReferencesHeterogeneous catalytic decomposition of JP-10: for use in a pulsed engine / C. E. Galligan [et al.] // Хим. физика. –2005. – Т. 24, № 7. – С. 91–96.Galligan C. E., Duboisy C., Stowe R., Kaliaguine S., Niaki H. Heterogeneous catalytic decomposition of JP-10: for use in a pulsed engine. Himicheskaya fizika = Russian Journal of Physical Chemistry B., 2005, vol. 24, no. 7, pp. 91–96.Басевич, В. Я. Условия существования стационарной гетерогенной детонации / В. Я. Басевич, С. М. Фролов, В. С. Посвянский // Хим. физика. – 2005. – Т. 24, № 7. – С. 58–68.Basevich V. Ya., Frolov S. М., Posvyansky V. S. Conditions for the existence of a stationary heterogeneous detonation. Himicheskaya fizika = Russian Journal of Physical Chemistry B., 2005, vol. 24, no. 7, pp. 58–68 (in Russian).Переход горения в детонацию воздушных смесей бинарных горючих в канале с препятствиями / С. П. Медведев [и др.] // Хим. физика. – 2010. – Т. 29, № 1. – С. 58–63.Medvedev S. P, Polenov A. N, Khomik S. V., Gelfand B. E. Deflagration-to-detonation transition in air-binary fuel mixtures in an obstacle-laden channel. Russian Journal of Physical Chemistry B., 2010, vol. 4, no. 1, pp. 70–74. DOI: 10.1134/ s1990793110010112Flame Acceleration and Deflagration-to-Detonation Transition in Nuclear Safety: State-of-the Art Report by a Group of Experts. NEA/CSNI/R(2000)7 [Electronic resource] / W. Breitung [et al.]; Nuclear Energy Agency. August 2000. – Mode of access: https://www.oecd-nea.org/nsd/docs/2000/csni-r2000-7.pdf – Date of access: 20.10.2017.Breitung W., Chan C., Dorofeev S., Eder A., Gelfand B., Heitsch M., Klein R., Malliakos A., Shepherd E., Studer E., Thibault P. Flame Acceleration and Deflagration-to-Detonation Transition in Nuclear Safety. OECD State of the Art Report by a Group of Experts. NEA / CSNI / R (2000) 7. 2000. Available at: https://www.oecd-nea.org/nsd/docs/2000/csni-r2000-7. pdf (Accessed 20 Oktober 2017).Переход горения в детонацию в турбулентном потоке в пульсирующем детонационном двигателе / Д. И. Бакланов [и др.] // Хим. физика. – 2005. – Т. 24, № 7. – С. 11–18.Baklanov D. I., Gvozdeva L. G., Kaltaev A., Shcherbak N. B. Transition of combustion to detonation in a turbulent flow in a pulsating detonation engine. Himicheskaya fizika = Russian Journal of Physical Chemistry B., 2005, vol. 24, no. 7, pp. 11–18 (in Russian).Фролов, С. М. Инициирование детонации в распылах жидкого топлива / С. М. Фролов, В. С. Аксенов, В. Я. Басевич // Хим. физика. – 2005. – Т. 24, № 7. – С. 69–77.Frolov S. M, Aksenov V. S., Basevich V. Ya. The initiation of detonation in the spraying of liquid fuels. Himicheskaya fizika = Russian Journal of Physical Chemistry B., 2005, vol. 24, no. 7, pp. 69–77 (in Russian).Initiation of confined detonation by electric discharges / S. M. Frolov [et al.] // Confined Detonations and Pulse Detonation Engines / ed. by G. D. Roy [et al.]. – M.: Torus Press, 2003. – P. 157–174.Frolov S. M., Basevich V. Ya., Aksenov V. S., Polikhov S. A. Initiation of confined detonation by electric discharges. Roy G. D., Frolov S. M., Santoro R., Tsyganov S. A. (eds.) Confined Detonations and Pulse Detonation Engines. Moscow, Torus Press, 2003, pp. 157–174.Pulse detonation propulsion: challenges, current status, and future perspective / G. D. Roy [et al.] // Progress in Energy and Combustion Sciences. – 2004. – Vol. 30, Iss. 6. – P. 545–672.Roy G. D., Frolov S. M., Borisov A. A., Netzer D. W. Pulse detonation propulsion: challenges, current status, and future perspective. Progress in Energy and Combustion Sciences, 2004, vol. 30, issue 6, pp. 545–672. DOI: 10.1016/j. pecs.2004.05.001Формирование детонации в импульсной камере сгорания с пористым препятствием / Х. Альхусан [и др.] // Инженер.-физ. журн. – 2012. – Т. 85, № 5. – С. 968–973.Alhussan Kh., Assad M. S., Penyazkov O. G, Sevruk K. L. Formation of detonation in a pulsed combustion chamber with a porous obstacle. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2012. vol. 85, no. 5, pp. 1052–1057. DOI: 10.1007/ s10891-012-0746-2Detonation Acceleraion Research in Pulsed Combustor / M. S. Assad [et al.] // Proc. of 24nd Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. 2013, July 28 – Aug. 02. – Taipei, Taiwan, 2013. – Р. 131.Assad M. S., Penyazkov O. G., Sevrouk K. L., Yaumenchycau M. L. Detonation Acceleration Research in Pulsed Combustor. Proceedings of 24th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. Taipei, 2013, p. 131.Assad, M. S. Detonation in Heptane / Oxygen / Air Mixtures in a Pulsed Combustor / M. S. Assad, O. G. Penyazkov // Proc. of 2013 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics (2013 IASPEP), Sept. 24–27. – Chengdu, Sichuan Province, China, 2013. – Р. 284–286.Assad M. S., Penyazkov O. G. Detonation in Heptane / Oxygen / Air Mixtures in a Pulsed Combustor. Proceedings of 2013 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics. Chengdu, Sichuan Province, 2013, pp. 284–286.Влияние турбулентного течения на переход горения в детонацию в смесях водорода с кислородом и воздухом в импульсной камере сгорания / М. С. Ассад [и др.] // Хим. физика. – 2014. – Т. 33, № 3 – С. 62–67.Assad M. S, Al’khusan Kh., Penyaz’kov O. G, Sevruk K. L. Influence of turbulent flow on the transition of combustion to detonation in mixtures of hydrogen with oxygen and air in a pulsed combustion chamber. Russian Journal of Physical Chemistry B., 2014, vol. 8, no. 2, pp. 181–185. DOI: 10.1134/s199079311402002xЗельдович, Я. Б. Теория детонации / Я. Б. Зельдович, А. С. Компанеец. – М.: Гостехиздат, 1955. – 268 с.Zeldovich Ya. B., Kompaneets А. S. Detonation Theory. Moscow, Gosteizdat Publ., 1955. 268 p. (in Russian).Войцеховский, Б. В. Структура фронта детонации в газах / Б. В. Войцеховский, В. В. Митрофанов, М. Е. Топчиян. – Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1963. – 168 с.Voitsekhovsky B. V., Мitrofanov V. V., Тоpchiyan М. Е. Structure of the Detonation Front in Gases. Novosibirsk, Press of the Siberian Branch of the USSR Academy of Sciences, 1963. 168 p. (in Russian).Мартыновский, В. С. Термодинамические характеристики циклов тепловых и холодильных машин / В. С. Мартыновский. – М.: Госэнергоиздат, 1952. – 216 с.Martynovsky V. S. Thermodynamic Characteristics of the Cycles of Thermal and Refrigerating Machines. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1952. 216 p. (in Russian).Андрющенко, А. И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок / А. И. Андрющенко. – М.: Высш. шк., 1968. – 288 с.Andryushchenko A. I. Principles of the Thermodynamic Cycles of Thermal Power Engineering Plants. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1968. 288 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.