Введение к работе
Диссертация посвящена инициации горения высокоскоростной топливной смеси при помощи плазменной струи эрозионного импульсного плазматрона и динамически неустойчивого дугового продольно - поперечного разряда постоянного тока. Исследовано влияние динамической неустойчивости плазмы на перемешивание слоев газа и формирование заданных статистических свойств потока.
Актуальность темы
Создание летательных аппаратов (ЛА), для которых натекающий поток воздуха является надкритическим относительно гидродинамических параметров подобия (число Маха, число Рейнольдса, число Струхаля и т.д.) связано с рядом проблем прикладного и фундаментального характера. В частности, необходимость новых подходов возникает в случае движения ЛА со сверхзвуковыми (число Маха М > 1) и гиперзвуковыми (М > 5) скоростями. Задачи, возникающие при этом, могут быть решены в рамках применения плазменных источников различных типов. Весь сложный комплекс подобных проблем можно условно разделить на три основных группы:
Изменение динамических, термодинамических и статистических параметров потока вблизи поверхности летательного аппарата с целью снижения шума, механических нагрузок, изменения лобового сопротивления и управления траекторией полета.
Изучение механизмов горения, стимулированного плазмой в условиях надкритических потоков. Сокращение времени индукции реакции горения, оптимизация области воспламенения, сокращение выбросов побочных продуктов горения.
Изучение и стабилизация фронта горения в условиях надкритического течения. Удержание фронта пламени. Исследование возможности создания детонационного горения в широком смысле.
Решение указанных задач позволило бы создавать стабильные плазменные устройства, позволяющие эффективно инициировать горение для качественно различных течений, создавать оптимальные аэродинамические свойства ЛА, решать сопряженные экологические проблемы.
*'1
Данная работа посвящена рассмотрению задач, связанных с последними двумя классами проблем. Рассмотрена возможность создания и стабилизации нормального и детонационного горения, инициированного при помощи двух типов разряда: классического дугового и плазмодинамического. Исследования проведены для условий неоднородной двухфазной топливно-воздушной смеси и надкритического течения.
Проведен анализ влияния неустойчивости плазмы дугового разряда на статистические характеристики потока для различных параметров плазменного источника. Определено влияние нестабильной плазмы на акустический спектр потока.
Цель работы
Настоящая работа преследовала цель изучения свойств потока двухфазной химически активной и однофазной смеси в присутствии плазменных источников двух различных типов: импульсного источника и источника постоянного тока. В частности, в работе решались следующие задачи:
Организация стабильного воспламенения надкритического потока пропана -воздушной смеси с целью получения нормального и детонационного горения.
Изучение свойств области горения в зависимости от параметров газового разряда.
Изучение влияние плазменных неустойчивостей на статистические характеристики потока и формирование однородной химической активной смеси.
Достижение эффективного режима инициации горения при помощи плазменных источников.
Методы исследований
Результаты диссертации получены с использованием следующего диагностического оборудования:
Оптические детекторы - фотоэлектронный умножитель, рефракционный датчик, эмиссионный спектрометр.
Электромеханические детекторы — датчики давления тензометрического типа, трубки Пито - Прандтля, термопарний датчик температуры.
Методы определения электрических параметров используемых газовых разрядов.
Научная новизна
Все полученные результаты являются новыми, основная их часть получена автором самостоятельно. Научная новизна работы состоит в следующем:
Определены факторы, влияющие на стабилизацию горения сверхзвуковой пропана - воздушной смеси, инициированного продольно - поперечным дуговым разрядом постоянного тока. Определены электрические параметры разряда и химический состав топлива, при которых реализуется наиболее эффективный стабильный режим горения.
Достигнут режим ускоряющегося фронта горения при постоянном давлении в высокоскоростном топливном потоке при помощи плазмодинамического разряда и определены границы его наибольшей эффективности.
Обнаружено существование двух фаз разряда в надкритическом потоке воздуха и топливной смеси: объемная фаза в межэлектродном зазоре и канальная фаза, связанная с нестационарными свойствами потока при условии неизменных первоначальных электрических параметров.
Впервые реализован режим стабильного несамостоятельного горения сверхзвуковой воздушно - пропановой смеси, инициированного плазмой продольно - поперечного разряда постоянного тока. Обнаружено существование как стабильного, так и не стабильного режимов горения.
Впервые использован фрактальный анализ стохастических свойств надкритического потока в присутствии динамически неустойчивого продольно -поперечного разряда постоянного тока. Определены границы применимости метода и дано объяснение основных полученных закономерностей.
Личный вклад автора
Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. При непосредственном участии автора создавались экспериментальные установки и разрабатывались методики измерений, проводились экспериментальные исследования и обработка полученных результатов. На основании полученных данных автором сформулированы и обоснованы выводы диссертации.
Практическая и теоретическая ценность работы
Полученные в работе результаты могут быть использованы совместно с критериями подобия для разработки конструкций камер сгорания, работающих при надкритических потоках топливной смеси и использующих объемные источники плазмы в качестве инициаторов горения. Они могут быть также использованы для оптимизации рабочих условий существующих лабораторных установок, для исследования горения сверхзвуковых потоков топливных смесей и при целенаправленной разработке и создании новых установок. Кроме того, полученные данные могут быть использованы для теоретического изучения свойств турбулентного течения в присутствии плазмы.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались:
На «Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу», Звенигород, 2007,2008 гг.; на конференции «Ломоносовские чтения» в МГУ, г. Москва, 2007,2008 гг.; на семинаре «Школа - семинар по магнитоплазменной аэродинамике», ИВТАН, г. Москва, 2007-2009 гг.; на конференции «AIAA Aerospace Sciences Meeting», США, 2009,2010 гг.; на конференции «6,h International Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion, Germany», Германия, 2010 г.; на семинаре кафедры физической электроники физического факультета МГУ, 2009 г.
Публикации.
Основные результаты по теме диссертации опубликованы в семи работах, список которых приводится в конце автореферата. Шесть работ [2-7] опубликованы в изданиях, входящих в утвержденный ВАК перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.
Структура и объем диссертации.
