Содержание к диссертации
Введение
2 Обзор литературы 15
2.1 Неравновесные разряды, применяемые для воспламенения 16
2.1.1 Импульсный ттаносекундный разряд 16
2.1.2 ВЧ-разряд 20
2.1.3 Другие типы разрядов 22
2.2 Кинетика воспламенения, стимулированного неравновесными способами 23
2.3 Выводи обзора 33
3 Экспериментальное оборудование и методика измерений 35
3.1 Ударная труба , 35
3.1.1 Определение параметров газа за отраженной ударной волной 37
3.1.2 Определение скорости ударной волны лазерным птлирен-методом 38
3.2 Создание высокоскоростной волны ионизации 39
3.2.1 Высоковольтный импульсный генератор Аркадьева—Маркса 39
3.2.2 Формирующая линия 41
3.2.3 Разрядная камера 41
3.3 Детектирование излучения ОН и СН в микросекундттом режиме 42
3.3.1 Измерение времени индукции воспламенения 43
3.3.2 Эквивалентность определения времени задержки воспламенения при детектировании излучения СН и ОН радикалов 44
3.3.3 Проверка линейности системы ФЭУ-повторитель 45
3.4 Наттосекундные измерения параметров ВВИ 46
3.4.1 Емкостные датчики. Определение напряжения 47
3.4.2 Магнито-токовый датчик 48
3.4.3 Оценка энерговклада 49
3.4.4 Детектирование излучения высокоскоростной волны ионизации 49
3.5 Методика экспериментов с фдэттт-фотолизом 49
3.5.1 Параметры излучения эксимерного Аг-Г лазера 50
3.5.2 Пироэлектрический датчик 50
3.5.3 Синхронизация и схема эксперимента 52
3.5.4 Вычисление энерговклада 53
4 Методика численного моделирования 55
5 Плазменно-стимулированное воспламенение смеси СН4:02:Аг 58
5.1 Впадение 59
5.2 Эксперимент 61
5.2.1 Экспериментальная установка и методы измерений 61
5.2.2 Измерение параметров разряда 64
5.2.3 Измерение параметров воспламенения 66
5.3 Численные расчёты и обсуждение 71
5.3.1 Кинетическая модель разряда и послесвечения 71
5.3.2 Результаты расчётов процесса разряда 76
5.3.3 Кинетическая модель для расчёта воспламепения 79
5.3.4 Результаты расчётов автовоспламенения и плазменно-стимулированного воспламенения
5.4 Выводы главы 86
6 Плазменно-стимулированное воспламенение смесей CnH2u+2:02:Ar 88
6.1 Введение 89
6.2 Эксперимент 90
6.2.1 Экспериментальная установка и методы измерений 90
6.2.2 Измерение параметров разряда 94
6.2.3 Измерение параметров воспламенения 95
6.3 Численные расчёты и анализ 100
6.3.1 Моделирование разряда и его послесвечения 100
6.3.2 Кинетическая модель автовоспламенения и плазменно-стимулированного воспламенения 104
6.3.3 Результаты моделирования автовоспламепения и плазменно- стимулированного воспламенения 105
6.4 Выводы главы 113
7 Влияние атомов кислорода на кинетику воспламенения смесей 02/H2/N20/Ar 115
7.1 Введение 115
7.2 Описание экспериментов 116
7.3 Результаты экспериментов 120
7.4 Построение кинетической схемы воспламенения смесей N20 : Н2 : 02 : Аг при высоких температурах 124
7.4.1 Введение 125
7.4.2 Эксперименты по автовоспламенению п Т^20-содержащих смесях 126
7.4.3 Другие кинетические эксперименты в 1М20-содержащих смесях 127
7.4.4 Описание численной модели и результаты сопоставления расчетов и экспериментов 128
7.5 Выводы главы 140
Заключение 141
Библиография
- Импульсный ттаносекундный разряд
- Определение параметров газа за отраженной ударной волной
- Эквивалентность определения времени задержки воспламенения при детектировании излучения СН и ОН радикалов
- Экспериментальная установка и методы измерений
Введение к работе
В последние десятилетия наблюдается существенный интерес к исследованию воспламенения горючих смесей низкотемпературной плазмой, что, по-видимому, следует связывать как с развитием экспериментальной техники генерации коротких мощных импульсов напряжения, так и с развитием диагностической техники. Эффективность воспламенения при искусственном добавлении в смесь атомарного кислорода рассматривалась еще в монографии Н:Н.Семенова [26], а первые попытки экспериментальной реализации данной идеи следует относить к 30-м годам XX века [47]. Результаты экспериментов, проведенных в условиях горения в быстрых газовых потоках [62, 64], в газовых горелках лабораторного и полупромышленного масштаба [27, 28], в специально разработанных реакторах [9] и ударных трубах [82] демонстрируют принципиальную возможность воспламенения горючей смеси с помощью неравновесной плазмы, расширение области параметров горения смеси и уменьшение времени задержки воспламенения.
В настоящее время хорошо известны различные способы инициирования воспламенения и поддержания горения в газовой фазе. Среди них можно выделить следующие: прямое инжектирование плазмы дугового разряда постоянного тока [31]; лазерно-индуцированное воспламенение [32, 33]; искровое воспламенение [34]. Несмотря на то, что цепной механизм горения достаточно хоротпо изучен, ещё недостаточно ясен вопрос о влиянии различных классов частиц на задержку воспламенения при искусственном инициировании горения. Например, широко обсуждается роль заряженных [29] и электронно-возбужденных частиц [30] в кинетическом механизме воспламенения. Кинетические модели воспламенения неравновесной плазмой, основанные на детальном описании газового разряда [35], кинетики разряда [36] и горения [36, 37], требуют получения количественных экспериментальных данных, позволяющих проводить тестирование каждого из предложенных механизмов.
К настоящему времени известен ряд работ в области применения высоковольтного наносекундного разряда для плазмохимических исследований. В их числе — изучение воздействия наносекундных разрядов на возбуждение внутренних степеней свободы газа [38], а также исследования, связанные с изучением кинетики медленного окисления углеводородов при комнатной температуре под действием высоковольтного наносекундного разряда при частоте повторения импульсов в несколько десятков герц.
В работах [39, 82, 40, 84] впервые начал изучаться высоковольтный наносекундный разряд как способ однородного воспламенения горючих газовых смесей при высоких (около 1100-2200 К) начальных поступательных температурах. Рассматривалось воспламенение метано-воздутпных и водородо-воздутпных смесей, разбавленных аргоном или гелием. Па основе проведенных расчетов и экспериментов была показана высокая эффективность высоковольтного наносекундного разряда, позволяющего существенно сократить времена индукции воспламенения. Было показано, что при увеличении плотности газа эффективность плазмохимического воздействия разряда заметно снижается. Была исследована пространственная однородность высоковольтного наносекундного разряда и её зависимость от давления воспламеняющейся горючей смеси.
Данная работа представляет собой экспериментальное и теоретическое исследование воспламенения горючих смесей под действием импульсного наносекундного разряда и импульсного лазерного излучения за фронтом отраженной волны в ударной трубе. Проводились эксперименты по воспламенению смесей гомологического ряда углеводородов от СНд до СбН^ с кислородом под действием высоковольтного наносекундного разряда. Эксперименты по воспламенению смесей, содержащих N2О, с помощью лазерного излучения были проведены с целью анализа роли участия возбужденных атомов кислорода в процессе воспламенения.
Цель работы
Целью настоящей работы является исследование механизма сокращения времён индукции воспламенения горючих смесей под воздействием плазмы высоковольтного наносекундного разряда. При этом были поставлены и решены следующие задачи:
Провести эксперименты по измерению времён задержки воспламенения стехиометрических смесей С„Н2п+2 : Ог : Аг (Аг—90%) для п = 1 ч- 5 под действием высоковольтного наносекундного разряда в широком диапазоне температур над порогом воспламенения и сравнить результаты с временами задержки автовоспламенения, полученными при тех же начальных термодинамических условиях.
Получить временные профили продольной составляющей напряжённости электрического поля и тока разряда в экспериментах по плазменно- стимулированному воспламенению.
Провести моделирование процесса воспламенения с учётом воздействия на газ импульсного разряда. Определить количественно эффект воздействия плазмы на воспламенение горючих смесей.
Сравнить времена задержки воспламенения, полученные экспериментально и численно. Определить основные причины ускорения воспламенения при использовании высоковольтного наносекундного разряда.
Экспериментально сравнить эффективность воздействия излучения АгЕ-лазера и наносекундного высоковольтного разряда на ускорение воспламенения горючих смесей, содержащих N20.
Построить кинетическую схему, позволяющую моделировать процессы химической кинетики в смесях, содержащих N20, Ог и Н2, слабо разбавленных Аг. Провести кинетическое моделирование процесса воспламенения и сравнить результаты с экспериментальными. Выделить основные химические процессы, ответственные за ускорение воспламенения смеси.
Научная новизна
Впервые измерены времена задержки воспламенения стехиометрических смесей СпН2п+2 : 02 : Аг (Аг—90%) для п = 1 ~ 5 при высоких температурах под действием импульсного высоковольтного наносекундного разряда. Проведено сравнение плазменно-стимулированного воспламенения с автовоспламенением при одинаковых начальных термодинамических условиях и контролируемом энерговкладе от разряда в газ. Экспериментально определён количественный эффект воздействия неравновесной плазмы на воспламенение горючих смесей. Проведены измерения параметров наносекундного разряда, достаточные для численного моделирования экспериментов по плазменно стимулированному воспламенению.
Впервые предложен способ моделирования, описывающий воспламенение смесей предельных углеводородов гомологического ряда с кислородом под действием импульсного высоковольтного наносекундного разряда. На основании результатов численных расчетов показано, что сокращение времён задержки воспламенения по сравнению с автовоспламенением при плазменно-стимулированном воспламенении в области температур над порогом воспламенения связан с образованием атомов и радикалов. Определяющими в эффекте ускорения воспламенения являются атомы кислорода, образовавшиеся при диссоциации электронным ударом на стадии разряда.
Впервые проведены эксперименты по определению и сравнению времён задержки автовоспламенения и воспламенения под действием импульса не сфокусированного лазерного (Л—193 нм) излучения в смесях, содержащих N20, 02 и Н2, слабо разбавленных Аг в одинаковых начальных термодинамических условиях. Экспериментально получен количественный эффект ускорения воспламенения под действием лазерного излучения.
Построена оригинальная кинетическая схема, позволяющая моделировать процессы химической кинетики в смесях, содержащих N20, 02 и Н2, слабо разбавленных Аг. Проведено кинетическое моделирование процесса автовоспламенения.
Впервые проведено экспериментальное сравнение эффектов ускорения воспламенения в смесях, содержащих N20, 02 и Н2, под действием импульса лазерного излучения и под действием импульсного наносекундного разряда с одинаковыми удельными энерговкладами при одних и тех же начальных термодинамических условиях.
Результаты экспериментального исследования времён задержки воспламенения стехиометрических смесей СпН2п+2 : 02 : Аг (Аг—90%) для п = 1 -ь 5 в диапазоне температур от 1000 К до 2200 К и давлений от 0,2 до 1 атм под действием импульсного наносекундного разряда отрицательной полярности длительностью 40 не и амплитудой 120 кВ.
Результаты моделирования воспламенения стехиометрических смесей С^ГЬп+г : 02 : Аг (Аг—90%) для п = 1 -т- 5 в условиях проведённых экспериментов.
Кинетическая схема, применимая к моделированию слабо разбавленных инертным газом смесей, содержащих N2О, 02 и Н2.
Результаты экспериментов и расчётов по автовоспламенению и воспламенению под действием импульса не сфокусированного лазерного (Л—193 нм) излучения смесей, содержащих N20, Ог и Н2.
Результаты экспериментального исследования времён задержки воспламенения в смесях, содержащих ^О/Ог/Нг, в диапазоне температур от 900 К до 2000 К и давлений от 0,2 до 1,2 атм под действием однородного лазерного импульса излучения и под действием импульсного наносекундного разряда с одинаковыми удельными энерговкладами.
Основные положения, выносимые на защиту
Диссертация состоит из 8 глав. Работа изложена на 154 страницах текста, включает 66 рисунков, 12 таблиц. Список литературы насчитывает 168 наименований.
Первая глава является введением в работу, где обоснована актуальность диссертации, сформулированы основные ее цели и задачи, охарактеризованы научная новизна и практическая ценность полученных результатов, кратко изложено содержание по главам. Вторая глава содержит обзор литературы по экспериментальным и теоретическим методам исследования горения и поджига горючих газовых смесей неравновесными способами. Третья глава посвящена описанию экспериментального оборудования и методам диагностики, используемым в работе. Четвертая глава посвящена описанию основных методик, использованных для моделирования кинетических процессов в экспериментах по автовоспламенению горючих газовых смесей и для моделирования воспламенения смесей под воздействием импульсного высоковольтного наносекундного разряда и лазерного фотолиза. Пятая глава посвящена описанию результатов экспериментов и численного моделирования воспламенения метан-кислородной смеси. Сравниваются времена задержки плазменно-стимулированного воспламенения и автовоспламенения. Шестая глава посвящена описанию результатов экспериментов и численного моделирования воспламенения смесей предельных углеводородов гомологического ряда (этан, пропан, бутан и пентан) в смеси с кислородом. Сравниваются времена задержки плазменно-стимулированного воспламенения и автовоспламенения. На основании численного моделирования делаются выводы о поведении концентраций компонент, скоростей основных реакций и температуры в период индукции и при воспламенении. Седьмая глава посвящена описанию результатов экспериментов по воспламенению смесей ^0:Н2:02:Аг. Сравниваются времена задержки плазменно- стимулированного воспламенения, воспламенения с помощью лазерного фотолиза N20 и автовоспламенения. Предложен кинетический механизм для моделирования слабо разбавленных инертным газом смесей, содержащих N20, Нг и О2. Восьмая глава является заключением, в котором формулируются основные результаты и выводы диссертации.
Импульсный ттаносекундный разряд
В случае использования коротких (до сотен наносекунд) импульсов высокого напряжения разряд при атмосферном давлении и комнатной температуре может быть реализован либо в виде неравновесного стримеряого разряда (при малых - единицы и десятки наносекунд - длительностях импульса), либо в виде импульсной дуги (при длительностях импульса в десятки - сотни наносекунд), ведущей как к образованию высоковозбужденных состояний (на стадии пробоя), так и к нагреву газа. Обе разновидности разряда в данных условиях принципиально пространственно неоднородны.
Представляет интерес реализация разряда с импульсным питанием при коротких фронтах импульса напряжения, таких, что скорость нарастания фронта составляет несколько кВ/нс, и пониженной плотности газа. В этом случае с использованием современных генераторов наносекундных импульсов (амплитуда десятки сотни кВ, время нарастания импульса единицы-десятки не) можно получить пространственно однородный разряд на масштабе десятки сантиметров вплоть до плотностей газа (6 — 8) 1018 см-3 [84], что соответствует, например, температуре около 1000 К при давлении 1 атм, или же давлению около 0.6 атм при температуре 600 К. Данные термодинамические условия представляют интерес для задач быстрого поджига горючих смесей.
Известно, что при быстром росте напряжения на разрядном промежутке газ может выдержать напряжение, превышающее стационарное напряжение пробоя [49]. В этих условиях перенапряжение К = и/С/ы- ({/ьг - напряжение пробоя), наряду с параметром рй (р давление, (I длина межэлектродного промежутка), определяет механизм пробоя. В случае перенапряжений в десятки процентов пространственный заряд одиночной электронной лавины увеличивается настолько, что поле внутри лавины становится сравнимо с внешним полем, а поле на головке и хвосте лавины оказывается усиленным. В итоге пробой развивается по стримерному механизму. В случае более высоких перенапряжений (сотни процентов) пробой вновь приобретает диффузный характер свечения, но по иным физическим причинам: при достаточно высоких напряжённостях приведенного к концентрации газа электрического поля во фронте пробоя часть электронов должна переходить в режим непрерывного ускорения (убегание электронов), способствуя однородной по объему предионизации во фронте. При этом пробой будет развиваться от высоковольтного электрода к низковольтному с характерной скоростью Ю9-Ю10 см/с. В книге [49] приводится кривая, разделяющая области развития пробоя в воздухе по таунсендовскому и стримерному механизмам [50]. Данная кривая воспроизведена на рис.2.1, на нем же горизонтальной линией отмечен предел убегания электронов. Оценочно эту величину перенапряжения можно считать критерием для возникновения пространственно однородного разряда.
Впервые однородный импульсный пробой газа наблюдали более 100 лет назад. В 1893г. Дж.Дж.Томсон обнаружил [51], что при возбуждении импульсного электрического разряда с помощью индукционной катушки, подключенной к концам стеклянной трубки длиной 15 м и диаметром 5 мм, по трубке распространяется волна свечения. Измеренная скорость распространения волны составляла, по крайней мере, половину скорости света в вакууме. С тех пор всплеск интереса к данному типу разряда наблюдался каждые 20 30 лет, что можно связать с развитием наносекундной техники - как регистрации, так и генерации коротких импульсов.
Обзор [52] содержит анализ работ, выполненных в основном за период с 1970 по 1990 г., посвященных роли убегающих электронов в пробое коротких перенапряженных промежутков. Получен критерий убегания электронов и показано, что при перенапряжениях К 1 эффект убегания электронов играет фундаментальную роль в механизме пробоя.
Обзор исследований по наносекундному пробою газа в длинных разрядных промежутках, выполненных в 80-90-е годы, содержится в работе Василяка Л.М. с соавторами [53]. В обзоре детально описаны экспериментальные исследования основных электродинамических характеристик интегрального характера: амплитуды и формы высоковольтного импульса, скорости распространения фронта пробоя, затухания сигнала при распространении пробоя вдоль промежутка, тока (в том числе - тока быстрых электронов), времени задержки старта, вложенной в разряд энергии. Высказывается мнение, что подобный тип разряда эффективен с точки зрения плазмохимических приложений, поскольку высокие электрические поля должны вести к интенсивной ионизации и возбуждению газа. Именно в этом обзоре выбрано одно из названий данного типа пробоя, являющееся устоявшимся в настоящее время высокоскоростная волна ионизации (ВВИ).
Обзор [85] обобщает исследования пространственного и временного развития высоковольтного импульсного наносекундного разряда в форме высокоскоростной волны ионизации за последнее десятилетие прошлого века. На основе экспериментальных данных в нём были проанализированы исследования поведения электрического поля, концентраций электронов и возбуждённых частиц. Анализ экспериментов по наблюдению излучения двух спектральных линий с высоким временным разрешением показал, что вблизи фронта развивающегося разряда функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) имеет максимум в области высокоэнергетичных электронов. В то же время, за фронтом волны ионизации могут быть реализованы условия, в которых нестационарностью и нелокальностью ФРЭЭ можно пренебречь. В работе также обсуждалось распределение энергии, выделившейся в разряде по степеням свободы молекул газа. Обосновывается возможность применения высокоскоростной волны ионизации как источника однородной плазмы.
Коротко суммируем современные представления об однородном наносекундном разряде, развивающемся в воздухе при пониженной плотности (до 0.4-0.3 от атмосферной при нормальных условиях). При подаче на разрядный промежуток импульса высокого напряжения разряд развивается от высоковольтного электрода к низковольтному, замыкаясь сначала токами смещения, а затем, после замыкания разряда на низковольтный электрод, токами проводимости. Однородность разряда неоднократно подтверждалась съемками с помощью скоростных камер. В качестве примера на Рис. 2.2 приведена картина развития волны ионизации, полученная с помощью скоростной камеры в разряде в воздухе [54]. Разряд инициировался импульсами высокого напряжения положительной полярности, с амплитудой импульса в кабеле 11 кВ, длительностью 25 не на полувысоте, длительность переднего фронта составляла 5 не, частота следования 40 Гц. Диаметр трубки составлял 5 см, расстояние между электродами было равно 20 см. Выдержка на всех снимках составляет 1 не, время от начала развития разряда равно 2 не. Поскольку спектральная чувствительность оптической системы находится в диапазоне 300-800 нм, основным регистрируемым излучением является излучение второй положительной системы азота. Данная система в силу малого радиационного времени жизни (около 40 не) адекватно отражает пространственное развитие разряда на малых временах. Видно, что разряд развивается однородно по сечению трубки при наличии определенного максимума излучения в приэлектродных областях. Скорость распространения фронта при этом, что легко может быть оценено из последовательности кадров, составляет около 2.5 см/нс.
Определение параметров газа за отраженной ударной волной
Идеальная одномерная теория ударной трубы позволяет рассчитать плотность, температуру и давление газа за отраженной ударной волной но известным начальным значениям температуры и давления газа в КНД, а также скорости падающей ударной волны.
В вышеприведенных уравнениях введены следующие обозначения параметров: р — плотность газа, Р — давление, Т — температура, h— энтальпия единицы массы, vinc — скорость падающей волны, г ге/ — скорость отраженной волны. Индекс 1 соответствует состоянию газа перед падающей ударной волной, индекс 2 — за падающей волной и индекс 5— за фронтом отраженной ударной волны.
Все уравнения системы являются следствием фундаментальных законов сохранения. Для замыкания системы необходимо задание термодинамического потенциала в собственных переменных (следует отметить, что необходим учет возбуждения колебательных степеней свободы). В данном случае необходима зависимость энтальпии от давления и температуры. При достаточно низких давлениях, в которых проводятся наши работы, состояние газа описывается уравнением состояния идеального газа (3.7)
Внутренняя энергия идеального газа является функцией только температуры [4], поскольку в невзаимодействующем газе расстояние между частицами не меняет их среднюю энергию. Выражая второе слагаемое соотношения (3.11) из уравнения (3.7), получим, что энтальпия идеального газа h зависит только от температуры. Табулированную зависимость энтальпии от температуры можно найти в [5]. Скорость ударной волны, входящая в систему, может быть измерена при помощи лазерного тплирен- метода. Таким образом, система замкнута. Численное решение алгебраических уравнений реализуется простыми итерационными методами.
Лазерный тплирен-метод (ЛШМ) основан на отклонении пучка света на некоторый угол при прохождении его через неоднородность. Несмотря на то, что основной целью применения ЛШМ является получение профилей плотности в ударных волнах, можно использовать ЛШМ для измерения скорости перемещения фронта ударной волны.
В нашей работе для измерения скорости падающей ударной волны лазерным ШМ использовались He-Ne лазеры (632,8 нм). Лазерный луч вводился в КНД перпендикулярно направлению распространения ударной волны. Протпедтпий луч с помощью системы зеркал направлялся на фотоэлементы тплирен-датчика, как показано на рисунке 3.2. Шлирен-датчик представляет собой квадрантный (или двойной) фотодиод. Квадрантные фотодиоды с эмиттерными повторителями которые мы использовали имеют высокую чувствительность, хоротпее соотношение "сигнал-тпум", просты в настройке и эксплуатации. Питание фотодиодов было двухполюсным: I 25 В и -25 В относительно земли и осуществлялось от двух источников питания постоянного тока Б5-44. Сигнал с одного из выходов тплирен-датчика подавался по 50-омному кабелю на мегаомньтй вход осциллографа Tektronix TDS 3014В (ширина полосы пропускания Au = 100 МГц), временная развертка осциллографа составляла, как правило, 100-200 мкс/дел.
В качестве первичных накопителей энергии при получении мпульсов высокого напряжения (и тока) в плазменном эксперименте используют индуктивные и электрические (емкостные) накопители энергии. Запасенная энергия в этом случае равна где Р — напряженность электрического (Е) либо магнитного (//) поля, — диэлектрическая (е) или магнитная (//) проницаемость заполнителя, Индуктивные накопители запасают энергию в виде энергии магнитного поля, создаваемого постоянно циркулирующим по замкнутому соленоиду электрическим током. При необходимости контур размыкается (с помощью плазменного прерывателя тока, например), а "переброс-тока на нагрузку осуществляется с помощью разрядника. В индуктивных накопителях ограничением сверху на энергию импульса является невозможность поддерживать большой ток в замкнутом контуре, так как антипараллельные токи взаимно расталкиваются силой Ампера. В электрических накопителях энергия запасается в конденсаторах. Преимуществом электрических накопителей является простота использования (нет необходимости в использовании прерывателей тока), а применение диэлектрических изоляторов повышает их емкость. С другой стороны, для диэлектрической и вакуумной изоляции существует пробойное напряжение, которое ограничивает максимальную энергию выходного импульса.
Один из широко используемых методов получения высоковольтных импульсов с узким временным фронтом (менее Ю-7 с) основан на применении генератора представляющего из себя батарею конденсаторов, собранную по схеме Аркадьева Маркса (рис. 3.3).
Рассмотрим принцип работы генератора импульсов напряжения (ГИНа) на примере четырех каскадов. Поскольку наша цель состоит в получении импульса напряжения в разовом режиме, необходимость в резонансной зарядке конденсаторов ГИНа отсутствует. Таким образом, в начальный момент времени будем считать все конденсаторы заряженными до номинального напряжения и3ар- После срабатывания разрядников конденсаторы оказываются замкнутыми последовательно и представляют единственное звено дифференцирующей НС-цепочки, что приводит к четырехкратному уменьшению эффективной емкости схемы и, соответственно, возрастанию максимального напряжения в четыре раза. Благодаря синхронному действию искровых разрядников, характерное время перекоммутации конденсаторов может быть снижено до одной наносекунды [7].
Для создания разряда мы использовали десятикаскадный генератор ГИН-9. Электрическая схема была заключена в герметичный корпус. Для повышения электроизоляции искровых промежутков корпус был наполнен азотом до давления 3,6 атм, что позволяло получать импульсы напряжения до 250 кВ. Тем не менее, в генераторах подобного типа время нарастания и длительность импульса не достигают наносекундного диапазона. Для получения высокоскоростных волн ионизации необходимо дополнительное временное сжатие импульса напряжения и укручение его фронтов.
Для регулирования длительности импульса напряжения и величины его временного фронта используют формирующие линии (ФЛ). В электродинамическом смысле формирующая линия представляет собой длинную линию, т.е. её длина сопоставима с длиной распространяющейся по ней электромагнитной волны. Неотъемлемая часть ФЛ — наличие нелинейного элемента.
В натпих экспериментах одинарная формирующая подводящая линия была изготовлена из феррита и имела волновое сопротивление 40 Ом. Нелинейные эффекты ферромагнитной среды выражаются в зависимости магнитной восприимчивости материала от амплитуды импульса. Это приводит к формированию ударных электромагнитных волн с резкими наносекундными фронтами. Для регулирования продолжительности импульса непосредственно перед нагрузкой создавалось разветвление в линии. Согласно правилам распространения сигнала в длинных линиях, происходило разделение импульса. Одно из ответвлений подводилось к нагрузке, второе замыкалось накоротко, что приводило к отражению импульса напряжения с противоположным знаком. В итоге, отраженный в короткозамкнутой ветви формирующей линии импульс формировал задний фронт основного импульса. При соответствующем выборе волновых сопротивлений закороченного участка и участка, подводящего к электроду, амплитуды импульсов совпадают, и происходит сокращение длительности импульса. Необходимым условием является то, что время распространения сигнала по замкнутому концу и до электрода не должно превышать продолжительность импульса. Окончание центральной проводящей части ферритовой линии служило высоковольтным электродом, экран линии соединялся с низковольтным электродом.
Эквивалентность определения времени задержки воспламенения при детектировании излучения СН и ОН радикалов
Для проверки совпадения времен индукции воспламенения, проведенных с детектированием излучения СН и ОН радикалов, был проведен эксперимент по определению времен индукции в бутано-кислородной стехиометрической смеси, разбавленной аргоном на 20 процентов. Как видно из рисунка рис. З.б, кривые зависимости времен задержки воспламенения от температуры за отраженной ударной волной совпадают для измерений проведенных при детектировании излучения радикала ОН и СН, соответственно (Л = 306 мм) и {Л = 431 мм). Кроме того, для каждой углеводородной смеси при проведении численного моделирования кинетики сравнивались кривые зависимости концентрации обоих радикалов.
Для получения представления о количественной зависимости интенсивности детектируемого излучения от времени в момент воспламенения необходимо определить диапазон линейности системы ФЭУ — усилитель — эмиттериый повторитель. Иными словами, требовалось измерить, в каком диапазоне напряжений, выдаваемых тестируемой системой, зависимость значения напряжения от интенсивности излучения будет линейной. Для тестирования на входную щель монохроматора подавались микросекундные импульсы излучения эталонного источника — светодиода Ь-934 с известным распределением интенсивности от длины волны.
Измерения параметров высокоскоростной волны ионизации включают в себя измерение тока и падения напряжения в разрядном промежутке в зависимости от времени для определения энерговклада импульса в газ за отраженной ударной волной и напряженности
Падение потенциала в разрядной камере определялось по двум осциллограммам, полученным с емкостных датчиков. Емкостной датчик — низкоиндуктивный детектор заряда — состоит из приемной площадки, соединенной через проходное сопротивление с входом осциллографа с наносекундным временным разрешением. Емкостные датчики при измерениях располагают между заземленным экраном и разрядной секцией (Сi и С? на рисунке 3.4). Мы использовали датчики, приемная площадка которых имела форму усеченного конуса. Приемная площадка была заключена в керамический корпус, что повышало пробойное напряжение. Проходная емкость составляла 460 пФ. Для записи использовался осциллограф Tektronix TD S-3054 (ширина полосы пропускания Аи = 500 МГц) с входным сопротивлением 50 Ом, сигнал предварительно ослаблялся в десять раз, Рассмотрение эквивалентной электрической схемы измерения емкостным датчиком приводит к схеме емкостного делителя, в одном плече которого стоит емкость — плазма- приемная площадка, вторым плечом является проходная емкость. Подробный анализ эквивалентной схемы 6] приводит к выражению, связывающему показания датчика U0 и реально существующий потенциал в точке U:
Ток в разрядном устройстве измерялся с помощью магнитного зонда (его еще называют магнито-токовым датчиком). Магнитный зонд (МЗ) (см. рис. 3.4) является разновидностью пояса Роговского и представляет из себя несколько витков провода, один из концов которого заземлен и соединен оплеткой кабеля, а второй — с центральной жилой кабеля. Принцип действия датчика основан на возникновении ЭДС индукции при изменении магнитного потока через площадь датчика. Калибровка датчика, как и калибровка емкостного датчика, проводилась при помощи калиброванного гпунта обратного тока [39]. Значение параметров: К = 845, ЯС — 30 нс.
По разности сигналов с емкостных датчиков определялось падение потенциала ДU(t) = U2{t)—Ui{t) на участке, включающем сечение наблюдения. Напряженность электрического поля оценивалась как Е AU/L, где L - расстояние между датчиками. Плотность электронов можно было оценить из измерений тока в предположении, что ток течет равномерно по сечению разрядного устройства: J(t) = nc(t)Var(E(t))S, где J - измеренная величина электрического тока, пс искомая плотность электронов, Vjr дрейфовая скорость движения электронов в текущем приведенном электрическом поле E/n(t), S - площадь поперечного сечения разрядного устройства.
С учетом измерений тока, синхронизованных с измерением потенциала, находилась вложенная в разряд мощность в каждый момент времени: P(t) = AU{t)I(t). (3.16)
В экспериментах по воспламенению смесей Н2 + N20 + Аг и 02 + Н2 + N20 + Аг флэтп-фотолизом использовалось излучение эксимерного лазера (производитель — Центр физического приборостроения ИОФАН, модель 1702). Главная (эмиссионная) часть лазера состоит из следующих элементов: разрядная камера с системой натекания газа; разрядная электрическая цепь с тиратроном и высоковольтными конденсаторами; система откачки/напуска с электромагнитными клапанами; оптический резонатор. Инверсная заселенность в лазере создается при воздействии на на газовую смесь высокого давления электрическим разрядом. Типичная газовая смесь, используемая в эксимерных лазерах, состоит из трех типов газовых компонент: галогеносодержащий газ (фтор или хлороводород), инертный газ (ксенон, аргон, или криптон) и буферный газ (гелий либо неон). Специальная система предионизации обеспечивает появление начальной концентрации электронов в разрядном устройстве. Далее, в результате воздействия высоковольтного сильноточного разряда на смесь, в ней образуются эксимерные молекулы (молекулы, могущие существовать только в возбужденном состоянии), к примеру—ArF , КгСГ, ХеСГ, XeF . Время жизни эксимерных молекул составляет несколько десятков наносекунд, и при испускании фотона происходит переход молекулы на низлежащий разлетный терм. Таким образом, присутствие эксимеров заведомо обеспечивает наличие инверсной заселенности в системе.
Экспериментальная установка и методы измерений
Исследовалась стехиометрическая смесь СН4Ю2 (10 %), разбавленная Аг на 90 %. Необходимые начальные термодинамические условия достигались в ударной трубе. Эксперименты проводились за фронтом отраженной ударной волны, по схеме, сходной с классическими экспериментами по автовоспламенению [10, 11]. Экспериментальная установка (см. Рис. 3.1) состояла из ударной трубы с разрядной камерой, системой напуска и откачки газов, системы инициирования разряда и системы диагностики. Ударная труба (25x25 мм2, квадратная в поперечном сечении) имела рабочий канал 1.6 м в длину. В торцевой части ударной трубы находилась 20-ти сантиметровая оргстеклянная камера. В трубе было 2 пары окон в стальной части рабочего канала и восемь окон из кварца или MgF2 по 20 мм в диаметре на диэлектрической секции. Торец ударной трубы (см. Рис. 3.4) был спроектирован как оргстеклянная вставка с помещённым внутрь латунным коническим высоковольтным электродом. Низковольтным электродом служила заземлённая стальная часть ударной трубы.
Наносекундный разряд инициировался в момент, когда отраженная ударная волна проходила измерительное сечение (сечение А на Рис. 3.1). Высоковольтный импульс производился с помощью генератора Аркадьева-Маркса. Максимальное напряжение в импульсе достигало 100-160 кВ. Для обострения импульса использовалась формирующая ферритовая линия с волновым сопротивлением Z = 50 Q. На выходе формирующей линии скорость нарастания напряжения составляла несколько киловольт за наносекунду, что давало возможность инициирования разряда в форме высокоскоростной волны ионизации (ВВИ). В зависимости от экспериментальных параметров скорость фронта ВВИ составляла от 10 до Ю10 см/с.
Система контроля термодинамических параметров включала в себя лазерную тплирен- систему, предназначенную для определения скорости падающей ударной волны и времени прихода отраженной волны в измерительное сечение, и систему измерения начального давления в рабочем канале ударной трубы. Шлирен-система состояла из трёх He-Ne лазеров, установленных напротив различных сечений ударной трубы, и трёх диодных тплирен-датчиков. В предположении о том, что процесс релаксации за фронтом ударной волны происходит мгновенно и ещё нет активных химических реакций, такие параметры как концентрация газа(тг5), давление (Рп) и температура (ТЬ) за фронтом отраженной ударной волны могут быть вычислены из законов сохранения при известных составе, начальном давлении газа и скорости падающей волны.
Для уменьшения влияния неоднородностей вследствие взаимодействия отраженной ударной волны с пограничными слоями измерения в ударной трубе проводят вблизи торца. Тем не менее, в нашем случае измерительное сечение находилось достаточно далеко сгг торца. Это было сделано для того, чтобы исключить влияние неоднородности электрического паля в области острия высоковольтного электрода. Были проведены дополнительные серии экспериментов по автовоспламенению с использованием удлинённой торцевой вставки, при этом измерительное сечение находилось в 5 мм от торца. Было показано, что времена задержки воспламенения, измеренные в 55 мм от торца ударной трубы, совпадают с временами задержки, измеренными на расстоянии 5 мм, в пределах погрешности эксперимента.
Времена задержки воспламенения определялись по излучению ОН (Л = 306.4 нм, переход Л2+(г/ = 0) — Х 2П(г/ = 0)) или по излучению СН (А = 431 нм, переход B2T, {v = 0) — X2Xl(v" = 0)), Времена задержки воспламенения, определённые по излучению ОН и СН, совпадают в пределах погрешности эксперимента. В начале воспламенения кривые интенсивности излучения ОН и СН растут одинаково и имеют максимумы в одно и то же время. Далее поведение кривых совпадает за исключением того, что излучение СН спадает почти так же быстро, как и вырастало, в то время как излучение ОН быстро спадает только на 70 -80 % от максимальной интенсивности, а затем спад сильно замедляется.
Возникновение высоковольтного импульсного разряда в диэлектрической секции ударной трубы приводило к частичным возбуждению, диссоциации и ионизации газа. Особенностью подобной постановки эксперимента является то, что разряд и воспламенение были разделены по временным масштабам: фаза разряда длилась не больше 1 мкс, в то время как фаза задержки воспламенения и непосредственно воспламенения составляли десятки и сотни микросекунд. Это позволило рассматривать отдельно процессы разряда и воспламенения.
Параметры разряда существенным образом зависят от концентрации газа за отражённой ударной волной, 715, и не зависят от температуры газа Т5 в этих условиях. На Рис. 5.4 приведены кривые роста энерговклада в зависимости от времени при различных концентрациях газа. Вложенная энергия была вычислена по измеренным профилям тока, 1(1), и и по падению напряжения на промежутке между ёмкостными датчиками, Д/(), как РК() = Д/()/(). Удельный энерговклад в газ от разряда, ги, вычислялся как интеграл по времени в предположении, что разряд однороден по всему объёму V = ЬБ разрядного промежутка, где Ь — расстояние между ёмкостными датчиками, а 5 - площадь поперечного сечения ударной трубы: ю = \\гV = /0Г (Ь)(И/V.
