Введение к работе
Актуальность проблемы
Современные исследования релаксационных процессов в неравновесной плазме высоковольтного наносекундного разряда атмосферного давления связаны с перспективой использования данного разряда для активного управления процессами воспламенения и стабилизации горения [1], [2], а также управления обтеканием поверхностей [3].
Важным преимуществом пламен, стабилизированных неравновесной плазмой, считают возможность обеспечения полного сгорания бедных и сверхбедных смесей. Полнота сгорания достигается благодаря вбросу радикалов и других активных частиц, произведенных плазмой неравновесного разряда. Таким образом оказывается возможным снизить выбросы N0, образованного по тепловому механизму Зельдовича, увеличение динамического диапазона регулировки мощности горелок, решения проблемы стабилизации сверхбедных пламен и ряда других. Значительный промышленный интерес представляют исследования воспламенения предварительно перемешанных смесей с контролируемым стехиометрическим соотношением с помощью неравновесного разряда. Ранее было показано [1], что время задержки воспламенения углеводород-воздушных смесей при температуре выше точки самовоспламенения снижается на несколько порядков величины при приложении наносекундого высоковольтного разряда. Промышленный потенциал применения неравновесного разряда для воспламенения горючих смесей при температуре ниже точки самовоспламенения зависит от соотношения времени релаксации энергии, вложенной электрическим полем в производство активных частиц и нагрев и времени рассеяния возмущения через рекомбинацию активных частиц и конвективную и диффузионную теплопроводность. Условием эффективного применения плазменных методов управления воспламенением и горением является низкая энергетическая цена процесса. Оптимизация воздействия разряда на химически активную систему требует детального исследования механизмов возбуждения, энергообменов и релаксации энергии, а также реакций в термически-неравновесных условиях.
Плазма наносекундного высоковольтного разряда найдет применение в аэрокосмической отрасли (управление обтеканием потоком крыла) и в ветроэнергетике (управление обтеканием лопатки ветряной турбины). Наиболее перспективным является применение данного разряда на закрылках. Оно позволит изменить традиционную схему многоэлементного закрылка с перетеканием, упростить его и сделать более легким. Последствием применения станет увеличение диапазона рабочих углов атаки при взлете и приземлении самолетов, соответствующее увеличение подъемной силы, следующее за ним уменьшение площади крыльев (в настоящее время она является избыточной в крейсерском режиме и необходимой при взлете и посадке). Это, в свою очередь, вызовет сокращение расхода топлива.
В настоящее время экспериментально показана возможность управления обтеканием крыла с помощью плазмы наносекундного высоковольного скользящего раз-
ряда в дозвуковом и трансзвуковом диапазоне скоростей. Плазменные методы превосходят механические благодаря малому весу, практически мгновенной реакции и простоте элементов. В настоящее время большая часть работ посвящена исследованию плазменных актуаторов с питанием источником переменного тока, при этом управляющее воздействие - изменение импульса потока с помощью ионного ветра является растянутым по времени. Показано теоретически, что скорость, добавляемая в поток ионным ветром, не превышает 12 м/с. С другой стороны, успешные эксперименты по управлению обтеканием крыла при скорости набегающего потока 100 м/с [4] с помощью актуатора с питанием наносекундными высоковольтными импульсами показали, что имеются более эффективные механизмы воздействия разряда на поток. Исследование релаксации энергии, подведенной электрическим полем, позволило объяснить эффект и создать физическую модель воздействия.
Цель работы
Основной целью данной работы является исследование механизмов влияния наносе-кундного импульсно-периодического разряда на аэродинамические характеристики потока и на стабилизацию пламени и поджиг сверхбедных и богатых смесей. Важно точкой являлась демонстрация возможности практического использования наносе-кундного импульсно-периодического разряда для конверсии углеводородов в сингаз - смесь Нг, СО и N2 в реакции частичного окисления. Для этого были сформулированы следующие задачи:
Исследовать динамику давления газа в послесвечении наносекундного скользящего разряда
Используя шлирен-методы, визуализировать газодинамическое возмущение в послесвечении наносекундного скользящего разряда
Измерить скорость волны сжатия, распространяющейся от термализовавшего-ся плазменного слоя
По измеренным скорости ударной волны и энерговкладу в разряд оценить долю энергии, переходящую в нагрев на временах, меньших газодинамических
Исследовать динамику концентрации радикала ОН в послесвечении наносекундного импульсного разряда, развивающегося в подогретом метано-воздушном потоке с помощью лазерно-индуцированной флюоресценции (ЛИФ).
Исследовать динамику концентрации радикала ОН в пламени и изменение пространственного распределения ОН под действием наносекундного барьерного разряда с помощью ЛИФ
Исследовать поджиг сверхбедных, предварительно подогретых и перемешанных смесей импульсно-периодическим наносекундным высоковольтным разрядом
Сравнить эффективность поджига горючих смесей при температуре ниже порога самовоспламенения с помощью локализованного и объемного разрядов
Исследовать механизм, отвечающий за дел окал изацию наносекундной искры в осесимметричном плазматроне
10. Исследовать влияние разряда на глобальную реакцию частичного окисления углеводородов в сингаз
Научная новизна
Впервые измерена динамика давления в плазменном слое скользящего диэлектрического барьерного наносекундного разряда. Показано, что пиковое давление после термализации энергии разряда пропорционально энерговкладу и не зависит от полярности приложенного высоковольтного импульса для различных газов (воздух, N2, Не, СОг, Аг). На основе продолжительности импульса давления получены оценки толщины плазменного слоя, которые составляют 0.5 мм при атмосферном давлении и импульсе амплитудой 10-20 кВ.
Впервые измерена динамика ударных волн над поверхностью скользяцего барьерного наносекундного разряда с помощью теневого лазерного метода с синхронизацией в наносекундном диапазоне времен. Впервые показано, что неравновесная воздушная плазма атмосферного давления, созданная наносекундным высоковольтным скользящим диэлектрическим барьерным разрядом термали-зуется на временах существенно меньших, чем время газодинамического расширения плазменного слоя, что приводит к формированию ударных волн.
Впервые визуализировано с помощью шлирен-метода взаимодействие вихревого возмущения от термализующейся плазмы скользящего наносекундного разряда и потока над аэродинамическим профилем. Обнаружено образование динамических вихрей в сдвиговом слое отрывного течения и оценено время характерное время присоединения оторванного потока.
Впервые измерена динамика концентрации радикала ОН в послесвечении импульсного наносекундного высоковольтного разряда в горючих смесях различного стехиометрического состава при температурах ниже порога воспламенения. Впервые показано наличие длинных цепей окисления под порогом воспламенения в условиях стимулирования химических реакций плазмой стримерного барьерного разряда.
Впервые плазматрон с импульсно-периодическим питанием применен для стабилизации горения и инициирования частичного окисления в перемешанных подогретых смесях углеводород-воздух для широкого диапазона стехиометри-ческих соотношений [0.05-3]. Впервые показан эффект делокализации канала
наносекундого высоковольтного разряда при увеличении удельной вкладываемой мощности. Предложен механизм, объясняющий делокализацию канала за счет газодинамических возмущений потока.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты измерения динамики ударных волн над поверхностью диэлектрического барьерного разряда с помощью теневого лазерного метода с синхронизацией в наносекундном диапазоне времен. Результаты измерений величины перегрева плазменного слоя, его толщины, оценка времени термализации плазмы неравновесного разряда атмосферного давления.
Результаты измерений динамики концентрации радикала ОН, наработанного в послесвечении наносекундного стримера, в горючих смесях различного стехио-метрического состава при температурах ниже порога воспламенения.
Результаты измерения двумерного распределения ОН в плазменно-стимулированных предварительно перемешанных пропано-воздушных пламенах. Эффект управления положением фронта пламени с помощью барьерного разряда за счет производства радикалов в предпламенной зоне. Результат измерения динамика распространения пламени по предварительно возбужденной смеси.
Диапазон параметров высоковольных импульсов (напряжение, частота), геометрии электродов и предельных массовых потоков, при которых разряд в плазматроне реализуется в форме распределенной искры и механизм, объясняющий поведение разряда. Выделение определяющих параметров в формировании разряда.
Метод стабилизации сверхбедных пламен предварительно перемешанных топливно-воздушных смесей. Результаты измерения продуктов горения или частичного окисления при инициации распределенной неравновесной искрой в диапазоне стехиометрических соотношений [0.05..0.5].
Физическо-химическая модель плазмохимического реформера частичного окисления углеводородов в сингаз (смесь СО и Н2). Оценка эффективности инициирования различных фаз реформинга наносекундным высоковольтным разрядом в различных топливо-воздушных смесях.
Практическая и научная ценность
Научная и практическая ценность работы заключается в получении новых экспериментальных данных по динамике давления и распределению плотности в плазменном слое скользящего диэлектрического барьерного разряда, развивающегося при атмосферном давлении в воздухе и других газах. Полученные в работе данные могут
быть использованы для уточнения модели взаимодействия плазменного актуатора с питанием наносекундными высоковольтными импульсами и потока над крылом, для создания промышленных актуаторов и их оптимизации. Кроме того данные могут быть использованы в фундаментальных исследованиях: для проверки кинетических схем термализации плазмы неравновесного разряда и выяснения основных механизмов реакций возбужденных состояний нейтральных частиц и заряженных частиц при атмосферном давлении. Шлирен-визуализация взаимодействия расширяющегося плазменного слоя с потоком, приводящего к образованию вихря, позволит проверить модель переноса импульса набегающего потока к поверхности.
Полученные данные по динамике абсолютной концентрации ОН в послесвечении наносекундного барьерного разряда, распространяющегося по предварительно подогретой, перемешанной смеси при температуре ниже точки самовоспламенения, позволяют расширить кинетические механизмы в диапазон низких температур. Кроме того, они подтверждают возрастающую эффективность воспламенения смесей неравновесным разрядом при приближении температуры смесей к точке самовоспламенения.
Обнаружен и объяснен эффект делокализации импульсно-периодической нано-секундной искры при увеличении удельного энерговклада разряда в плазматроне. Эффект позволяет конструировать плазматроны с заведомо большим ресурсом, благодаря снижению нагрузки на низковольтный электрод и уменьшению его эррозии. Разработанный с использованием данного эффекта плазматрон позволил стабильно воспламенять горючую смесь углеводород-воздух в широком ([0.05...0.5], [2.5..3]) диапазоне стехиометрических соотношений и явился ключевым элементом созданного прототипа промышленного плазмохимического реактора частичного окисления.
Выводы данной работы могут быть использованы для совершенствования технологических процессов, связанных с плазменно-управляемой аэродинамикой и плазменно-инициированным воспламенением и горением.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, в том числе международной аэрокосмической конференции, проводимой под эгидой американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA), европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизированных газов, а также промышленных конференциях по двигателестроению в Южной Корее и Норвегии: ESCAMPIG XX, Новый Сад, Сербия, 2010; 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Орландо, США, 4-7 января, 2010; CIMAC, Берген, Норвегия, 2010; 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Орландо, США, 5-9 января, 2009; International Symposium on Marine Engineering (ISME), Бусан, Южная Корея, окятбрь 2009; 19th International Symposium on Plasma Chemistry, Бохум, Германия, 26-31 июль, 2009; 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США, 7-10 января, 2008, 19th ESCAMPIG, Гранада, Испания, 2008.
Актуаторы с питанием наносекунднвши вьісоковолвтнвіми импулвсами в настоящее время испытвшаются в совместном проекте Делфтского Технического университета и компании Неклаб Ресерч БВ.
Личный вклад автора
Создание эксперименталвного стенда для исследования динамики давления и поля плотности в послесвечении наносекундного диэлектрического барверного разряда в воздухе и других газах. Создание шлирен-диагностического комплекса с синхронизацией в наносекундном диапазоне. Оценка размеров термализующегося слоя и величины перегрева и скорости термализации неравновесной плазмві сколвзящего разряда. Визуализация шлирен-методом взаимодействия плазмві наносекундного диэлектрического барверного разряда, развивающегося вдолв по потоку на аэродинамическом профиле с набегающим потоком. Создание диагностического комплекса для измерений концентрации радикалов ОН с помощвю лазерно-индуцированной флюоресценции. Создание схемві синхронизации генератора ввісоковолвньїх импулвсов, источника сканирующего излучения и усилителя яркости ПЗС-камерві. Обнаружение эффекта делокализации наносекундной искрві в осесимметричном плазматроне и его применение для стабилизации горения в плазмохимическом реакторе частичного окисления и топливо-воздушнвіх плазматронов.
Структура и объем диссертации
