Электрогидро- и газодинамика горения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МЕХАНИКИ

на правах рукописи

Кидин Николай Иванович

ЭЛЕКТРОГИДРО- И ГАЗОДИНАМИКА ГОРЕНИЯ.

специальность 01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Диссертация .ввиде научного доклада на соискание ученой степени доктора : : Т^фйзйей-^аЪматическихнаук - ' - '!

И

|i ! пишете 0:

Г ¡а

с г /V V '» у-0 С ' 6FS Ни ,-Д*^

"■'л' ■ 1

„Я С,

Москва - 1997 год.

jV

W

5. --J * '

г; ;с vT:f>aBAeMi

Официальные оппоневггы:

доктор физико-математических наук, профессор Марголин А.Д. доктор физико-математических наук, профессор Райзер Ю.П. доктор физико-математических наук, профессор Стесик Л.Н.

Ведущая организация: Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И.Баранова

Защита состоится « 23 »_декабря_1997 г. в_14°° час.

на заседании диссертационного совета Д200.08.01 в Институте химической физики в Черноголовке РАН по адресу: 142432, п. Черноголовка Московской области, Ногинского района, ИХЧФ РАН, кор. 1/2.

С диссертацией в виде научного 4 ознакомиться в библиотеке

Института химической физикг . АН.

Диссертация в виде научного и 1997г.

Ученый секретарь диссертационно! кандидат физико-математических н

Юданов А. А.

Введение.

Несмотря на то, что, по-видимому, не существует более древней науки чем наука о горении - за десятки тысяч лет, в течении которых человечество сжигало дерево, уголь, нефть, газ, порох(да и вообще все, что горит) оно, казалось бы, должно было изучить механизм этого явления в совершенстве - говорить о полной завершенности этой науки еще рано. Конечно, существо основных процессов, происходящих при горении различных веществ, изучено и понято достаточно хорошо. Но и в наши дни задача рационального, хорошо диагностируемого и надежно управляемого горения остается важной как в научном так и в прикладном аспектах.

Горение - крайне сложный физический процесс. В нем сочетаются вовсе нетривиальная газодинамика, неоднородные температурные поля, самые разнообразные химические реакции с выделением и поглощением тепла и т. д. Поэтому пламя изучалось и изучается различными методами, взятыми из арсенала самых разных научных дисциплин.

Одному из таких методов и посвящена данная работа. Речь идет о воздействии на процесс горения электромагнитным полем.

По-видимому, впервые об электрических и магнитных свойствах пламени упоминается в работах французского ученого Пуайе еще в .1тые годы прошлого столетия. В начале нынешнего века известный .ский ученый Дж. Дж. Томсон, открывший электрон, высказал '-зу: в пламени возникают электроны и именно они, особенно самые 'ч ичные, являются «виновниками» распространения пламени, играя ■ ль передатчиков энергии. Энергетическим аспектам горения были

посвящены начатые в двадцатых годах в Днепропетровске исследования А. Э. Малиновского и его сотрудников. Десятилетие спустя в Институте химической физики АН СССР этими вопросами занялся А. К. Соколик. Большой вклад в исследование электрофизики горения и образования заряженных частиц в пламени внесли Ф. Вайнберг и Дж. Лаутон (Англия), X. Калькотг (США), А.Д. Марголин, Г.С.Аравин, Е.С.Семенов (ИХФ РАН), А.Б Ватажин (ЦИАМ), Б.Г.Дьячков Е.М.Степанов, Г.Д.Саламандра и их ученики и последователи.

Сейчас можно считать бесспорным, что воздействие электрических и магнитных полей на пламя вызывает многочисленные эффекты, которые можно использовать как для изучения различных стадий горения, так и в разнообразных технических устройствах и технологических процессах.

Актуальность проблемы.

Исследование электрогазо- и гидродинамических свойств пламен является одной из актуальных проблем физики горения. В настоящее время такие исследования стимулируются возможностью получения энергии с помощью различных генераторов, построенных на продуктах горения, конструированием электрогазогорелочных устройств, задачами направленного химического синтеза, а также возможностью использования электрических эффектов в пламенах для диагностики управления процессами горения и детального изучения химических процессов в пламени.

В силу специфических особенностей химической кинетики горения углеводородов и некоторых других топлив, пламена являются источниками заряженных частиц - главным образом положительно заряженных ионов и электронов. Внешние электрические поля, приложенные к зоне горения, воздействуют на рекомбинацию носителей противоположных зарядов, в частности, могут вызывать их пространственное разделение. Появляется возможность управления распространением пламени путем изменения его формы в электрическом поле; воздействуя переменными электрическими полями можно интенсифицировать турбулентное перемешивание в пламени, вызывать генерацию акустических волн и т.д. С другой стороны, электрические свойства пламен используются для целей диагностики процесса горения.

Интенсивно развивающаяся в последние годы теория аэрогидродинамического шума также поставила ряд новых задач, связанных с движениями заряженной среды. Так, аномалии шума струи реактивного двигателя обуславливаются, по-существу, двумя процессами: горением в камере сгорания и течением заряженного газа в реактивной струе, образующегося из-за уноса заряженных частиц одного знака из пристеночного двойного электрического слоя.

Для описания таких физических явлений применяется приближение электрогидродинамики / ЭГД /. В силу общности рассматриваемых уравнений, основные выводы применимы и к другим движениям заряженного газа. В качестве примера можно привести течения заряженного газа в ЭГД-преобразователях энергии, ЭГД-насосах и

фильтрах, в пограничных слоях, возникающих при движении заряженных тел в атмосфере и др.

Рассмотрение этих движений также представляет непосредственный практический интерес. Однако, теория нестационарных ЭГД-течений была развита недостаточно. Предлагаемая работа ставит своей целью сделать определенный шаг в понимании происходящих в пламени электрофизических и элекгрогидродинамических явлений.

Чрезвычайно актуальной является также задача надежной диагностики акустической неустойчивости процесса горения и управлением уровнем «шума» в различных горелочных устройствах и энергетических установках, как впрочем, и правильное понимание основных источников звука при вибрационном и турбулентном горении.

Цель работы.

Целью предлагаемой вниманию диссертационной работы является теоретическое исследование собственных электрических свойств ламинарных пламен, присущих самому пламени в отсутствии внешнего электрического поля, закономерностей влияния внешнего электрического поля на поведение ламинарного фронта горения, изучение некоторых электрогидродинамических эффектов, возникающих при горении в электрическом поле, изучение механизмов воздействия возмущений электрической и гидродинамической природы на процессы горения в электрическом поле, определение границ применимости различных приближений ЭГД дли описания физических явлений в заряженных

областях, образующихся при горении в электрическом поле; изучение нелинейных волновых движений в заряженных областях; выяснение взаимосвязи электрических процессов с акустическими свойствами течения; исследование распространения ЭГД-волн в бездиффузионном приближении на примере простой ЭГД-волны, изучение различных механизмов излучения звука при турбулентном и вибрационном горении и обнаружение корреляций между различными волновыми процессами; создание метода диагностики акустической неустойчивости и управления процессом горения в различных камерах сгорания с помощью модулированных газовых разрядов либо плазмотронов, локализованных в зоне горения.

Научная новизна.

Принятая методика исследования включает в себя обобщение и анализ опубликованных теоретических работ, выбор метода решения поставленных задач, расчет некоторых примеров, анализ полученных результатов и их сопоставление с имеющимися экспериментальными данными.

Своеобразие пламен как объектов низкотемпературной плазмы состоит в том, что образующиеся при горении заряженные частицы, источником которых являются главным образом химические реакции в пламени, сосредоточиваются в узкой области, включающей в себя зоны прогрева, химического превращения и рекомбинации, в то время как в окружающем газе ионизация пренебрежимо мала. Поэтому в диссертации

(части I, II), в отличие от предыдущих работ по электрофизике горения, большое внимание уделено молекулярным процессам переноса носителей электрических зарядов, которые обусловливают разделение зарядов в пламени и приводят к нарушению квазинейтральности образующейся плазмы. Диффузионные эффекты необходимо также учитывать при описании воздействия внешних электрических полей на пламя. При решении задач используется полная система уравнений электрогидродинамики с учетом молекулярных эффектов переноса - такой единый подход к описанию электрических явлений при горении также ранее не использовался. Для аналитического решения поставленных задач применены методы задач с малым параметром, разбиение всей области интегрирования на внешнюю и внутреннюю области и сшивка решений на границах. Теоретически предсказываются некоторые новые электрогидродинамические эффекты при горении в электрическом поле и объясняются известные из экспериментов закономерности поведения фронта горения в электрическом поле.

При изучении нестационарных нелинейных и линейных ЭГД-волн (часть III) получены следующие новые результаты. Предложена система одномерных нестационарных уравнений квазилинейного вида, при некоторых предположениях являющаяся следствием основной системы. В бездиффузионном приближении находятся скорости распространения возмущений и доказывается гиперболичность этой системы. Выделен безразмерный параметр, который играет определяющую роль при изучении нестационарных ЭГД-процессов. Этот параметр наряду с другими безразмерными параметрами позволяет установить границы применимости

различных приближений ЭГД для описания течений в окрестности фронта пламени, находящегося в электрическом поле.

Показано, что для течений, в которых существенна диффузия зарядов, в приближении слабого ЭГД-взаимодействия для напряженности электрического поля справедливо классическое уравнение Бюргерса. Для случая, когда поле влияет на гидродинамику течения, решена задача о распространении волн в линейном приближении. Показано, что в этом приближении разделение зарядов в квазинейтральной среде приводит к возбуждению акустических колебаний.

В бездиффузионном приближении сильного ЭГД-взаимодействия построено замкнутое решение в виде простых ЭГД-волн (волн Римана). Исследованы предельные случаи и найдены асимптотические решения.

В части IV предложена теоретическая модель излучения звука нелинейными монопольными источниками в турбулентных и вибрационных пламенах, основанная на предположении о смене механизма горения в зонах интенсивной химической реакции, проведено тщательное экспериментальное исследование обнаруженного явления.

В части V предложен метод диагностики акустической неустойчивости управления процессом горения в камерах сгорания с помощью модулированных на акустической частоте электроразрядных устройств либо плазмотронов и создана теоретическая модель работы такого источника в высоко-температурных и химически агрессивных средах, которые образуются в камерах сгорания различных энергетических установок. Проведено экспериментальное исследование работы таких источников в различных модельных камерах сгорания и создана система

диагностики для выявления резонансных частот при работе энергетических установок и подавления уровня шума.

Практическая ценность.

Результаты проведенного исследования могут быть использованы для прогнозирования различных эффектов, возникающих при ламинарном горении в электрических полях, а также при выборе оптимальных условий сжигания горючих газообразных, жидких, дисперсных и твердых веществ с учетом электрических явлений в пламени.

Проведенное исследование является также основой для описания физических механизмов взаимодействия гидродинамических и электрических явлений в нестационарных ЭГД- течениях. Выяснено, что возмущения электрического поля порождают акустические колебания как в квазинейтральной плазме, так и в течениях, содержащих объемный электрический заряд. В частности, эти механизмы могут быть ответственны за увеличение акустического шума выхлопных струй реактивных двигателей.

С математической точки зрения на основе полученных результатов можно ставить корректные задачи Коши и решать их с целью исследования воздействия ЭГД -возмущений на процессы горения в электрическом поле.

Что касается части, посвященной изучению различных источников звука при турбулентном и вибрационном горении, а также созданию методов акустической диагностики, и управления процессом горения и уровнем шума в различных камерах сгорания, то полученные авторские

свидетельства, продолжение и развитие данной тематики также свидетельствуют о практической значимости данного направления исследований.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 1П-Х Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (1974, 1977, 1980, 1983, 1986, 1989, 1992) и на XI Симпозиуме по горению и взрыву(1996), I-XIV Всесоюзных семинарах по электрофизике горения (1978-1991 г.г.), V и VI Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механике (1981, 1986), на I Всесоюзной школе-семинаре по теории горения (Томск, 1973) и Всесоюзной школе-конференции по теории горения (Звенигород, 1975), Международном семинаре «Механика и физика газовых потоков (Аэродинамика горения газов)» (Рига, 1981), III Международной Школе по взрывобезопасности промышленных пылей (Польша, 1982), 1-1V Международных семинарах по структуре пламен (1983,1986,1989,1992 г.), на Совещании рабочей группы «Механика и физика плазмы и газовых потоков» (Болгария, 1983), на V-XV Международных коллоквиумах по динамике взрыва и реагирующих систем (1975, 1977, 1979, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989, 1993 г.г.), VI-XI Международных симпозиумах по процессам горения (Польша, 1979, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989 г.г.), на 21, 24-26 Международных Симпозиумах по горению (1986, 1992, 1994, 1996), на VIII Международной конференции по газовым разрядам и их

приложениям (Англия, 1985), на ежегодных конференциях Института Акустики (Англия, 1980-1993), на VI Всесоюзном совещании по электрической обработке материалов (Кишинев, 1990), на Международной конференции советской и итальянской секций Института горения (Пиза, 1990 г.), на Международной конференции британской и немецкой секций Института горения ( Кембридж, 1993 г.), на IV Международном симпозиуме по химическим двигателям- Достижения в горении за 100 лет после А.Нобеля (Швеция, Стокгольм, 1996), на 10-й конференции отдела научно-технических исследований ВМС США по двигателям (США, Монтерей, 1997), I Конференции Греческой секции института горения (Афины, 1997).

Публикации.

По материалам работы имеется 137 публикаций, в том числе 3 авторских свидетельства об изобретениях, из них 79 статей и препринтов, 67 публикаций в зарубежной литературе.

I. Собственные электрофизические свойства пламен.

Первая часть диссертации посвящена исследованию собственных электрических свойств ламинарных пламен, распространяющихся по смеси заранее перемешанных газов и диффузионных пламен, образующихся при горении противонаправленных цилиндрических струй окислителя и горючего. Вообще электрические эффекты в пламенах могут быть подразделены на «собственные» и «внутренние» (в отсутствии внешнего поля) и на связанные с воздействием внешних электрических полей. Первые возникают вследствии большого отличия в диффузионных свойствах заряженных частиц разного знака - ионов и электронов, что приводит к диффузионному разделению зарядов и образованию в пламени внутреннего электрического поля. (Рис. 1,2,3) В работе получены пространственные распределения концентраций заряженных частиц и напряженности внутреннего электрического поля.

Исследованы пламена как с низкой степенью ионизации, обусловленной в основном тепловым механизмом (Рис. 3), так и с высокой сверхравновесной ионизацией, связанной с протеканием цепных химических реакций во фронте горения (хемоионизация). (Рис. 1,2,4,5) Типичным примером последних являются пламена углеводородов, концентрации заряженных частиц в которых на несколько порядков превышают значения, соответствующие термодинамическому равновесию при температуре горения. Во всех случаях используется предположение об узости зоны реакций образования заряженных частиц по сравнению с остальными характерными масштабами задач.

и

Для ламинарных пламен с высокой степенью ионизац�