Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
Глава 2. Экспериментальная установка и методы диагностики 18
Глава 3. Воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков в условиях низкотемпературной плазмы газового разряда 29
3.1. Импульсный поперечный электродный разряд 29
3.2. Каверна как способ стабилизации горения сверхзвукового пропан воздушного потока в условиях поперечного электродного разряда постоянного тока 34
3.3. Воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях свободно локализованного СВЧ-разряд 40
3.4. Влияние поверхностного СВЧ-разряда на воспламенение высокоскоростного пропан-воздушного потока 43
3.5. Комбинированный СВЧ-разряд в высокоскоростном пропан-воздушном потоке 52
Глава 4. Моделирование воспламенения газовых топливных смесей в условиях поверхностного СВЧ-разряда 60
4.1. Численное моделирование в случае однородной смеси 60
4.2. Численное моделирование сверхзвуковых течений с подводом тепла электрическим разрядом 67
Глава 5. Результаты численного моделирования и сравнение с экспериментом 70
5.1. Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой пропан-воздушной смеси 70
5.2. Воспламенение водородно-кислородной смеси 73
5.3. Воспламенение пропан-воздушной смеси 80
5.4. Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой пропан-воздушной смеси 83
5.5. Применение программированного режима для уменьшения минимально необходимого удельного энерговклада в воспламеняемую газовую смесь.. 85
5.6. Исследование основных механизмов воспламенения пропан-воздушной смеси в присутствии низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ разряда 89
Выводы ЮЗ
Список литературы
- Каверна как способ стабилизации горения сверхзвукового пропан воздушного потока в условиях поперечного электродного разряда постоянного тока
- Влияние поверхностного СВЧ-разряда на воспламенение высокоскоростного пропан-воздушного потока
- Численное моделирование сверхзвуковых течений с подводом тепла электрическим разрядом
- Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой пропан-воздушной смеси
Введение к работе
Актуальность темы. Для развития современной авиации требуется поиск и разработка новых эффективных средств, позволяющих управлять характеристиками газового потока вблизи поверхности летательного аппарата, контролировать передачу тепла и массоперенос в пограничном слое, снижать поверхностное трение, задерживать ламинарно-турбулентный переход, управлять отрывом потока, уменьшать время воспламенения и управлять процессом горения сверхзвуковых потоков горючего в прямоточном двигателе. Одним из новых решений данных проблем является использование различного типа газовых разрядов. При этом для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов предлагается создавать перед ними и на их несущих поверхностях плазменные образования, а для целей уменьшения времени воспламенения горючего в гиперзвуковом прямоточном двигателе использовать неравновесную газоразрядную плазму.
В области сверхзвуковой плазменной аэродинамики различными научными группами в различных российских и зарубежных институтах проводятся интенсивные исследования, связанные с использованием газоразрядной плазмы для воспламенения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков. Изучаются разряды постоянного тока, наносекундные высоковольтные, микроволновые, высокочастотные разряды, создаваемые на поверхности диэлектрических тел либо в объеме газа [1-9]. Интенсивно ведется математическое моделирование изучаемого явления [10-12]. Возникла задача поиска оптимальных способов создания низкотемпературной плазмы в высокоскоростных потоках газа, изучения влияния газового разряда на газодинамические характеристики потока вблизи обтекаемого тела и выявления механизма быстрого воспламенения углеводородных то плив. Исследование влияния различных типов газовых разрядов на эти процессы актуально с точки зрения необходимости в условиях высокоскоростных потоков обеспечить быстрое объемное воспламенение углеводородного топлива, что актуально для развития современной авиации. Изучение процесса воспламенения и горения углеводородных смесей в условиях низкотемпературной плазмы важно как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, так и с точки зрения оптимизации плазмохимических процессов.
Самостоятельные сверхвысокочастотные разряды, существующие при больших значениях приведенного электрического ПОЛЯ, являются одним из перспективных способов создания низкотемпературной плазмы для различ-
ных практических приложений, в частности, для решения задач сверхзвуковой плазменной аэродинамики. СВЧ-разряды, создаваемые в молекулярных газах, приводят к эффективной диссоциации молекул, наработке активных радикалов и нагреву рабочей среды. Эти процессы в разрядах в горючих воздушно-углеводородных смесях могут привести к полному изменению первоначального состава, что связано, в частности, с процессами воспламенения и горения. Для более глубокого понимания физико-химических процессов, протекающих при воспламенении углеводородных смесей в газовой фазе с помощью низкотемпературной плазмы, актуальным является проведение как экспериментальных исследований, так и сопоставление их с расчетами в рамках физических моделей влияния СВЧ-разряда на инициирование горения.
Диссертация посвящена исследованию возможности применения неравновесной низкотемпературной плазмы самостоятельных поверхностного и объемного СВЧ-разрядов, а также импульсного поперечного электродного разряда для инициирования воспламенения сверхзвукового воздушно-углеводородного потока.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование фундаментальной научной проблемы, связанной с изучением физических процессов, протекающих в движущейся неравновесной низкотемпературной плазме, создаваемой в многокомпонентных смесях химически активных молекулярных газов с помощью самостоятельных сверхвысокочастотных и импульсных электродных разрядов.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
реализация быстрого плазменно-стимулированного воспламенения и горения газообразных углеводородов с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы импульсного поперечного по отношению к газовому потоку электродного разряда, объемного свободно локализованного СВЧ-разряда и поверхностного СВЧ-разряда в высокоскоростных пропан-воздушных потоках;
определение зависимости времени задержки воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха М = 2 от приведенного электрического поля в условиях нестационарной низкотемпературной газоразрядной плазмы;
проведение математического моделирования с целью выявления основного механизма, ответственного за воспламенение углеводородного топлива в условиях газоразрядной плазмы поверхностного СВЧ-разряда.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись как бесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследования проводились с временным и пространственным разрешением с помощью диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров и спектрографов с цифровой регистрацией спектра, блока зондовой диагностики с цифровой регистрацией вольт-амперных характеристик, датчиков давления, термопар, установки теневой диагностики, рефракционных лазерных датчиков, системы измерения проводимости пламени, цифровых фотоаппаратов, высокоскоростной цифровой видеокамеры, цифровых осциллографов; компьютеров.
Математическое моделирование влияния низкотемпературной плазмы сверхвысокочастотного разряда на период индукции проводилось на основе разработанной в диссертации кинетической модели воспламенения водород-но-кислородной и пропан-воздушной смеси в условиях неравновесной плазмы поверхностного СВЧ-разряда при учете влияния электрического поля на функцию распределения электронов по энергиям, на процессы диссоциации молекул и наработку активных радикалов, возбужденных и заряженных (электронов, положительных и отрицательных ионов) частиц.
Научная новизна работы заключается в следующем:
реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение сверхзвукового (М = 2) пропан-воздушного потока в условиях импульсного поперечного по отношению к газовому потоку электродного разряда, объемного свободно локализованного СВЧ-разряда и поверхностного СВЧ-разряда и проведено исследование этого явления;
экспериментально получена зависимость времени воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока от приведенного электрического поля;
впервые реализована стабилизация горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутри аэродинамического канала в условиях программированного СВЧ-разряда;
на основе математического моделирования показано влияние плазменных эффектов на быстрое воспламенение углеводородного топлива в условиях низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда.
Достоверность полученных результатов. Экспериментальные результаты получены с помощью комплекса независимых диагностических методик на различных экспериментальных установках, подтверждаются сравнением измеренных величин с результатами теоретических и экспериментальных работ других исследователей, а также данными численного модели-
рования. Таким образом, полученные результаты являются вполне обоснованными и достоверными.
Личный вклад автора. Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором проведены экспериментальные исследования влияния плазменных эффектов на процесс быстрого воспламенения в условиях плазмы импульсного поперечного по отношению к потоку электродного разряда, объемного и поверхностного СВЧ-разрядов, а также разработана программа расчета воспламенения в условиях самостоятельного СВЧ-разряда, проведено численное моделирование изучаемого явления и выполнен анализ полученных результатов.
Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты представляют не только академический интерес, но являются научной базой для выработки рекомендаций по использованию газоразрядной плазмы при создании летательных аппаратов нового поколения, в частности для быстрого воспламенения и стабилизации горения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков. Квалификационная ценность результатов исследований признана российским и международным научными сообществами. Результаты, полученные автором и вошедшие в диссертацию, являлись базовыми для отчетов по грантам РФФИ (№ 05-02-16532-а, № 08-02-01251-а), по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН (Р-09) «Исследование вещества в экстремальных условиях», по проекту МНТЦ (№ 2248), по гранту Нидерландского научного общества (NWO № 047-016.019) и гранту CRDF (№ RUP-1514-MO-06).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, в том числе: на Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 2003); на Всероссийской конференции по физической электроники (Махачкала, 2003); на Международных симпозиумах "Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике" (Санкт-Петербург, 2004, 2006); на Международных конференциях по физике слабоионизованных газов (Weakly Ionized Gases Workshops (USA) Reno, 2004, 2005, 2006, 2007, Orlando, 2009, 2010); на научных школах-конференциях "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Алушта, 2004, 2005, 2006, 2008); на Международных конференциях "Мощное СВЧ излучение в плазме" (Strong microwave in plasmas - Нижний Новгород, 2005, 2006); на Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2005, 2006, 2008, 2010); на Международных совещаниях по магнитной и
плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Magneto-plasma-aerodynamics in aerospace applications - Москва, 2005, 2008, 2009, 2010); на международной конференции "СВЧ разряды: основные свойства и применения", (VI International Workshop "Microwave discharges: Fundamentals and applications" - Звенигород, 2006); на Международной конференции по термохимическим и газодинамическим явлениям (Thermophysical and gasdynamical phenomena - Киев, 2006), на Московской конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики" в рамках Российского Научного Форума "Демидовские чтения" (Москва, 2006); на научных конференциях МГУ "Ломоносовские чтения" (Москва, 2006, 2009, 2010, 2011) и на научных семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Публикации. Основные результаты, включенные в диссертацию, представлены в 23 научных публикациях, в том числе: в 5 статьях в реферируемых научных журналах и в 18 статьях в книгах, сборниках, материалах международных и российских конференций.
Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 149 страницах машинописного текста, включая 86 рисунков и 6 таблиц. Работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения, в котором сформулированы основные выводы, и Приложения с базой данных. Список цитируемой литературы содержит 139 наименований.
Каверна как способ стабилизации горения сверхзвукового пропан воздушного потока в условиях поперечного электродного разряда постоянного тока
Для создания поверхностного СВЧ разряда использовалось специально разработанное устройство для связи конца волновода, введенного в разрядную камеру, с диэлектрической (кварц, тефлон) антенной, на которой создается поверхностный СВЧ-разряд (смотри рис. 1, правая часть блок-схемы). Будем считать, что положительное направление оси ОХ совпадает с направлением распространения вдоль антенны поверхностной сверхвысокочастотной волны. Координата х = О соответствует концу волновода, по которому подводится электромагнитная энергия к антенне, на которой формируется поверхностный СВЧ-разряд. Направление распространения сверхзвукового потока противоположно направлению распространения поверхностной СВЧ-волны т.е. направлению распространения разряда.
Для определения величины СВЧ-мощности, подводимой к разряду, предварительно была проведена калибровка. С этой целью вместо антенны к волноводу подсоединялся измеритель СВЧ-мощности, и снималась калибровочная кривая зависимости мощности, генерируемой магнетроном, от напряжения питания магнетрона, которое могло достигать 30 кВ. При этом в экспериментах фиксировалось напряжение с делителя, пропорциональное напряжению на магнетроне.
Процесс инициирования воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с помощью неравновесной газоразрядной плазмы изучался при различных составах горючей смеси. Величина Ф = (у2 Гі)/(у2 Гі)л есть отношение доли (у2 п) пропана в смеси к доле пропана {y2 7\))д в стехиометрической смеси. С целью изменения эквивалентного отношения Ф в эксперименте изменялось давление в ресиверах высокого давления воздуха р\ и пропана рг- Воспламенение исследовалось в условиях высокоскоростного пропан-воздушного потока с числом Маха М=2, секундный массовый расход воздуха dmxldt изменялся от 25 до 125 г/с, а секундный массовый расход пропана dm dt - от 1 до 7 г/с, при этом эквивалентное отношение для пропана менялось от 0.3 до 2. Подводимая импульсная СВЧ-мощность W изменялась от 30 до 70 кВт, а длительность СВЧ-импульса г - от 5 до 150 мкс. Давление ро неподвижного воздуха в вакуумной камере составляло от 10 до 100 Тор.
Экспериментальная установка оснащена измерительной аппаратурой, позволяющей проводить исследования процесса воспламенения газообразных углеводородов. Диагностический комплекс состоит из цифровых монохроматоров и спектрографов, оптических рефракционных датчиков, импульсной теневой установки. коллимированных фотоэлектронных умножителей, электрических зондов, датчиков давления, термопар, системы для измерения проводимости пламени, двухпроводной линии, цифровых осциллографов, цифровых фото- и видеокамер и др.
Процесс воспламенения углеводородов в условиях поверхностного СВЧ-разряда фиксировался при различных длительностях и мощностях СВЧ-импульсов с использованием цифрового фотоаппарата D50 и цифровой видеокамеры "ВидеоСпринт" с электронно-оптическим наносекундным затвором. При последующем воспроизведении изображений на мониторе компьютера можно было измерить размеры области горения и определить скорость распространения фронта горения.
Спектр излучения пламени фиксировался с помощью цифрового двухканального спектрографа AvaSpec-2048-2-DT фирмы Avantes. Температура газа Tz определялась из сравнения экспериментально измеренных и синтезированных молекулярных полос циана (0; 0) и (1; 1) с длинами волн кантов X = 388.3 нмиЯ = 387.1 им, а также полосы (0; 2) с длиной волны канта /1 = 380.5 нм второй положительной системы молекулярного азота. При моделировании спектра распределение по вращательным и колебательным уровням предполагалось больцмановским. Использовались программы для расчета спектров и отдельно для расчета факторов Хенля - Лондона. Расчеты производились в среде Matlab по программе позволяющей накладывать заранее заданное уширение на вращательные переходы полученного при расчете молекулярного спектра
Для визуализации ударных волн и газодинамических возмущений, возникающих при воспламенении углеводородного горючего, применялась импульсная теневая установка. В качестве источника света для теневой установки использовалась лампа вспышки с длительностью импульса г=4мкс, что позволяло получать теневые фотографии исследуемого процесса с временным разрешением. Оптическая система теневой установки позволяла формировать параллельный пучок света диаметром 150 мм с однородным распределением интенсивности света по сечению пучка.
Поперечная скорость распространения фронта горения uf определялась по известной скорости сверхзвукового потока и и измеренному тангенсу угла наклона tg а резкой передней границы характерного свечения, наблюдаемого при воспламенении сверхзвукового пропан-воздушного потока, по формуле uf = и tg а .
Концентрация заряженных частиц в пламени, возникающем при воспламенении с помощью поверхностного СВЧ-разряда воздушно-углеводородных потоков, измерялась с помощью двойного зонда. В эксперименте использовались симметричные зонды с диаметром 1 мм, длиной рабочей части 10 мм и расстоянием между центрами зондов 5 мм. Измерения концентрации ионов проводились по ионному току насыщения, для этого между зондами подавалось постоянное смешение 36 В.
В экспериментах факт воспламенения сверхзвукового потока углеводородного топлива определялся по появлению характерного свечения вниз по потоку от разрядной области. В случае создания разряда в сверхзвуковом потоке воздуха никакого свечения вниз по потоку не наблюдалось. Не наблюдалось свечение и в случае создания разряда в высокоскоростном пропан-воздушном потоке, если параметры разряда (длительность импульса, приведенное значение напряженности электрического поля в плазме, мощность, вкладываемая в разряд и т.п.) были недостаточными для воспламенения или состав смеси был далек от стехиометрического. Воспламенение регистрировалось также по изменению общего вида поверхностного СВЧ-разряда при зажигании сверхзвукового углеводородного потока. Для подтверждения факта воспламенения снималась теневая картина области возникновения пламени, а также использовались рефракционные лазерные датчики и термопары.
Период индукции определялся одновременно несколькими способами: 1)по минимальной длительности разрядного импульса, приводящего к появлению характерного свечения в аэродинамическом канале; 2) по резкому возрастанию интенсивности свечения молекулярной полосы возбужденного радикала СН с длиной волны канта Я=431.5нм (полоса (0; 0) перехода А2Л- Х7тг); 3) по времени появления сигнала с двойного зонда; 4) по резкому изменению общего вида спектра излучения плазмы; 5) по резкому увеличению температуры газа.
Влияние поверхностного СВЧ-разряда на воспламенение высокоскоростного пропан-воздушного потока
Вначале были поведены исследования импульсного электродного разряда, возбуждаемого на внешней поверхности диэлектрической пластины. Для создания разряджа в сверхзвуковом потоке использовался источник питания с выходным напряжением /=5-30 кВ, длительность импульса г= 5-1000 мкс, разрядный ток z = l-20 A. Импульсно-периодический поверхностный разряд создавался при числе Маха сверхзвукового свободного потока М—1, давлении в разрядной камере/» = 40 Тор. Разряд данного типа не отличается от объемного разряда в воздушном сверхзвуковом потоке. Первоначальный пробой газа осуществляется в области наименьшего расстояния между электродами. Без потока разряд представляет собой плазменный канал, существующий на поверхности диэлектрического тела между двумя электродами, заделанными в диэлектрик заподлицо с поверхностью пластины. Сверхзвуковой поток приводит к вытягиванию плазменного канала в виде петли вниз по потоку. При этом падение напряжения на разрядном промежутке непрерывно увеличивается. Длина плазменного канала зависит от длительности импульса разрядного тока, давления воздуха в барокамере, скорости сверхзвукового потока и энергии, вкладываемой в разряд.
Была исследована динамика развития поверхностного поперечного импульсно-периодического разряда в сверхзвуковом потоке М= 2 воздуха в аэродинамическом канале в зависимости от глубины застойной зоны (h = 0-5 мм), расстояния от начала застойной зоны до электродов и величины разрядного тока. На рис. 5 - рис. 8 приведен общий вид импульсно-периодического поперечного поверхностного разряда, создаваемого в аэродинамическом канале при различных глубинах застойной зоны.
Из рис. 5 видно, что без застойной зоны поперечный поверхностный разряд, аналогично разрядам в аэродинамических трубах, представляет собой две гладкие вытянутые вдоль потока плазменные струи. Это свидетельствует об однородности сверхзвукового потока в нашем канале без застойной зоны.
Поверхностный имнульсно-периодический поперечный разряд в сверхзвуковом потоке воздуха (М= 2) в аэродинамическом канале прямоугольного сечения 10x18 мм без застойной зоны {к = О мм). Вид спереди, р = 150 Тор, щ = 2 атм, / = 8 А. Направление сверхзвукового потока сверху влиз.
То же самое, что на рис. 5, h - 5 мм. при создании разряда в каверне его структура начинает резко меняться (смотри рис. 6 - рис. 8) и отличается от структуры поверхностного разряда без каверны (см. рис. 5). Наблюдается турбулизация потока, возникают обратные отрывные течения. При глубине застойной зоны h = 3 мм разряд распространяется в двух паправлениях как вверх, так и вниз по потоку. Формируется вихреобразиое движение около задней (в направлении вверх по потоку) стенки застойной зоны. При использовании застойной зоны глубиной А = 5 мм разряд существует только около задней стенки каверны и не выносится вниз по потоку. Формируется вихреобразиое движение около задней стенки застойной зоны. Эти обстоятельства являются многообещающими с точки зрения использования каверны как резервуара активных частиц, способствующих быстрому воспламенению и стабильному горению сверхзвукового потока горючей смеси.
Вначале было проведено исследование возможности использования поперечного поверхностного разряда для воспламенения пропан-воздушной смеси в аэродинамическом канале без застойной зоны. На рис. 9 приведен общий вид (вид сзади) части аэродинами ческого канала, расположенной ниже непрозрачной диэлектрической вставки, на которой инициируется разряд в сверхзвуковом потоке воздуха (а) и пропан-воздушной смеси (б). Видно, что использование поверхностного поперечного импульсно-периодического разряда приводит к поджигу пропан-воздушной смеси в аэродинамическом канале.
На рис. 10 показан временной ход излучения полосы СН (переход А »Х, полоса (0;0), длина волны канта Л = 431.5 нм). 1 - разряд в сверхзвуковом потоке воздуха; 2 -разряд в сверхзвуковом потоке пропан-воздушной смеси). Сечения из которого регистрировалось излучение расположено на расстояние х = 30 см вниз от электродов по потоку вдоль аэродинамического канала. При создании разряда в сверхзвуковом воздушном потоке никакого свечения из этой области аэродинамического канала не наблюдается. Слабое свечение в течение первых двухсот микросекунд связано с паразитным, рассеянным прозрачными диэлектрическими стенками канала излучением плазмы газового разряда. ITDH воспламенении пропан-воздушной смеси через время / 600 мкс после окончания "пазряттт-того тока из области аэт)о7тинамического канала расположенной вниз по noTOKv на "пясстояттии X = 30 см от элетстродов DerHCTDHDveTCJr интенсивное излучение полосы СТ Г
Следует отметить, что в области разряда вблизи электродов наблюдается интенсивное свечение не только полос СП, но и полос CN, Сг, ОН, атомарных линий водорода Н и кислорода О. При этом интенсивность свечения полос CN из области разряда в пропан-воздушной смеси в 3-5 раз больше, чем из разряда в воздухе. Однако уже на расстоянии несколько сантиметров от разряда вниз по потоку свечение полос CN не наблюдается, тогда, как свечение полос СН не уменьшается вниз по потоку. Поэтому свечение полосы СН мы идентифицируем как индикатор горения пропан-воздушной смеси.
Для диагностики процесса поджига и горения пропан-воздушной смеси использовался также зондовый метод. Временная зависимость зондового тока и интенсивности свечения полосы СН (переход А- Х, полоса (0;0), длина волны канта Д = 431.5 нм) представлены на рис. 11.
Зонд располагался на расстоянии х = 32 см вниз по потоку от электродов. Область аэродинамического канала, из которой регистрировалось свечение полосы СН , находилась на расстоянии х = 30 см вниз по потоку от электродов. Можно видеть, что также как оптический метод, зондовый метод является надежным способом диагностики горения пропан-воздушной смеси.
Численное моделирование сверхзвуковых течений с подводом тепла электрическим разрядом
Для различных разрядов при одинаковой вкладываемой удельной мощности достигается разная степень ионизации газа. При этом подводимая электрическая энер]ия распределяется по внутренним степеням свободы молекулярного газа неодипаково. Распределение сильно зависит от приведенного электрического поля, которое, в свою очередь, определяется электродинамикой разряда. Эксперименты показали, что все исследованные нами тины разрядов приводят к инициации воснламснепия высокоскоростного потока пропан-воздушной смеси. При этом различные разряды по-разному влияют на восшшмс- td 51 td нение углеводородного тонлива. Так, в условиях разряда постоянного гока, существующего при величинах приведенного электрического поля Е/п - 10 - 30 Тд, период индукции пропап-воздушного потока г—0.1 с. Период индукции уменьшается до г (1 -5) 10 ев условиях импульспо-периодического электродного разряда, существующего при величинах приведенного электрического поля ЕІЇЇ 30 - 70 Тд. Тогда как в условиях свободно локализованного СВЧ-разряда, сущеетвующего при Е/п 70 - 120 Тд, период индукции г (2-5) 10 с, а в условиях поверхностного СВЧ-разряда существующего при Е/п - 100 -200 Тд, воспламенение сверхзвуковой пропаи-воздушноЙ смеси происходит практически
Комбштроваиный СВЧ-разряд в высокоскоростном пропан-воздушном потоке td Изучение процесса воспламенения и горения водородсодержаших смесей в условиях низкотемпературной плазмы нажно как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических нолей, так и с точки зрения оптимизации плазмохимичееких процессов и ряда прикладных аспектов. Одной из таких проблем является разработка метода поддержания стационарного горения и увеличения эффективности сгорания топлива в условиях высокоскоростных воздушно-углсводородных потоков. В нашей ла-бопятопии для иницияиии воспламенения испольЗУЮТСЯ различного типа иопепечпкге и
В условиях импульсного самостоятельного разряда сверхзвуковое горение свободных (без использования застойных зон) воздушно-углеводородных потоков происходит только в течение длительности импульса, и иламя срывается, как только подвод энергии прекращается. Для стационарного горения при использовании нестационарной пизкотемпературной плазмы необходимо оптимизировать режим инициации импульсного разряда, т.е. величину вкладываемой в плазму энергии, дтительность и частоту следования импульсов. Это может быть осуществлено при создании разряда в режиме программированного импульса Подробное исследование программированного режима создания СВЧ- td 52 td разряда Б неподвижном воздухе проведено в [94,, В программиронапном режиме пробой газа и создание плазмы осуществляется с помощью мощного короткого одиночного импульса, или серии коротких мощных импульсов, а поддержание образующейся плазмы и вклад энергии в плазму происходит в течение длительного маломощного импульса, следующего с некоторой временной задержкой после первого импульса, или после серии коротких мощных импульсов. Также возможно создавагь разряд в программированном режиме когда маломощный импульс включается в течение времени равном длительности сепии коротких мопшых trvjrrvjrhCQB следутонтих с некоторой частотой ПОКТООСния td Известно, что в неподвижном газе повторный электрический пробой газа облегчен по сравнению с первичным пробоем (смотри, например, [94,95]). Это евязано с тем фактом, что деионизация разрядного промежутка происходит в течение некоторого времени, го есть к моменту подачи второго импульса в разрядном промежутке может еще находиться большое количество заряженных частин. Наличие в газе долгожйвущих возбужденных частиц также облегчает повторный пробой, так как иопизацию газа в этом случае мОГУТ производить электроны с малыми энергиями за счет ступенчатых поонессов с повторного разряда, и увеличение полноты сгорачия может происходить из-за реформиактивных радикатов, а также нагрев горючего) в течение первого импульса. Что касается воспламенения высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков, то режим программированного импульса может использоваться в такой комбинации, когда для предварительного реформирования углсводородной смеси разряд в течение первого импульса создастся перед входом в область, где предполагается основное сгорание смеси, тогда как низкотемпературная плазма в теченис повторного импульса создается в основной области сгорания с временной задержкой, определяемой скоростью сноса реформированной углеводосодноЙ смеси и расстоянием между областью предварительного возбуждения и обла-стыо сгорания. td В данном параграфе привсдено описание экспериментов по исследованию влияние комбинированного СВЧ-разряда, создаваемого в застойной зоне аэродинамического канала, на воспламенение и горение высокоскоростного потока пропан-воздушного топлива.
Комбииированный разряд предложен с целью уменьшения периода индукции и увеличения интенсификации горения высокоскоростного потока утиеводородпого топлива. Разряд представляет собой комбинацию импульспо-периодического поверхностного СВЧ-разряда и разряда постоянного тока, создаваемых в рециркуляционной зоне а)родинамического канала. При этом поверхностный СВЧ-разряд служит для нескольких целей. Во-первых, он способствует инициации разряда постоянного тока. Во-вторых, в условиях СВЧ-разряда имеет место эффективный вклад энергии в плазму. Это ведет к эффективному созданию активных радикалов, возбужденных и заряженных частиц, а также к интенсивному объемному облучению газового потока ультрафиолетовым излучением. Эти факторы могут приводить к быстрому воспламенению газообразного топлива. Разряд постоянного тока служит для вклада тепловой энергии в газ, и стабилизации горения высокоскоростного потока углеводородного топлива. td С целью проверки эффективности комбинированного разряда для его применения в плазменной аэродинамике была разработана и изготовлена лабораторная модель аэродинамического капала с различными застойными зонами, позволяющая проводить исследования процесса горения углеводородного топлива, Общий вид аэродинамического капала с разрядной секцией для создания комбинированного поверхпостпого СВЧ-разряда и разряда постояшчого тока показан на рис, 35.
Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой пропан-воздушной смеси
Следует заметить, что в конце импульса мощность, вкладывасмая в газовую смесь со стороны внешнего поля, возрастает с приблизительно 800 Вт/см при ( = 30 Мкс до 2300 Вт/см в конце импульса ((= 148 мкс). Поэтому с точки зрения уменьшения удельного энерговклада является особенно важным уменьшеите длительности импульса до минимально необходимых для воспламенения значений.
Исследование основных механизмов воспламенения пронан-воздушпой смеси в присутствии низкотемпературной плазмы новсрхностного СВЧ-разрида
Был проведен поиск наиболее существенных механизмов развития и замедления автовоспламенепия пропан-воздушной смеси и инициации в условиях низкотемпературной плазмы поверхностного свсрхвысокочастопого разряда и редукция кинетической схемы.
Для этого был использован представленный ниже алгоритм. Введем следующие обозначения. Пусть Щ - множество реакций полной кинетической схемы (см. приложение I), а 3ч} - множество реакций, происходящих с поглощением или ийраооткой 1ещестйа Пусть, далее. Rj - среднее значение скорости реакции Щ из множества 3$ за время поджига (с точностью до константы tjgn):
Здесь индекс вещества J обозначает пропан. Число А, очевидно, существует, в силу неубывания и ограниченности последовательности (9ч ) , а также конечного набора элементов Сначала рассмотрим наиболее существенные механизмы развития и замедления автовоСпламенения стехиомстрической нропан-воздуншой смеси при температуре 167 К и давлении 98 Тор, первоначально нагретой до температуры 1300 К. Схематично наиболее важные механизмы ускорения воспламенения, определённые но вышсприведённому алгоритму, предствалены на рис. 70,
Реакции термического распада — Реакции, идущие с поглощением C3HS Реакции, идущие с поглощением При значении фактора значимости а = 0.95 рассмотренный алгоритм даст в результате схему РКС-1, представленную в приложении, и включающую 97 реакций и 35 компонент. Реакции для наглядности поделены на группы. При этом ошибка времени поджига составляет 4.2%. временной ход мольных долей и температуры показывает схожую точность (см. рис. 71-79), Начнем рассмотрение с первой группы реакций.
Было устаноБнено. что в рассматриваемых условиях развитие цепи воспламенения пропана начинается в основном с его термического разложения на СНз и Gpij, н дальиейшего разложения молекулы С2Н5 с выделением атома водорода. Остальные реакция запуска цепи идут намного медленнее, смотри Таблицу 1.
Далее вступают в действие следующие цепи реакций. Во-первых, атомарный водород активно вчаимодсйсгвует с имеющичся в начальном составе смеси молекулярным кислородом, образуя две активные частицы - атомарный кислород и гидроксил - это ключевая реакция развития цепи. Частицы О, ОН и II отрывают атом водорода у молекулы пропана, образуя С3Н7- При этом также происходит восстановление О до ОН, а затем до НгО с выделением тепла. С3Н7, замыкая цепь, разлагается с образованисм Н. Во-вторых, активно протекают слсдующие реакции с метилом - продуктом термического разложенйя пропана: СНз отрываег атом водорода у молекулы пропана, образуя С3Н7, который, претерпевая термический распад, вновь образует молекулу мстила (и этилена). Следует заметить, что последняя цепь реакций, а также цепь Н - Сз11? не связаны напрямую с горением и являются эндотермическими, однако они не приводят к потерям уже наработанных активных частиц - Н и С3Н7, участвующих в главной пени воспламенекия, В результате протекания описанных выше цепей реакций происходит нагрев смеси, ускоряющий дальнейшие процессы окисления и термического разложения. Такжс происходит наработка продукта 1орения - НгО и продуктов разложения пропана - І-І2, СШ, СЩ» и СзМг,. С образованием последних получают развитие связанные с ними процессы воспламенения (см. рис. 78, 79). Следует отметить, что описанные механизмы являются наиболее важными лишb при указанных начальных условиях, при других зиачениях начальной температуры и давления их набор может меняться.
Реакция (1) замедляет развитие цепи воспламенения, поскольку она имеет в левой части две активных частицы, участвующих в цепи, - О и CПз, а в правой части -только Н. Реакции (2)-(4) также замедляют развитие цеии. так как в них происходит потребление участвующих в цени активных частиц с образованием малоакгивных продуктов - Н2, СН20. С2Пб ц CHjOH. Реакция (5) приводит к потреблению радикала С2Ыч который является существенным источником атомарного водорода (см рис. 71 72). Также при этой происходит наработка радикала НOi, который приводит к потреблениТО раттикапя О1 Г (fa} Flо мепр ТЭЯзвиТИЯ цеТТИ и нЯ.КОПт1ЄнИЯ Є nnonvK FOв (7) 02 + C3H5 -» Н02 + С3И4, (8) 02 + С2Н3 Н02 + С2Н2! (9) 02 + НСО + H02 + СО, (10) o2 + с3н6 -»но2 + с3н5, (11) 02 + СШО «- НОг + НСО.
Далее были изучены основные механизмы ускорения описанной цени автовоспламенения пропан-воздушной смеси в присутствии низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда. В этом случае стехиометрическая пропан-воздушная смесь с начальной добавкой электронов (лСІі = 103 см 3) при давлении 98 Тор и температуре 167 К первопачально нагревалась до температуры 300 К и помещалась в yсловпя внешнего СВЧ-поля. При достаточных значениях приведенного поля в такой смеси ПРОИСХОДИТ "развитие лавины разряда с наработкой положительных и отрицательных ионов и свободных электронов В процессе эгого также происходит ті иг пт ІЇИЯТПЯЯ моrTекуTiKT кислоопла hi ЇЇекТПОННЬГМ удаnoM и через ипзбужлеї ПІЬІе состояния молекулы азота, которые эффективно нарабатываются в плазме поверхностного СВЧ-разряда. Во-вторых, происходит ускорение основной реакции развития цени И + 02 - О + ОН за счет наработанных в разряде возбужденных состояний а Аё и b Sg мoлекулы кислорода. В-третьих, образовавшийся в результате реакций цепи воспламенения молекулярный водород активно взаимодействует с 02(а Д b x/), образуя две частицы гидроксила. Указанные состояния такЖС нарабэ/гывшотся нз. ггоздних стадиях воспламенсиия rj t счёт реакцИЙ МСЖДУ ОН Н и Oj, Рассмотрим эти механизмы подробнее На рис. 80-86 представлен временной ход скоростей реакций в етсхиометричеекой пропан-воздушной смссн в процессе ее воспламенения постоянным полем в 132 Тд. Видно, что, наряду с реакциями обрыва цепи воспламенения (2) -(11) приобретает значение новый механизм {12) II + С3ІІ7 & - CjHs.
При создании в рассматриваемой смеси плазмы, помимо джоулевого нагрева, имеет место наработка активных частиц и радикалов. Путем отбора самых быстрых реакций с участием веществ. ответственных за развитие цепи іюспламенения, удалось выявить следующие наиболее важные механизмы ускорения поджига.
