Инициирование детонации в газах высоковольтным наносекундным разрядом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

003467446

На правах рукописи

Ракитин Александр Евгеньевич

Инициирование детонации в газах высоковольтным наносекундным разрядом

01.04.08 — физика плазмы Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Долгопрудный - 2009

003467446

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"

Научный руководитель:

д.ф.-м.н. Андрей Юрьевич Стариковский, Университет Дрексел, Филадельфия, США

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н. Голуб Виктор Владимирович,

к.ф.-м.н. Потапкин Борис Васильевич, РНЦ "Курчатовский институт"

Ведущая организация: Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Защита состоится 13 мая 2009 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.156.06 при Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, корпус В-2. Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер. 9, МФТИ (ГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан Д апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ИТЭС ОИВТ РАН

кандидат технических наук, доцент

Чубинский Н.П.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Современные исследования процесса инициирования детонации связаны с необходимостью реализации концепции так называемого импульсного детонационного двигателя (ИДЦ). Данный тип двигателей реализует процесс сгорания топливной смеси в волне сжатия при достоянном или даже уменьшающемся объеме, что позволяет рассчитывать на увеличение кпд по сравнению с циклом, использующим горение при постоянном давлении, на 15-25%.

Одной из ключевых проблем разработки импульсного детонационного двигателя является создание инициирующей системы с малой энергией, позволяющей сформировать стационарную детонационную волну на коротком расстоянии от точки инициирования и за короткое время.

Известно, что детонационная волна может быть создана двумя принципиально разными способами: прямым инициированием и через так называемый процесс перехода горения в детонацию (ПГД). В первом случае достаточно мощный источник, мгновенно воспламеняя смесь, создает интенсивную ударную волну, которая в свою очередь непосредственно формирует детонационную волну. Для создания такой ударной волны необходим локализованный источник с чрезвычайно высоким энерговкладом. Прямое инициирование сферической детонации в типичной углево-дородовоздушной смеси, например, в стехиометрической смеси пропан-воздух при 1 атм, требует энерговклада около 300 кДж [1]), в то время как горение может быть получено в этой же смеси искрой с энергией 1 мДж. Обычно в качестве источника с такой энергией используется взрывчатое вещество (например, ТНТ) или мощный искровой разрядник, что влечет за собой ряд технических трудностей. Более того, высокая энергия прямого инициирования детонации сама по себе не позволяет создать эффективный ИДД.

Во втором случае для воспламенения используется источник с относительно малой энергией, такой как автомобильная искра зажигания, а детонационная волна возникает в результате ускорения волны горения. В гладких трубах турбулизация потока происходит в основном за счет развития неустойчивостей и сильно зависит от скорости газа. Вследствие этого, переход от ламинарного горения к турбулентной дефлаграции с околозвуковой скоростью происходит на расстояниях до 100 поперечных размеров трубы и за длительное время, существенно превышающее 1 мс. При распространении со сверхзвуковой скоростью перед фронтом пламени формируется ударная волна. Такая волна быстрой дефлаграции продолжает ускоряться до скорости, при котором давление и температура между ударной волной и фронтом пламени становятся достаточными для автовоспламенения смеси. При этом в области за ударным фронтом происходит объемный взрыв, приводящий непосредственно к формированию пересжатой детонации. Волна пересжатой детонации вскоре замедляется до скорости стационарного режима, после чего по трубе распространяется устойчивая детонация Чепмена-Жуге.

Разница в более чем пять порядков величины между энергией воспламенения и энергией инициирования детонации показывает общие трудности, связанные с применением механизма прямого инициирования детонации в ИДЦ. С другой стороны, после воспламенения "слабой" искрой процесс перехода горения в детонацию происходит на типичных расстояниях около нескольких метров и в течение значительного времени, что исключает прямое использование этого метода в реальных двигателях. Задача реализации ИДД требует нахождения более эффективного способа инициирования детонации и уменьшения длины и времени перехода горения в детонацию, обязательным условием для которого является сохранение энергетической эффективности.

Отдельного рассмотрения заслуживает градиентный механизм инициирования детонации, предложенный теоретически Я. Б. Зельдовичем [2]. Согласно этой гипотезе, для формирования стационарной детонационной волны на коротких расстояниях и за короткие времена необходимо создать в горючей смеси градиент времени задержки воспламенения. Утверждалось, что при определенной форме распределения времени задержки формирование детонационной волны может происходить на коротких расстояниях. Однако, эта гипотеза до сих пор не была экспериментально проверена в условиях, близких к параметрам газа в камере сгорания.

Градиент времени задержки воспламенения может быть сформирован, в частности, градиентом концентрации радикалов. Для формирования градиента концентрации радикалов может быть использовал высоковольтный нааосекундный разряд, обладающий высокой эффективностью генерации активных частиц в газе за короткое время. Благодаря высокой пространственной однородности наносекундного разряда градиент концентрации радикалов может быть сформирован в большом объеме газа, а не только вблизи очагов воспламенения.

Использование неравновесной плазмы высоковольтного наносекундного газового разряда было предложено в работе [3] для предварительного одновременного возбуждения газа, уменьшения времени индукции в смеси и сокращения длины перехода горения в детонацию. В работе было показано, что для формирования детонационной волны необходимо, чтобы типичное время выделения энергии при химическом превращении было меньше, чем время газодинамических процессов, что реализуется в случае неравновесной плазмы наносекундного разряда.

Экспериментальное подтверждение высокой эффективности инициирования детонации высоковольтным наносекундным разрядом было получено в [4, 5]. Переход горения в детонацию был зарегистрирован в гладкой трубе на расстояниях менее 1 м в стехиометрических смесях пропана с кислородом при различном уровне разбавлении азотом. Подробнее результаты этих экспериментов обсуждаются в главах 2.1 и 3 данной работы, являющейся продолжением этих исследований, как с точки зрения расширения диапазона начальных параметров, так и в направлении понимания физических механизмов, управляющих процессами в газах при их обработке плазмой высоковольтного наносекундного разряда. В то же время, такой подход позволяет находить эффективные способы применения этих механизмов в условиях практических приложений.

Цель работы

Целями данной работы являются:

• Экспериментальное исследование эффективности инициирования детонации в газах при возбуждении импульсным высоковольтным разрядом при различных параметрах топливной смеси в зависимости от пространственных и временных характеристик разряда.

• Определение механизмов перехода горения в детонацию при различных экспериментальных условиях и конфигурациях инициирующей системы.

• Сравнительный анализ эффективности различных механизмов инициирования детонации при возбуждении импульсными высоковольтными разрядами.

• Разработка концепции наиболее эффективной системы инициирования детонации импульсным разрядом с точки зрения длины и времени перехода при низком уровне энерговклада.

Научная новизна

1. Проведен анализ эффективности инициирования детонации двумя типами высоковольтного импульсного разряда разной длительности в системах с распределенными электродами. Впервые показано, что при помощи распределенного разряда длительностью 50 не инициирование детонации происходит существенно более эффективно, чем при инициировании локализованным микросекундным искровым разрядом сравнимой энергии. Впервые продемонстрирована высокая эффективность инициирования детонации высоковольтным разрядом длительностью 50 не при давлениях выше 0.6 бар. В трубе диаметром 140 мм переход горепия в детонацию был зафиксирован на расстоянии менее 400 мм от торца разрядной секции доя всех исследованных смесей с концентрацией азота до 38%. Вложенная энергия при этом составляла не более 3 Дж, времена перехода горения в детонацию — менее 1 мс.

2. Впервые показано, что различным режимам развития разряда — искровому с образованием высокотемпературного канала, стримерному с неоднородным по длине канала возбуждением газа и комбинированному переходному — соответствуют два механизма перехода горения в детонацию. При инициировании искровым или переходным разрядом смесь воспламеняется одновременно по объему разрядного канала, формируя ударную волну с числом Маха выше 2 и волну воспламенения. Временная задержка между ударным фронтом и пламенем определяется количеством энергии, вложенной в разряде в поступательные степени свободы газа. Эти волны образуют ускоряющийся комплекс, и, по достижении им определенной скорости, происходит адиабатический взрыв,

приводящий к формированию детонации Чепмена-Жуге. При начальном давлении стехиометрической смеси пропана с кислородом в 1 бар длина и время перехода не превысили 50 мм и 50 мкс, соответственно.

3. Впервые при возбуждении газа стримерным разрядом зарегистрирован переход горения в детонацию по механизму, аналогичному градиентному механизму, предложенному Зельдовичем. Показано, что неравновесное возбуждение газа с формированием градиента времени индукции позволяет эффективно инициировать детонацию. Энергия инициирования при этом оказывается на порядок ниже, чем при искровом инициировании при тех же экспериментальных условиях. Время перехода оказывается в три раза длиннее, но при такой же длине перехода в пределах 50 мм, что соответствует двум поперечным размерам трубы. При этом, величина вложенной энергии на два порядка ниже энергии, необходимой для прямого инициирования плоской детонации в данных условиях.

4. Впервые показана возможность быстрого формирования детонационной волны в пропан-кислородной смеси с 40% азота при давлении 0,8 бар при энерговкладе около 300 мДж, что соответствует среднему нагреву смеси на 12 К. Показано ключевое воздействие количества химической энергии, запасенной в возбуждаемой разрядом смеси, на эффективность градиентного механизма, а также влияние геометрии разрядных каналов и пространственно-временных характеристик разряда.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Динамика развития импульсного разряда в топливно-воздушных смесях при высоких давлениях. Результаты измерения тока, скорости распространения, энерговклада и структуры.

2. Параметры перехода горения в детонацию в газах в стехиометрических топливных смесях при инициировании высоковольтным импульсным разрядом в четырех различных геометриях разрядных секций. Результаты измерения времени задержки воспламенения, скорости фронта пламени, динамики ускорения, длины перехода в детонационный режим в зависимости от начального давления газа и параметров импульсного разряда.

3. Результаты сравнительного анализа механизма перехода горения в детонацию в зависимости от типа инициирующего разряда, длительности и амплитуды импульса и скорости нарастания напряжения.

4. Экспериментальная реализация градиентного механизма инициирования детонации для углеводородо-кислородо-азотных смесей при средних и высоких давлениях.

Практическая и научная ценность

Научная и практическая ценность работы заключается в получении новых экспериментальных данных по развитию импульсного наносекундного разряда при высоких и сверхвысоких перенапряжениях при средшгх и высоких давлениях, получении количественных данных о воспламенении топливно-воздупшых смесей неравновесной низкотемпературной плазмой и установлении механизмов перехода горения в детонацию при возбуждении горючей газовой смеси высоковольтным наносекундным разрядом. Полученные в работе результаты могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся физикой газового разряда, изучением инициирования детонации и переходом горения в детонацию, а также созданием новых типов двигателей, основанных на детонационных камерах сгорания.

Результаты экспериментов могут быть использованы для тестирования численных моделей различных процессов, включающих объемное плазменно-инициированное воспламенение, в частности, градиентный механизм инициирования детонации.

Результаты и заключения данной работы могут быть использованы для дальнейшего развития методики плазменного инициирования детонации в импульсных детонационных двигателях.

Апробация работы

В основу диссертации положены работы, опубликованные в 4 статьях и 21 докладе (в т. ч. в тезисах докладов) научных конференций.

Диссертация обсуждена на научном семинаре кафедры молекулярной физики факультета молекулярной и биологической физики Московского физико-технического института.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

XLVIII научная конференция МФТИ, Долгопрудный, 25-26 ноября, 2005; 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США, 9-12 января, 2006; XXI Международная конференция "Уравнения состояпия вещества", п. Эльбрус, респ. Кабардино-Балкария, 1-6 марта, 2006; Пятый международный коллоквиум по импульсной и непрерывной детонации, Россия, Москва, 3-7 июля, 2006; 31st International Symposium on Combustion, Гайдельберг, Германия, 6-11 августа, 2006; 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США, 8-11 января, 2007; 7th International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Москва, 17-19 апреля, 2007; Second European Conference for AeroSpace Sciences, Брюссель, Бельгия, 1-6 июля, 2007; 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Цинциннати, США, 09-11 июля, 2007; 28th International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Прага, Чехия, 15-20 июля, 2007; 21st International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Пуатье, Франция, 22-27 июля, 2007; 18th International Symposium on Plasma Chemistry, Киото, Япония, 26-31 августа, 2007; 50я научная конференция МФТИ, Долгопрудный, 23-27 ноября 2007; 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США, 7-10 января, 2008; 20th

"Journee d'etudes" of the Belgian Section of The Combustion Institute, Гент, Бельгия, 6-8 мая, 2008; 19th Europhysics Conference on the Atomic and. Molecular Physics of Ionized Gases, Гранада, Испания, 15-19 июля, 2008; 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Хартфорд, США, 21-23 июля, 2008; 32nd International Symposium on Combustion, Монреаль, Канада, 3-8 августа, 2008; XVII International Conference on Gas Discharges and Their Applications, Кардифф, Великобритания, 7-12 сентября, 2008; 6th International Seminar on Flame Structure, Брюссель, Бельгия, 14-17 сентября, 2008; 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Орландо, США, 5-9 января, 2009.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 7 глав. Работа изложена на 148 страницах текста, включает 91 рисунок. Список литературы насчитывает 90 наименований.

Содержание диссертации

Первая глава является введением в работу. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные ее цели и положения, выносимые на защиту, указана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Вторая глава содержит обзор литературы, посвященной известным способам инициирования детонации в газах.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию инициирования детонации с помощью распределенного наносекундного разряда.

Для этого использовалась установка, описанная в ранее опубликованных работах [4J и [5]. Основной частью установки является детонационная труба с гладкими внутренними стенками суммарной длиной 1570 мм. Внутренний диаметр трубы составляет 140 мм. Высоковольтный наносекундпый импульс для инициирования разряда формировался генератором, собранным по схеме Маркса.

В рамках данной работы установка была модернизирована для проведения экспериментов при более высоких начальных давлениях. Для этого к выходному концу детонационной трубы был присоединен расширительный объем. Также, для независимой регистрации прохождения возмущений плотности, в том числе ударных скачков, в двух сечениях трубы были установлены шлирен-датчики. При этом, прохождение фронта пламени регистрирвалось детекторами инфракрасного излучения, а параметры электрического импульса контролировались с помощью шунта обратного тока.

Результаты, опубликованные в [5] и [4], представляют исследования воспламенения топливной смеси и инициированию детонации в смесях СзНв + 50г, С3Н8/С4Н10 + 502 + xN2 (х=0-10) при начальных давлениях, не превышающих

0.6 бар. Данная работа расширяет диапазон исследований в область начальных давлений до 1 бар, при этом дополняя их результатами экспериментов в смесях с гек-саном: 0.5СбН14 + 4.502 + ^N2 (х=0-3). Как и ранее, исследовалась зависимость режима распространения пламени и времени задержки воспламенения от начального давления состава смеси.

В условиях экспериментов наблюдалось три режима распространения пламени: режим медленного горгашя (дефлаграции), в котором скорость распространения пламени меньше скорости звука, переходный режим и режим детонации Чепмена-Жуге. Результаты экспериментов в рамках данной работы представлены на рис. 1 сплошными кривыми в виде зависимости скорости фронта распространения пламени, измеренной на расстоянии ~400 мм от торца разрядной камеры, от давления и состава смеси. Незакрашенные точки соответствуют результатам, полученным ранее и опубликованным в работах [4] и [5].

0,4 0,6 0,8

Давление, бар

СзН8/С4Н10+5О2+хЫ2 -□- х=0 (0%) * -о- х=1 (14%) * -д- Х=2 (25%) * -V- х=3 (33%) * — х=4(40%)* I- х=5 (45%) ->- х=6 (50%) -о— х=7 (54%) ■—*— х=8 (57%) -о- х=10 (63%) 0.5С6Н14+4.502+хЫ2 -»- х=0 (0%) * -•- х=1.5 (23%) * -т- х=2.3 (32%) * 1 —»- х=3 (38%) * --*--СзНд +воздух

Рис. 1: Зависимость скорости фронта пламени от начального давления в различных смесях. Скорость ЧЖ составляет около 2400 м/с для смесей с пропан/бутаном и около 2100 м/с для смесей с гексаном.

Переход горения в стационарную детонацию был зафиксирован на расстоянии менее 400 мм от разрядной секции для всех исследованных смесей с концентрацией азота до 36% при начальном давлении в пределах 1 бар. Вложенная энергия при этом составляла не более 3 Дж. В смеси 0.5СбН14 + 4.5С>2 + (38% N2) при начальном давлении 1 атм и энергии разряда 3 Дж длина перехода составила 300 мм, а время — 0,6 мс. Из рис. 1 также видно, что скорости распространения фронта пламени в пропая/бутановых и гексановых смесях близки при близких значениях разбавления азотом.

Сравнение данных, полученных с помощью датчиков ИК излучения и шлиреп-датчиков показало, что скорости распространения фронта пламени и волны сжатия на расстояниях более ~200 мм от торца разрядной секции совпадают во всех сверх-

звуковых режимах. Это позволило сделать вывод о том, что измеренная с помощью ИК-диагностики скорость распространения фронта пламени соответствует скорости детонационной волны.

В четвертой главе описаны постановка и результаты эксперимента, направленного на проведение сравнительного анализа эффективности инициирования детонации при возбуждении наносекувдным и микросекущцшм высоковольтными разрядами. В главе описывается установка со схожей геометрией разрядной секции, но иной высоковольтной частью, позволяющей реализовать другой тип разряда. На рис. 2 приведена блок-схема установки. Основной частью установки также является детонационная труба с гладкими внутренними стенками (1). Внутренний диаметр трубы из нержавеющей стали составляет 53 мм, длина трубы 1000 мм. К входному торцу трубы пристыкована разрядная камера (2). Высоковольтный блок питания (3) заряжает подводящую линию (4) до напряжения 37 кВ. Формирование импульса на высоковольтном электроде разрядной камеры происходит при замыкании линии на землю тиратроном (5). Параметры электрического импульса регистрируются с помощью шунта обратного тока (6). Вместо ИК-датчиков и шлирен-систем для регистрации прохождения ударного фронта и детонационной волны используются пьезоэлектрические датчики давления (7). Датчики установлены непосредственно в боковых стенках трубы заподлицо с внутренней поверхностью трубы на расстояниях 23, 363 и 873 мм от торца разрядной секции, соответственно. Как и в предыдущем случае, осуществлялась съемка развития разряда пикосекундной ПЗС-камерой "ЬаУшоп Р1а^аг 12Н11" (8) через торец детонационной трубы. Геометрия разрядной секции распределенным электродом приведена на рис. 3.

\

г?

/

/

С3=1

Рис. 2: Общая схема экспериментальной установки с локализованным микросекундным разрядом. 1 — детонационная труба, 2 — разрядная секция, 3 — блок питания 37 кВ, 4 — высоковольтная подводящая линия, 2 = 17 Ом, 5 — тиратрон, 6 — шунт обратного тока, 7 — пьезоэлектрические датчики давления, 8 — пикосекундная ПЗС-камера с усилителем яркости.

В этом разделе также описана электрическая схема формирования высоковольтных импульсов с помощью тиратрона, схема высоковольтного блока питания, собранного специально для данной работы по схеме Грайнахера (Кокрофта-Валтона), и особенности диагностики с помощью пьезоэлектрических датчиков давления. Отдельный подраздел посвящен схеме синхронизации разряда и импульса управляю-

Керамика

Заземленные стержни

Вид с торца

Рис. 3: Рарзрядная камера с распределенным электродом из 28 каналов: диаметр камеры — 53 мм, диаметр разрядного канала — 5 мм, длина канала — 95 мм, межэлектродное расстояние — 50 мм.

щего напряжения на усилителе яркости пикосекундной ПЗС-камеры.

Первый этап экспериментальных исследований в четвертой главе представляет собой изучение динамики развития разряда с помощью оптической диагностики. Съемка излучения разряда с короткой выдержкой в режиме разового запуска при различных давлениях воздуха в разрядной камере проводилась ПЗС-камерой (8) и фотоэлектронным катодом ФЭК-22 диапазоне 300-800 нм. В работе приведены пространственно-разрешенные фотографии и временные профили интенсивности излучения. Показано, что при давлении воздуха в разрядной камере 1 Topp развитие разряда в большом количестве ячеек происходит не раньше, чем через 80 не после прихода электрического импульса на высоковольтный электрод. Еще через несколько сотен наносекунд формируется один искровой канал. Такой временной профиль излучения соответствует форме микросекундного высоковольтного импульса. В отличие от развития разряда при низком давлении, локализация разряда в одной ячейке и срыв в искру вследствие ионизационной нестабильности при 1 атм происходит уже через ~50 не после прихода электрического импульса на высоковольтный электрод. Фаза однородного разряда в большом количестве ячеек в данном случае отсутствует вовсе. Подобное развитие разряда является следствием сравнительно большой дли-

тельности переднего фронта импульса (~200 не).

Эксперименты по инициированию детонации локализованным микросекундным разрядом представлены в смесях СзЯз/С^щ + 5СЬ + хИг (х = 0 и х = 4) при начальных давлениях смеси до 1 атм. Режим распространения пламени определялся по скорости распространения ударной волны, регистрируемой с помощью датчиков давления. Результаты экспериментов приведены на рис. 4 в виде зависимости скорости ударного фронта от давления и состава смеси, измеренной на расстоянии ~600 мм от торца разрядной камеры.

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Давление, бар

Рис. 4: Зависимость скорости фронта пламени от давления па расстоянии ~400 мм (в установке с распределенным наносекундным разрядом) и скорости ударного фронта на расстоянии ~600 мм (в установке с локализованным микросекундным разрядом) от торца разрядной камеры в различных смесях. С3Н8/С4Н10 + 502: о-в трубе 1, • - в трубе 2. □ - 0.5С6Н14 + 4.502 + ЗЫ2 (37.5%) в трубе 1,1- С3Н8/С4Н10 + 502 + (40%) в трубе 2.

В экспериментах наблюдались те же режимы распространения пламени: де-флаграция, режим переходной детонации и стационарный режим детонации Чепмена-Жуге. Указано на свидетельство меньшей эффективности инициирования детонации локализованным микросекундным разрядом по сравнению с распределенным наносекундным разрядом.

Одновременно в экспериментах регистрировалось время задержки воспламенения. Зависимости величины времени задержки от начального давления смеси в двойном логарифмическом масштабе имеют вид параллельных прямых, но наклон прямых для разных труб отличается. При этом, значения задержек воспламенения искровым разрядом существенно (в несколько раз) ниже для всех смесей при начальных давлениях до 0.5 атм.

В последней секции главы приводится обобщение и обсуждение результатов экспериментов в разрядных секциях с распределенными электродами. Подчеркивается существенно более высокая эффективность инициирования детонации с помощью распределенного наносекундного разряда, связанная в первую очередь с отличиями во временнбй и пространственной форме разряда. При длительности времени нарастания высоковольтного импульса в несколько сотен наносекунд развитие разряда начинается при близкой к пробойной напряженности приведенного поля. Высокие значения перенапряжения не достигаются, и развитие ВВИ при давлениях 0.1—1 атм не происходит. Вместо этого пробой развивается в виде локализованного в одной ячейке искрового разряда. Высокая плотпость энерговклада и степени иошва-ции газа приводит к снижению приведенного поля и вложению значительной части энергии в поступательные степени свободы. Однако, эффективное воспламенение в одной ячейке не приводит к быстрому формированию и усилению ударного фронта и, следовательно, не является эффективным для ипициировалия детонации.

Пятая глава посвящена описанию постановки и результатов эксперимента, направленного на детальное изучения перехода горения в детонацию при различных режимам развития разряда. Для этого была собрана установка, состоящая из детонационной трубы с одноканальной разрядной секцией и системы инициирования высоковольтными наносекундными импульсами (схема на рисунке 5. Разрядная секция представляет собой оргстеклянный цилиндр (1) с коаксиальным цилиндрическим каналом. Заостренный высоковольтный электрод (2) помещен внутрь канала диаметром 6.5 мм. Разрядная секция закрыта заземленным экраном (3). Длительность инициирующего высоковольтного импульса равна 50 не на полувысоте. Его амплитуда может изменяться от 50 до 160 кВ. Форма импульса и его амплитуда контролируются шунтом обратного тока. Гладкостенная детонационная труба имеет квадратное поперечное сечение размером 20x20 мм и длину 300 мм. Четыре пары датчиков ИК-излучения и датчиков давления установлены в боковой стенке трубы для измерения скоростей распространения фронта горения и ударной волны (5-8).

5

6

71 8! 4

! /

2Ч

150

300

Разрядная секция

Детонационная труба

Рис. 5: Детонационная труба с одноканальной разрядной секцией: схема.

Второй раздел главы посвящен детальному изучению пространственно-временной динамики развития наносекундного разряда. Пространственно-разрешенная съемка развития разряда в воздухе была проведена при давлении 0.1 и 1 бар через оргстеклянную боковую стенку при помощи ПЗС-камеры ЬаУ18ЮП Р1соз1аг 12Н11. Времяразрешенные данные о развитии разряда были получены при помощи стрик-камеры с наносекундным разрешением НататаЬзц С5680.

Показано, что при экспериментальных условиях наблюдались два основных режима распространения разряда. При ббльших значениях приведенного электрического поля первичный стример достигает заземленного электрода, что приводит к распространению обратной волны, формированию сильноточного канала и быстрому нагреву газа во всем объеме разрядного канала. Если же приведенное электрическое поле не достаточно высоко, стример не успевает достичь заземленного электрода. Распространение обратного импульса и формирование сильноточного канала в этом случае не происходит. Газ возбуждается неоднородно по длине промежутка, что приводит к формированию в разрядном канале продольного градиента концентрации активных частиц. При определенных экспериментальных условиях также наблюдался переходный режим развития разряда, характеризующийся большей долей энергии, вкладываемой в поступательные степени свободы, по сравнению со стримерным режимом. При этом, степень нагрева газа была существенно ниже, чем при инициировании искрой. В разделе приводятся соответствующие пространственно-разрешенные и стрик-фотографии развития разряда в канале вместе с осциллограммами сигналов шунта обратного тока, содержащими данные о формах импульсов и энерговкладе.

В третьем разделе приводятся результаты инициирования детонации в пропан-кислородных смесях при инициировании тремя различными типами разряда. Начальное давление смесей варьировалось от 0.1 до 1 бар, результаты в целях ясности представлены для двух значений давления: 0.3 и 1 бар. Для всех экспериментов приведены осциллограммы сигналов датчиков ИК-излучсния и датчиков давления, а так же хЧ; диаграммы процессов.

С помощью съемки воспламенения в разрядном канале ПЗС-камерой с усилителем яркости ЬаУ18ЮП Ркх^аг НИ 12 было показано, что воспламенение искровым разрядом происходит раньше чем через 5 мкс после разряда. Такой метод инициирования ПГД при начальном давлении 1 бар и вложенной энергии 10 Дж привел к времени и длине ПГД, составляющим не более 50 мкс и 50 мм, соответственно. ХЧ. диаграмма этого процесса представлена на рис. 6. Процесс ПГД также был снят той же камерой через оргстеклянное окно в боковой стенке детонационной трубы. Результат представлен в виде серии фотографий, сделанных в разных экспериментах при одинаковых условиях в различные моменты времени.

Стримерный режим развития разряда в условиях эксперимента был реализовал при давлении 1 бар и амплитуде импульса 80 кВ. При этих условиях энергия импульса составляла 3-5 Дж. Стримерный режим разряда приводил к отличающейся картине перехода горения в детонацию. Для того, чтобы исследовать динамику процесса воспламенения, была проведена съемка разрядного канала камерой ЬаУ13юп иПтаЭрсес^аг 16, позволяющей снимать последовательность из 16-^ги кадров с мак-

С,Н. ♦ 50,

Расстояние, мм

Рис. 6: ХЧ диаграмма ПГД при начальном давлешш 1 бар, искровой режим.

симальной частотой кадров 1 МГц. Результаты инициирования стримером при давлении 1 бар представлены на рис. 7 в виде последовательности 12-ти кадров с длительностью выдержки 4 мкс каждый. Результаты показали, что воспламенение возникало в области около высоковольтного электрода после задержки, превышающей 50 мкс, и затем распространялось и ускорялось по длине канала. Начальная скорость фронта воспламенения превосходила 1500 м/с и увеличивалась до 2000 м/с у выхода из канала. Точки, соответствующие этим данным для обоих тестов, изображены на хЧ; диаграмме на рисунке 8 в области отрицательных значений координаты х.

Сравнительный анализ всех результатов показал, что существует два основных механизма перехода горения в детонацию при данных экспериментальных условиях. При инициировании достаточно сильной искрой волна пламени оказывается связала с ударной волной на самых ранних стадиях процесса. Две связанные волны ускоряются до определенного значения скорости, при котором происходит адиабатический взрыв в горячей точке. Вскоре после взрыва формируется плоская детонационная волна Чепмена-Жуге. Если вложенная энергия недостаточно велика и степень нагрева не позволяет смеси воспламениться мгновенно, то перед началом распространения волны горения регистрируется некоторая задержка воспламенения. В этом случае волне горения необходимо некоторое время, чтобы догнать ударную волну и затем вместе с ней ускориться до необходимой величины скорости.

Второй механизм наблюдался при возбуждении стримером и являлся комбинацией механизмов Зельдовича [6] и механизма усиления ударной волны с помощью когерентного энерговыделения [7]. В этом случае смесь возбуждается стримером неравномерно, так, что формируется градиент задержки воспламенения. После некото-

Расстояние, мм

50 100

150 _I

Рис. 7: Съемка процесса воспламенения горючей смеси в разрядном канале. ПГД при начальном давлении 1 бар, стримерный режим.

рой задержки воспламенение возникает в горячей области у острия высоковольтного электрода. Спонтанная волна затем распространяется вдоль канала со скоростью Цр < УС], постепенно ускоряясь до скорости Чепмена-Жуге, что согласуется с упомянутыми выше механизмами. Такое низкоэнергетичное инициирование приводит к бблыпему времени ПГД по сравнению с искровым режимом при тех же условиях. Однако, длина ПГД в обоих случаях оказывается меньше удвоенного поперечного размера детонационной трубы. Более того, энергия, идущая на инициирование в экспериментах со стримерным воспламенением, оказывается на порядок величины меньше, чем энергия, необходимая для инициирования в искровом режиме, и на два порядка меньше, чем энергия, необходимая для прямого инициирования плоской детонационной волны.

Шестая глава посвящена детальному изучению градиентного механизма инициирования детонации. Для этого была спроектирована четырехканальная разрядная камера из органического стекла (рис. 9) с четырьмя разрядными каналами одинаковой формы, совпадающей с формой каналов в установке, описанной в главе 5. Каналы через адаптер со сходящимися каналами соединялись с той же детонационной трубой с квадратным сечением. Это позволило, в частности, использовать те же средства диагностики для анализа развития воспламенения и детонации.

Та же техника была применена и для изучения развития разряда. Большинство экспериментов было проведено при амплитуде высоковольтного импульса около 50 кВ. При таких условиях разряд распространялся в виде стримера в широком диапазоне давлений выше ~0.1—0.15 бар в зависимости от состава смеси. В работе приведена серия стрик-фотографий развития разряда в одном из разрядных каналов при различных давлениях воздуха. На основе этих данных вновь выполнена оценка относительного распределения концентрации атомов кислорода в межэлектрод-

Расстояние, мм

Рис. 8: ХЧ диаграмма ПГД при начальном давлении 1 бар, стримерный режим.

Рис. 9: Четырехканальная разрядная камера: схема устройства. (1) — высоковольтный электрод, (2) — разрядный канал с внутренним диаметром 6.5 мм, (3) — адаптер со сходящимися каналами, (4) — заземленный коаксиальный экран, (5) — заземленные пластины.

ном промежутке при давлении 1 бар. Характерный размер градиента концентрации составил ~5 см, что в два раза меньше, чем в случае одноканальной секции, что объясняется относительно низкой величиной приведенного поля (25 Тд).

Эксперименты по инициированию детонации таким разрядом проводились в трех смесях: С3Н8 + 502 (неразбавленная), С3Н8 + 502 + 41Ч2 (40% азота) и С2Н2 + воздух (стехиометрическая). В большинстве экспериментов амплитуда импульса па-пряжения была в диапазоне 40—60 кВ. Результаты представлены в виде исходных осциллограмм сигналов датчиков давления и приемников ИК излучения, а также хЧ диаграмм. Данные о распространении волн горения и давления в детонационной трубе были дополнены результатами времяразрешенной фотографии развития воспламенения внутри разрядного канала. Это позволило сделать выводы о типе механизма ПГД, реализующегося в условиях отдельного эксперимента. Важнейшие

результаты обобщены на рис. 10—12. Реализация градиентного механизма позволила сформировать детонационную волну в пропан-кислородной смеси с 40% азота при начальном давлении 0.8 бар при энерговкладе около 300 мДж. Результат высокоскоростной съемки воспламепения внутри разрядного канала приведен на рис. 13 и подтверждает, что переход горения в детонацию происходит по градиентному механизму.

С3На + 502

soo- чж

Фронт 20 не: 0.2 бар, 0.35 Дж НИ 0.3 бар, 0.2 Дж -♦- 0.6 бар, 0.1 Дж -А- 1.0 бар, 0.2 Дж фрокг 2 не: 0.2 бар, 2.0 Дж

__<

у —

Г | 1.0 бар, 2.0 Дж ■ «дноканальмом PK |

ft

-100 0 100 200 300

Расстояние, мм

Рис. 10: X-t диаграммы ПГД при начальном давлении 0.2—1.0 бар, СзНа + 50г, стример.

Седьмая глава является заключением, в котором формулируются основные результаты а выводы диссертации.

Основные результаты и выводы диссертации:

1. Создана серия установок по исследованию механизмов инициирования детонации высоковольтными импульсными разрядами. Установки позволяют изучать режим распространения пламени в детонационной трубе с помощью сенсоров инфракрасного излучения, датчиков давления и шлирен-диагностики для регистрации прохождения волн сжатия. Развитие разряда и воспламенения регистрировалось ПЗС-камерой с усилителем яркости (время экспозиции до 300 пс), стрик-камерой с наносекундным временным разрешением и микросекундной сверхбыстрой многокадровой ПЗС-камерой с усилителем яркости, что позволило получить полную картину развития процесса от инициирования разряда до развитой детонационной волны. Эксперименты по инициированию дето-пации были проведены в следующих стехиометрических смесях: СзНв + 50г,

С3Н, + 502 +

2 500

2000

£ 1 500

Е

к

г

ш

т 1000 500

0

Рис. 11: Х^ диаграммы ПГД при начальном давлении 0.2—0.5 бар, СзН8 + 502 + 4М2, стр1шер.

С3Н8 + 502 + 41М2, С3Н8 + воздух, С3Н8/С4Н10 + 502 + хМ2 (х = 0 - 10), О.бСбНм + 4.502 4- х1Ч2 (х = 0 — 3) и С2Н2 + воздух. Начальное давление смеси при комнатной температуре составляло от 0,1 до 1 атм.

2. Проведен анализ эффективности инициирования детонации двумя типами высоковольтного импульсного разряда разной длительности в системах с распределенными электродами. Установлено, что при помощи распределенного разряда длительностью 50 не инициирование детонации происходит существенно более эффективно, чем при инициировании локализованным микросекундным искровым разрядом сравнимой энергии. Показано, что при инициировании высоковольтным разрядом длительностью 50 не в трубе диаметром 140 мм переход горепия в детонацию зафиксирован на расстоянии менее 400 мм от торца разрядной секции для всех исследованных смесей с концентрацией азота до 38%. Вложенная энергия при этом составляла не более 3 Дж, времена перехода горения в детонацию — менее 1 мс.

3. Детально изучена пространственно-временная динамика развития наносекунд-ного разряда. Показано, что в типичных экспериментальных условиях наблюдаются три режима развития разряда: искровой с образованием высокотемпературного канала, стримерный с неоднородным по длине канала возбуждением газа и комбинированный переходный. Продемонстрировано, что данным режимам развития разряда соответствуют два механизма перехода горения в детонацию. При инициировании искровым или переходным разрядом смесь вос-

1 0.2 бар, 0.6 Дж -■- 0.34 бар, 0.36 Дж 0.5 бар, 0.22 Дж 400 м/с

900 м/с

1000 м/с

-100 0 100 200 300

Расстояние, мм

Рис. 12: ХЧ диаграммы ПГД при начальном давлении 0.5—1 бар, СзЩ + 502 + 41Ч2, стример.

пламеняегся одновременно по объему разрядного канала, формируя ударную волну с числом Маха выше 2 и волну воспламенения. Временная задержка между ударным фронтом и пламенем определяется количеством энергии, вложенной в разряде в поступательные степени свободы газа. Эти волны образуют ускоряющийся комплекс, и, по достижении им определенной скорости, происходит адиабатический взрыв, приводящий к формированию детонации Чепмена-Жуге. При начальном давлении стехиометрической смеси пропана с кислородом в 1 бар длина и время перехода не превысили 50 мм и 50 мкс, соответственно.

4. При возбуждепии стримерным разрядом зарегистрирован переход горения в детонацию по механизму, аналогичному градиентному механизму Зельдовича. Показано, что неравновесное возбуждение газа с формированием градиента времени индукции позволяет эффективно инициировать детонацию. Энергия инициирования при этом оказывается на порядок ниже, чем при искровом инициировании при тех же экспериментальных условиях. Время перехода оказывается в три раза длиннее, но длина перехода остается менее 50 мм, что соответствует двум поперечным размерам трубы. При этом величина вложенной энергии на два порядка ниже энергии, необходимой для прямого инициирования плоской детонации в данных условиях.

5. Показана возможность быстрого формирования детонационной волны в пропан-кислородной смеси с 40% азота при давлении 0,8 бар при энергов-

о 100

150

200

и

X 250 £

о? 300 Z

V 350 а, со

400 450 500 550 600

Рис. 13'. Времяразрешенная съемка воспламенения смеси пропана, кислорода и 40% азота. ПГД при начальном давлении 0.8 бар, стример.

кладе около 300 мДж, что соответствует среднему нагреву смеси на 12 К. Показано ключевое воздействие количества химической энергии, запасенной в возбуждаемой разрядом смеси, на эффективность градиентного механизма, а также влияние геометрии разрядных каналов и пространственно-временных характеристик разряда.

Список литературы

(lj D. С. Bull, J. Е. Elsworth, G. Hooper, Initiation of spherical detonation in hydrocarbon/air mixtures, Acta Astron. 5 (11) (1978) 997-1008.

[2j Y. B. Zeldovich, V. B. Librovich, G. M. Makhviladze, G. I. Sivashinskii, On the onset of detonation in a nonuniformly heated gas, Zhurnal Prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fiziki 11 (2) (1970) 76n»„84.

[3] E. N. Kulcaev, D. L. Tsyganov, V. P. Zhukov, S. M. Starikovskaia, A. Y. Starikovskii, Deflagration-to-detonation control by non-equilibrium gas discharges and its applications for pulsed detonation engine, in: 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2004, paper 2004-870.

Расстояние, мм

50

100

-!_

[4] В. П. Жуков, Воспламенение насыщенных углеводородов при высоких давлениях и инициирование детонации наносекундным разрядом, диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Московский физико-технический институт (государственный университет) (2004).

[5] V. P. Zhukov, A. Y. Starikovskii, Effect of a nanosecond gas discharge on deflagration to detonation transition, Combustion, Explosion, and Shock Waves 42 (2) (2006) 195— 204.

[6] Y. B. Zeldovich, V. B. Librovich, G. M. Makhviladze, G. I. Sivashinskii, On the onset of detonation in a nonuniformly heated gas, J. Appl. Mech. Tech. Phys. 11 (2) (1970) 264-270.

[7] J. H. S. Lee, Initiation of gaseous detonation, Annual Review of Physical Chemistry 28 (1977) 75-104.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. V. P. Zhukov, А. Е. Rakitin, A. Y. Starikovskii, Effect of high-voltage pulsed discharges on deflagration to detonation transition, Journal of Propulsion and Power 24 (1) (2008) 88-93.

2. A. Y. Starikovskii, N. B. Anikin, I. N. Kosarev, E. I. Mintoussov, M. M. Nudnova, A. E. Rakitin, D. V. Roupassov, S. M. Starikovskaia, I. N. Zavialov, V. P. Zhukov, Nanosecond pulsed discharges for plasma assisted combustion and aerodynamics, Journal of Propulsion and Power 24 (6).

3. A. E. Rakitin, A. Y. Starikosvkii, Mechanisms of deflagration-to-detonation transition under initiation by high-voltage nanosecond discharges, Combustion and Flame 155 (2008) 343-355, doi:10.1016/j.combustflame.2008.05.019.

4. A. Rakitin, A. Starikovskii, Streak images of pulsed discharge development at high overvoltage, IEEE Transactions on Plasma Science 36.

5. A. Rakitin, A. Starikovskii, Gradient Mechanism of Detonation Initiation for PDE Applications. AIAA-2009-855,47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Орландо, США, 5-9 января, 2009.

6. A. Nikipelov, A. Rakitin, A. Starikovskii, Low-Temperature Plasma Chemistry and Plasma Assisted Partial Oxidation, AIAA-2009-224, 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Орландо, США, 5-9 января, 2009.

7. A. Rakitin and A. Starikovskii, DDT Mechanism in Pulsed Nanosecond Discharge Plasma, AIAA-2008-107, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США, 7-10 января, 2008.

8. A. Rakitin, V.P. Zhukov, A.Yu. Starikovskii, Detonation Initiation by Non-Equilibrium Plasma of High-Voltage Nanosecond Discharge, AIAA-2007-1029, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США, 8-11 января, 2007.

9. В.П. Жуков, А.Е. Ракитин, А.Ю. Стариковский, Изучение перехода горения в детонацию под действием высоковольтного наносекундного разряда, XLVIII научная конференция МФТИ, Долгопрудный, 25-26 ноября, 2005.

10. А.Е. Ракитин, В.П. Жуков, А.Ю. Стариковский, Инициирование горения и детонации при помощи высоковольтного наносекундного разряда, XXI Международная конференция "Уравнения состояния вещества", п. Эльбрус, респ. Кабардино-Балкария, 1-6 марта, 2006.

11. V.P. Zhukov, А.Е. Rakitin, A.Yu. Starikovskii, Initiation of Detonation by Nanosecond Gas Discharge, Пятый международный коллоквиум по импульсной и непрерывной детонации, Россия, Москва, 3-7 июля,2006.

12. А.Е. Ракитин, Переход горения в детонацию под действием импульсных высоковольтных разрядов, 50я научная конференция МФТИ, Долгопрудный, 23-27 ноября 2007.

13. А.Е. Rakitin, V.P. Zhukov, A.Yu. Starikovskii, Deflagration to Detonation TVansition under Initiation by High-Voltage Nanosecond Discharges, Second European Conference for AeroSpace Sciences, Брюссель, Бельгия, 1-6 июля, 2007.

14. А.Е. Rakitin, V.P. Zhukov, A.Yu. Starikovskii, Deflagration to Detonation Transition under Initiation by High-Voltage Nanosecond Discharge, 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Цинциннати, США, 09-11 июля, 2007.

15. V.P. Zhukov, А.Е. Rakitin, A.Yu. Starikovskii, Effect of High-Voltage Pulsed Discharges on Detonation to Deflagration Transition in Gases, 21st International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Пуатье, Франция, 22-27 июля, 2007.

16. А.Е. Rakitin, A.Yu. Starikovskii, Mechanisms Investigation of Detonation Initiation by High-Voltage Nanosecond Discharges, 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Хартфорд, США, 21-23 июля, 2008.

Ракитин Александр Евгеньевич

Инициирование детонации в газах высоковольтным наносекундным

разрядом

Автореферат

Подписано в печать 3 апреля 2009 г. Формат 60 х 84 '/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.0. Уч.- изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 16.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (государственный университет) Отдел автоматизированных издательских систем "ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ" 141700, Моск. обл., г.Долгопрудный, Институтский пер., 9

1 Введение

1.1 Импульсный детонационный двигатель и детонационные волны.

1.2 Механизмы инициирования детонации.

2 Обзор литературы

2.1 Экспериментальные и численные исследования методов инициирования детонации.

2.1.1 Прямое инициирование детонации искровым разрядом

2.1.2 Сокращение длины и времени ПГД с помощью тур-булизующих препятствий.

2.1.3 Инициирование детонации с помощью струй

2.1.4 Влияние топливных добавок на инициирование детонации

2.1.5 Инициирование детонации фокусировкой ударных волн.

2.1.6 Инициирование детонации импульсным коронным разрядом

2.2 Высоковольтный наносекундный разряд как средство инициирования детонации.

2.2.1 Особенности развития высоковольтного наносе-кундного разряда.

2.2.2 Предшествующие экспериментальные результаты

3 Инициирование детонации распределенным наносекунд-ным разрядом

3.1 Экспериментальная установка с распределенным электродом из 131 ячейки.

3.1.1 Детонационная труба и общая схема установки

3.1.2 Высоковольтная часть и разрядная секция.

3.1.3 Диагностическое оборудование.

3.2 Режимы распространения пламени в детонационной трубе

4 Инициирование детонации локализованным микросекундным разрядом

4.1 Экспериментальная установка с распределенным электродом из 28 ячеек.

4.1.1 Детонационная труба и общая схема установки

4.1.2 Высоковольтная часть и разрядная секция.

4.1.3 Диагностическое оборудование.

4.1.4 Схема синхронизации пикосекундной камеры

4.2 Съемка развития разряда с торца детонационной трубы

4.3 Режимы распространения пламени при инициировании локализованным разрядом.

4.4 Обобщение результатов экспериментов с использованием распределенных электродов.

5 Механизмы инициирования детонации наносекундным разрядом в одноканальной разрядной секции

5.1 Экспериментальная установка с одноканальной разрядной секцией

5.2 Диагностика процесса развития различных типов разряда

5.2.1 Оптическая регистрация с пространственным разрешением

5.2.2 Оптическая регистрация с пространственно-временным разрешением.

5.3 Механизмы инициирования детонации различными типами разряда.

5.3.1 Инициирование детонации искровым разрядом

5.3.2 Инициирование детонации переходным разрядом

5.4 Обсуждение и сравнение: влияние типа разряда на воспламенение и инициирование детонации.

6 Градиентный механизм инициирования детонации в че-тырехканальной разрядной секции

6.1 Экспериментальная установка с четырехканальной разрядной секцией.

6.2 Динамика развития разряда в четырехканальной геометрии

6.3 Результаты инициирования детонации в пропан-кислородной смеси.

6.3.1 Инициирование искровым и переходным разрядами

6.3.2 Инициирование стримерным разрядом.

6.4 Градиентный механизм в смесях с разбавлением азотом

6.5 Обсуждение и сравнение: градиентный механизм в различных смесях.

1.1 Импульсный детонационный двигатель и детонационные волны Современные исследованрш процесса инициирования детонации связаны с необходимостью реализации концепции так называемого импульсного детонационного двигателя (ИДД). Данный тип двигателей реализует процесс сгорания ТОПЛРШНОЙ смеси в волне сжатия при постоянном или даже уменьшающемся объеме, что позволяет рассчитывать на увеличе-HPie кпд по сравнению с циклом, использующим горение при постоянном давлении, на 15-25%. Теоретическое рассмотрение эффективности детонационного режима сгорания топлива приведено, например, в [1].Практический интерес к двигателям с детонационной камерой сгорания характеризуется значительным объемом работ, посвященных реа;п1зации различных концепций в виде лабораторных моделей, а также расчету их эффективности [2, 3, 4, 5, б, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28]. Ряд современных исследований касается более частных задач, таких, как поиск оптимальной геометрии выходного сопла детонатщонной камеры сгорания [29, 30, 31, 32, 33] и инрищирова-ние детонации в движущртхся потоках [34]. Широкий круг задач также связан с возможностью применения детонационной камеры сгоранртя в газовых турбинах [29, 30, 31, 32, 33].ТеоретР1ческое исследование распространения детонационных волн в огранР1ченном объеме (обычно, трубе постоянного сечения), как праврь ло, проводится в рамках одномерных моделей. Общей чертой всех одномерных моделей является представленрю детонационной волны в виде комплекса из ударного фронта и зоны реакцрш. В основе ЭТРХХ Л'Юде;юй лежр1Т предположение о том, что ударный фронт и зона реакции жестко связаны и перемещаются с одной скоростью, зависящей от состава смеси и природы топлива. Это предположение хорошо подтверждается экспериментами. Исходная модель, предложенная независимо Чепменом [35] и Жуге [36J, основана на рассмотрении распространения стационарной ударрюй волны в рамках анализа Ренкина-Гюгонио с учетом подвода энергии. Модель также использует предположение о том, что зона выделения энергии локализована в п.лоскости ударного фронта. Поскольку скорости химических реакций конечны, это допущение неверно. Тем не менее, модель позволяет получить достаточно близкие значения средних скоростей распространения детонационной волны и верную зависимость от природы топлива и состава горючей смеси в тех случаях, когда можно пренебречь вязкими и тепловымр! потерями. Модель Чепмена-Жуге, однако, не позволяет оценить пределы детонации.Более точная одномерная модель была разработана Зельдовичем [37], фон Нейманом [38] и Дерингом [39] (модель ЗНД). Ее описание приведено, например, в [40]. Модель ЗНД учитывает конечную скорость химических реакций. В модель введены уравнения, описывающие задержки воспламенения Ttgn для ценных реакций, характерных для детонационных процессов. Согласно этим уравнениям, время до начала реакций рекомбинации типа Н + ОН + М -^ Н2О + М, (1.1) в которых в основном и происходит энерговыделение, зангюывается в виде выражения Аррениуса: гг,п = [F]™[0,]'^exp(Ea/RT), (1.2) где [F] и [Ох] - концентрации горючего и окислителя соответственно, Еа -усредненная энергия активации, R - газовая постоянная, - равновесная температура за ударным фронтом. Подстановка эксперр1ментальных значений т, п и Еа позволяет оценить время задержки воспламенения как l<Tj^n<10 МКС при температуре и плотности за ударным скачком, соответствующими типичной скорости распространения детонационной волны (1,5-4 км/с, Т == 2000-3000 К, Р =-- 10-20 атм). Таким образом, расстояние между ударным фронтом и зоной реакции по порядку ве;и^-чипы лежит в диапазоне 1-10 мм. Исходя из этого, можно оценить уменьшение скорости детонации из-за потерь энергии, обуслювленных вязкостью. Задание некоторого фиксированного значения декремента скорости в рамках модели ЗНД позволяет оценить пределы детонации.Необходимо также отметить, что в действительности природа детонационных волн нестационарна и многомерна. Несмотря на то, что средние параметры распространения детонационных волн с достаточно высокой точностью можно рассчитывать по одномерным моделям, изучение структуры детонационных фронтов позволяет, в частности, получить важную информацию о детонационной способности различных смесей. Качественное описание многомерной структуры детонационных волн приведено, например, в [41]. Многомерная структура детонационных волн характеризуется шириной детонационной ячейки (Л).Детонационная способность смесей растет с уменьптением Л, значение которой в свою очередь падает с ростом начального давления смеси.Помирю этого, параметр Л определяет минимальный поперечный размер трубы, в котором может распространяться плоская стационарная детонационная волна при данных условиях в несгоревшей смеси. Так, для типичной стехиометрической смеси пропана с воздухом при начальном давлении в 1 атм птирина детонационной ячейки составляет около 5 см, что означает, что для распространения стационарной детонации поперечный размер трубы не ^южeт быть менее 5—6 см. К сожалению, теоретическое исследование трехмерной структуры детонационных волн осложнено необходи^юстью проведения совместного анализа газодинамики ударных волн и кинетики химических реакций, требующего значительных вычислительных мощностей.

1. Создана серия установок но исследованию механизмов ИНИЦРЬ ировапия детонации высоковольтными импульсными разрядами.Установки позволяют изучать режим распространения пламени в детонационной трубе с помощью сенсоров инфракрасного излуче ния, датчиков давления и шлирен-диагностики для регистрации прохождения волн сжатия. Развитие разряда и воспламенения реги стрировалось ПЗС-камерой с усилп'1телем яркости (время экспози ции до 300 пс), стрик-камерой с наносекундным временным раз решением и микросекундной сверхбыстрой многокадровой П З С -

камерой с усилите^юм яркости, что позволило получить полную кар тину развития процесса от инициирования разряда до развитой де тонационной волны. Эксперименты по инрпщированию детонации был1'1 проведены в с;юдующих стехиометрических смесях: CsHg 1-

502, СзНв + 502 + 4N2, CgHg + воздух, С3Н8/С4Н10 + 502 + х^2 (х = О - 10), 0.5СбН14 + 4.502 + ^N2 (а; = О - 3) и С2Г12 + воздух.Начальное давление смеси при комнатной температуре составляло от 0,1 до 1 атм.2. Проведен анализ эффективности инициирования детонатщи двумя типами высоковольтного импульсного разряда разной длительности в системах с распределенными электродами!. Установлено, что nppi помощи распределенного разряда длительностью 50 не инициирова ние детонации происходит существенно более эффективно, чем при инициировании локализованным микросекундным искровым разря дом сравнимой энергии. Показано, что при инициировании высоко вольтным разрядом д;и4тельностью 50 не в трубе диаметром 140 мм переход горения в детонацию зафиксирован на расстоянии менее 400 мм от торца разрядной секции для всех исследованных смесей с концентрацией азота до 38%. Вложенная энергия при этом со ставляла не более 3 Дж, времена перехода горения в детонацию — менее 1 мс.3. Детально изучена пространственно-временная динамика развития наносекундного разряда. Показано, что в типичных эксперимен тальных условиях наблюдаются три режима развития разряда: ис кровой с образованием высокотемпературного канала, стримерный с неоднородным по длине канала возбуждением газа и комбини рованный переходный. Продемонстрировано, что данным режимам развития разряда соответствуют два механизма перехода горения в детонацР1Ю. При ргаициировапии искровым или переходным раз рядом смесь воспламеняется одновременно по объему разрядного канала, формируя ударную волну с числом Маха вьнпе 2 и волну воспламенения. Временная задержка между ударным фронтом и пламерюм определяется количеством энергии, вJЮжeннoй в разряде в поступательные степени свободы газа. Эти волны образуют уско ряющийся комплекс, и, по достижении им определенной скорости, происходит адиабатический взрыв, приводящий к формированию детонацрп! Ченмена-Жуге. При начальном давлении стехиометри ческой смеси пропана с кислородом в 1 бар длина и время перехода не превысили 50 мм и 50 мкс, соответственно.4. При возбуждении стрртмерным разрядом зарегистрирован переход горения в детонацию но механизму, аналогичному градртентному ме ханизму Зельдовича. Показано, что неравновесное возбуж:дение газа с формированием градиента времени индукции позволяет эффек тивно инициировать детонацию. Энергия инициирования при этом оказывается на порядок нР1же, чем при искровом инициировании при тех же экспериментальных условиях. Время перехода оказыва ется в три раза ДJПIHнec, но длина перехода остается менее 50 мм, что соответствует двум поперечным размерам трубы. При этом величи на вложенной энергии на два порядка ниже энергии, необходимой для пря^юго инициирования плоской детонации в данных условиях.5. Показана возлюжность быстрого формирования детонационной вол ны в пpoпaн-киcJюpoдпoй слгеси с 40% азота при давлении 0,8 бар при энерговкладе око;ю 300 мДж, что соответствует среднему нагреву смеси на 12 К. Показано ключевое воздействие количества химической энергии, запасенной в возбуждаемой разрядом смеси, на эффективность градиентного механизма, а также влияние гео метрии разрядных каналов и пространственно-временных характе ристик разряда.

1. J. А. С. Kentfield, Thermodynamics of airbreathing pulse-detonation engines, Journal of Propulsion and Power 18 (6) (2002) 1170.

2. P. K. Panicker, J.-M. Li, F. K. Lu, D. R. Wilson, Development of a compact liquid fueled pulsed detonation engine with predetonator, in: 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2007, paper 2007-237.

3. A. Rasheed, A. Glaser, R. A. Dunton, V. E. Tangirala, Experimental and numerical investigations of a valved multi-tube pde, in: 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2008, paper 2008-110.

4. W. Fan, C. Yan, X. Huang, Q. Zhang, L. Zheng, Experimental investigation on two-phase pulse detonation engine, Combustion and Flame 133 (2003) 441-450, doi:10.1016/S0010-2180(03)00043-9.

5. Т. В. Баженова, В. В. Голуб, Использование газовой детонации в управляемом частотном режиме, Физика горения и взрыва 39 (4) (2003) 3-21.

6. J. Sterling, К. Ghorbanian, Т. Sobota, Enhanced combustion pulsejet engines for mach 0 to 3 applications, in: AIAA/ASME/SAE/ASEE 32nd Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA, Lake Buena Vista, USA, 1996, paper 1996-2687.

7. J. О. Sinibaldi, P. Hall, J. Holthaus, T. Robbins, Design and development of a new valveless pde concept, in: G. Roy, S. Frolov, J. Sinibaldi (Eds.), Pulsed and Continuous Detonations, Torus Press, Moscow, Russia, 2006, pp. 261-267.

8. Б. Y. Marchukov, A. I. Tarasov, A. V. Wagner, Testing results of valveless pulse engine demonstrator and numerical simulation, in: G. Roy, S. Frolov, J. Sinibaldi (Eds.), Pulsed and Continuous Detonations, Torus Press, Moscow, Russia, 2006, pp. 294-298.

9. T. J. Danaher, Characterization of ethylene/jp-10 fuel injection profiles for a valveless pulse detonation engine, Master's thesis, Naval Postgraduate School (2007).

10. S. I. Jackson, J. E. Shepherd, A toroidal imploding detonation wave initiator for pulse detonation engines, AIAA Journal 45 (1) (2007) 257270.

11. S. Eidelman, W. Grossman, Pulsed detonation engine experimental and theoretical review, in: AIAA/SAE/ASME/ASEE 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA, Nashville, USA, 1992, paper 92-3169.

12. T. R. A. Bussing, G. Pappas, An introduction to pulse detonation engines, in: 32nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 1994, paper 1994-263.

13. T. R. A. Bussing, A rotary valved multiple pulse detonation engine, in: AIAA/ASME/SAE/ASEE 31st Joint Propulsion Conference and Exhibit,, AIAA, San Diego, USA, 1995, paper 1995-2577.

14. S. Kitano, H. Sato, A. K. Hayashi, V. Tangirala, N. Tsuboi, Development of micro-pde and its performance evaluation, in: G. Roy, S. Frolov, J. Sinibaldi (Eds.), Pulsed and Continuous Detonations, Torus Press, Moscow, Russia, 2006, pp. 280-285.

15. T. Kojima, H. Kobayashi, Analytical and experimental study on pde with exit valves for hypersonic propulsion system, in:AIА А / ASME/S АЕ / ASEE 31st Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA, Tucson, USA, 2005, paper 2005-3510.

16. P. Akbari, E. Szpynda, R. Nalim, Recent developments in wave rotor combustion technology and future perspectives: A progress review, in: 43rd AIAA/ASME/SАЕ/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA, Cincinnati, USA, 2007, paper 2007-5055.

17. F. A. Bykovskii, V. V. Mitrofanov, E. F. Vedernikov, Continuous detonation combustion of fuel-air mixtures, Combustion, Explosion, and Shock Waves 33 (3) (1997) 120-131.

18. D. M. Davidenko, I. Gokalp, A. N. Kudryavtsev, Numerical study of the continuous detonation wave rocket engine, in: 15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, AIAA, Dayton, USA, 2008, paper 2008-2680.

19. V. E. Tangirala, N. Tsuboi, A. K. Hayashi, Performance estimations for subsonic-to-supersonic flight conditions of a pulse detonation engine, in: 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2008, paper 2008-113.

20. F. Ma, J.-Y. Choi, V. Yang, Internal flow dynamics and performance of valveless airbreathing pulse detonation engine, in: 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2006, paper 20061024.

21. С. M. Brophy, L. S. Werner, J. O. Sinibaldi, Performance characterization of a valveless pulse detonation engine, in: 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2003, paper 20031344.

22. Y. Matsutomi, S. Heister, Studies on valveless pulse detonation engines, in: 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition, AIAA, Orlando, USA, 2009, paper 2009-0859.

23. A. K. Hayashi, N. Tsuboi, H. Jotaki, V. Tangirala, A. J. Dean, Performance estimations of a pde with exit nozzles, in: G. Roy, S. Frolov, J. Sinibaldi (Eds.), Pulsed and Continuous Detonations, Torus Press, Moscow, Russia, 2006, pp. 286-293.

24. J. L. Cambier, J. K. Tegner, Strategies for pde performance optimization, in: AIAA/ASME/SAE/ASEE 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA, Seattle, USA, 1997, paper 1997-2743.

25. S. Eidelman, X. Yang, Analysis of the pulse detonation engine efficiency, in: AIAA/ASME/SAE/ASEE 34th Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA, Cleveland, USA, 1998, paper 1998-3877.

26. J. Heffer, R. Miller, Performance of choked unsteady ejector-nozzles for use in pressure gain combustors, in: 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition, AIAA, Orlando, USA, 2009, paper 2009-1063.

27. К. И. Щслкин, Возникновение детонации в газах в шероховатых трубах, ЖТФ 17 (5) (1947) 613.

28. C. J. Brown, G. O. Thomas, Experimental studies of ignition and transition to detonation induced by the reflection and diffraction of shock waves, Shock Waves 10 (1) (2000) 23-32.

29. P. D. Hutcheson, С. M. Brophy, J. O. Sinibaldi, Design, modeling and evaluation of an initiator unit for a split-path jp-10/air pulse detonation combustor, in: 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2007, paper 2007-233.

30. F. R. Schauer, C. L. Miser, К. C. Tucker, Detonation initiation of hydrocarbon-air mixtures in a pulsed detonation engine, in: 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2005, paper 2005-1343.

31. R. Sorin, R. Zitoun, D. Desbordes, Optimization of the deflagration to detonation transition: Reduction of length and time of transition, Shock Waves 15 (2) (2006) 137-145.

32. H. H. Смирнов, В. Ф. Никитин, Влияние геометрии канала и температуры смеси на переход горения в детонацию в газах, Физика горения и взрыва 40 (2) (2004) 68-83.

33. V. N. Gamezo, Т. Ogawa, Е. S. Oran, Deflagration-to-detonation transition in premixed h2-air in channels with obstacles, in: 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2007, paper 2007-1172.

34. I. Semenov, S. Frolov, V. Markov, P. Utkin, Shock-to-detonation transition in tubes with shaped obstacles, in: G. Roy, S. Frolov,J. Sinibaldi (Eds.), Pulsed and Continuous Detonations, Torus Press, Moscow, Russia, 2006, pp. 159-169.

35. M. Cooper, S. Jackson, J. Austin, E. Wintenberger, J. E. Shepherd, Direct experimental impulse measurements for detonations and deflagrations, Journal of Propulsion and Power 18 (5) (2002) 1033-1041.

36. J. Austin, E. Wintenberger, M. Cooper, S. Jackson, J. E. Shepherd, An analytical model for the impulse of a single-cycle pulse detonation tube, Journal of Propulsion and Power 19 (1) (2003) 22-38.

37. D. H. Lieberman, K. L. Parkin, J. E. Shepherd, Detonation initiation by a hot turbulent jet for use in pulse detonation engines, in: 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA, Indianapolis, USA, 2002, paper 2002-3909.

38. P. F. Pinard, A. J. Higgins, J. H. Lee, The effects of no2 addition on deflagration-to-detonation transition, Combustion and Flame 136.

39. S. M. Frolov, V. S. Aksenov, I. O. Shamshin, Shock-to-detonation transition in tubes with u-bends, in: G. Roy, S. Frolov, J. Sinibaldi (Eds.), Pulsed and Continuous Detonations, Torus Press, Moscow, Russia, 2006, pp. 146-158.

40. С. M. Фролов, Быстрый переход горения в детонацию, Химическая физика 27 (2008) 31-44.

41. S. М. Frolov, Liquid-fueled, air-breathing pulse detonation engine demonstrator: Operation principles and performance, Journal of Propulsion and Power 22 (6) (2006) 1162-1169.

42. E. S. Oran, V. N. Gamezo, Origins of the deflagration-to-detonation transition in gas-phase combustion, Combustion and Flame 148 (1-2) (2007) 4-47.

43. A. K. Kapila, D. W. Schwendeman, J. J. Quirk, T. Hawa, Mechanisms of detonation formation due to a temperature gradient, Combustion Theory and Modelling 6 (4) (2002) 553-594.

44. J. H. S. Lee, Initiation of gaseous detonation, Annual Review of Physical Chemistry 28 (1977) 75-104.

45. A. Y. Starikovskii, Plasma supported combustion, in: Proceedings of the Combustion Institute, 30th Interantional Symposium on Combustion, Chicago, USA, 2004, p. 326.

46. S. M. Starikovskaia, N. B. Anildn, S. V. Pancheshnyi, D. V. Zatsepin, A. Y. Starikovskii, Pulsed breakdown at high overvoltage: Development, propagation and energy branching, Plasma Sources Sci. Technol. 10 (2) (2001) 344-355.

47. L. M. Vasilyak, S. V. Kostyuchenko, N. N. Kudryavtsev, I. V. Filyugin, Fast ionisation waves under electrical breakdown conditions, Phys.-Usp. 37 (3) (1994) 247-268.

48. Ю. П. Райзер, Физика газового разряда, Наука, Москва, 1987.

49. Ю. Д. Королев, Г. А. Месяц, Физика импульсного пробоя газов, Наука, Москва, 1991.

50. В. П. Жуков, Воспламенение насыщенных углеводородов при высоких давлениях и инициирование детонации наносекундным разрядом, Ph.D. thesis, Московский физико-технический институт (государственный университет) (2004).

51. V. P. Zhukov, A. Y. Starikovskii, Effcct of a nanosecond gas discharge on deflagration to detonation transition, Combustion, Explosion, and Shock Waves 42 (2) (2006) 195-204.

52. A. Y. Starikovskii, The method of initiation of ignition, intensification of combustion or reforming of fuel-air and fuel-oxygen mixtures, patent PCT/IB 2006/003106 (2006).

53. В. П. Ларионов, Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения., Энергоатомиздат, Москва, 1989.

54. Г. К. Вандышев, Ю. А. Зюрюкин, Анализ особенностей работы пьезоэлектрического датчика на резистивную нагрузку, Физические процессы в электронных приборах 46 (3) (2001) 372-376.

55. М. Kaneshige, J. Е. Shepherd, Detonation database, Technical report fm97-8, GALCIT, California Institute of Technology (1997).

56. I. Kosarev, S. Kindusheva, N. Aleksandrov, S. Starikovskaia, A. Starikovskii, Kinetics in gas mixtures for problem of plasma assisted ignition, in: 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA, Reno, USA, 2007, paper 2007-1386.

57. S. V. Pancheshnyi, S. M. Starikovskaia, A. Y. Starikovskii, Measurements of rate constants of the n2(c3pu) and n2+(b2s-bu) deactivation by n2, o2, h2, со and h2o molecules in afterglow, Chem. Phys. Lett. 294 (1998) 523.

58. A. A. Ionin, I. V. Kochetov, A. P. Napartovich, N. N. Yuryshev, Physics and engineering of singlet, delta oxygen production in low-t,emperaturc plasma, J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2) (2007) R25-R61.

59. A. V. Berdushev, et al., Molecular gas heating in pulsed mw discharge, High Temperature (Teplofizika Vysokikh Temperatur) 26 (4) (1988) 661666.

60. Y. B. Zeldovich, V. B. Librovich, G. M. Makhviladze, G. I. Sivashinskii, On the onset of detonation in a nonuniformly heated gas, J. Appl. Mech. Tech. Phys. 11 (2) (1970) 264-270.Список иллюстраций

61. Распространение спонтанной волны воспламенения понеравномерно нагретой смеси. 9

62. Области развития пробоя в воздухе при помощи различных механизмов в зависимости от перенапряжения. TP -тлеющий разряд. Кривая приведена в обзоре 79., экспериментальные данные взяты из [82]. 23

63. Фотографии излучения наносекундного разряда в воздухе при давлении 0,33 атм в различные моменты времени (негатив). Штриховая линия обозначает контуры разрядной камеры. Выдержка камеры 3 не. 26

64. Схема формирования и регистрации высоковольтных ианосекундных импульсов на установке с распределенным наиосекундным разрядом. 303.3