Введение к работе
Актуальность проблемы
Работа посвящена экспериментальному исследованию физических принципов организации горения в условиях сверхзвуковых высокотемпературных потоков.
Необходимость изучения процессов горения при сверхзвуковых скоростях потока вызвана освоением авиацией гиперзвуковых скоростей полёта с использованием в качестве силовой установки двигателей прямоточных схем. К настоящему времени выполнен большой объём исследований, как экспериментальных (в аэродинамических наземных установках и при некотором количестве летных испытаний), так и расчётно-теоретических, достаточный для создания работоспособных летательных аппаратов на числа Маха полета М=5-8. В то же время эффективность двигательных установок для таких аппаратов, а также вопросы надежности воспламенения, устойчивости и режимов горения (диффузионный, псевдоскачковый) и особенно управления всеми этими процессами, то есть вопросы по совершенствованию организации процесса горения в сверхзвуковом потоке, сохраняют свою актуальность. Это связано и с недостаточной изученностью внутренней структуры пламен в условиях высокотемпературных потоков.
При переходе к параметрам, соответствующим перспективному полетному диапазону М=8-12 (то есть при температурах торможения, значительно превышающих 2000 К), когда подводимого к потоку тепла от сгорания топлива недостаточно для перевода течения из сверхзвукового в дозвуковое, возникает проблема потери тяги двигателя из-за ухудшения процесса горения. Организация горения при высоких начальных температурах, давлениях и скоростях потока (соответствующих М>8) является актуальной и самостоятельной научно-технической задачей, требующей проведение фундаментальных исследований.
Решение всех этих проблем невозможно без постановки исследований, направленных на изучение детальных физико-химических процессов, происходящих при горении, выявление роли газодинамических и кинетических аспектов с целью построения физико-математических моделей, адекватно описывающих наблюдаемые явления. При этом необходимо обоснование и применение экспериментальных методов изучения тонкой структуры реагирующих течений, обеспечивающих получение информации о развитии процесса горения водорода в высокотемпературном воздушном потоке.
Таким образом, актуальными остаются задачи:
изучения взаимовлияния газодинамики потока и процессов горения в условиях сложной пространственной структуры высокотемпературных сверхзвуковых течений;
изучения способов управления процессами смешения, воспламенения и стабилизации пламени с учётом тонкой структуры пламени и динамики физико-химического взаимодействия на микромасштабном уровне;
поиска эффективных способов управления режимами горения в свободном и ограниченном пространстве, включая газодинамическое и кинетическое воздействие;
постановки исследований влияния малоизученного диапазона высоких (2000 - 3000 К) температур на структуру пламени водорода и характер его выгорания.
Целью диссертационной работы является решение задачи выяснения физических особенностей и механизма горения в сверхзвуковом высокотемпературном воздушном потоке, имеющей существенное значение для механики газа, жидкости и плазмы, а также технических приложений, связанных с организацией эффективного горения в сверхзвуковом потоке.
При этом основные задачи диссертации заключались:
-
В изучении тонкой структуры водородных пламён с высоким временным и пространственным разрешением в условиях сверхзвукового высокотемпературного воздушного потока, включая исследования масштабов зон горения и динамики их развития.
-
В изучении и разработке перспективных, в первую очередь газодинамических и кинетических, способов управления процессом выгорания топлива в свободном пространстве и в каналах различной геометрии.
-
В получении новых научных данных по особенностям процесса горения водорода при температурах торможения сверхзвукового воздушного потока в диапазоне от 2000 до 3000 К.
Данная работа по исследованию процессов горения в условиях сложной газодинамической структуры непосредственно связана с выяснением физической стороны явлений, происходящих в камерах сгорания (КС) гиперзвуковых летательных аппаратов, и направлена на изучение физики процессов, повышение эффективности тепловыделения и развитие способов управления процессами горения в сверхзвуковых высокотемпературных потоках.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-
Выяснена объемная структура водородо-воздушного пламени в сверхзвуковом потоке, включая микроструктуру и динамику развития зон горения. Показано, что в стационарных условиях выгорание происходит неравномерно -определяющее влияние на интенсивность горения оказывает газодинамика течения и вихревые структуры, образующиеся в области смешения топлива и окислителя.
-
Обнаружен и объяснен эффект «перескока» пламени, реализующийся только в сверхзвуковых течениях вследствие газодинамического воздействия воздушной струи на пламя.
-
Подробно изучены особенности и обобщен характер выгорания водорода по длине пламени при различных способах его подачи в сверхзвуковой высокотемпературный поток. При этом показано, что интенсификация только смешения может приводить к обратному результату - ухудшению выгорания вследствие появления задержки воспламенения.
-
Предложен газодинамический способ стабилизации пламени и повышения эффективности процесса горения в расширяющихся каналах, заключающийся в создании структуры течения подобной существующей в нерасчетных струях.
-
Экспериментально при длительном режиме работы установки показаны особенности процесса горения в высокоэнтальпийном потоке при температурах торможения свыше 2000 К, связанные с диссоциацией продуктов реакции.
Научная и практическая значимость работы состоит в разработке методов и средств исследования процесса горения водорода в приложении к сверхзвуковым высокотемпературным реагирующим потокам, получении экспериментальных данных по структуре и динамике развития реагирующих струй, на основании которых выяснена объемная структура пламён, показаны и объяснены особенности развития процесса горения в условиях сложной газодинамической структуры.
Практическая ценность полученных результатов подтверждена тем, что:
показаны возможности использования волновой структуры сверхзвуковых течений для управления процессами горения, обнаружен, изучен и предложен в нескольких вариантах практической реализации газодинамический способ изменения мест воспламенения водородного пламени;
выяснен и сопоставлен характер тепловыделения при различных способах подачи водорода, что дает возможность управлять процессом горения в зависимости от требуемого распределения интенсивности тепловыделения по длине пламени;
предложен и проверен способ организации горения в канале с большими углами расширения (до 10), при создании газодинамической структуры течения, близкой к структуре нерасчетных струй, истекающих в затопленное пространство; выяснена эффективность и особенность управления тепловыделением газодинамическим и кинетическим воздействиями;
- изучены особенности процесса выгорания водорода в сверхзвуковом
воздушном потоке при температурах торможения до 3000 К. В этом малоизу
ченном диапазоне температур (2000-3000 К) экспериментально обнаружены и
исследованы эффекты снижения скорости смешения, изменения длины пламе
ни и положения зон основного тепловыделения, что необходимо учитывать при
организации горения в условиях высоких скоростей полёта.
Полученные результаты могут быть использованы в научно-исследовательских институтах и конструкторских бюро при создании камер сгорания воздушно-реактивных двигателей для режимов работы с самовоспламенением.
Результаты, полученные в диссертации, были использованы при выполнении ряда хоздоговорных и совместных работ с ЦАГИ, ЦИАМ, ИХФ РАН и др., использовались в российских и международных научных исследовательских проектах, включая РФФИ (№ 00-01-00834, 06-08-00735, 09-08-00998), которые выполнялись под научным руководством автора диссертации или в которых он был ответственным исполнителем.
Личный вклад автора состоит также в том, что под его руководством осуществлена модернизация «Стенда сверхзвукового горения», с превращением его в уникальный (в России и Европе) комплекс для аэрофизических исследований течений с энергоподводом и горением. Постановка задач и выбор направления исследований производились вместе с научным консультантом; экспериментальные исследования, обработка, анализ и обобщение полученных результатов проведены непосредственно соискателем, либо коллективом сотрудников под его руководством.
Обоснованность и достоверность результатов основана на комплексном применении различных методов исследований и сопоставлении полученных данных, многократном проведении и повторении тестовых испытаний, одновременной регистрацией процесса в различных диапазонах длин волн и вариацией времен экспозиций, сравнением результатов, получаемых различными способами, а также сопоставлением с имеющимися экспериментальными и расчетными результатами других исследователей. В целом полученные экспериментальные данные дополняют друг друга и создают единую картину исследуемых процессов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты экспериментальных исследований газодинамической структуры водородного пламени и динамики его развития при горении в спутной сверхзвуковой воздушной струе, что позволило показать определяющее влияние на процесс выгорания волновой структуры в начальной части пламени и обнаружить нестационарность процесса вследствие существования вихревых зон горения в области смешения топлива с окислителем.
Газодинамический метод стабилизации и управления пламенем в свободном и ограниченном пространстве.
Обобщение результатов исследований характера выгорания газообразного водорода при различных способах его подачи в сверхзвуковой высокотемпературный воздушный поток, показавшие необходимость одновременного учета взаимовлияния процессов смешения и газодинамического воздействия для управления интенсивностью горения.
Принципы организации эффективного и управляемого теплоподвода при кинетическом воздействии, включая введение химически активных добавок, а также в условиях высоких температур, что позволяет изменять величину задержки воспламенения, режимы горения и длину пламени.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах по Структуре пламён (Новосибирск, 1983, 1986, 2005, 2011 гг., Брюссель, 2008 г.), III Всесоюзном семинаре "Экспериментальные и теоретические исследования тепломассопереноса при химически неравновесных течениях в каналах" (Минск, 1984 г.), Международной школе-семинаре "Процессы турбулентного переноса в реагирующих системах" (Минск, 1985 г.), VIII Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Ташкент, 1986 г.), Всесоюзной школе по кинетической теории разреженных и плотных газовых смесей и механике неоднородных сред (Ленинград, 1987 г.), Всесоюзном семинаре "Механика реагирующих
сред" (Томск, 1987 г.), международных конференциях "Методы аэрофизических исследований" - ICMAR (Новосибирск, 1992, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2007, 2008,2012 гг.), Втором Всероссийском семинаре по динамике пространственных и неравновесных течений жидкости и газа (Миасс, 1993 г.), Международной конференции "Аэрогазодинамика силовых установок летательных аппаратов" (Жуковский, 1993, 1999 г.), XVI Всероссийском семинаре "Струйные и нестационарные течения в газовой динамике" (Новосибирск, 1995 г.), 4 Азиатском симпозиуме по визуализации (Пекин, 1996 г.), Международном симпозиуме "Actual Problem of Physical Hydroaerodynamics" (Новосибирск, 1999 г.), VI и X Международных научно-технических конференциях "Оптические методы исследования потоков" (Москва, 2001, 2009 г.), Всероссийской конференции "Аэродинамика и газовая динамика в XXI веке" (Москва, 2003 г.), Международной конференции по микросмешению в турбулентных потоках с химическими реакциями (Москва, 2004 г.), Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений" (Жуковский, 2004 г.), 2 Международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века" (Москва, 2005 г.), XIV школе-семинаре "Современные проблемы аэрогидродинамики" (Сочи, «Буревестник» МГУ, 2006 г.), V-VII Международных Аэрокосмических Конгрессах (Москва, 2006, 2009, 2012 г.), VIII и IX Всероссийских съездах по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.; Нижний Новгород, 2006 г.), Международной конференции WEHSFF (Москва, 2007 г.), Международной конференции «Новые рубежи авиационной науки» ASTEC07 (Москва, 2007 г.), Международной конференции «Современные проблемы прикладной математики и механики», посвященной 90-летию со дня рождения академика Н.Н. Яненко (Новосибирск, 2011 г.), IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, 2012г.), XXVII, XXX-XXXVI Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2003, 2006-2012 гг.), семинарах в ИТПМ СО РАН и НИИ механики МГУ.
Публикации. Содержание диссертации изложено более чем в 30 печатных работах, перечисленных в диссертации. Основные научные результаты представлены в 16 печатных работах, опубликованных в рецензируемых журналах, и приведены в конце автореферата. Из совместных публикаций в диссертацию включены результаты, полученные лично автором или при его непосредственном участии. Текст автореферата согласован с соавторами.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 256 страниц, в том числе 150 рисунков. Список литературы состоит из 277 наименований.
