Плазменно-стимулированное воспламенение высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда

Константиновский, Роман Сергеевич

Плазменно-стимулированное воспламенение высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Константиновский, Роман Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Плазменно-стимулированное воспламенение высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда»

Автореферат диссертации на тему "Плазменно-стимулированное воспламенение высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда"

На правах рукописи

ООоии*1''-

КОНСТАНТИНОВСКИЙ Роман Сергеевич

ПЛАЗМЕННО-СТИМУЛИРОВАННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНО-УГЛЕВОДОРОДНЫХ ПОТОКОВ В УСЛОВИЯХ ПОВЕРХНОСТНОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 С ОЕЗ ш

Москва - 2011

005009750

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный руководитель: Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Шибков Валерий Михайлович доктор физико-математических наук Шибкова Лидия Владимировна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН,

профессор Суржиков Сергей Тимофеевич

доктор физико-математических наук Попов Николай Александрович

Ведущая организация:

Институт нефтехимического синтеза имени А.В.Топчиева РАН.

Зашита диссертации состоится 16 февраля 2012 г. В 16 часов 30 мин. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские горы, дом 1, стр. 2, физический факультет МГУ, ауд. СФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.ВЛомоносова.

Автореферат разослан «/» января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.66 кандидат физико-математических наук И.Н.Карташов

Актуальность темы. Для развития современной авиаиии требуется поиск и разработка новых эффективных средств, позволяющих управлять характеристиками газового потока вблизи поверхности летательного аппарата, контролировать передачу тепла и массоперенос в пограничном слое, снижать поверхностное трение, задерживать ламинарно-турбулентный переход, управлять отрывом потока, уменьшать время воспламенения и управлять процессом горения сверхзвуковых потоков горючего в прямоточном двигателе. Одним из новых решений данных проблем является использование различного типа газовых разрядов. При этом для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов предлагается создавать перед ними и на их несущих поверхностях плазменные образования, а для целей уменьшения времени воспламенения горючего в гиперзвуковом прямоточном двигателе использовать неравновесную газоразрядную плазму.

В области сверхзвуковой плазменной аэродинамики различными научными группами в различных российских и зарубежных институтах проводятся интенсивные исследования, связанные с использованием газоразрядной плазмы для воспламенения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков. Изучаются разряды постоянного тока, наносекундные высоковольтные, микроволновые, высокочастотные разряды, создаваемые на поверхности диэлектрических тел либо в объеме газа [1-9]. Интенсивно ведется математическое моделирование изучаемого явления [10-12]. Возникла задача поиска оптимальных способов создания низкотемпературной плазмы в высокоскоростных потоках газа, изучения влияния газового разряда на газодинамические характеристики потока вблизи обтекаемого тела и выявления механизма быстрого воспламенения углеводородных топлив. Исследование влияния различных типов газовых разрядов на эти процессы актуально с точки зрения необходимости в условиях высокоскоростных потоков обеспечить быстрое объемное воспламенение углеводородного топлива, что актуально для развития современной авиации. Изучение процесса воспламенения и горения углеводородных смесей в условиях низкотемпературной плазмы важно как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомномолекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, так и с точки зрения оптимизации плазмохимических процессов.

Самостоятельные сверхвысокочастотные разряды, существующие при больших значениях приведенного электрического поля, являются одним из перспективных способов создания низкотемпературной плазмы для различ-

ных практических приложений, в частности, для решения задач сверхзвуковой плазменной аэродинамики. СВЧ-разряды, создаваемые в молекулярных газах, приводят к эффективной диссоциации молекул, наработке активных радикалов и нагреву рабочей среды. Эти процессы в разрядах в горючих воздушно-углеводородных смесях могут привести к полному изменению первоначального состава, что связано, в частности, с процессами воспламенения и горения. Для более глубокого понимания физико-химических процессов, протекающих при воспламенении углеводородных смесей в газовой фазе с помощью низкотемпературной плазмы, актуальным является проведение как экспериментальных исследований, так и сопоставление их с расчетами в рамках физических моделей влияния СВЧ-разряда на инициирование горения.

Диссертация посвящена исследованию возможности применения неравновесной низкотемпературной плазмы самостоятельных поверхностного и объемного СВЧ-разрядов, а также импульсного поперечного электродного разряда для инициирования воспламенения сверхзвукового воздушноуглеводородного потока.

Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование фундаментальной научной проблемы, связанной с изучением физических процессов, протекающих в движущейся неравновесной низкотемпературной плазме, создаваемой в многокомпонентных смесях химически активных молекулярных газов с помощью самостоятельных сверхвысокочастотных и импульсных электродных разрядов.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

• реализация быстрого плазменно-стимулированного воспламенения и горения газообразных углеводородов с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы импульсного поперечного по отношению к газовому потоку электродного разряда, объемного свободно локализованного СВЧ-разряда и поверхностного СВЧ-разряда в высокоскоростных пропан-воздушных потоках;

• определение зависимости времени задержки воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха М=1 от приведенного электрического поля в условиях нестационарной низкотемпературной газоразрядной плазмы;

• проведение математического моделирования с целью выявления основного механизма, ответственного за воспламенение углеводородного топлива в условиях газоразрядной плазмы поверхностного СВЧ-разряда.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись как бесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследования проводились с временным и пространственным разрешением с помощью диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров и спектрографов с цифровой регистрацией спектра, блока зондовой диагностики с цифровой регистрацией вольт-амперных характеристик, датчиков давления, термопар, установки теневой диагностики, рефракционных лазерных датчиков, системы измерения проводимости пламени, цифровых фотоаппаратов, высокоскоростной цифровой видеокамеры, цифровых осциллографов; компьютеров.

Математическое моделирование влияния низкотемпературной плазмы сверхвысокочастотного разряда на период индукции проводилось на основе разработанной в диссертации кинетической модели воспламенения водородно-кислородной и пропан-воздушной смеси в условиях неравновесной плазмы поверхностного СВЧ-разряда при учете влияния электрического поля на функцию распределения электронов по энергиям, на процессы диссоциации молекул и наработку активных радикалов, возбужденных и заряженных (электронов, положительных и отрицательных ионов) частиц.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение сверх-

звукового (М- 2) пропан-воздушного потока в условиях импульсного поперечного по отношению к газовому потоку электродного разряда, объемного свободно локализованного СВЧ-разряда и поверхностного СВЧ-разряда и проведено исследование этого явления; '

- экспериментально получена зависимость времени воспламенения сверх-

звукового пропан-воздушного потока от приведенного электрического поля; -

- впервые реализована стабилизация горения сверхзвукового' пропан-воздушного потока внутри аэродинамического канала в условиях программированного СВЧ-разряда;

- на основе математического моделирования показано влияние плазменных эффектов на быстрое воспламенение углеводородного топлива в условиях

, низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда.

Достоверность полученных результатов. Экспериментальные результаты получены с помощью комплекса независимых диагностических методик на различных экспериментальных установках, подтверждаются сравнением измеренных величин с результатами теоретических и экспериментальных работ других исследователей, а также данными численного модели-

рования. Таким образом, полученные результаты являются вполне обоснованными и достоверными.

Личный вклад автора. Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором проведены экспериментальные исследования влияния плазменных эффектов на процесс быстрого воспламенения в условиях плазмы импульсного поперечного по отношению к потоку электродного разряда, объемного и поверхностного СВЧ-разрядов, а также разработана программа расчета воспламенения в условиях самостоятельного СВЧ-разряда, проведено численное моделирование изучаемого явления и выполнен анализ полученных результатов.

Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты представляют не только академический интерес, но являются научной базой для выработки рекомендаций по использованию газоразрядной плазмы при создании летательных аппаратов нового поколения, в частности для быстрого воспламенения и стабилизации горения сверхзвуковых воздушноуглеводородных потоков. Квалификационная ценность результатов исследований признана российским и международным научными сообществами. Результаты, полученные автором и вошедшие в диссертацию, являлись базовыми для отчетов по грантам РФФИ (№ 05-02-16532-а, № 08-02-01251-а), по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН (Р-09) «Исследование вещества в экстремальных условиях», по проект}' МНТЦ (№2248), по гранту Нидерландского научного общества (NWO № 047-016.019) и гранту CRDF (№RUP-1514-МО-Об).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, в том числе: на Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 2003); на Всероссийской конференции по физической электроники (Махачкала, 2003); на Международных симпозиумах "Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике" (Санкт-Петербург, 2004, 2006); на Международных конференциях по физике слабоионизованных газов (Weakly Ionized Gases Workshops (USA) Reno, 2004, 2005, 2006, 2007, Orlando, 2009, 2010); на научных школах-конференциях "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (Алушта, 2004, 2005, 2006, 2008); на Международных конференциях "Мощное СВЧ излучение в плазме" (Strong microwave in plasmas - Нижний Новгород, 2005, 2006); на Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2005, 2006, 2008, 2010); на Международных совещаниях по магнитной и

плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Magneto-plasma-aerodynamics in aerospace applications -- Москва, 2005, 2008, 2009, 2010); на международной конференции "СВЧ разряды: основные свойства и применения", (VI International Workshop "Microwave discharges: Fundamentals and applications" - Звенигород, 2006); на Международной конференции по термохимическим и газодинамическим явлениям (Thermophysical and gasdynamical phenomena - Киев, 2006), на Московской конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики" в рамках Российского Научного Форума "Демидовские чтения" (Москва, 2006); на научных конференциях МГУ "Ломоносовские чтения" (Москва, 2006, 2009,2010,2011) и на научных семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Публикации. Основные результаты, включенные в диссертацию, представлены в 23 научных публикациях, в том числе: в 5 статьях в реферируемых научных журналах и в 18 статьях в книгах, сборниках, материалах международных и российских конференций.

Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 149 страницах машинописного текста, включая 86 рисунков и 6 таблиц. Работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения, в котором сформулированы основные выводы, и Приложения с базой данных. Список цитируемой литературы содержит 139 наименований.

Н. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, достоверность полученных результатов и личный вклад автора, а также приведены сведения об апробации работы и публикациях. Приведено краткое содержание работы.

В первой главе диссертации анализируются работы, посвященные экспериментальному изучению влияния низкотемпературной газоразрядной плазмы на воспламенение воздушно-углеводородных неподвижных смесей или их высокоскоростных потоков. Приведен также обзор теоретических работ, посвященных математическому моделированию автовоспламенения различных углеводородных топлив, и рассматриваются различные кинетические модели, используемые для расчета плазменно-стимулированного горения различных углеводородов в их смеси с кислородом или воздухом в условиях неподвижной среды, а также высокоскоростного потока.

Во второй главе диссертации описывается экспериментальная установка, использованная в данной работе, и методики измерений. Блок-схема установки приведена на рис. 1. Экспериментальная установка включает в себя вакуумную камеру, ресивер высокого давления воздуха, ресивер высокого давления пропана, систему для создания сверхзвукового потока, два магнетронных генератора, две системы для ввода СВЧ-энергии в камеру, цилиндрический и прямоугольный аэродинамические каналы, два высоковольтных источника питания, систему синхронизации и диагностическую аппаратуру. Основой установки является откачиваемая металлическая цилиндрическая барокамера с внутренним диаметром 1 м и длиной 3 м. Вакуумная система позволяет проводить исследования в широком диапазоне давлений р = 10-760 Тор. Система хранения воздуха высокого давления состоит из газгольдера объемом 0.6 м3 с компрессором, поднимающим давление воздуха до максимальной величины р= 12атм; клапана высокого давления; детектора для измерения динамического давления; запорного клапана и электромагнитного клапана с временем срабатывания 1мс. Система хранения горючего состоит из стандартного баллона объемом 0.04 м3, который содержит жидкий пропан. Через запорный клапан и редуктор уже газообразное топливо поступает в ресивер, представляющий собой баллон объемом 0.01 м3. Воздух или пропан-воздушная смесь первоначально поступает в смеситель, установленный в дозвуковой части канала. Смешение происходит в основном до критического сечения сверхзвукового сопла. Прямо за смесителем установлено сверхзвуковое сопло Лаваля. Для исследования возможности воспламенения сверхзвуковой пропан-воздушной смеси с помощью поверхностного электродного газового разряда использовался аэродинамический канал прямоугольного сечения 5 = 12.5x23 мм\ В широкой стенке канала монтируется диэлектрическая вставка. В экспериментах использовались две вставки. Первая образовывала застойную зону в виде прямоугольной каверны 70 мм длиной, 18 мм шири-

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - вакуумная камера, 2 - магнетроны, 3 - рупорная антенна, 4 -металлическое зеркало, 5 - свободно локализованный СВЧ разряд, 6 - поверхностный СВЧ разряд, 7 - направленный ответвитель, 8 - кристаллический детектор, 9 - клапаны, 10

- сопло Лаваля, 11 - ресивер высокого давления воздуха, 12

- ресивер высокого давления пропана, 13 - баллон с пропаном; 14 - цилиндрический аэродинамический канал, 15 -вакуумные насосы, 16 - видео и фото цифровые камеры, 17

- компьютеры, 18 - цифровой осциллограф, 19 - монохроматор, 20 - ПЗС линейка или ФЭУ, 21 - установка теневой диагностики, 22 - линзы, 23 - двойные зонды. 24 - плоский хонденсатор, 25 - система сбора данных, 26 - система управления, 27 - прямоугольный аэродинамический канал с каверной, 28 - электрический гидравлический клапан, 29 -система синхронизации, 30- источники питания.

ной и регулируемой глубиной 0-20 мм. Вторая - 50 мм длиной, 23 мм шириной и регулируемой глубиной 0-20 мм. Поверхностный импульсный разряд формировался на диэлектрической плоской пластине, помещенной на дно каверны аэродинамического канала. Использовались два источника питания. Выходное напряжение первого источника £/ = 5-30 кВ, длительность импульса г= 0.05-1 мс, разрядный ток /' = 1-20 А. Электродный поверхностный разряд создавался в режиме одиночного импульса при максимальной импульсной мощности IV <1 МВт. Выходное напряжение второго источника 0= 2.5-

5.5 кВ, длительность импульса изменялась от 0.1 до 2.0 с, разрядный ток / = 1-30 А. Параметры второго источника позволяли создавать электродный поверхностный разряд постоянного тока в сверхзвуковом потоке при максимальной подводимой мощности 10 кВт. Эксперименты проводились при массовом расходе воздуха 20-100 г/с и пропана 2-8 г/с.

Для исследованию возможности применения сверхвысокочастотных разрядов для быстрого воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока использовались два типа микроволновых разрядов: безэлектродный свободно локализованный СВЧ-разряд, создаваемый в заданном месте пространства сфокусированным пучком электромагнитного излучения, а также СВЧ-разряд, формируемый на внешней поверхности диэлектрического тела поверхностной волной. Источником СВЧ-излучения для обоих микроволновых разрядов служил импульсный магнетронный генератор сантиметрового диапазона длин волн, имеющий следующие характеристики: длина волны Л = 2.4 см; импульсная СВЧ-мощность И/<100кВт; длительность импульса г= 5-150 мкс; скважность 2=1000. СВЧ-мощность подводится к разрядной камере с помощью волноводного тракта прямоугольного сечения 9.5x19 мм2.

Экспериментальная установка оснащена измерительной аппаратурой, позволяющей проводить исследования процесса воспламенения газообразных углеводородов. Диагностический комплекс состоит из цифровых монохроматоров и спектрографов, оптических рефракционных датчиков, импульсной теневой установки, коллимированных фотоэлектронных умножителей, электрических зондов, термопар, датчиков давления, системы для измерения проводимости пламени, двухпроводной линии, цифровых осциллографов, цифровых фото- и видеокамер и др. Процесс воспламенения углеводородов в условиях газоразрядной плазмы фиксировался с использованием цифрового фотоаппарата И50 и цифровой видеокамеры "ВидеоСпринт" с электроннооптическим наносекундным затвором. Спектр излучения пламени фиксиро-

вался с помощью цифрового двухканального спектрографа Ауа8рес-2048-2-ЭТ фирмы АуаШеБ. Температура газа Т? определялась из сравнения экспериментально измеренных и синтезированных молекулярных полос циана (0; 0) и (1; 1) с длинами волн кантов X = 388.3 нм и \ = 387.1 нм. При моделировании спектра распределение по вращательным и колебательным уровням предполагалось больцмановским. Использовались программы для расчета спектров и отдельно для расчета факторов Хенля - Лондона. Расчеты производились в среде \1atlab по программе, позволяющей накладывать заранее заданное уширение на вращательные переходу, полученного при расчете молекулярного спектра. Для визуализации ударных волн и газодинамических возмущений, возникающих при воспламенении углеводородного горючего, применялась импульсная теневая установка. Оптическая система теневой установки позволяла формировать параллельный пучок света диаметром 150 мм с однородным распределением интенсивности света по сечению пучка. Поперечная скорость распространения фронта горения иг определялась по известной скорости сверхзвукового потока и и измеренному тангенсу угла наклона Х%а резкой передней границы характерного свечения, наблюдаемого при воспламенении сверхзвукового пропан-воздушного потока, по формуле ц-= Концентрация заряженных частиц в пламени, возникающем при воспламенении сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков, измерялась с помощью двойного зонда. Использовались симметричные зонды с диаметром 1 мм, длиной рабочей части 10 мм и расстоянием между центрами зондов 5 мм. В экспериментах факт воспламенения сверхзвукового потока углеводородного топлива определялся по появлению характерного свечения вниз по потоку от разрядной области. Для подтверждения факта воспламенения снималась теневая картина области возникновения пламени, а также использовались рефракционные лазерные датчики, термопары и датчики давления. Период индукции определялся: по минимальной длительности разрядного импульса, приводящего к появлению характерного свечения в аэродинамическом канале; по резкому возрастанию интенсивности свечения молекулярной полосы возбужденного радикала СН* с длиной волны канта Л=431.5 нм; по времени появления сигнала с двойного зонда; по резкому изменению сигналов, регистрируемых датчиками давления; по резкому увеличению температуры газа.

мощью поперечного импульсно-периодического электродного разряда. На рис. 2 представлен общий вид импульсно-периодического поперечного поверхностного разряда в аэродинамическом канале. Можно видеть, что в аэродинамическом канале без застойной зоны импульсно-периодический поперечный поверхностный разряд представляет собой две гладкие плазменные струи, вытянутые вдоль потока (см. рис. 2). Структура потока и разряда начинают резко изменяться при создании разряда в каверне. Поток становится турбулентным, наблюдаются отрывные течения. Использование каверны глубиной всего И = 3 мм приводит к формированию отрывных потоков, направленных противополож-ЛДД ;.~ТИУ || . но направлению основного потока

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 2. Импульсно-периодический поперечный поверхностный разряд в сверхзвуковом воздушном потоке с М= 2 в аэродинамическом канале прямоугольного сечения 10x18 мм2 без застойной зоны (И = 0 мм). Вид спереди. Сверхзвуковой поток воздуха направлен сверху вниз, р = 150 Тор, / = 8А, г, мкс: 1-100, 2-200, 3-300,4-400; 5-600, 6-800; 7-1000

12 3 4 5 6

Рис. 3. То же самое, что рис. 2, Л=3 мм, г, мкс: 1-75; 2150; 3-300; 4-600; 5-800; 6-1000.

при этом разряд распространяется в двух направлениях, как по потоку, так и в обратном направлении (см. рис. 3). Формируется рециркуляционная область с вихревым движением у задней стенки каверны. При использовании застойной зоны глубиной И = 5 мм разряд существует только около задней стенки полости и не распространяется вниз по потоку. Это обстоятельство является благоприятным с точки зрения использования каверны как источника активных частиц, способствующих ускорению воспламенения и стабилизации горения сверхзвукового потока газовых смесей.

На рис. 4 представлен временной ход зондового тока и излучения возбужденного радикала СН* в условиях воспламенения сверхзвуковой пропан-воздушной смеси. Можно видеть, что зондовый метод, также как оптический, является надежным способом диагностики процесса воспламенения пропан-воздушной смеси. Экспериментально было показано, что застойная зона приводит к стабилизации горения сверхзвукового пропан-воздушного потока. Так каверна глубиной 2 мм приводит к увеличению вре-

Рис. 4. Воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока при / =16 А, р = 150 Тор, та„ = 70 г/с, = 4.4 г/с, г= 350 мкс. Двойной зонд (1) расположен на расстоянии г ~ 32 см вниз по потоку от электродов. Излучение СН* полосы (2) регистрируется на расстоянии г = 30 см вниз по потоку от электродов.

мени горения до 1 ООО мкс при длительности импульса тока т= 200 мкс.

Во втором параграфе рассмотрена стабилизация горения пропан-воздушного потока в условиях газоразрядной плазмы, создаваемой в аэродинамическом канале с полостью. В качестве застойной зоны в

эксперименте использовалась прямоугольная каверна с различными

отношениями длины Ь каверны к ее глубине И (ЫЪ= 1-10). Каверна позволила нам использовать для создания поверхностного разряда в

сверхзвуковом потоке источник питания с постоянным напряжением (У = 2.5-

4.5 кВ. С помощью такого источника питания невозможно создавать разряд постоянного тока в свободном потоке, или поверхностный разряд в канале без застойной зоны, так как напряжение питания недостаточно для поддержания разряда в сверхзвуковом потоке. Однако, используемый источник питания позволяет поддерживать поверхностный электродный разряд в полости в течение времени /= 1-2 с. На рис. 5 представлены типичные временные зависимости интенсивности излучения полосы СН* (переход А-Х, полоса (0,0), длина волны Л=431.5 нм), разрядного тока и напряжение на разрядном промежутке при использовании поперечного поверхностного электродного разряда в

застойной зоне аэродинамического канала для горения пропан-воздушного потока. Можно видеть, что после пробоя напряжение II на разрядном промежутке резко уменьшается с 4.5 кВ до 250 В. При этом имеется временная задержка между возникновением разряда и достижением

стационарного горения пропан-воздушной смеси. Скорость воспламенения увеличивается с ростом разрядного тока, при этом стационарный режим горения устанавливается быстрее. Так при малых разрядных токах (/<10 А), то есть для малых значений вкладываемой в разряд электрической мощности (1У<2 кВт) горение начинается только к концу импульса длительностью 750 мс, тогда как при больших разрядных токах (/-30 А, 1У~6 кВт) стационарный режим горения устанавливается через 150-200 мс.

Процесс воспламенения сильно зависит от состава смеси (рис. 6). Видно, что как в случае бедной, так и богатой смеси время достижения стационарного режима горения увеличивается по сравнению со

Рук. 5. Горение сверхзвукового пропан-возлушного потока в аэродинамическом канале. Поперечный поверхностный разряд в застойной зоне Л=17мм, /. = 70 мм, />=150 Тор, М= 2, ; = 12 А, = 250 В, г= 750 мс, та»г = 70 г/с, т8 = 4.4 г/с. 1 - временной ход излучения полосы СН*; 2 - разрядный ток; 3 - напряжение на разрядном промежутке.

стехиометрической смесью. Необходимо отметить, что время индукции при использовании для воспламенения мощного высоковольтного импульсного источника равно нескольким сотням микросекунд, тогда как при использовании для создания разряда в каверне низковольтного источника питания время индукции резко возрастает. Этот факт опосредовано подтверждает наше заключение о сильном влиянии заряженных и активных

частиц, эффективно образующихся н разряде при больших значениях приведенного электрического поля, на процесс воспламенения газоразрядных топлив.

В третьем параграфе приведены данные о плазменно-стимулированном воспламенении с помощью свободно локализованного СВЧ-разряда. Фотографии свободно локализованного СВЧ-разряда внутри аэродинамического канала в неподвижном воздухе, а также в сверхзвуковом потоке воздуха и пропан-воздушнои смеси представлены на рис. 7. Сверхвысокочастотный разряд, создаваемый в неподвижном воздухе, представляет собой плазменное образование размером 1-2 см, существующее вблизи инициатора. Размеры разряда растут с увеличением подводимой СВЧ-мощности и длительности воздействия. Показано, что с помощью СВЧ-разряда можно легко воспламенить

сверхзвуковой поток газообразного углеводородного топлива уже при длительности воздействия 7=25 мкс. Одновременно с фотографированием общего вида аэродинамического канала в эксперименте регистрировался спектр излучения продуктов горения пропан-воздушной смеси из различных областей аэродинамического канала. Так на расстоянии 2=1 см вниз по потоку от фокальной области сфокусированного пучка при СВЧ разряде в сверхзвуковом потоке воздуха нам не удалось зарегист рировать свечения никаких атомарных линий или молекулярных полос, тогда как при разряде в сверхзвуковом потоке пропан-воздушной смеси регистрируется интенсивное свечение возбужденных

I 2 3

Рис. 7 Общий вид свободно локализованного СВЧ-разряда в неподвижном воздухе (I) при V/- 100 кВт и сверхзвуковых потоках Ш=2) воздуха (2) и пропан-воздушной смеси (3) при IV = 200 кВт,/>=60 Тор, г=100 мкс

1000

750

О 500 250

0---------1-------1--------1-------1-------1

0,6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Рис 6. Зависимость времени начала воспламенения (кривая 1) и времени достижения стационарного горения пропан-воздушной смеси (кривая 2) от состава смеси М=2, т~ 750 мс, //= 250 В. / = 8 А, /і = 17 мм, /. = 70 мм,р- 150Тор

радикалов СН*, а также молекулярные полосы С2, СМ и спектральные линии атомарного кислорода и водорода. При этом длительность регистрируемого свечения равна ~1 мс при длительности инициирующего воспламенение СВЧ импульса г= 100 мкс. Необходимо также отметить, что электродный поперечный импульсно-периодический разряд приводит к воспламенению сверхзвукового пропан-воздушной потока при длительности импульса порядка 100-150 мкс, тогда как длительность СВЧ-импульса, необходимая для поджига, много меньше. Это подтверждает тот факт, что в плазме СВЧ-разряда образуется больше активных частиц, чем в плазме электродного разряда постоянного тока.

Описание экспериментов по воспламенению с помощью поверхностного СВЧ-разряда приведено в четвертом параграфе. На рис. 8 представлена

фотография поверхностного СВЧ-разряда, создаваемого на диэлектрической антенне с клинообразной торцевой передней частью в непо-Рис. в. Поверхностный свч-разряд в лвижном воздухе. Можно видеть, что разряд в ЗобДоГ^ГГ^З";: в°ЗДУхе представляет собой однородную ярко

/>-40Тор, (V-40кВт, г= 75мкс. светящуюся плазму, разряд локализован в тон-

ком приповерхностном слое и с увеличением длительности воздействия или СВЧ-мощности все большая часть антенны покрывается плазмой, создаваемой поверхностной СВЧ-волной. Фотография воспламенения в условиях поверхностного СВЧ-разряда сверхзвукового стехиометрического пропан-воздушного потока представлена на рис. 9. Видно характерное свечение пламе-

Рис. 9. Воспламенение стехиометрического пропан-воздушного потока при М<=2, НИ. СкОрОСТЬ распространения фрОНТЭ ГОреНИЯ р = 40 Тор, г — 100 мкс. IV— 40 кВт „

достигает в зависимости от вкладываемой в поверхностный СВЧ-разряд энергии величин 100-200 м/с. Такое пространственное распределение фронта горения сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси подтверждает наше предположение о большом вкладе собственного ультрафиолетового излучения поверхностного СВЧ-разряда в кинетику воспламенения и горения углеводородного горючего. Необходимо также отметить, что процесс горения останавливается при выключении СВЧ-мощности. В эксперименте также регистрировался спектр излучения в диапазоне длин волн Л = 350-425 нм. Было получено, что при создании поверхностного СВЧ-разряда в воздухе в этой спектральной области наблюдаются интенсивные полосы второй положительной системы азота и полосы циана. При этом газовая температура, измеренная по различным молекулярным по-

лосам, равна 800-1000 К. При воспламенении пропан-воздушного сверхзвукового потока общий вид спектра в этой области длин волн существенно изменяется, а именно, интенсивности излучения полос CN резко растут, а интенсивность излучения полос второй положительной системы азота уменьшается. Газовая температура, измеренная по полосам циана, резко увеличивается до Г8 = 2750 К, что также подтверждает воспламенение сверхзвукового потока газообразного горючего на поверхности пластины.

Для различных типов газовых разрядов при одной и той же вкладываемой мощности достигается различная степень ионизации газа. При этом вкладываемая электрическая энергия различным образом перераспределяется по внутренним степеням свободы молекулярного газа. Это перераспределение в очень сильной степени зависит от приведенного электрического поля, которое, в свою очередь, определяется электродинамикой разряда. В диссертации получена зависимость времени задержки воспламенения (периода индукции) для воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха М= 2 от приведенного электрического поля £Ж Показано, что период индукции уменьшается с увеличением ЕМ. Воспламенение пропан-воздушной смеси с помощью поверхностного СВЧ-разряда, существующего при значениях приведенного электрического поля 100-200 Тд, имеет место уже при длительности импульса г= 5-20 мке, тогда как при тех же условиях импульсный поперечный электродный разряд, существующий при Е/И = 3040 Тд приводит к воспламенению только при г> 150-200 мкс. Этот результат демонстрирует влияние величины приведенного электрического поля на механизм воспламенения углеводородного топлива в условиях газоразрядной плазмы.

Были выполнены также эксперименты по использованию для интенсификации и стабилизации горения сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси программированного СВЧ-разряда, создаваемого в различных застойных зонах аэродинамического канала. Программированный разряд представляет собой комбинацию самостоятельного импульснопериодического СВЧ-разряда и несамостоятельного поперечного электродного разряда. Поверхностный СВЧ-разряд служит для создания плазмы и инициации разряда постоянного тока, а также для генерации активных частиц и радикалов. Разряд постоянного тока служит для накачки энергии в плазму и стабилизации горения углеводородного топлива. Без использования СВЧ-разряда электродный разряд постоянного тока существовать в свободном высокоскоростном воздушном потоке не мог.

Показано, что комбинированный СВЧ-разряд в застойной зоне, образованной в аэродинамическом канале обратной ступенькой приводит к быстрому воспламенению и горению пропан-воздушного потока. Однако эффективность горения высокоскоростного потока углеводородного топлива низкая и пламя не распространяется в основной поток. Горение внутри аэродинамического канала пропан-воздушного потока, полученное при использовании в качестве стабилизатора пламени прямоугольной каверны с наклонной передней стенкой, представлено на рис. 10. Временной ход давления в аэродинамическом канале в условиях стабилизации горения приведен на рис. 11. Можно видеть, что после некоторой временной задержки от момента включения комбинированного разряда осуществляется стабилизация горения. Полученные результаты подтверждают эффективность использования комбинированного СВЧ-разряда в плазменной аэродинамике.

аэродинамическом канале в условиях горения пропан-воздушного потока при /?0 = 40 Тор, и = 520 м/с, гсвч = 30 мкс,

И'свч = 55 кВт, /= 100 Гц, число СВЧ-импульсов N - 100, Г]Х' = 1 с, / = 12 А

Для выявления механизма, приводящего к воспламенению сверхзвукового пропан-воздушного потока и четвертой главе диссертации описываются математическая модель и программа расчета, позволяющие моделировать процесс автовоспламенения пропан-воздушной смеси при пристеночном выделении тепла, а также рассчитывать процесс плазменно-стимулированного горения водородно-кислородной и пропан-воздушной смесей. Для описания процесса автовоспламенения использовалась газофазная модель, включающая 30 компонент (СзН8 ,0, Н, 02, N2, Н2, СО, ОН, Н20, Н02, Н202, НСО, С02, СН, СН2, СН3, СН4, С2Н, С2Н2, С2Н3, С2Н4, С2Н5, С2Н6, С3Н5, С3Н6, /-С3Н7, И-С3Н7, СН20, СН2ОН, СН3ОН) и 70 химических реакций. При моделировании автовоспламенения пропан-воздушной смеси использовалась система уравнений, состоящая из уравнения энергии, уравнения изменения плотности (концентрации) частиц и уравнения состояния. Для определения влия-

Рис, 10. Горение сверхзвукового {М-2) пропан-воздушного потока при использовании для воспламенения и стабилизации горения комбинированного СВЧ-разряда, создаваемого в прямоугольной каверне с наклонной передней стенкой гсвч= 10 мкс, /= 100 Гц, roc - 1 с, время экспозиции кадра 20 мс. Сверхзвуковой пропан-воздушный поток направлен справа налево

ния плазменных эффектов на воспламенение сверхзвукового потока горючих углеводородно-воздушных газообразных смесей разработана кинетическая модель воспламенения при учете влияния электрического поля на процессы диссоциации молекул и создания активных радикалов, возбужденных и заряженных (электроны, положительные и отрицательные ионы) частиц в условиях неравновесной плазмы газового разряда. В основу модели плазменно-стимулированного воспламенения положена система уравнений, описывающая процессы окисления в воздушно-углеводородной смеси и включающая в себя нестационарное кинетическое уравнение для функции распределения электронов по энергиям, уравнение для энергии, уравнение изменения плотности (концентрации) частиц и уравнение состояния. Для определения влияния различных каналов на воспламенение горючей смеси была разработана кинетическая модель, включающая в себя 166 компонентов и 1168 прямых и обратных реакций. При моделировании принимались во внимание такие компоненты, как нейтральные невозбужденные частицы: Н, Н2, N2, N. 1ЧН, МН2, N1-13, ^Н, 1М2Н2, N21-13, ^Н4, N20, N0, N02, N03, МНО, Н^Ю, Ш02, Ш03, О, 02, ОН, Н20, Н02, Н202, 03, С, С2, СН, СН2, СНз, СН4, С2Н, С2Н2, С2Н3, С2Н4, С2Н5, С2Н6, СО, С02, НСО, СН20, СНзО, СН2ОН, СНзОН, СН3О2, СНзООН, С2НО, С2Н2О, СН2СО, СНзСО, СНзСНО, С2Н5О, С2Н5О2, С2Н502Н, СН С2Ч C2N2, НСМ, N00, С3Н4, С3Н5, С3Н6, н-С3Н7, изо-С3Н7, С3Н8, С3Н50, С3Н5О2, С3Н502Н, С3Н60, н-С3Н70, ИЗО-С3Н7О, н-С3Н702, изо-С3Н702, н-С3Н702Н, изо-С3Н702Н, С4Н, С4Н2, С4Н3, С4Н6, С4Н7, С4Н8, Н-С4Н9, втор-С4Н9, С4Ню, электронно-возбуждённые состояния атомов и молекул: Н(2з+2р), Н2(с3Пи), Н2(а31Д Н2(е31и+), Н2(с13Пи ), ^(А31Д ЩВ3П8), ЩС3Пи), Щ031и), Ща'яД ЩЬ'ли), Ща1!/)- N2(11.87), Ща''ои'), ЩЪ), Щ2Р), О('О),

ОС'Б), 02(а'Дв), 02(Ь'28+), положительные ионы Н2+, Н3+, Н5+, К1", N2’, Н^+, N3*, N4*, 0+, О/, 0Н+, Н20+, НО/, С+, СН+, СН2\ СНз+, Сг, С2Н\ С2Н2+, С2Нз+, С2Н4+, С2Н5+, С2Н6+, Сз+, С3Н2+, С3Н3+, С3Н4+, С3Н5+, С3Н6+, С3Н/, С3Н8+, Н+, СО\ СН4+, Оз+, С02+, Н30+, 03Н2+, 04+, 02+^2, N0+■N2, N0^-02, N0+•N0, отрицательные ионы О', ОН', СН4', Н\ 02‘, 03', 04‘, СН2', N0/, N0/ и электроны е.

В пятой главе диссертации представлены результаты математического моделирования и их сравнение с экспериментом. Для поиска механизма воспламенения пропан-воздушной смеси совместно с В.Г.Громовым - сотрудником Института механики МГУ имени М.В.Ломоносова - была разработана математическая модель теплового автозажигания сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях поверхностного СВЧ-разряда при пристеночном выделении тепла. Расчет автовоспламенения выполнен для условий вы-

сокоскоростного потока стехиометрической пропан-воздушной смеси на затупленной плоской пластине длиной 15 см и толщиной 0.02 см при скорости невозмущенного потока 519 м/с, давлении 98 Тор и температуре 167 К. Вычисления выполнены при аналогичных режиму создания поверхностного СВЧ-разряда условиях. Предполагалось, что тепловая энергия вкладывается импульсно в течение 100 мкс в турбулентный поток с постоянной общей мощностью Рл = 2500 Вт/см однородно в пристеночную область 0.5 см < х < <15 см, 0 см <у <0.1 см.

Данные математического моделирования показывают, что для рассматриваемых условий воспламенение горючей смеси происходит после окончания импульса вкладываемой энергии длительностью 100 мкс на расстоянии приблизительно 4 см от начала пластины. К этому времени газовая температура вблизи стенки достигает ~3000 К. После воспламенения фронт горения движется вниз по потоку со скоростью приблизительно 300 м/с. В газовой смеси за фронтом горения доля Н20 и С02 продуктов горения увеличивается, тогда как доля кислорода и промежуточных продуктов горения падает. Моделирование выявило, что при более коротком нагревающем импульсе или меньшей вкладываемой мощности, когда температура газа не достигает ~3000 К, воспламенение не происходит. Эти результаты находятся в противоречии с экспериментальными данными (полученными при тех же начальных условиях), которые показывают, что воспламенение высокоскоростного пропан-воздушного потока в условиях поверхностного СВЧ-разряда происходит намного быстрее и при температуре газа Г8~ 1000 К. Это объясняется тем, что при моделировании поверхностный СВЧ-разряд рассматривается только как источник тепловой энергии, вводимой в пограничный слой, а плазменные эффекты не учитываются.

В этой же главе диссертации на основе сравнения результатов математического моделирования и экспериментальных данных по инициированию горения пропан-воздушного сверхзвукового потока в условиях низкотемпературной плазмы, создаваемой различными разрядами, анализируется механизм быстрого плазменно-стимулированного воспламенения газообразных углеводородов. Вначале математическое моделирование влияния плазменных эффектов проведено на примере неподвижной водородно-кислородной смеси. Влияние низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда вычислялось с использованием фундаментальной кинетической схемы, включающей 29 компонентов и 241 реакцию. Учитывались нейтральные частицы, возбужденные молекулы кислорода, электроны, положительные и отрицательные ионы. При моделировании инициирования воспламенения в

условиях низкотемпературной плазмы необходимы данные о вероятностях процессов с участием электронов. Константы скоростей этих процессов вычислялись с использованием рассчитанной функции распределения электронов по энергиям в зависимости от приведенного электрического поля. Показано, что время задержки воспламенения в условиях неравновесной плазмы при низких температурах газовой смеси уменьшается на несколько порядков величины при увеличении температуры электронов от 1 до 1.5 эВ, тогда как с увеличением газовой температуры влияние разряда становится не столь существенным.

На рис. 12 представлено сравнение экспериментально полученной зависимости задержки воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока от приведенного электрического поля с результатами математического моделирования. Экспериментальные данные получены с использованием для воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока различных разрядов, существующих при различных значениях приведенного электрического поля, а именно, разряда постоянного тока, создаваемого внутри аэродинамического канала, импульсного поперечного по отношению к потоку электродного разряда, свободно локализованного СВЧ-разряда и поверхностного СВЧ-разряда. Промоделировано также плазменно-стимулированное горение стехиометрической пропан-воздушной смеси в условиях СВЧ-разряда, создаваемого в режиме программированного импульса. Показано, что в этих условиях возможно уменьшение минимально необходимого для поддержания горения удельного энерговклада по сравнению с режимом горения в условиях постоянной СВЧ-мощности при равном времени воспламенения.

Был проведен поиск наиболее существенных механизмов развития и замедления автовоспламенения пропан-воздушной смеси и инициации в условиях низкотемпературной плазмы поверхностного сверхвысокочастотного разряда и осуществлена редукция кинетической схемы.

Е- К Тд .

Рис 12. Зависимость периода индукции от приведенного электрического поля. Высокоскоростной пропан* воздушный поток с числом Маха потока М-2. Эксперимент - данные, полученные с использованием разряда постоянного тока, импульсного поперечного электродного разряда, свободно локализованного СВЧ-разряда м поверхностного СВЧ-разряда. Точки - расчет: 1 - самостоятельный поверхностный СВЧ-разряд, 2 -программированный СВЧ-разряд (инициация разряда осуществляется импульсом длительностью т= 2.8 мкс, при £Д'=150Тд), 3 - с ограничением максимальной концентрации электронов значением 4 2-1012 см'3

Было установлено, что в условиях автовоспламенения стехиометрической пролан-воздушной смеси при температуре 167 К и давлении 98 Тор, первоначально нагретой до температуры 1300 К, развитие цепи воспламенения пропана начинается в основном с его термического разложения на СНз и С2Н5, и дальнейшего разложения молекулы С2Н5 с выделением атома водорода. Далее вступают в действие следующие цепи реакций. Во-первых, атомарный водород активно взаимодействует с имеющимся в начальном составе смеси молекулярным кислородом, образуя две активные частицы - атомарный кислород и гидроксил - это ключевая реакция развития цепи. Частицы

О, ОН и Н отрывают атом водорода у молекулы пропана, образуя С3Н7. При

_££2Н4 этом также происходит восстановле-

^СН3<7ГГ^

С3Н8~/-»С2Н5

.01!... •

Реакции термического распада

......> Реакции, идущие с поглощением СзН»

------> Реакции, идущие с поглощением Ог

Рис. 13. Наиболее быстрые реакции развития цепи тепловой инициации стехиометрической пропан-воздушной смеси, нагретой доТ0=1300К.

ние О до ОН, а затем до Н20 с выделением тепла. С3Н7, замыкая цепь, разлагается с образованием Н. Во-вторых, активно протекают следующие реакции с метилом - продуктом термического разложения пропана: СНз отрывает атом водорода у молекулы пропана, образуя С3Н7, который, претерпевая термический распад, вновь образует молекулу метила (и этилена). Следует заметить, что последняя цепь реакций, а также цепь Н<-»С3Н7 не связаны напрямую с горением и являются эндотермическими, однако они не приводят к потерям уже наработанных активных частиц -Ни С3Н7, участвующих в главной цепи воспламенения. В результате протекания описанных выше цепей реакций происходит нагрев смеси, ускоряющий дальнейшие процессы окисления и термического разложения. Также происходит наработка продукта горения -Н20 и продуктов разложения пропана - Н2, СН4, С2Н4 и С3Н6. С образованием последних получают развитие связанные с ними процессы воспламенения. Результаты представлены на рис. 13. Следует отметить, что описанные механизмы являются наиболее важными лишь при указанных начальных условиях, при других значениях начальной температуры и давления их набор может меняться.

Далее были изучены основные механизмы ускорения описанной цепи автовоспламенения пропан-воздушной смеси в присутствии низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда (см. рис. 14). В этом случае стехиометрическая пропан-воздушная смесь с начальной добавкой электронов

(лео = Ю3 см'3) при давлении 98 Тор и температуре 167 К первоначально нагревалась до температуры 300 К и помещалась в условия внешнего СВЧ-поля. При достаточных значениях приведенного поля в такой смеси происходит развитие лавины разряда с наработкой положительных и отрицательных ионов и свободных электронов. В процессе этого также происходит диссоциация молекулы кислорода электронным ударом и через возбуждённые состояния молекулы азота, которые эффективно нарабатываются в плазме поверхностного СВЧ-разряда. Во-вторых, происходит ускорение основной реакции развития цепи Н + 02 —»О + ОН за счет наработанных в разряде возбужденных состояний а'д8 и молекулы кислорода. В-третьих, образовавшийся в результате реакций цепи воспламенения молекулярный водород активно взаимодействует с 02(а'Д8, Ь’Е8+), образуя две частицы гидроксила. Указанные состояния 02(а'дг, Ь1!/) также нарабатываются на поздних стадиях воспламенения - за счёт реакций между ОН и Н02 и между Н и 03.

Ускорение переработки II и Н2 в О и ОН

Н + 02(а‘дв) —* О + ОН

Н + 02(Ь11г+) —о + он Н2 + 02(Ь'18+) -юн + он

Н2 + 02(а'Дг) —ОН + ОН

Наработка 02(а, Ь)

02 + е —» 02(а1АЕ) + е Ы2(А3£„+) + 02->Ыг + 02(а'Дв)

02(Ь'1/) + М 02(а'де) + М ЩА3!/) + 02 — Ы2 + 02(Ь'1/)

02 + е-*02(Ь'18*) + е 0( '5) + 02 — 0( Ъ) + 02(Ь%+)

ОН + Н02 — 02(а'Д„) + Н20 ОН + Н02 — 02(Ь‘х/) + н2о Н + 03 —02(Ь'1г‘) + ОН

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Экспериментально исследовано влияние низкотемпературной неравновесной газоразрядной плазмы, создаваемой с помощью поперечного по отношению к газовому потоку электродного разряда, а также самостоятельных свободно локализованного и поверхностного СВЧ-разрядов, на время за-

Наработка ^(А, В, С)

N2 + е -* М2(А31„+) + е

М2 + Ы2(В\8) — 1М2 + К2(Л%\ у=6,7)

N2 + е —* Г^2(В3:сЕ) + е

М2(А3Х„+) + К2(А3ХЦ+) — Ы2 + К2(В3п8) .

М2 + е —* М2(С3лц) + е

М2(А31и+) + Ы2(А V) Ы2 + ^(СЧ.)

Рис 14 Основные механизмы воспламенения пропан*возлушной смеси в присутствии низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда

Наработка О

02 + е—> 2 О + е Ы2(А3Х„+) + 02 —> N2 + 2 О ^(В3^) + 02 —> N2 + 2 О М2(С3я„) + 02 -» Ы2 + О + 0('5)

держки воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха М=2. Показано, что период индукции изменяется от миллисекундного масштаба времени для разряда постоянного тока, поддерживаемого при малых значениях приведенного электрического поля, до сотен микросекунд в условиях Импульсного поперечного разряда, существующего при Е/И- 20-40 Тд, нескольких десятков микросекунд в условиях свободно локализованного и единиц микросекунд для поверхностного СВЧ разрядов, существующих при больших значениях приведенного электрического поля Е/Ы*= 100-200 Тд.

2. Экспериментально реализована стабилизация горения сверхзвукового (М~ 2) пропан-воздушного потока в условиях СВЧ-разряда, создаваемого в режиме программированного импульса в различных застойных зонах, формируемых в качестве стабилизатора пламени на стенке аэродинамического канала в виде обратной ступеньки, прямоугольной каверны, прямоугольной каверны с различными глубинами передней и задней стенок и прямоугольной каверны с наклонной передней стенкой.

3. Для условий самостоятельного СВЧ-разряда, существующего в течение сотен микросекунд при больших значениях приведенного электрического поля £Ж= 100-200 Тд, разработана кинетическая модель воспламенения водородно-кислородной смеси, учитывающая влияние электрического поля на процессы диссоциации молекул и наработку активных радикалов, возбужденных и заряженных частиц. Математическое моделирование выявило сильное влияние разряда на время задержки воспламенения при низких температурах газа. Показано, что при начальной газовой температуре 7^=900 К и атмосферном давлении стехиометрической Н2-02 смеси период индукции изменяется от -1 мс при электронной температуре 7С.=0.1 эВ до '-1 мкс при Те=\.6 эВ. Рассмотрены четыре редуцированные кинетические схемы и показана роль различных компонент и реакций на нетепловое инициирование воспламенения с помощью микроволновой плазмы Н2-02 смеси.

4. В условиях поверхностного СВЧ-разряда проведено математическое моделирование процесса плазменно-стимулированного воспламенения пропан-воздушной смеси с составом СзН8:02=1:5 и 02:М2=21:79 при начальной газовой температуре 300 К, начальном давлении 176 Тор, начальной концентрации электронов 103 см'3 и различных значениях 130-200 Тд приведенного электрического поля. Показано, что рассчитанная зависимость периода индукции от приведенного электрического поля удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными. Выявлены основные механизмы

ускорения воспламенения пропан-воздушной смеси в условиях низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда. Также с помощью моделирования автовоспламенения сверхзвукового (М= 2) пропан-воздушного потока при пристеночном выделении тепла вблизи поверхности пластины выявлена важность учета плазменных эффектов. Показано, что в этих условиях быстрое в течение 100 мкс воспламенение может быть осуществлено только при нагреве газа до 3000 К, при нагреве газа до температур меньших 3000 К или при использовании импульсного источника тепла длительностью меньше 100 мкс автовоспламенение в сверхзвуковом потоке на пластине длиной 15 см не успевает произойти, тогда как плазменно-стимулированное воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях поверхностного СВЧ-разряда происходит при длительности 5-20 мкс и при нагреве газа до 1000-1500 К.

5. Промоделировано плазменно-стимулированное горение стехиометрической пропан-воздушной смеси в условиях СВЧ-разряда, создаваемого в режиме программированного импульса. Показано, что с помощью программированного режима создания разряда возможно уменьшение минимально необходимого для поддержания горения удельного энерговклада по сравнению с режимом горения для непрерывного подвода СВЧ-энергии при равном времени воспламенения. Результаты выполненных экспериментальных исследований и данные математического моделирования позволяют сделать вывод о том, что низкотемпературная неравновесная газоразрядная плазма микроволновых разрядов является перспективным средством для инициирования воспламенения, а использование программированного режима создания разряда эффективно для поддержания стационарного горения сверхзвуковых потоков углеводородного топлива.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bozhenkov S.A. Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Nanosecond gas discharge ignition of H2- and CH4-containing mixtures. //Combust. Flame, 2003, v. 133, p. 133-46.

2. Starikovskaya S.M. Plasma assisted ignition and combustion. //J. Phys. D: Appl. Phys. 2006, v. 39, p. R265-299.

3. Adamovich I.V., Lempert W.R., Nishihara М., et.al. Repetitively Pulsed Nonequilibrium Plasmas for Magnetohydrodynamic Flow Control and Plasma-Assisted Combustion. //Journal of Propulsion and Power. 2008, v. 24, No 6, p. 1198-1215.

4. Шибков В.М., Ершов А,П,, Черников В.А., Шибкова J1.B. Сверхвысокочастотный разряд на поверхности диэлектрической антенны // Журнал технической физики, 2005, т. .75, № 4, с. 67-73.

5. Vinogradov V.A., Shikhman Y.M., Kossiy I.A. et.al. Effect of input energy level on ignition performance of MW surface discharge spark plug. //Proceedings of 47th A1AA Aerospace Sciences Meeting and Aerospace Exhibit, 5-8 January 2009, Orlando, Florida, USA, AIAA 2009-494.

6. Esakov I., Grachev L., Khodataev K., Van.Wie D. Experiments on propane ignition in high-speed airflow using a deeply undercritical microwave discharge. // Proceedings of 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2004, Reno, NV, USA, AIAA-2004-0840.

7. Khodataev K.V. Various types of initiators for attached undercritical MW discharge ignition. // 45th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2007, Reno, NV, USA, AIAA-2007-0431.

8. Bityurin V.A. Optimization of plasma generators for plasma assisted combustion* //Proceedings of 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2001, Reno, NV, USA, A1AA-2001-2874.

9. Bocharov A., Bityurin V., Klement’eva I., Klimov A. Experimental and numerical study of MHD assisted mixing and combustion. // Proceedings of 44th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2006, Reno, NV, USA, AIAA-2006-'1009.10. Кочетов И.В., Напартович А.П., Леонов С.Б. Плазменное инициирование

горения в сверхзвуковом потоке в топливно-воздушных смесях. Проблемы моделирования. // Химия высоких энергий. 2006, т. 40, № 2, с. 1-8.

11. Попов Н.А. Воздействие импульсного сильноточного разряда на водоро-до-воздушные смеси // Физика плазмы. 2008, т. 34, № 5, с. 414-430.

12. Суржиков С.Т. Физическая механика газовых разрядов. Москва. Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2006, 640 с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СТАТЬЯХ В РЕФЕРИРУЕМЫХ НАУЧНЫХ ЖУРНАЛАХ:

1. В.М.Шибков, А.Ф.Александров, А.П.Ершов, А.А.Карачев, Р.С.Констан-тиновский, И.Б.Тимофеев, В.А.Черников, Л.В.Шибкова. Воспламенение сверхзвукового потока углеводородного топлива с помощью сверхвысокочастотных разрядов. // Вестник Московского университета, Серия 3. Физика. Астрономия. 2004, № 5, с. 67-69.

2. Р.С.Константиновский, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова. Влияние газового разряда на воспламенение водородно-кислородной смеси. // Кинетика и катализ, 2005, т. 46, № 6, с. 821-834.

3. В.М.Шибков, С.А.Двинин, А.П.Ершов, Р.С.Константиновский, О.С.Сурконт, В.А.Черников, Л.В.Шибкова. Поверхностный сверхвысокочастотный разряд в воздухе. // Физика плазмы, 2007, т. 33, X® 1, с. 77-85.

4. В.М.Шибков, Л.В.Шибкова, А.А.Карачев, Р.С.Константиновский. Воспламенение с помощью поверхностного СВЧ-разряда жидких углеводородов в условиях высокоскоростных воздушных потоков. // Теплофизика высоких температур. 2010, т. 48, № 1 (приложение), с. 23-34.

5. В.М.Шибков, Л.В.Шибкова, В.Г.Громов, А.А.Карачев, Р.С.Констан-

тиновский. Влияние поверхностного СВЧ разряда на воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков. // Теплофизика высоких температур. 2011, т. 49, № 2, с. 163-176.

В СТАТЬЯХ В КНИГАХ, СБОРНИКАХ И ТРУДАХ КОНФЕРЕНЦИЙ:

6. V.M.Shibkov, V.A.Chemikov, A.P.Ershov, A.A.Karachev, R.S.Konstan-

tinovskij, L.V.Shibkova, I.B.Timofeev, A.V.Voskanyan, V.V.Zlobin. Propane-air mixture ignition with the help of the surface discharge. // International Con' ferenCe on Physics of Low Temperature Plasma PLTP-03, Kiev, Ukraine, May

11-15,2003. Invited Paper, p.1-6.

7. V.M.Shibkov, A D.Abramova, V.A.Chemikov, A.P.Ershov, V.G.Gromov,

A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, I.B.Timofeev, A.V.Vos-

kanyan. Microwave discharges in supersonic plasma aerodynamics. // 42 AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 5-8 January 2004, Reno, Nevada, USA, 75-W1G-3, A1AA-2004-0513, p.1-11.

8. V.M.Shibkov, V.A.Chemikov, A.P.Ershov, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, V.V.Zlobin. Propane-butane-air mixture ignition and combustion in the aerodynamic channel with the stagnant zone. // 42 AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 5-8 January 2004, Reno, Nevada, USA, 123-W1G-5, A1AA-2004-0838, p.1-9.

9. V.M.Shibkov, A.F.Alexandrov, V.A.Chemikov, V.G.Gromov, A.P.Ershov, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, I.B.Timofeev, V.V.Zlobin. Kinetics of the hydrocarbon fuels ignition under conditions of the gas discharge low temperature plasma. // Invited Report on IV Workshop "Thermochemical and plasma processes in aerodynamics. Saint-Petersburg, 12-14 July 2004, p. 1*8.

10. V.M.Shibkov, V.A.Chemikov, A.P.Ershov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, A.V.Voskanyan, V.V.Zlobin. Influence of low temperature

non-equilibrium gas discharge plasma on ignition and burning of the supersonic flow of the combustible hydrocarbon fuels. // XV International Conference on MHD Energy Conversion and VI International Workshop on Magnetoplas-ma Aerodynamics. Moscow, Russia, May 24-27 2005, v.3, p.711-730.

11. В.М.Шибков, В.А.Черников, АЛ.Ершов, А.А.Карачев, Р.С.Константи-новский, Л.В.Шибкова, А.В.Восканян, В.В.Злобин. Влияние комбинированного СВЧ разряда и разряда постоянного тока на горение сверхзвукового потока углеводородного топлива. // Доклад на 3-ей научной школе-конференции ’’Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики”, г.Алушта, Крым, 19-25 сентября 2005г., с. 1-16.

12. V.M.Shibkov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, A.V.Vos-

kanyan, V.V.Zlobin. Microwave plasma assisted of supersonic hydrocarbon fuel combustion. // In Book: “Strong Microwaves in Plasmas”. Edited by A.G.Litvak, in two volumes. Institute of Applied Physics of the RAS, Nizhny Novgorod, Russia, 2006, v. 2, p. 686-691. ;

13. V.M.Shibkov, A.D.Abramova, V.A.Chemikov, A.S.Dvinin, A.P.Ershov, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, O.S.Surkont, A.V .Voskanyan. Microwave discharge on external surface of dielectric antenna. // In book: "Strong microwaves in plasmas". Edited by A.G.Litvak, in two volumes. Institute of applied physics of the Russian Academy of Sciences. Nizhny Novgorod, 2006, v. 2, p. 742-747.

14. V.M.Shibkov, A.F.Alexandrov, V.A.Chemikov, V.G.Gromov, A.P.Ershov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, V.V.Zlobin. Influence of gas discharge plasma on combustion of a supersonic hydrocarbon flow. // Invited Report on V Workshop "Thermochemical and plasma processes in aerodynamics. Saint-Petersburg, 19-22 June 2006, No.25, p.1-7.

15. Шибков B.M., Громов В.Г., Ершов А.П., Константиновский Р.С., Черников В.А., Шибкова J1.B., Злобин В.В. Нетепловое воспламенение сверхзвукового потока углеводородного топлива в условиях неравновесной газоразрядной плазмы. //Доклад на 4-ой научной школе-конференции ’’Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики”, г.Алушта, Крым, 18-24 сентября 2006г., с.1-12

16. Shibkov V.M., Alexandrov A.F., Chemikov V.A., Ershov A.P., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Zlobin V.V. Freely localized and surface microwave discharges in high-speed flows. //VI International Workshop "Microwave discharges: Fundamentals and applications", September 11-15, 2006, Zvenigorod, Russia. Proceedings. Edited by Yu.A.Lebedev. Yanus-K, Moscow, 2006, p. 95-100.

17. V.M.Shibkov, A.F.Aleksandrov, V.A.Chemikov, S.A.Dvinin, A.P.Ershov, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, O.S.Surkont, V.V.Zlobin. Microwave Discharges: Fundamentals and Applications. //Report on 45 A1AA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2007, Reno, Nevada, USA, A1AA-2007-427, p. 1-6.

18. V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij. Surface Microwave Discharge at High Pressures of Air. //47th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 5-8 January 2009. Orlando. Florida. American Institute of Aeronautics and Astronautics. AIAA-2009-490.

19. V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, R.S.Konstantinovskij. Ignition of Thin Films of Liquid Hydrocarbons under Conditions of a Surface Microwave Discharge. //47th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 5-8 January 2009. Orlando. Florida. American Institute of Aeronautics and Astronautics. A1AA-2009-492.

20. Шибков B.M., Шибкова Л.В., Карачев A.A., Константиновский Р.С. Параметры плазмы поверхностного СВЧ разряда в воздухе и воздушноуглеводородных смесях. //Научная конференция Ломоносовские чтения. МГУ, апрель 2009, Подсекция «Газодинамика, термодинамика, ударные волны», с. 239-243.

21.V.M. Shibkov, L.V.Shibkova, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij. Ignition of gaseous and liquid hydrocarbon fuel under condition of a high-speed air stream with help of a surface microwave discharge. //8th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Institute of High Temperature of RAS, Moscow, 2009, p. 26-49.

22. Константиновский P.C., В.М.Шибков, Шибкова Л.В. Плазменно-стимулированное воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда. //Научная конференция Ломоносовские чтения. МГУ, апрель 2010, Подсекция «Газодинамика, термодинамика, ударные волны», с. 207-211.

23. V.M.Shibkov, A.F.Aleksandrov, L.V.Shibkova, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij. Internal and External Ignition under Condition of Combined Discharge. //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 3-7 January 2010. Orlando. FL. American Institute of Aeronautics and Astronautics. AIAA-2010-0265, p. 1-12.

Подписано к печати 13-0 f ■ ТнрЕпк 400 Зптал _________

Отпечатано в отделе оперативной печати / yi физического факультета МГУ

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Константиновский, Роман Сергеевич, Москва

61 12-1/447

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Константиновский Роман Сергеевич

ПЛАЗМЕННО-СТИМУЛИРОВАННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНО-УГЛЕВОДОРОДНЫХ потоков в УСЛОВИЯХ ПОВЕРХНОСТНОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА

специальность 01.04.08 - физика плазмы

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор В.М. Шибков

Научный консунтальт: доктор физико-математических наук Л.В.Шибкова

Москва-2011

Оглавление

Введение................................................................................................ 3

Глава 1. Обзор литературы........................................................................ 12

Глава 2. Экспериментальная установка и методы диагностики........................... 18

Глава 3. Воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков в

условиях низкотемпературной плазмы газового разряда........................ 29

§3.1. Импульсный поперечный электродный разряд.................................... 29

§ 3.2. Каверна как способ стабилизации горения сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях поперечного электродного разряда

постоянного тока......................................................................... 34

§ 3.3. Воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях

свободно локализованного СВЧ-разряд............................................. 40

§ 3.4. Влияние поверхностного СВЧ-разряда на воспламенение

высокоскоростного пропан-воздушного потока.................................... 43

§ 3.5. Комбинированный СВЧ-разряд в высокоскоростном пропан-воздушном

потоке....................................................................................... 52

Глава 4. Моделирование воспламенения газовых топливных смесей в условиях

поверхностного СВЧ-разряда.......................................................... 60

§ 4.1. Численное моделирование в случае однородной смеси.......................... 60

§ 4.2. Численное моделирование сверхзвуковых течений с подводом тепла

электрическим разрядом................................................................ 67

Глава 5. Результаты численного моделирования и сравнение с экспериментом...... 70

§5.1. Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой

пропан-воздушной смеси............................................................... 70

§ 5.2. Воспламенение водородно-кислородной смеси.................................... 73

§ 5.3. Воспламенение пропан-воздушной смеси........................................... 80

§ 5.4. Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой

пропан-воздушной смеси................................................................ 83

§ 5.5. Применение программированного режима для уменьшения минимально

необходимого удельного энерговклада в воспламеняемую газовую смесь.. 85 § 5.6. Исследование основных механизмов воспламенения пропан-воздушной смеси в присутствии низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда ..................................................................................... 89

Выводы................................................................................................. 103

Список литературы.................................................................................... 105

Приложение............................................................................................ 117

Введение

Для развития современной авиации требуется поиск и разработка новых эффективных средств, позволяющих управлять характеристиками газового потока вблизи поверхности летательного аппарата, контролировать передачу тепла и массоперенос в пограничном слое, снижать поверхностное трение, задерживать ламинарно-турбулентный переход, управлять отрывом потока, уменьшать время воспламенения и управлять процессом горения сверхзвуковых потоков горючего в прямоточном двигателе. Одним из новых решений данных проблем является использование различного типа газовых разрядов. При этом для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов предлагается создавать перед ними и на их несущих поверхностях плазменные образования, а для целей уменьшения времени воспламенения горючего в гиперзвуковом прямоточном двигателе использовать неравновесную газоразрядную плазму.

В области сверхзвуковой плазменной аэродинамики различными научными группами в различных российских и зарубежных институтах проводятся интенсивные исследования, связанные с использованием газоразрядной плазмы для воспламенения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков. Изучаются разряды постоянного тока, наносекундные высоковольтные, микроволновые, высокочастотные разряды, создаваемые на поверхности диэлектрических тел либо в объеме газа. Интенсивно ведется математическое моделирование изучаемого явления. Возникла задача поиска оптимальных способов создания низкотемпературной плазмы в высокоскоростных потоках газа, изучения влияния газового разряда на газодинамические характеристики потока вблизи обтекаемого тела и выявления механизма быстрого воспламенения углеводородных топлив. Исследование влияния различных типов газовых разрядов на эти процессы актуально с точки зрения необходимости в условиях высокоскоростных потоков обеспечить быстрое объемное воспламенение углеводородного топлива, что актуально для развития современной авиации. Изучение процесса воспламенения и горения углеводородных смесей в условиях низкотемпературной плазмы важно как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, так и с точки зрения оптимизации плазмохимических процессов. Самостоятельные сверхвысокочастотные разряды, существующие при больших значениях приведенного электрического поля, являются одним из перспективных способов создания низкотемпературной плазмы для различных практических приложений, в частности, для решения задач сверхзвуковой

плазменной аэродинамики. СВЧ-разряды, создаваемые в молекулярных газах, приводят к эффективной диссоциации молекул, наработке активных радикалов и нагреву рабочей среды. Эти процессы в разрядах в горючих воздушно-углеводородных смесях могут привести к полному изменению первоначального состава, что связано, в частности, с процессами воспламенения и горения. Для более глубокого понимания физико-химических процессов, протекающих при воспламенении углеводородных смесей в газовой фазе с помощью низкотемпературной плазмы, актуальным является проведение как экспериментальных исследований, так и сопоставление их с расчетами в рамках физических моделей влияния СВЧ-разряда на инициирование горения.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

• определение зависимости времени задержки воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха М= 2 от приведенного электрического поля в условиях нестационарной низкотемпературной газоразрядной плазмы;

Для решения поставленных задач применялись как бесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследования проводились с временным и пространственным разрешением с помощью диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров и спектрографов с цифровой регистрацией спектра, блока зондовой

диагностики с цифровой регистрацией вольт-амперных характеристик, датчиков давления, термопар, установки теневой диагностики, рефракционных лазерных датчиков, системы измерения проводимости пламени, цифровых фотоаппаратов, высокоскоростной цифровой видеокамеры, цифровых осциллографов; компьютеров.

Экспериментальные результаты получены с помощью комплекса независимых диагностических методик на различных экспериментальных установках, подтверждаются сравнением измеренных величин с результатами теоретических и экспериментальных работ других исследователей, а также данными численного моделирования. Таким образом, полученные результаты являются вполне обоснованными и достоверными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение сверхзвукового (М= 2) пропан-воздушного потока в условиях импульсного поперечного по отношению к газовому потоку электродного разряда, объемного свободно локализованного СВЧ-разряда и поверхностного СВЧ-разряда и проведено исследование этого явления;

- экспериментально получена зависимость времени воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока от приведенного электрического поля;

- впервые реализована стабилизация горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутри аэродинамического канала в условиях программированного СВЧ-разряда;

- на основе математического моделирования показано влияние плазменных эффектов на быстрое воспламенение углеводородного топлива в условиях низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда.

Полученные в работе результаты представляют не только академический интерес, но являются научной базой для выработки рекомендаций по использованию газоразрядной плазмы при создании летательных аппаратов нового поколения, в

частности для быстрого воспламенения и стабилизации горения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков.

Автором проведены экспериментальные исследования влияния плазменных эффектов на процесс быстрого воспламенения в условиях плазмы импульсного поперечного по отношению к потоку электродного разряда, объемного и поверхностного СВЧ-разрядов, а также разработана программа расчета воспламенения в условиях самостоятельного СВЧ-разряда, проведено численное моделирование изучаемого явления и выполнен анализ полученных результатов. Квалификационная ценность результатов исследований признана российским и международным научными сообществами. Результаты, полученные автором и вошедшие в диссертацию, являлись базовыми для отчетов по грантам РФФИ (№ 05-02-16532-а, № 08-02-01251-а), по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН (Р-09) «Исследование вещества в экстремальных условиях», по проекту МНТЦ (№ 2248), по гранту Нидерландского научного общества №047-016.019) и гранту СКОБ (№ 1ШР-1514-МО-06). Вклад

соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим.

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, достоверность полученных результатов и личный вклад автора, а также приведены сведения об апробации работы и публикациях. Приведено краткое содержание работы.

Во второй главе диссертации описывается экспериментальная установка, использованная в данной работе, и методики измерений. Экспериментальная установка включает в себя вакуумную камеру, ресивер высокого давления воздуха, ресивер высокого давления пропана, систему для создания сверхзвукового потока, два магнетронных генератора, две системы для ввода СВЧ-энергии в камеру, цилиндрический и прямоугольный аэродинамические каналы, два высоковольтных источника питания,

систему синхронизации и диагностическую аппаратуру. Основой установки является откачиваемая металлическая цилиндрическая барокамера с внутренним диаметром 1 м и длиной 3 м. Вакуумная система позволяет проводить исследования в широком диапазоне давлений р= 10-760 Тор. Экспериментальная установка оснащена измерительной аппаратурой, позволяющей проводить исследования процесса воспламенения газообразных углеводородов. Диагностический комплекс состоит из цифровых монохроматоров и спектрографов, оптических рефракционных датчиков, импульсной теневой установки, коллимированных фотоэлектронных умножителей, электрических зондов, термопар, датчиков давления, системы для измерения проводимости пламени, двухпроводной линии, цифровых осциллографов, цифровых фото- и видеокамер и др.

В третьей главе диссертации исследовано воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков в условиях низкотемпературной плазмы газового разряда. В первом параграфе рассматривается воспламенение с помощью поперечного импульсно-периодического электродного разряда. Во втором параграфе рассмотрена стабилизация горения пропан-воздушного потока в условиях газоразрядной плазмы, создаваемой в аэродинамическом канале с каверной. В качестве застойной зоны в эксперименте использовалась прямоугольная каверна с различными отношениями длины Ь каверны к ее глубине к {ЫЬ - 1-10). В третьем параграфе приведены данные о плазменно-стимулированном воспламенении с помощью свободно локализованного СВЧ-разряда. Описание экспериментов по воспламенению с помощью поверхностного СВЧ-разряда приведено в четвертом параграфе. В конце главы приведено описание экспериментов по использованию для интенсификации и стабилизации горения сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси программированного СВЧ-разряда, создаваемого в различных застойных зонах аэродинамического канала.

Для выявления механизма, приводящего к воспламенению сверхзвукового пропан-воздушного потока в четвертой главе диссертации описываются математическая модель и программа расчета, позволяющие моделировать процесс автовоспламенения пропан-воздушной смеси при пристеночном выделении тепла, а также рассчитывать процесс плазменно-стимулированного горения водородно-кислородной и пропан-воздушной смесей.

В пятой главе диссертации представлены результаты математического моделирования и их сравнение с экспериментом. В этой же главе диссертации на основе сравнения результатов математического моделирования и экспериментальных данных по инициированию горения пропан-воздушного сверхзвукового потока в условиях

низкотемпературной плазмы, создаваемой различными разрядами, анализируется механизм быстрого плазменно-стимулированного воспламенения газообразных углеводородов. Проведен поиск наиболее существенных механизмов развития и замедления автовоспламенения пропан-воздушной смеси и инициации в условиях низкотемпературной плазмы поверхностного сверхвысокочастотного разряда и осуществлена редукция кинетической схемы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, в том числе: на Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 2003); на Всероссийской конференции по физической электроники (Махачкала, 2003); на Международных симпозиумах "Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике" (Санкт-Петербург, 2004, 2006); на Международны�