Содержание к диссертации
1 Введение 5
-
Актуальность темы 5
-
Цель работы и постановка задачи 7
-
Научная новизна и практическая ценность работы 8
-
Положения, выносимые на защиту , . 10
2 Обзор литературы " 11
-
Роль радикалов и возбуждённых частиц в горении. Способы управления параметрами горения 11
-
Механизмы стабилизации пламён при помощи электрических полей. Ионный ветер 13
-
Механизмы влияния плазмы газовых разрядов на горение
и пламена. Неравновесные разряды 17
3 Влияние слабых электрических полей на пламена 25
-
Экспериментальная установка 25
-
Основные экспериментальные результаты 29
-
Влияние приложенного электрического поля на поведение диффузионного пламени 29
-
Изменение скорости срыва пламени предварительно перемешанной смеси постоянным электрическим полем 33
3.3 Взаимодействие электрических полей с пламенами. Ионный
ветер 37
-
Влияние ионного ветра на газодинамику диффузионных пламён 37
-
Эффективность ионного ветра в управлении скоростью распространения предварительно перемешанных пламён 41
4 Влияние импульсного наносекунд но го барьерного разря
да на пламена 43
4.1 Экспериментальная установка 43
-
Горелка и система электродов 43
-
Генератор импульсных напряжений (ГИН) 44
-
Система подачи газов 45
-
Система оптической диагностики. ПЗС-спектрометр. 50
-
Система ЛИФ-диагностики 52
4.2 Основные экспериментальные результаты по изменению
скорости срыва пламени 55
-
Определение оптимальной геометрии с максимальным эффектом воздействия высоковольтного барьерного разряда на пламя 55
-
Увеличение скорости распространения пламени при возбуждении газа импульсным высоковольтным разрядом 58
4.3 Анализ влияния параметров наносекуидиого импульсного
разряда на пламена 64
-
Измерение энерговклада разряда в промежуток . . 64
-
Влияние частоты повторения импульсов и их амплитуды 66
-
Сравнение влияния импульсного наносекуидиого барьерного разряда и синусоидального барьерного разряда частотой 50 Гц на пламя 67
-
Влияние длительности импульса 70
-
Степень заполнения разрядного промежутка. Анализ оптимального размера разрядного промежутка ... 73
4.4 Диагностика активных частиц в пламени методами эмис
сионной спектроскопии 79
-
Реакции образования возбуждённых состояний в пламени , 79
-
Профили излучения возбуждённых частиц в разряде и в пламени 80
-
Измерение температуры разряда и пламени 85
4.5 ЛИФ-диагностика радикала ОН в пламени и предпламеп-
ной зоне 91
4.6 Измерение температуры реагирующих газовых потоков в
барьерном разряде 95
5 Физическая модель влияния газового разряда на горение104
5.1 Образование возбужденных состояний в импульсном нано-
секундном барьерном разряде 105
-
Определение приведённого электрического поля . , 109
-
Распределение энергии импульса по каналам возбуждения 112
5.2 Плазмохимическио реакции, протекающие в предпламеп-
ноп зоне 113
5.3 Горение и кинетика реакций в предварительно возбуждён
ной смеси. Результаты моделирования 115
6 Основные результаты и выводы 122
СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ 125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 131
Введение к работе
1.1 Актуальность темы
Впервые о влиянии электрического поля на пламя стало известно в 1814 году, когда Бранде опубликовал работу [1] о значительном изменении поведения пламени при его помещении между двумя электродами. Согласно автору, роль поля в процессах теплообмена и переноса вещества столь велика, что пламя и сажа начинают двигаться по направлению к отрицательно заряженной поверхности. Таким образом, Бранде стал первым, кто изменил параметры распространения пламени при помощи электрического поля.
С тех пор взаимодействие электрических полей и разрядов с пламенами широко исследуется во всём мире. Главной задачей большинства работ в этой области является применение электрического поли для стабилизации пламён [2], наработки атомов, ионов и активных радикалов, связывающих вредные выбросы тепловых электростанций и химических производств (ГГОЖ, SO2, -..) [3], расширения пределов воспламенения или увеличения яркости свечения пламени. Обзоры работ в этой области можно найти в [4], [5]. Интерес представляет и задача определения фундаментальных механизмов управления устойчивостью горения. Известно, что неустойчивый режим горения в энергетических установках, предназначенных для сжигания твёрдых, жидких и газообразных топлив, проявляется в самопроизвольном возникновении автоколебательных режимов горения, которые сопровождаются значительными колебаниями скорости тепловыделения, давления и механическими колебаниями камеры сгорания, а иногда и разрушением самой установки. Поэтому проблема эффективного управления устойчивостью горения является актуальной.
Отдельную группу исследований составляют работы по применению электрических полей и разрядов с целью изменения скорости распространения пламени. Используя электрическое поле, можно снизить скорость распространения пламени вдоль канала и даже потушить его [2], пли же, напротив, ускорить пламя, увеличив скорость его срыва [6]. Данное направление представляется весьма перспективным и многообещающим с точки зрения практического применения, например, в гиперзвуковых прямоточных реактивных двигателях самолётов, где требуется осуществлять горение как можно более быстро и полно. Более быстрое горение означает также и возможность сжигать более бедные смеси, что приводит к понижению температуры горения и снижению количества образующихся вредных примесей NOx.
Резюмируя, можно сказать, что решение проблемы однородного поджига топливно-воздушной смеси и увеличения скорости горения/сгорания необходимо для следующих практических приложений:
Расширение пределов воспламенения и горения топливо-воздушных смесей.
Реализация горения бедных топливно-воздушных смесей, не горящих в нормальных условиях.
Перезапуск двигателя на большой высоте полёта (около 10 км)
Стабилизация горения, удержание пламени, пилотные пламена (для ГТУ)
Быстрое сгорание в прямоточном реактивном двигателе
Снижение температуры горения и сокращение количества выбросов вредных веществ (окислы N0)
Дискуссия о конкретных механизмах, посредством которых электрическое поле изменяет скорость горения, идёт уже многие годы. Различными группами авторов предполагаются несколько основных механизмов влияния плазмы газового разряда на характеристики горения: термический нагрев (в том числе локальный перегрев в канале разряда) , наработка "активных частиц" - радикалов, способных повышать скорость цепных реакций, генерация "ионных цепочек", в которых происходит перераспределение запасённой энергии, и другие. Тем не менее, вопрос об области действия таких механизмов остаётся открытым. Также открыт вопрос о том, какие типы газового разряда (искровой, дуговой, ВЧ и СВЧ, стримериый) следует использовать для стабилизации горения при заданных параметрах, и какие именно параметры разряда являются критичными в терминах максимальной эффективности управления горением. Нет на сегодняшний день и физической модели, способной описать результаты экспериментов различных авторов.
Таким образом, задача определения механизмов управления горением при помощи плазмы газового разряда вызывает большой интерес среди учёных всего мира. Проблема выявления таких механизмов особенно актуальна в связи с резким усилением интереса к возможности дополнительного управления динамикой пламён с помощью неравновесной плазмы.
1.2 Цель работы и постановка задачи
Главной задачей настоящей работы являлось экспериментальное исследование возможности управления режимами распространения пламён при помощи электрических полей и импульсных разрядов. Поскольку нормальная скорость распространения пламени в смеси является одним из определяющих параметров процесса горения [26], требовалось установить эффективность изменения скорости распространения пламён при помощи различных типов разрядов. Учитывая наиболее вероятные механизмы, в настоящей работе изучалось влияние ионного ветра п неравновесных наносекундпых импульсных разрядов на диффузионные и предварительно перемешанные пламена. Поставленная задача может быть разделена на следующие части;
Определение роли «ионного ветра» при воздействии электрических полей газовых разрядов и постоянного электрического поля на различные типы пламён (предварительно перемешанные, диффузионные).
Определение эффективности изменения скорости горения и срыва пламени при помощи различных типов разрядов.
Исследование воздействия импульсного иаиосекуидпого барьерного разряда на скорость срыва пламени. Сравнение эффективности влияния импульсного наносекундиого барьерного разряда и барьерного разряда синусоидального напряжения частоты 50 Гц на характеристики пламени.
Определение эффективности изменения скорости распространения пламён при помощи неравновесного наносекупдного импульсного барьерного разряда, развивающегося при высоких значениях приведенной напряженности поля; нахождение оптимальной с точки зрения ускорения пламени конфигурации разряда, а также оптимального значения приведённого электрического поля в разряде, длительности и частоты повторения импульсов, энерговклада.
Выявление основных механизмов, посредством которых осуществляется влияние импульсного наносекупдного барьерного разряда па пламя. Построение физической модели, объясняющей влияние плазмы газового разряда на увеличение скорости срыва пламени и изменение параметров горения.
Верифицикация физической модели путём сравнения экспериментальных данных и результатов численного моделирования
3 Научная новизна и практическая ценность работы работе впервые:
Получены экспериментальные данные, свидетельствующие о преимуществах использования наносекундного импульсного барьерного разряда для стабилизации пламени по сравнению с другими типами разрядов. Продемонстрировано, что эффект существенного влияния импульсного наносекундного разряда на параметры пламени не связан с действием "ионного ветра".
Проведено сравнение эффективности использования импульсного наносекундного барьерного разряда и синусоидального барьерного разряда частотой 50 Гц, установлены причины преимущества использования первого типа разряда.
Получена экспериментальная демонстрация стабилизации горения высокоскоростных топливо-воздушных потоков, а также бедных топливосодержащих смесей, при помощи импульсного ианосекуидного разряда. Получены результаты, демонстрирующие повышение полноты сгорания при использовании импульсного наносекупдного разряда. Установлены оптимальные параметры разряда, необходимые для эффективного управления параметрами пламени.
Проведены спектроскопические исследования дополнительного образования радикала ОН в результате воздействия импульсного наносекупдного разряда на топливо-воздушную смесь. Методом ЛИФ-диапюстики получены профили распределения радикала ОН в пламени и предпламепной зоне с микросекундным разрешением. Сделан вывод, что в ускорении горения ключевую роль играет образование радикалов под действием газового разряда в предпламепной зоне. Проанализирована роль нагрева смеси наносскуидным разрядом в увеличении скорости срыва пламени.
Построена комплексная физическая модель, описывающая влияние плазмы импульсного наносекупдного барьерного разряда на горение, в частности, образование возбуждённых состояний молекул в наносекупдном разряде, динамику трансформации активных частиц в предпламепной зоне, горение предварительно возбуждённой и подогретой смеси,
Полученные в работе результаты могут быть использованы при проектировании установок па базе импульсного наносекупдного барьерного разряда по стабилизации горения высокоскоростных потоков топливно-воздушных смесей, а также при проектировании установок по понижению уровня вредных выбросов при горении. Модель, описывающая механизм управления пламенами при помощи ианосекуидного барьерного разряда, позволяет предсказывать эффективность использования разряда с конкретными параметрами (амплитуда, частота повторения импульсов, длительность импульса) при его применении для стабилизации пламени. Предлагаемая модель может послужить основой для дальнейшего развития кинетического описания влияния плазмохимичсских процессов на химическую кинетику горения.
1.4 Положения, выносимые на защиту
Экспериментальные данные по исследованию влияния импульсного наносекуидного барьерного разряда на скорость срыва пропано-воздуитого пламени предварительно перемешанной смеси и другие параметры горения.
Экспериментальная демонстрация стабилизации бедных пламён и увеличения полноты сгорания при плазмеиио-стимулироваппом горении с использованием наносекуидного барьерного разряда.
Методика определения оптимальных параметров папосскупдного разряда (приведённого поля, длительности импульса, частоты повторения импульсов), при которых достигается максимальная эффективность ускорения горения.
Экспериментальные результаты измерений количества активных частиц методами эмиссионной спектроскопии и методом ЛИФ-днапюстики, демонстрирующие ключевую роль атомарного кислорода, образующегося под действием наносекуидного барьерного разряда.
Результаты измерения дополнительного тепловыделения в топливо-воздушных смесях, обработанных импульсным наносекундным барьерным разрядом, по сравнению с чистым воздухом и их объяснение образованием атомарного кислорода и водорода в иапосекунд-ном барьерном разряде. Демонстрация малой роли термического разогрева газа в разряде в общем эффекте увеличения температуры.
Комплексная физическая модель влияния импульсного наносекуидного барьерного разряда на параметры горения, объясняющая воздействие плазмы газового разряда рядом последовательных стадий: наработкой возбуждённых состояний в разряде, образованием активных частиц-радикалов и горением предварительно возбуждённой и подогретой смеси.
