Развитие импульсного наносекундного разряда и его применение в задачах плазменно-управляемой аэродинамики и плазменно-стимулированного горения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 537.52

004614126

Никипелов Андрей Александрович

Развитие импульсного наносекундного разряда и его применение в задачах плазменно-управляемой аэродинамики и плазменно-стимулированного

горения

01.04.08 — физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

2 5 НОЯ

т

Долгопрудный - 2010

004614126

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

Научный руководитель:

д.х.н., проф. Грознов Иван Николаевич, МФТИ

Научный консультант:

д.ф.-м.н. Стариковский Андрей Юрьевич,

проф., Принстонский Университет

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н. Голуб Виктор Владимирович,

зав.отд. ИТЭС ОИВТ РАН

к.ф.-м.н. Деминский Максим Александрович,

с.н.с. ИВЭПТ РНЦ "Курчатовский институт"

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

Защита состоится 24 ноября 2010 г. в _ на заседании диссертационног совета Д 212.156.06 при Московском физико-техническом институте п адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, корпус В-2. Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская обл., г. Долгопруд ный, Институтский пер. 9, МФТИ (ГУ). ^ „

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физике технического института.

Автореферат разослан _ октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Чубинский Н.П.

Общая характеристика работы Актуальность проблемы

Современные исследования релаксационных процессов в неравновесной плазме высоковольтного наносекундного разряда атмосферного давления связаны с перспективой использования данного разряда для активного управления процессами воспламенения и стабилизации горения [1], [2], а также управления обтеканием поверхностей [3].

Важным преимуществом пламен, стабилизированных неравновесной плазмой, считают возможность обеспечения полного сгорания бедных и сверхбедных смесей. Полнота сгорания достигается благодаря вбросу радикалов и других активных частиц, произведенных плазмой неравновесного разряда. Таким образом оказывается возможным снизить выбросы N0, образованного по тепловому механизму Зельдовича, увеличение динамического диапазона регулировки мощности горелок, решения проблемы стабилизации сверхбедных пламен и ряда других. Значительный промышленный интерес представляют исследования воспламенения предварительно перемешанных смесей с контролируемым стехиометрическим соотношением с помощью неравновесного разряда. Ранее было показано [1], что время задержки воспламенения углеводород-воздушных смесей при температуре выше точки самовоспламенения снижается на несколько порядков величины при приложении наносекундого высоковольтного разряда. Промышленный потенциал применения неравновесного разряда для воспламенения горючих смесей при температуре ниже точки самовоспламенения зависит от соотношения времени релаксации энергии, вложенной электрическим полем в производство активных частиц и нагрев и времени рассеяния возмущения через рекомбинацию активных частиц и конвективную и диффузионную теплопроводность. Условием эффективного применения плазменных методов управления воспламенением и горением является низкая энергетическая цена процесса. Оптимизация воздействия разряда на химически активную систему требует детального исследования механизмов возбуждения, энергообменов и релаксации энергии, а также реакций в термически-неравновесных условиях.

Плазма наносекундного высоковольтного разряда найдет применение в аэрокосмической отрасли (управление обтеканием потоком крыла) и в ветроэнергетике (управление обтеканием лопатки ветряной турбины). Наиболее перспективным является применение данного разряда па закрылках. Оно позволит изменить традиционную схему многоэлементного закрылка с перетеканием, упростить его и сделать более легким. Последствием применения станет увеличение диапазона рабочих углов атаки при взлете и приземлении самолетов, соответствующее увеличение подъемной силы, следующее за ним уменьшение площади крыльев (в настоящее время она является избыточной в крейсерском режиме и необходимой при взлете и посадке). Это, в свою очередь, вызовет сокращение расхода топлива.

В настоящее время экспериментально показана возможность управления обтеканием крыла с помощью плазмы наносекундного высоковольного скользящего раз-

ряда в дозвуковом и трансзвуковом диапазоне скоростей. Плазменные методы превосходят механические благодаря малому весу, практически мгновенной реакции и простоте элементов. В настоящее время большая часть работ посвящена исследованию плазменных актуаторов с питанием источником переменного тока, при этом управляющее воздействие - изменение импульса потока с помощью ионного ветра является растянутым по времени. Показано теоретически, что скорость, добавляемая в поток ионным ветром, не превышает 12 м/с. С другой стороны, успешные эксперименты по управлению обтеканием крыла при скорости набегающего потока 100 м/с [4] с помощью актуатора с питанием наносекундными высоковольтными импульсами показали, что имеются более эффективные механизмы воздействия разряда на поток. Исследование релаксации энергии, подведенной электрическим полем, позволило объяснить эффект и создать физическую модель воздействия.

Цель работы

Основной целью данной работы является исследование механизмов влияния наносе-кундного импульсно-периодического разряда на аэродинамические характеристики потока и на стабилизацию пламени и поджиг сверхбедных и богатых смесей. Важно точкой являлась демонстрация возможности практического использования наносе-кундного импульсно-периодического разряда для конверсии углеводородов в сингаз - смесь Н'2, СО и N2 в реакции частичного окисления. Для этого были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать динамику давления газа в послесвечении наносекундного скользящего разряда

2. Используя шлирен-методы, визуализировать газодинамическое возмущение в послесвечении наносекундного скользящего разряда

3. Измерить скорость волны сжатия, распространяющейся от термализовавшего-ся плазменного слоя

4. По измеренным скорости ударной волны и энерговкладу в разряд оценить долю энергии, переходящую в нагрев, на временах, меньших газодинамических

5. Исследовать динамику концентрации радикала ОН в послесвечении наносекундного импульсного разряда, развивающегося в подогретом метано-воздушном потоке с помощью лазерно-индуцированной флюоресценции (ЛИФ).

6. Исследовать динамику концентрации радикала ОН в пламени и изменение пространственного распределения ОН под действием наносекундного барьерного разряда с помощью ЛИФ •

7. Исследовать поджиг сверхбедных, предварительно подогретых и перемешанных смесей импульсно-периодическим наносекундным высоковольтным разрядом

8. Сравнить эффективность поджига горючих смесей при температуре ниже порога самовоспламенения с помощью локализованного и объемного разрядов

9. Исследовать механизм, отвечающий за делокализацию наносекундиой искры в осесимметричном плазматроне

10. Исследовать влияние разряда на глобальную реакцию частичного окисления углеводородов в сингаз

Научная новизна

1. Впервые измерена динамика давления в плазменном слое скользящего диэлектрического барьерного наносекундного разряда. Показано, что пиковое давление после термализации энергии разряда пропорционально эперговкладу и не зависит от полярности приложенного высоковольтного импульса для различных газов (воздух, N2, Не, С02, Аг). На основе продолжительности импульса давления получены оценки толщины плазменного слоя, которые составляют 0.5 мм при атмосферном давлении и импульсе амплитудой 10-20 кВ.

2. Впервые измерена динамика ударных воли над поверхностью скользяцего барьерного наносекундного разряда с помощью теневого лазерного метода с синхронизацией в наносекундном диапазоне времен. Впервые показано, что неравновесная воздушная плазма атмосферного давления, созданная наносекундным высоковольтным скользящим диэлектрическим барьерным разрядом термали-зуется на временах существенно меньших, чем время газодинамического расширения плазменного слоя, что приводит к формированию ударных волн.

3. Впервые визуализировано с помощью шлирен-метода взаимодействие вихревого возмущения от термализующейся плазмы скользящего наносекундного разряда и потока над аэродинамическим профилем. Обнаружено образование динамических вихрей в сдвиговом слое отрывного течения и оценено время характерное время присоединения оторванного потока.

4. Впервые измерена динамика концентрации радикала ОН в послесвечении импульсного наносекундного высоковольтного разряда в горючих смесях различного стехиометрического состава при температурах ниже порога воспламенения. Впервые показано наличие длинных цепей окисления под порогом воспламенения в условиях стимулирования химических реакций плазмой стримерного барьерного разряда.

5. Впервые плазматрон с импульсно-периодическим питанием применен для стабилизации горения и инициирования частичного окисления в перемешанных подогретых смесях углеводород-воздух для широкого диапазона стехиометри-ческих соотношений [0.05-3]. Впервые показан эффект делокализации кан&па

наносекундого высоковольтного разряда при увеличении удельной вкладываемой мощности. Предложен механизм, объясняющий делокализацию канала за счет газодинамических возмущений потока.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты измерения динамики ударных волн над поверхностью диэлектри ческого барьерного разряда с помощью теневого лазерного метода с синхро низацией в наносекундном диапазоне времен. Результаты измерений величинь перегрева плазменного слоя, его толщины, оценка времени термализадии плаз мы неравновесного разряда атмосферного давления.

2. Результаты измерений динамики концентрации радикала ОН, наработанного г послесвечении наносекундного стримера, в горючих смесях различного стехио метрического состава при температурах ниже порога воспламенения.

3. Результаты измерения двумерного распределения ОН в плазменно стимулированных предварительно перемешанных пропано-воздупшы пламенах. Эффект управления положением фронта пламени с помощы барьерного разряда за счет производства радикалов в предпламенной зоне. Результат измерения динамика распространения пламени по предварительн возбужденной смеси.

4. Диапазон параметров высоковольных импульсов (напряжение, частота), гео метрии электродов и предельных массовых потоков, при которых разряд плазматроне реализуется в форме распределенной искры и механизм, объяс няющий поведение разряда. Выделение определяющих параметров в формиро вании разряда.

5. Метод стабилизации сверхбедных пламен предварительно перемешанны топливно-воздушных смесей. Результаты измерения продуктов горения ил! частичного окисления при инициации распределенной неравновесной искрой диапазоне стехиометрических соотношений [0.05..0.5].

6. Физическо-химическая модель плазмохимического реформера частичного окис ления углеводородов в сингаз (смесь СО и Нг). Оценка эффективности иници ирования различных фаз реформинга наносекундным высоковольтным разря дом в различных топливо-воздушных смесях.

Практическая и научная ценность

Научная и практическая ценность работы заключается в получении новых экспери ментальных данных по динамике давления и распределению плотности в плазменнол слое скользящего диэлектрического барьерного разряда, развивающегося при атмосферном давлении в воздухе и других газах. Полученные в работе данные могу

быть использованы для уточнения модели взаимодействия плазменного актуатора с питанием наносекундными высоковольтными импульсами и потока над крылом, для создания промышленных актуаторов и их оптимизации. Кроме того данные могут быть использованы в фундаментальных исследованиях: для проверки кинетических схем термализации плазмы неравновесного разряда и выяснения основных механизмов реакций возбужденных состояний нейтральных частиц и заряженных частиц при атмосферном давлении. Шлирен-визуализация взаимодействия расширяющегося плазменного слоя с потоком, приводящего к образованию вихря, позволит проверить модель переноса импульса набегающего потока к поверхности.

Полученные данные по динамике абсолютной концентрации ОН в послесвечении наносекундиого барьерного разряда, распространяющегося по предварительно подогретой, перемешанной смеси при температуре ниже точки самовоспламенения, позволяют расширить кинетические механизмы в диапазон низких температур. Кроме того, они подтверждают возрастающую эффективность воспламенения смесей неравновесным разрядом при приближении температуры смесей к точке самовоспламенения.

Обнаружен и объяснен эффект делокализацин импульсно-периодической нано-секундной искры при увеличении удельного энерговклада разряда в плазматроне. Эффект позволяет конструировать плазматроны с заведомо большим ресурсом, благодаря снижению нагрузки на низковольтный электрод и уменьшению его эррозии. Разработанный с использованием данного эффекта плазматрон позволил стабильно воспламенять горючую смесь углеводород-воздух в широком (¡0.05...0.5], [2.5..3)) диапазоне стехиометрических соотношений и явился ключевым элементом созданного прототипа промышленного плазмохимического реактора частичного окисления.

Выводы данной работы могут быть использованы для совершенствования технологических процессов, связанных с плазменно-управляемой аэродинамикой и плазменио-инициированным воспламенением и горением.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, в том числе международной аэрокосмической конференции, проводимой под эгидой американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA), европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизированных газов, а также промышленных конференциях по двнгателестроеншо в Южной Корее и Норвегии: ESCAMPIG XX, Новый Сад, Сербия, 2010; 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Орландо, США, 4-7 января, 2010; CIMAC, Берген, Норвегия, 2010; 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Орландо, США, 5-9 января, 2009; International Symposium on Marine Engineering (ISME), Бусан, Южная Корея, окятбрь 2009; 19th International Symposium on Plasma Chemistry, Бохум, Германия, 26-31 июль, 2009; 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США, 7-10 января, 2008, 19th ESCAMPIG, Гранада, Испания, 2008.

Актуаторы с питанием наносекундпьши высоковольтными импульсами в настоящее время испытываются в совместном проекте Делфтского Технического университета и компании Неклаб Ресерч БВ.

Личный вклад автора

Создание экспериментального стенда для исследования динамики давления и поля плотности в послесвечении наносекундного диэлектрического барьерного разряда в воздухе и других газах. Создание шлирен-диагностнческого комплекса с синхронизацией в наносекундном диапазоне. Оценка размеров термализующегося слоя и величины перегрева и скорости термализации неравновесной плазмы скользящего разряда. Визуализация шлирен-методом взаимодействия плазмы наносекундного диэлектрического барьерного разряда, развивающегося вдоль по потоку на аэродинамическом профиле с набегающим потоком. Создание диагностического комплекса, для измерений концентрации радикалов ОН с помощью лазерно-нндуцнрованной флюоресценции. Создание схемы синхронизации генератора высоковольных импульсов, источника сканирующего излучения и усилителя яркости ПЗС-камеры. Обнаружение эффекта делокализации наносекундной искры в осесимметричном плазматроне и его применение для стабилизации горения в плазмохимическом реакторе частичного окисления и топливо-воздушных плазматронов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из б глав. Работа изложена на 154 страницах текста, включает 83 рисунка. Список литературы насчитывает 117 наименований.

Содержание диссертации

Первая глава является вводной, обосновывает актуальность предмета исследований и охватывает постановку задачи, научную новизну и основные положения, выносимые на защиту. Кроме того приведена структура работы.

Вторая глава, содержащая обзор литературы, состоит из трех разделов, посвященных, соответственно, истории изучения разрядов атмосферного давления, применению плазмы в задачах плазменно-управляемой аэродинамики и применению неравновесной плазмы в задачах плазменно-стимулированного воспламенения и горения.

В первом разделе рассмотрены история изучения дуговых разрядов, отрыв температуры электронов в неравновесной плазме и релаксационные процессы в плазме.

Второй раздел содержит обзор исследований по влиянию плазмы на обтекание тел. Приведены результаты уда'рно-волновых и баллистических экспериментов, мотивированных возможным снижением сопротивления движению тел со сверхзвуковыми скоростями в газе при помощи плазмы. Также рассматриваются плазменные

актуаторы с диэлектрическим барьерным разрядом для контроля дозвукового обтекания крыла с различными типами источников питания.

В третьем разделе обсуждается механизм влияния неравновесной плазмы на процессы горения: вброс активных частиц - радикалов и электронно-возбужденных молекул, приводится пример изменения границ воспламенения при добавлении объемного источника радикалов; обсуждаются разряды, исследованные в задачах плазменно-стимулиропанного горения, приведены примеры успешного воспламенения сверхзвукового (М—2) воздушного-водородного потока филаментаризоваиным микроволновым разрядом и стабилизации горения углеводород-воздушного потока наносекундной искрой; перечислены реакции, приводящие к возникновению атомарного кислорода и атомарного азота в результате электронного удара. Обсуждаются механизмы, приводящие к производству N0 в пламенах и в неравновесном разряде.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию газодинамических процессов, инициированных быстрой термализацией плазмы высоковольтного нано-секундного скользящего разряда. Глава состоит из трех разделов.

Первый раздел посвящен систематизации данных исследований плазменно-управляемой аэродинамики. Значительная часть работ по управлению сверхзвуковыми потоками сводит воздействие плазмы к локальному перегреву областей над поверхностью тел, взаимодействующих с потоком, либо объемной термализации плазмы и увеличению скорости звука ([5], [0]). В то же время, большинство работ по управлению дозвуковым обтеканием крыльев указывают в качестве механизма воздействия добавку в поток импульса при помощи ионного ветра ([7], [8]). Скорость ионного ветра была измерена в работе [9], она составила около 8 м/с. В цитируемых работах применяли источники переменного тока, и геометрию электродов, впервые предложенную в работе [10] (рис. 1). Такую же геометрию, но с источником питания - генератором наносекундных высоковольтных импульсов, для управления обтеканием крыла было предложено использовать в [3]. Показано, что актуаторы с питанием источником переменного синусоидального или постоянного тока, позволяют управляемо присоединять поток к крылу при скорости набегания потока до 40 м/с. В то же время актуаторы с питанием высоковольтными наносекундными импульсами позволили присоединить поток при скорости набегания 110 м/с и убрать пульсации давления в спутном следе аэродинамического профиля, помещенного в трансзвуковой поток. Эти данные не согласовывались с принятой моделью воздействия плазмы на поток и потребовались дополнительные эксперименты, чтобы выяснить отличие физики воздействия актуаторов с импульсным паносекундным питанием от актуаторов с питанием переменным током.

Второй раздел посвящен описанию объекта исследования - высоковольтного на-носекундного скользящего барьерного разряда. Приведен обзор данных по динамике и характеристикам разряда, детально исследованного в [11]. Динамику разряда изучали в искусственном воздухе - смеси N2:02=80:20. Типичная геометрия асимметричного актуатора включала высоковольтный и низковольтный электроды, сделанные из медной фольги толщиной 0.05 мм и шириной 5 мм, длиной 85 мм. Низко-

Рис. 1: Устройство актуатора, [4].

вольтный электрод был покрыт тефлоновой пленкой толщиной 0.3 мм. С помощью I оптических измерений, сделанных высокоскоростной камерой РюоЭ1аг НШ2, показали, что толщина плазменного слоя при атмосферном давлении составляет около ; 0.5 мм; что приходу переднего и заднего фронта высоковольтного импульса соответ- I ствуют фазы зарядки и разрядки кондесатора, образованного электродами и диэлектрической пленкой, при этом их интенсивности практически одинаковые, а разряд развивается вдоль поверхности в виде многочисленных стримеров, которые стар- I туют практически одновременно. Скорость их распространения составляет порядка 1 мм/нс. При этом длина пробега стримеров составила порядка 4 мм, а удельный на длину актуатора энерговлад - около 0.5 мДж/см. Максимальная скорость, придаваемая неподвижному воздуху актуатором не превысила 0.4 м/с.

В третьем разделе приведены результаты экспериментального исследования тер-мализации плазмы высоковольтного наносекундного скользящего разряда. Наиболее | прямое следствие быстрой термализации плазмы - это импульсное увеличение давления в плазменном слое. Для измерения этого давления использовали следующую схему: актуатор состоял из двух электродов, разделенных слоем диэлектрика (фто- ; ропласт) толщиной 0.3 мм. Электроды были изготовлены из алюминиевой фольги толщиной 50 мкм. Актуатор был плотно наклеен на оргстеклянную пластину толщиной 20 мм. На нижней поверхности пластины был просверлен канап длиной 4 мм к его дну был плотно прижат пьезодатчик с близким к оргстеклу акустическим импедансом. Небольшое заглубление датчика позволило считать приходящий фронт волны сжатия плоским, избежать трудностей интерпретации сигнала, связанных с отражением волн сжатия и создать задержку между электрическим разрядом (которому соответствуют сильные электромагнитные помехи) и временем прихода сигнала на датчик. .

I Измерения проводились для генератора импульсов длительностью 50 не. Время

нарастания напряжения на переднем фронте было 4 не. Импульсы напряжения подавали с частотой 1 Гц. Напряжение в кабеле составляло 16-24 кВ при внутреннем сопротивлении линии 300 Ом и-8-12 кВ при сопротивлении 150 Ом. Измерения напряжения падающего и отраженного импульсов производили калиброванны делителем напряжения, подавая сигналы на 50-омный вход осциллографа Тек1готх3054В. Энерговклад разряда рассчитывался как разность энергий падающего и отраженно- |

Время, мкс

Рис. 2: Динамика давления в нагретом слое для импульсов напряжений 16.5, 19 и 24 кВ. Высокочастотный сигнал в 1=0 соответствует шуму разряда-

го импульсов. На рисунке 2 представлены осциллограммы сигналов с пьезодатчика, соответствующие волнам сжатия и растяжения в оргстекле. Время задержки прихода волны сжатия соответствует прохождению 16 мм со скоростью звука в оргстекле, резкий рост давления означает быструю (быстрее 1 мкс) термализацию. Смена знака давления соответствует приходу контактной поверхности и позволяет оценить толщину плазменного слоя в 6 — V, хт = 0.3 мм. Амплитуда давления пропорциональна энерговкладу и сравнима с давлением, рассчитаным при нагреве, определенным по формуле (с учетом того, что термализация протекает практически при постоянном объеме) (2 = С„ х АТ, где <3 - сравнима с полным энерговкладом. Давление практи-I чески не зависит от полярности высоковольного импульса. В неподвижном воздухе давление при термализации плазмы первого и десятого высоковольтных импульсов в пачке с частотой следования / = 1 кГц совпадает.

Для тенеграфического исследования газодинамического возмущения, вызванного быстрой термализацией плазмы, собрали следующий стенд: 5 мм луч Ш:УАО лазе-| ра (<3иа^е1 УС471С) расширили до 2 см телескопом и направили строго параллельно электродам актуатора. на экран на расстоянии 5 м от актуатора. Длительность вспышки составила 6 не. Синхронизацию высоковольтного генератора и лазера осуществляли генератором произвольных импульсов Тек^ошх-АРС 3251, джиттер запуска лазера относительно разряда составил менее 50 не. Градуировку производили с помощью прозрачной координатной сетки, временно помещенной на актуатор.

Для двухэлектродпого актуатора показали, что газодинамическое возмущение представляет собой суперпозицию двух ударных волн: цилиндрической, распространяющейся из области между электродами и плоской, распространяющейся от слоя над покрытым диэлектриком электродом. Обе ударные волны стартуют одновременно. Сравнили эксперимент с гидродинамическим расчетом в двумерной постановке.

11

________________________________________

Длину н толщину горячего слоя задавали на основе экспериментальных данных -4 и 0.4 мм, соответственно. Экспериментальные данные воспроизводились наиболее точно в предположении, что перегрев в слое над электродом составил 70 К, а в области 0.4 х 0.4 мм2 над кромкой электрода - 420 К. Кроме того, расчет показал, что нагретый слой расширяется со звуковой скоростью около 4 мкс, после чего волна разряжения, отразившаяся от поверхности актуатора, догоняет головную ударную волну и скорость расширения слоя падает до 70 м/с, к 30 мкс скорость падает до 20 м/с - формируется слабое возмущение типа 1М-волны.

Средние параметры слоя оценили, воспользовавшись моделью Римана для одномерного распада произвольного разрыва. В этой модели скорость ударной волны в начальный момент определяется только величиной перегрева. В качестве допущения приняли, что нагрев происходит в изохорическом режиме. Исследовали термализа-цшо плазмы скользящего разряда от двух различных источников: с длительностью импульсов 50 не и 7 не и амплитудой до 20 кВ. По тепеграфичеекпм снимкам положения фронта ударной волны, снятым с дискретизацией 1-2 мкс, построили х-1 диаграммы. Начальный наклон кривых задавал скорость ударной волны, а точка изменения скорости движения волны (на расстоянии 3-4 мм от поверхности актуатора) - место, где волна расширения догоняла ударную волну. После этого скорость ударной волны практически равна скорости звука. Рассчитанная максимальная величина перегрева составила 420 К для 50 не импульса и 240 К для 7 не импульса. Общей для исследовапых импульсов особенностью явилось то, что при одинаковой амплитуде приложенных высоковольтных импульсов катодонаправленный скользящий разряд приводил к более интенсивным ударным волнам, чем анодонаправлен-ный.

Тенеграфические измерения, проведенные для трехэлектродного актуатора (по схеме анод и катод, наклеенные на расстоянии 6 мм на диэлектрическую пленку, под которой помещен заземленный электрод) также показали повышенное удельное энерговыделение вблизи кромок электродов.

Провели эксперименты по измерению давления в термализующемся слое нано-секундного высоковольтного скользящего разряда при атмосферном давлении для Аг, Не, N2, С02 и в воздухе по схеме, аналогичной приведенной выше. Высоковольтные импульсы подавали с частотой 1 Гц. Для всех газов термализация протекала за характерные времена менее 1 мкс и величина пикового давления была линейной функцией энерговклада в разряд.

В отдельной серии экспериментов была проведена шлирен-визуализация взаимодействия потока, набегающего на аэродинамический профиль со скоростью до 35 м/с, и помещенного на переднюю кромку профиля поверхностного разряда с питанием высоковольтными наносекунднымн импульсами. Обнаружили систему вихрей, развивающихся из гидродинамического возмущения, образованного термалнзовавшим-ся плазменным слоем. Развитие данного возмущения в сдвиговом слое отрывного течения приводит к дестабилизации этого слоя и эффективному переносу импульса основного потока к поверхности. Такой механизм управления потоком позволяет управлять отрывными режимами обтекания в широком диапазоне углов атаки (в

настоящее время - до 32 градусов) и скоростей (до 250 м/с).

Четвертая глава поевещена исследованию динамики стабилизации пламен неравновесным разрядом. Глава состоит из четырех разделов.

Первый раздел освещает особенности измерений концентрации ОН при помощи лазерно-нндуцироваиной флюоресценции. Обоснованы выбор длины волны накачивающего излучения - 283 им (электронный переход Х2П —► Л2£+ и колебательный 0 —> 1), спектрального диапазона наблюдения флюоресценции - 310-315 нм (возвращение в основное состояние, колебательный переход 1 —> 1). Продемонстрирована разница ненасыщенного и насыщенного режимов ЛИФ н влияние процессов тушения.

Во втором разделе с помощью ЛИФ исследована динамика концентрации ОН в послесвечении барьерного разряда. В предварительно перемешанный, подогретый поток осушенного воздуха с метаном поместили разрядный промежуток, состоявший из острого высоковольтного электрода и заземленного стержня, запаянного в кварц. На разрядный промежуток подавали с частотой 1 Гц импульсы длительностью 12 и 40 не с напряжением в кабеле до 12 кВ. С помощью высокоскоростной ПЗС-камеры Р1Со31аг НШ.2 сняли динамику развития разряда с разрешением 0.20.5 не. Обнаружили разницу в развитии: анодонаправленный разряд практически не заряжал поверхность кварцевой трубки вокруг низковолыгого электрода, в то же время катодонаправлеинын разряд помимо стримерной фазы включал и стадию зарядки и разрядки диэлектрической оболочки низковольтного электрода:. Картины интегрального излучения азота в центре разрядного промежутка для двух полярностей отличались по яркости не более, чем в 2 раза, в то же время измеренная концентрация ОН в случае анодонаправленпого разряда была на порядок величины ниже. Абсолютные концентрации ОН были измерены в канале катодоиаправленного разряда в смесях различных составов и температур, перетяжка лазерного луча находилась посередине между электродами. Время измерения было засинхронизировано с высоковольтным импульсом с точностью не хуже 300 не. Использовали интерференционный фильтр с максимумом пропускания на 313.5 нм и шириной 2 нм. Измерения проводили в режиме накопления. Каждая точка на рисунке 3 - усреднение по 10 разрядам. ОН нарабатывался в основой в реакциях атомарного кислорода с метаном. Двукратный рост начальной концентрации ОН при увеличении содержания метана в смеси в 3 раза показывает, что процесс конверсии наработанных в разряде радикалов ОН является многостадийным и концентрация ОН зависит как от степени возбуждения газа в разряде, так и от концентраций основных компонент. Время рекомбинации ОН увеличивается при приближении температуры смеси к точке самовоспламенения.

В третьем разделе описаны ЛИФ измерения распределения ОН в стабилизированных неравновесной плазмой пламенах. В [12] показали, что приложение импульсно-периоднческого высоковольного наиосекундпого барьерного разряда способно увеличить скорость потока до срыва пламени до 2 раз. В разделе подробно описано устройство диагностического комплекса для проведения пзмереиий ЛИФ и абсолютной калибровки. Комплекс включает твердотельный лазер и лазер на красителе, си-

5Е14-4£14

8 Т=300 К, У-21кВ,с.0."1

! * 1=300 К. \/=21кВ ,С.о.-3

л 1=470 К. У=21кВ ,С.О.= 1

!у Т=560 К, У=17КВ.С.О.=1

» Т=620 К. У=21кВ с.о-0.7

ЗЕ14- „л «?

а»м * .V

I Т=620 К У~17к8 со. =0.7

1

а 9 10 1» га г$ щ з» «о <в время* мкс

Рис. З: Результаты абсолютных ЛИФ измерений наработки ОН в канале положительного наносекундного барьерного разряда в подогретой перемешанной смеси метан-воздух.

стему удвоения частоты лазерного излучения, блок управления, синхронизующий лазер и высокоскоростную ПЗС-камеру с усилителем яркости. В кварцевый объектив, фокусирующий излучение на фотокатод усилителя яркости ПЗС-камеры, помещен интерференционный фильтр с полосой пропускания шириной 10 нм для двумерных ЛИФ-измерений и 2 нм в абсолютных измерениях. Тонкую настройку длины волны лазера провели сканируя узкий диапазон и сравнивая отклик с расчетом, проведенным пакетом ЫРВАБЕ. Разряд с частотой следования импульсов 1-5 кГц и лазера с частотой вспышек 10 Гц синхронизировали с джиттером не хуже 1 мкс при помощи управляющего канала осциллографа. С8-13.

Сняли картины индуцированной флюоресценции ОН в пламени, стабилизированном периодическим наносекундным барьерным разрядом, развивающимся в предпла-менной зоне. Показали смещение распределения концентрации ОН по направлению к горелке при приложении разряда. С помощью ИК-Фурье спектрографа показали увеличение полноты сгорания при приложении разряда. В режиме насыщенного ЛИФ измерили динамику концентрации ОН с синхронизацией относительно разряда, результат этих измерений представлен на рисунке 4.

Анализ результатов измерений позволил подтвердить физическую модель влияния разряда на стабилизацию горения через вброс атомарного кислорода с его быстрой конверсией в ОН. При температуре, близкой к самовоспламенению, радикалы ОН инициируют цепные реакции, в ходе которых происходит дополнительный разогрев и сохранение радикалов, что в итоге приводит к сокращению времени воспламенения.

Пятая глава описывает применение плазмы высоковольтного наносекундного разряда для реформинга углеводородных топлив в сингаз - смесь водорода и оксида

высота над горелкой, мм

Рис. 4: Динамика распределения концентрации ОН, образующегося в результате действия наносекундного барьерного разряда в пламени. По осям отложены высота над горелкой и концентрация ОН в относительных единицах, различные кривые соот-ветвуют мгновенному распределению ОН над центральной линией горелки. Видно уменьшение ОН непосредственно над горелкой со временем, прошедшем после разряда, связанное с выносом потоком и рекомбинацией и увеличение ОН выше по потоку, связанное с интенсификацией горения.

углерода. Глава состоит из 6 разделов.

В первых двух разделах приведена мотивация работы: отсутствие каталитических методов стимулирования частичного окисления дизельного топлива, содержащего серу, при необходимости производства горючего газа для местного потребления в двигателе внутреннего сгорания. Проведен обзор плазменных методов стимулирования реакции реформинга метана с углекислым газом при помощи неравновесной плазмы. Продемонстрирована их термодинамическая неэффективность вследствие эндотермического нецепного характера данной реакции.

В третьем разделе рассмотрена модельная ситуация реактора частичного окисления метана в сингаз, где тепловые потоки стабилизированы пористой средой. Продемонстрирован универсальный характер реформинга, который можно условно поделить на 2 фазы - кислородную и фазу парового сдвига. В первой тепло выделяется в ходе окисления, а суммарная реакция является цепной экзотермической, во второй преобладают эндотермические реакции, расходуется вода и углеводороды, и образуются конечные продукты - СО и Н2.

В четвертом разделе обосновывается использование неравновесного разряда для стимулирования частичного окисления углеводородов в спирты, происходящем в нагретом потоке одновременно с реакциями пиролиза. Спирты горят с меньшим образованием сажи, что является важным с технологической точки зрения.

В пятом разделе описаны исследования рсформера многостадийного смешения,

где разряд развивался в смеси со стехиометрическим соотношением 5-10, а позднее к потоку подмешивался перегретый до 800-900 С воздух, чтобы довести стехио-метрическое соотношение до оптимального для реформинга ~3. В качестве топлива использовали пропан, так что глобальная реакция была С3Нв + 1.5(02 + 4N2) ЗСО + 4Н2 + 6N2. Параметры плазматрона были следующие: частота следования высоковольтных импульсов 1-10 кГц, время нарастания 3-5 не, длительность на полувысоте около 15 не, полярность положительная, амплитуда 8-12 кВ, импульсная искра развивалась в промежутке 4-5 мм, вдоль по потоку при атмосферном давлении. Приведены расчеты теплообменника, погруженного в поток горячих продуктов реформинга, и реагирующего потока внутри реакционной камеры. Оказалочь, что приложение разряда могло как сократить сажеобразование, так и увеличить его. Кроме того, неполное медленное смешение оказалось неэфективным: вокруг ядра с очень большим стехиометрическим отношением (5-10), состоящего преимущественно из частично окисленных углеводородов и азота, при подмесе перегретого воздуха возникает торообразное пламя с стехиометрией, близкой к 1, при этом ядро перегревается, что приводит к очень большому выходу сажи и низкой (за счет теплопотерь с периферии горячего пламени) эффективности. Включение разряда меняет картину пламени - интенсифицирует центральное ядро, но не сказывается заметно на выходе водорода.

В шестом разделе описан реформер полного смешения. Установка состояла из системы подачи воздуха - компрессора постоянного расхода на 300 нормальных литров в минуту Hydrovane HV02 и контроллеров потока Massflow, производства Bronkhorst, диафрагменного насоса для дизельного топлива с расходом до 7 литров в час Seybert & Rahier, системы подогрева воздуха и испарения дизельного топлива, основанной на автоматических регуляторах температуры Oméga CN7533, теплоизолированной реакционной камеры, способной выдерживать температуру до 1500 С и плазматрона, инициировавшего горение смесей с низким содержанием топлива при предварительном прогреве камеры и стабилизировавшем горение смесей со стехиометрическим соотношением порядка 3 при реформинге. В качестве источника использовали генератор со следующими параметрами импульсов: ширина на полувысоте 12 не, амплитуда в 100-омном кабеле до 14 кВ, частота следования импульсов до 10 кГц. Для диагностики продуктов реформинга использовали 4-каналышй газоанализатор NOVA 7900P-4S, позволяющий измерять концентрации СО, С02, СН4 и Н2 на уровне 1-20% с точностью до 0.1%. Измерения параметров разряда проводили при помощи делителя напряжения или встроенного в высоковольтный коаксиальный кабель шунта обратного тока, сигналы с которых через аттенюатор 20 дБ подавали на осциллограф Tektronix 3054В. По разнице энергий, запасенных в падающем и отраженном от плазматрона высоковольтных импульсах определяли энерговклад, а по характеру отраженного импульса - режим работы плазматрона - стримерный либо искровой.

В ходе испытаний серии пл-азматронов обнаружили эффект, заключавшийся в делокализации наносекундной искры в осесимметричном плазматроне при увеличении удельного энерговклада. Оказалось, что можно добиться режимов, когда искра, развивающаяся от серии последовательных импульсов с частотой от 1-2 кГц и более,

Рис. 5: Два плазматрона в режиме распределенной искры - 10 кВ, 12 не, частота слева -1, справа - 10 кГц.

распределена равномерно по поверхности электродов даже в отсутствие потока.

Объяснение этому было дано в ходе исследования развития стримерного разряда в геометрии игла-плоскость. Для генерации контролируемой последовательности наносекундных импульсов напряжения в работе был использован генератор ФИД с временем нарастания импульса 150 ps при частоте следования до 5 кГц. Максимальное напряжение импульса составляло 30 кВ, длительность по полке на максимальном напряжении - 10 не. Джиттер запуска генератора составлял менее 100 пс. Диагностика развития разряда осуществлялась с помощью ПЗС-камеры 4Picos с выдержкой до 200 пс. Исследовали динамику развития 10 последовательных стримеров, следовавших в пачке с частотой 1 кГц. Высокая точность синхранизации (Ю-7) была достигнута с использованием генератора сигналов Tektronix AFG3102. Контроль стабильности точки запуска и джиттер запуска относительно фронта высоковольтного импульса непрерывно контролировался четырехканальным осцилло-í графом Tektronix DS04104 с полосой пропускания 1 ГГц и частотой дискретизации 5 ГГц по каждому каналу. Оказалось, что энерговклад разряда последовательно растет от импульса к импульсу и приводит к переходу разряда в импульсную искру. Гидродинамического возмущения, возникшего в результате быстрого расширения канала от искрового разряда достаточно, чтобы вызвать значительное перемешивание газа, быстрое разрушение горячего канала и создание неоднородного распределения температуры и ионизации в пространстве. Такое неоднородное распределение приводит к формированию нескольких каналов пробоя в последующих импульсах. Таким образом, после перехода импульсно-периодического разряда в сильноточную форму со значительным энерговыделением включается своеобразный механизм самоогра.-ничения дальнейшего разогрева канала, заключающийся в импульсном расширении канала предшествующего разряда и мощном перемешивании с окружающим воздухом в процессе обратного схлопывания канала. Такой механизм перемешивания наблюдается в мощных однократных разрядах большой длительности. В импульсно-периодическом режиме разряда такое перемешивание и связанное с ним самоограничение параметров последующих разрядов показано впервые. Плазматроны, работающие в режиме распределенной искы представлены на рисунке 5.

ЗГ

У %

* т. с

* со а»

* екну

0КИО1£*ИИе разрядом

4

04.™,.*.

» * *

ы м

сзешшдармчесшесошж ш и и.

♦ ..,..............«...

»1 <ъ тз

О)

ч »><

"С ЕУ

п

Рис. 6: Зависимость состава продуктов воспламенения от стехиометрического соотношения смеси пар дизтоплива - воздух.

Спроектированный плазматрон способен поджигать смеси в очень широком диапазоне стехиометрических соотношений. Так, на рисунке 6 приведен пример вос| пламенения смеси пар дизельного топлива-воздух при температуре потока 210 С ь расходе 60 нормальных литров в минуту.

Реформер, включающий в себя плазматрон с распределенной наносекундной искрой был испытан в серии тестов и накопил время работы порядка 50 часов. Эффек| тивность реформера, измеренная как отношение запасенной в продуктах реформинге энтальпии к теоретически достижимой, составила около 80%. Разряд был способе!) сократить образование сажи на 30%. '

Шестая глава является заключением, в котором формулируются основные ре зультаты и выводы диссертации.

Основные результаты и выводы диссертации: Высоковольтный наносекунд^ ный разряд находит множество применений: управляемое присоединение потока, вое1 пламенение предварительно подогретых и перемешанных смесей и стабилизация го| рения через вброс радикалов в концентрациях, на несколько порядков превосходящщ термодинамически равновесный уровень (соответствующий термической диссоциа' ции), инициация окислительной фазы реформинга углеводородов в сингаз. В данно{ работе проведен анализ основных физических механизмов воздействия и продемон| стрирована высокая эффективность приложений импульсного разряда.

Основными выводами работы являются:

• Разработана методика измерений и исследована динамика давления в плазмен! ком слое скользящего диэлектрического барьерного напосекундного разряда

Показано, что пиковое давление после термализации энергии разряда пропорционально энерговкладу и не зависит от полярности приложенного высоковольтного импульса для различных газов (воздух, N2, Не, СОг, Аг). На основе продолжительности импульса давления получены оценки толщины плазменного слоя, которые составляют 0.5 мм при атмосферном давлении и импульсе амплитудой 10-20 кВ.

Разработана методика измерения динамики ударных волн над поверхностью диэлектрического барьерного разряда с помощью теневого лазерного метода с сииоронизацией в наносекундном диапазоне времен. На основе измерения х-4 диаграмм ударных волн получены данные о величине перегрева плазменного слоя, его толщине, сделаны оценки времени термализации плазмы неравновесного разряда атмосферного давления. Показано, что значительная часть энергии неравновесного импульсного разряда переходит в тепловую на масштабе времен, сущестенно меньшем характерных газодинамических процессов в плазменном слое, что приводит к формированию сильных газодинамических возмущений.

Исследовано взаимодействие вихревого возмущения от термализующейся плазмы скользящего наноеекундного разряда и потока над аэродинамическим профилем. Обнаружено образование динамических вихрей в сдвиговом слое отрывного течения и оценено время характерное время присоединения оторванного потока. Предложено объяснение высокой эффективности работы плазменного актуатора с наносекундным питанием на основе такого взаимодействия и вызванного им потока импульса к поверхности.

Создана установка для измерений динамики концентрации радикала ОН в горючих смесях различного стехиометрического состава при температурах ниже порога воспламенения на основе ЛИФ-диагностики. Измерены профили концентрации ОН при различных температурах ниже порога самовоспламенения в условиях стимулирования химических реакций плазмой стримерного барьерного разряда. Показано наличие механизмов быстрого окисления углеводородных топлив ниже порога самовоспламенения при стимулировании процесса импульсным неравновесным разрядом.

Проведены измерения двумерного распределения радикала ОН в плазменно-стимулированных предварительно перемешанных пропаио-воздушных пламенах. Продемонстрирована возможность управления положением фронта оторванного пламени за счет производства радикалов в предпламенной зоне импульсным барьерным разрядом. Показано, что скорость распространения пламени по предварительно возбужденной смеси значительно превышает скорость распространения пламени в исходной системе, что позволяет использовать методы плазменного стимулирования горения для создания высокоэффективных энергетических устройств.

• Предложен метод стабилизации сверхбедных пламен предварительно перемешанных топливно-воздушных смесей с помощью импульсно-периодического наносекундного разряда в форме распределенной искры. Создан топливно воздушный плазматрон и измерены концентрации продуктов горения и частич ного окисления газовых смесей при инициации распределенной неравновесно!" искрой в диапазоне стехиометрических соотношений [0.05..0.5].

• Создан плазматрон для стабилизации частичного окисления богатых [2.5..3.5 смесей углеводород-воздух. Построена физико-химическая модель плазмохи мического реформера частичного окисления углеводородов в сингаз. Проведе ны оценки эффективности инициирования различных фаз реформинга наносе кундным высоковольтным разрядом в различных топливо-воздушных смесях Показано, что плазмохимическое стимулирование реформинга эффективно г кислородной фазе и не может стимулировать фазу парового реформинга. Не основе разработанной модели создан компактный высокоэффективный плаз менный реформер с максимальной мощностью по топливу 50 кВт и выходок водорода, достигающим 80% от теоретически достижимого.

Список литературы

[1] И. Н. Косарев, Исследование воспламенения горючих смесей с помощью неравно весной плазмы наносекундного разряда, Диссертация на соискание ученой степеш к.ф.-м.н., Московский физико-технический институт (государственный универси тег) (2008).

[2] S. М. Starikovskaia, I. N. Kosarev, А. V. Krasnochub, Е. I. Mintoussov A. Yu. Starikovskii, Control of Combustion and Ignition of Hydrocarbon-Containin Mixtures by Nanosecond Discharge, paper AIAA-43-1195, 43-rd AIAA Aerospac Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США (2005).

[3] D. F. Opaits, D. V. Roupassov, S. M. Starikovskaia, A. Yu. Starikovskii, I. N. Zavialov S. G. Saddoughi, Plasma Control of Boundary Layer Using Low-Temperature Non equilibrium Plasma of Gas Discharge, paper AIAA-2005-1180, 43-rd AIAA Aerospac Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США (2005).

[4] D. V. Roupassov, A. A. Nikipelov, M. M. Nudnova, A. Yu. Starikovskii, Flo-\ separation control by plasma actuator with pulse nanosecond periodic discharge, AIA Journal. Vol. 47 no.l (2009), pp. 168-185.

[5] V. 1. Khorunzhenko, D. V. Roupassov, S. M. Starikovskaia, A. Yu. Starikovski' Hypersonic Shock Wave Low Temperature Nonequilibrium Plasma Interaction, pape AIAA-2003-5048, 41-st AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, СШ (2003).

[6] D. F. Opaits, D. V. Roupassov, S. M. Starikovskaia, A. Yu Starikovskii, Shock Wave Interaction with Nonequilibrium Plasma of Gas Discharge, 42-nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Q30 AIAA, Рестон, США (2004).

[7] A. Yabe, Y. Mori, K. Hijikata, EHD Study of the Corona Wind Between Wire and Plate Electrodes, AIAA Journal, Vol. 16 (1978) pp. 340Ц345.

[8] J. R. Roth, D. M. Sherman, S. P. Wilkinson, Electro-hydrodynamic Flow Control with a Glow Discharge Surface Plasma, AIAA Journal, Vol. 38 (2000) pp. 116G.

[9] M. Forte, J. Jolibois, E. Moreau, G. Touchard, M. Cazalens, Optimization of a Dielectric Barrier Discharge Actuator by Stationary and Instationary Measurements of the Induced Flow Velocity, Application to Airflow Control, paper AIAA-2006-2863, 44-th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США (2006).

[10] J. R. Roth, D. M. Sherman, S. P. Wilkinson, Boundary Layer Flow Control with a One Atmosphere Uniform Glow Discharge Surface Plasma, paper AIAA-N98-0328, Рино, США, 1998.

[11] M. M. Нуднова, Динамика и структура волн ионизации в напосекундном диапазоне при высоких перенапряжениях в различных конфигурациях разрядного промежутка, Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Московский физико-технический институт (государственный университет) (2009).

[12] Е. И. Минтусов, Термически-неравновесное управление пламенами при помощи плазмы газового разряда, Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Московский физико-технический институт (государственный университет) (2006).

Список основных публикаций по теме диссертации

1. A. Yu. Starikovskii, A. A. Nikipelov, М. М. Nudnova, D. V. Roupassov, SDBD plasma actuator with nanosecond pulse-periodic discharge, Plasma Sources Sci. Technol. 18 No 3 (2009) 034015 (17pp).

2. D. V. Roupassov, A. A. Nikipelov, M. M. Nudnova, A. Yu. Starikovskii, Flow separation control by plasma actuator with pulse nanosecond periodic discharge, AIAA Journal. Vol. 47 no.l (2009), P. 168-185.

3. А. А. Никипелов, С. M. Стариковская, Лазерпо-индуцированная флюоресценция, как метод диагностики 2-D распределения ОН-радикалов в пламенах, труды XLVII научной конференции МФТИ, 27 ноября, 2004.

4. А. А. Никипелов, А. Ю. Стариковский, Измерение параметров ударной волны, инициированной барьерным поверхностным разрядом при атмосферном давлении, труды 50-ой научной конференции МФТИ, 25 ноября, 2007.

5. А. А. Никипелов, И. Н. Завьялов, Е. И. Минтусов, Д. В. Рупасов, А. Ю. Стари ковский, Исследование параметров распространения импульсных наносекунд ных разрядов для различных приложений, тезисы XXI международной конфе ренции Уравнения состояния вещества, 6 марта 2006.

6. А. А. Никипелов, В. И. Хорунженко, Е. И. Минтусов, С. М. Стариковская А. Ю. Стариковский, Исследование влияния импульсного неравновесного раз ряда на параметры распыления жидкости, труды XLVIII научной конференцш МФТИ, 27 ноября, 2005.

7. А. А. Никипелов, Е. И. Минтусов, С. Е. Янкина, Влияние наносекундного ба рьерного рязряда на кинетику реагирующих потоков, труды научной сесси! МИФИ-2007, No 10 15105, стр. 30-33, УДК001 (06)+539.2(06).

8. А. А. Никипелов, Е. И. Минтусов, С. М. Стариковская, Исследование наработк ОН в импульсном наносекундном разряде в смеси СзН8-воздух, труды XLVI научной конференции МФТИ, 27 ноября, 2006.

9. А. А. Никипелов, Е. И. Минтусов, С. М. Стариковская, А. Ю. Стариковский Исследование наработки ОН в импульсном наносекундном разряде в смес СзН8-воздух, тезисы XXIII международной конференции Уравнения состояни вещества, 6 марта 2008.

10. A. Nikipelov, I. Popov, G. Correale, A. Rakitin, A. Starikovskii, Ultra-lean flame stabilization by high-voltage nanosecond pulsed discharge, Proc. ESCAMPIG X Новый Сад, Сербия, 2010.

11. A. A. Nikipelov, I. В. Popov, G. Correale, А. Е. Rakitin, A. Yu. Starikovski Compact Catalyst-Free Liquid Fuel to Syngas Reformer with Plasma-Assisted Flam Stabilization, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizon Forum and Aerospace Exposition, Орландо, США, 4-7 января, 2010.

12. A. A. Nikipelov, I. B. -Popov, G. Correale, A. E. Rakitin, A. Yu. Starikovski Ultra-lean and Ultra-rich Flames Stabilization by High Voltage Nanosecond Pulse Discharge. 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizon Forum and Aerospace Exposition, Орландо, США, 4-7 января, 2010.

13. A. Nikipelov, A. Rakitin, Y. Leonov, Syngas production from plasma stabilize diesel partial oxidation, CIMAC, Берген, Норвегия, 2010.

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

15. A. Nikipelov, A. Rakitin, A. Starikovskii, Hydrocarbons to Syngas Reforming b High-Voltage Nanosecond Pulse Discharge, International Symposium on Marin Engineering (ISME), Бусан, Южная Корея, окятбрь 2009.

16. A. Nikipelov, A. Rakitin, A. Starikovskii, High-Voltage Nanosecond Pulse Discharge Assisted Gasoline to Syngas Reforming, 19th International Symposium on Plasma Chemistry, Бохум, Германия, 26-31 июль, 2009.

17. A. A. Nikipelov, Liang Wu, A. Fridman, A. Yu. Starikovskii, Kinetics of Plasma Assisted Combustion Below Self-Ignition Threshold, 19th International Symposium on Plasma Chemistry, Бохум, Германия, 26-31 июль, 2009.

18. A. Nikipelov, M. Nudnova, D. Roupassov, A. Starikovskiy, Acoustic Noise and Flow Separation Control by Plasma Actuator, 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition, AIAA-2009-695, Орландо, США, 5-9 января, 2009.

19. D. V. Roupassov, A. A. Nikipelov, M. M. Nudnova, A. Yu. Starikovskii, Flow separation control by plasma actuator with nanosecond pulse periodic discharge, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рино, США, 7-10 января, 2008.

20. D. V. Roupassov, A. A. Nikipelov, M. M. Nudnova, A. Yu. Starikovskii, Acoustic Noise and Flow Separation Control by Plasma Actuator, Proc. 19th ESCAMPIG, Гранада, Испания, 2008.

и

Никипелов Андрей Александрович

РАЗВИТИЕ ИМПУЛЬСНОГО НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЗАДАЧАХ ПЛАЗМЕННО-УПРАВЛЯЕМОЙ АЭРОДИНАМИКИ И ПЛАЗМЕННО-СТИМУЛИРОВАННОГО ГОРЕНИЯ

Автореферат

Подписано в печать 22 октября 2010 г. Формат 60 х 84. Усл. печ. л. 1.0. Уч.- изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №__.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (государственный университет) 141700, Московская обл., г.Долгопрудный, Институтский пер., 9

Оглавление

1 ВВЕДЕНИЕ

1.1 Постановка задачи

1.2 Научная новизна.

1.3 Основные положения, выносимые на защиту.

1.4 Структура работы.

2 Обзор литературы

2.1 Разряды атмосферного давления и пробой.

2.1.1 История изучения дуговых разрядов при атмосферном давлении.

2.1.2 Отрыв температуры электронов в неравновесной плазме.

2.1.3 Каналы вложения энергии в неравновесной воздушной плазме.

2.1.4 Электрический пробой в плотных газах.

2.2 Применение плазмы в задачах плазменно-управляемой аэродинамики

2.2.1 Баллистические эксперименты

2.2.2 Ударно-волновые эксперименты.

2.2.3 Взаимодействие поверхностных разрядов с потоком.

2.2.4 Плазменные актуаторы с барьерным разрядом для контроля дозвукового обтекания крыла

2.3 Применение плазмы в задачах плазменно-стимулированного горения и воспламенения

2.3.1 Механизмы воздействия плазмы на процессы горения.

2.3.2 Разряды, используемые в задачах плазменно-стимулированного горения

2.3.3 Плазменно-стимулированное горение.

2.3.4 Производство N0 в пламенах и в послесвечении неравновесного разряда

2.3.5 Наработка атомарных кислорода и азота и электронно-возбужденного азота в неравновесном разряде.

3 Газодинамические процессы, инициированные быстрой термализацией плазмы высоковольтного наносекундного скользящего разряда

3.1 Энергетический и импульсный подходы в задачах плазменно-управляемой аэродинамики

3.2 Высоковольный наносекундный скользящий разряд.

3.2.1 Параметры разрядного промежутка.

3.2.2 Геометрия плазменного слоя и однородность разряда.

3.3 Физика актуатора с питанием наносекундными высоковольтными импульсами

3.3.1 Ускорение газа в поверхностном барьерном наносекундном разряде.

3.3.2 Измерение давления в плазме поверхностного разряда

3.3.3 Газодинамические возмущения в потоке.

3.3.4 Вихревое возмущение, порожденное взаимодействием ударной волны от слоя термализующейся плазмы и сдвигового слоя отрывного течения.

3.3.5 Термализация плазмы поверхностного наносекундного разряда в атомарных и молекулярных газах

4 Исследование динамики стабилизации пламен различного состава неравновесным разрядом

4.1 Особенности ЛИФ измерений ОН.

4.1.1 Связь ЛИФ и абсорбционной спектроскопии.

4.1.2 Выбор длины волны возбуждения флюоресценции.

4.1.3 Возбуждение вращательных переходов.

4.1.4 Возбуждение колебательных переходов

4.1.5 Выбор спектрального диапазона для наблюдения флуоресценции.

4.1.6 Допплеровское уширение.

4.1.7 Столкновительное уширение.

4.1.8 Тушение.

4.1.9 Линейный и насыщенный режимы ЛИФ.

4.2 Изучение динамики концентрации ОН в послесвечении наносекундного барьерного разряда.

4.2.1 Описание экспериментальной установки.

4.2.2 Исследование динамики наносекундного барьерного разряда с наносекундным разрешением, влияние полярности высоковольтного импульса на наработку ОН в послесвечении разряда.

4.2.3 Измерение динамики абсолютной концентрации ОН в послесвечении наносекундного барьерного разряда в предварительно перемешанном подогретом метано-воздушном потоке.

4.3 Интенсификация горения с помощью импульсно-периодического наносекундного барьерного разряда.

4.3.1 Описание экспериментальной установки.

4.3.2 Описание диагностического комплекса лазерно-индуцированной флюоресценции.

4.3.3 Абсолютная калибровка ЛИФ.

4.3.4 Определение локального состава пламени с помощью ИК-Фурье спектрометра

4.4 Результаты измерений распределения ОН в пламени и его изменение под действием наносекундного барьерного разряда

4.4.1 Зависимость скорости срыва пламени от частоты следования и амплитуды высоковольтных импульсов

4.4.2 Результаты измерений распределения ОН в пламени методом ненасыщенного ЛИФ.

4.4.3 Результаты измерений распределения ОН в пламени методом насыщенного ЛИФ

5 Плазменный реформинг углеводородных топлив в сингаз

5.1 Плазменные методы стабилизации горения как альтернатива каталитическим

5.2 Методы плазменно-стимулированного реформинга метана с углекислым газом

5.2.1 Коронный разряд постоянного тока

5.2.2 Диэлектрический барьерный разряд.

5.2.3 Микроволновой разряд.

5.2.4 Тлеющий разряд атмосферного давления.

5.2.5 Скользящий дуговой разряд.

5.2.6 Эффективность реформинга метана с углекислым газом в неравновесной плазме

5.3 Некаталитический реформинг, реакторы частичного окисления.

5.4 Применение неравновесного наносекундного разряда в реформинге частичного окисления жидких углеводородов.

5.5 Реформер с внутренней рекуперацией тепла и поздним смешением.

5.6 Реформер полного смешения с разрядом, инициирующим первую фазу реформинга

5.6.1 Описание экспериментальной установки.

5.6.2 Наносекундный высоковольтный разряд в форме распределенной неравновесной искры.

5.6.3 Делокализация наносекундной искры в осесимметричном плазматроне при увеличении удельной мощности.

5.6.4 Влияние остаточной ионизации, самофокусировка последовательных стримеров и гидродинамическое разрушение канала стримера.

5.6.5 Наносекундный высоковольтный разряд для стабилизации бедных и сверхбедных пламен.

5.6.6 Реформинг пара дизельного топлива в сингаз.

6.1 Выводы

• Разработана методика измерений и исследована динамика давления в плазменном слое скользящего диэлектрического барьерного наносекундного разряда. Показано, что пиковое давление после термализации энергии разряда пропорционально энерговкладу и не зависит от полярности приложенного высоковольтного импульса для различных газов (воздух, N2, Не, С02, Аг). На основе продолжительности импульса давления получены оценки толщины плазменного слоя, которые составляют 0.5 мм при атмосферном давлении и импульсе амплитудой 10-20 кВ.

• Разработана методика измерения динамики ударных волн над поверхностью диэлектрического барьерного разряда с помощью теневого лазерного метода с синоронизацией в наносекундном диапазоне времен. На основе измерения х^ диаграмм ударных волн получены данные о величине перегрева плазменного слоя, его толщине, сделаны оценки времени термализации плазмы неравновесного разряда атмосферного давления. Показано, что значительная часть энергии неравновесного импульсного разряда переходит в тепловую на масштабе времен, сущестенно меньшем характерных газодинамических процессов в плазменном слое, что приводит к формированию сильных газодинамических возмущений.

• Исследовано взаимодействие вихревого возмущения от термализующейся плазмы скользящего наносекундного разряда и потока над аэродинамическим профилем. Обнаружено образование динамических вихрей в сдвиговом слое отрывного течения и оценено время характерное время присоединения оторванного потока. Предложено объяснение высокой эффективности работы плазменного актуатора с наносекундным питанием на основе такого взаимодействия и вызванного им потока импульса к поверхности.

• Создана установка для измерений динамики концентрации радикала ОН в горючих смесях различного стехиометрического состава при температурах ниже порога воспламенения на основе ЛИФ-диагностики. Измерены профили концентрации ОН при различных температурах ниже порога самовоспламенения в условиях стимулирования химических реакций плазмой стримерного барьерного разряда. Показано наличие механизмов быстрого окисления углеводородных топлив ниже порога самовоспламенения при стимулировании процесса импульсным неравновесным разрядом.

• Проведены измерения двумерного распределения радикала ОН в плазменно-стимулированных предварительно перемешанных пропано-воздушных пламенах. Продемонстрирована возможность управления положением фронта оторванного пламени за счет производства радикалов в предпламенной зоне импульсным барьерным разрядом. Показано, что скорость распространения пламени по предварительно возбужденной смеси значительно превышает скорость распространения пламени в исходной системе, что позволяет использовать методы плазменного стимулирования горения для создания высокоэффективных энергетических устройств.

• Предложен метод стабилизации сверхбедных пламен предварительно перемешанных топливно-воздушных смесей с помощью импульсно-периодического наносекундного разряда в форме распределенной искры. Создан топливно-воздушный плазматрон и измерены концентрации продуктов горения и частичного окисления газовых смесей при инициации распределенной неравновесной искрой в диапазоне стехиометрических соотношений [0.05.0.5].

• Создан плазматрон для стабилизации частичного окисления богатых [2.5.3.5] смесей углеводород-воздух. Построена физико-химическая модель плазмохимического реформера частичного окисления углеводородов в сингаз. Проведены оценки эффективности инициирования различных фаз реформинга наносекундным высоковольтным разрядом в различных топливо-воздушных смесях. Показано, что плазмохимическое стимулирование реформинга эффективно в кислородной фазе и не может стимулировать фазу парового реформинга. На основе разработанной модели создан компактный высокоэффективный плазменный реформер с максимальной мощностью по топливу 50 кВт и выходом водорода, достигающим 80% от теоретически достижимого.

1. A. Starikovskii Plasma Supported Combustion // 1.vited Lecture, P 326 30th Interantional Symposium on Combustion, Чикаго, 2004.

2. И. H. Косарев Исследование воспламенения горючих смесей с помощью неравновесной ■плазмы наносекундного разряда!/ Дисс. на соиск. уч. степ, к.ф.-м.н. Москва, 2008.

3. A. E. Ракитин Инициирование детонации в газах высоковольтным наносекундным разрядом //Дисс. на соиск. уч. степ, к.ф.-хм.н. Долгопрудный, 2009.

4. N. В. Anikin Oxidation of saturated hydrocarbons under the effect of nanosecond pulsed space discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 3244-3252.

5. W. Boeck, W. Pfeiffer Conduction and breakdown in gases // Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, vol. 4 P 130.

6. H. W. Drawin Thermodynamic properties of equilibrium and nonequilibrium states of plasmas // Reactions under Plasma Conditions, Wiley, vol 1 (1971), pp53-238.

7. С. H. Kruger Nonequilibrium discharges in air and nitrogen plasmas at atmospheric pressure I/ Pure Appl. Chem. 74 (2002) 337-347.

8. M. Laroussi, X. Lu, C. Malott A Non-Equilibrium Diffuse Discharge in Atmospheric Pressure Air U Plasma Sources Sci. Technol. 12 (2003) pp. 53-56.

9. Handbook of Chemistry and Physics. // -CRC, 1997

10. В. М. Penetrante Identification of mechanisms for decomposition of air pollutants by non-thermal plasma processing // Plasma Sources Sci. Technol. vol. 6 (1997) p 251.

11. M. J. Druyvesteyn, F. M. Penning The Mechanism of Electrical Discharges in Gases of Low Pressure // Rev. Mod. Phys. vol.12 (1940) 87-174.

12. Ю. П. Райзер Физика газового разряда. -М.: Наука, 1992.

13. P. Bletzinger, В. N. Ganguly, D. Van Wie, A. Garscadden Plasmas in High Speed Aerodynamics // Journal of Physics D: Applied Q29 Physics, Vol. 38 (2005) pp. R33-R57.

14. G. I. Mishin Experimental Investigation of the Flight of a Sphere in Weakly Ionized Air // AIAA-97-2298, Атланта, США, 1997.

15. H. Lowry, M. Smith, P. Sherrouse,J. Felderman, J. Drake, M. Bauer, D. Pruitt, D. Keefer Ballistic Range Tests in Weakly Ionized Argon // AIAA-99-4822 3rd Weakly Ionized Gas Workshop, Норфолк, США, 1999.

16. G. V. Candler, J. D. Kelley, S. 0. Macheret, M. N. Shneider, I. Adamovich Effects of Vibrational Excitation, Thermal N on-Uniformities, and Unsteady Phenomena on Supersonic Blunt-Bodies // AIAA J. 40(9) (2002) pp 1803-10.

17. O. W. Greenberg, H. K. Sen, Y. M. Treve Hydrodynamic Model of Diffusion Effects on Shock Structure in a Plasma // Phys. Fluids vol. 3 (1960) p. 379.

18. M. Y. Jaffrin Shock Structure in a Partially Ionized Gas // Phys. Fluids vol.8 (1965) p. 606.

19. N. Hershkowitz Review of recent laboratory double layers experiments // Space Sci. Rev. 41 (1985) 351.

20. P. Bletzinger, B. N. Ganguly // Phys. Lett. A 258(1999) 342-346.

21. S. O. Macheret, Y. Z. Ionikh, N. V. Chemysheva, A. P. Yalin, L. Martinelli, R. B. Miles Shock wave propagation and dispersion in glow discharge plasmas // Phys. Fluids 13 (2001) 2693.

22. A. R. White, P. Palm, E. Plonjes, V. Subramaniam, I. Adamovich Effect of electron density on shock wave propagation in optically pumped plasmas // J. Appl. Phys. 91 (2002) 2604.

23. A. Klimov, S. Leonov, A. Pashina, V. Skvortsov, T. Cain, B. Timofeev Influence of a Corona Discharge on the Supersonic Drag of an Axisymmetric Body // AIAA-99-4856, Норфолк, США, 1999

24. Yu. F. Kolesnichenko, G. V. Brovkin, S. B. Leonov, A. A. Krylov, V. A. Lashkov, I. Ch. Mashek, A. A. Gorynya, M. I. Ryvkin Investigation of AD-Body Interaction with Microwave Discharge Region in Supersonic Flows //AIAA-2001-0345, Рино, США, 2001 .

25. Yu. F. Kolesnichenko, V. G. Brovkin, D. V. Khmara, V. A. Lashkov, I. Ch. Mashek, M. I. Ryvkin // Proc. 4th Int. Workshop on Thermochemical and Plasma Processes in Aerodynamics, 2004.

26. V. M. Shibkov, V. A. Chernikov, A. P. Ershov, S. A. Dvinin, Ch. N. Raffoul, L. V. Shibko-va,I. B. Timofeev, D. M. Van Wie, D. A. Vinogradov, A. V. Voskanyan Surface microwave discharge in supersonic airflow // AIAA-2001-3087, Анахайм, США, 2001.

27. Д. Ф. Латфуллин Импульсный скользящей поверхностный разряд в газодинамическом потоке // Дисс. на соиск. уч. степ, к.ф.-м.н. Москва, 2009.

28. I. Ivanov, I. Kryukov, D. Orlov, I. Znamenskaya Investigations of shock wave interaction with nanosecond surface discharge // Experiments in Fluids vol. 48 (2010).

29. M. M. Нуднова Динамика и структура воли ионизации в наносекундном диапазоне при высоких перенапряжениях в различных конфигурациях разрядного промежутка // Дисс. на соиск. уч. степ, к.ф.-м.н. Долгопрудный, 2009.

30. Е. Moreau Airflow control by non-thermal plasma actuators // J. Phys. D: Appl. Phys. 40(2007) 605-636.

31. D. V. Roupassov, A. A. Nikipelov, M. M. Nudnova, A. Yu. Starikovskii Acoustic Noise and Flow Separation Control by Plasma Actuator // Proc. 19th ESCAMPIG, Гранада, Испания, 2008.

32. J. R. Roth Aerodynamic flow acceleration using paraelectric and peristaltic electrohydro-dynamic effects of a one atmosphere uniform glow discharge plasma // Phys. Plasmas 10 (2003) 2117-26.

33. S. M. Starikovskaia Plasma assisted ignition and combustion // J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) R265-R299.

34. N. A. Popov The Effect of Nonequilibrium Excitation on the Ignition of Hydrogen-Oxygen Mixtures // High Temperature, Vol. 45 (2007) No. 2, pp. 261—279.

35. U. Maas, J. Warnatz Ignition process in hydrogen-oxygen mixtures // Combust. Flame 74 (1988) 53-69.

36. A. S. Gaivoronskiil. M. Razhanskii Numerical model of the development of cathode-directed streamer in air gaps with non-uniform field // Zh. Tekh. Fiz. 56 (1986) 1110-6.

37. R. Morrow, J. J. Lowke Streamer propagation in air //J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997) 614-27.

38. S. Pancheshnyi, M. Nudnova, A. Starikovskii Development of a cathode-directed streamer discharge in air at different pressures: experiment and comparison with direct numerical simulation // Phys. Rev. E 71 (2005) 016407.

39. R. Ono, T. Oda Dynamics and density estimation of hydroxyl radicals in a pulsed corona discharge //J. Phys. D: Appl. Phys. 35 (2002) 2133-2138.

40. W. Liang, J. Lane, N. P. Cernansky, D. L. Miller, A. Fridman, A. Yu. Starikovskiy Plasmaassisted Ignition Kinetics below Self-Ignition Threshold in Hydrogen and Hydrocarbon-Air Mixtures // Proc. ESCAMPIG XX, Новый Сад, Сербия, 2010.

41. В. Г. Самойлович, В. И. Гибалов, К. В. Козлов Физическая химия барьерного разряда // Издательство МГУ, 1989.

42. К. V. Kozlov, Н.-Е. Wagner, R. Brandenburg, P. Michel Spatio-ternporally resolved spectroscopic diagnostics of the barrier discharge in air at atmospheric pressure //J. Phys. D: Appl. Phys. 34 (2001) 3164-3176.

43. I. Stefanovic, N. K. Bibinov, A. A. Deryugin, I. P. Vinogradov, A. P. Napartovich, K. Wiesemann Kinetics of ozone and nitric oxides in dielectric barrier discharges in O2/NO—X and N2/02/N0x mixtures // Plasma Sources Sci. Technol. 10 (2001) 406-16.

44. S. M. Starikovskaia, E. N. Kukaev, A. Yu. Kuksin, M. M. Nudnova, A. Yu. Starikovskii Analysis of the spatial uniformity of the combustion of a gaseous mixture initiated by a nanosecond discharge // Combust. Flame 139 (2004) 177-87.

45. N. B. Anikin, S. M. Starikovskaia, A. Yu. Starikovskii Uniform nanosecond gas breakdown of negative polarity: initiation from electrode and propagation in molecular gases // J. Phys. D: Appl. Phys. 34 (2001) 177-88.

46. R. F. Haley, P. R. Smy Electrically induced turbulence—the short duration spark //J. Phys. D: Appl. Phys. 22 (1989) 258-65.

47. R. Reinmann, M. Akram Temporal investigation of a fast spark discharge in chemically inert gases // J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997) 1125-34.

48. S. B. Leonov, D. A. Yarantsev, A. P. Napartovich, I. V. Kochetov Plasma-Assisted Combustion of Gaseous Fuel in Supersonic Duct //IEEE Transactions on Plasma Science, vol 34 (2006) 6.

49. N. Chintala, R. Meyer, A. Hicks, A. Bao, J. W. Rich, W. R. Lempert, I. V. Adamovich Nonthermal ignition of prernixed hydrocarbon-air flows by nonequilibrium radio frequency plasma // J. Propul. Power 21 (2005) 583-90.

50. E. И. Минтусов Термически-неравновесное управление пламенами при помощи плазмы газового разряда // Дисс. на соиск. уч. степ. к.ф.-ivi.H. Москва, 2006.

51. S. R. Turns An introduction to combustion: concepts and applications // Mc Graw Hill Int., 2000.

52. W. Kim, H. Do, M. G. Mungal, M. Cappelli //IEEE Trans on Plasma Science 34 (2006) p. 2545.

53. J. H. Bromly, F. J. Barnes, R. Mandyczewsky, T. Edwards, B. Haynes // 24th Symp. (Int) Comb., The Combustion Institute (1992).

54. J. T. Herron Modeling Studies of the Formation and Destruction of NO in Pulsed Barrier Discharges in Nitrogen and Air // Plasma Chemistry and Plasma Processing, Vol. 21 (2001) No. 4.

55. I. A. Kossyi, A. Yu. Kostinsky, A. A. Matveyev, V. P. Silakov Kinetic Scheme of the Nonequilibrium Discharge in Nitrogen-Oxygen Mixtures // Plasma Sources Sci. Teclinol., vol. 1 (1992) pp. 207-220.

56. С. Б. Леонов Воздействие электрических разрядов на структуру и параметры высокоскоростного воздушного потока // Дисс. на соиск. уч. степ, д.ф.-м.н. Москва, 2006.

57. V. I. Khorunzhenko, D. V. Roupassov, S. M. Starikovskaia, A. Yu. Starikovskii Hypersonic Shock Wave Low Temperature Nonequilibrium Plasma Interaction // Proc. AIAA Paper AIAA-2003-5048, Рино, США, 2003.

58. D. F. Opaits, D. V. Roupassov, S. M. Starikovskaia, A. Yu Starikovskii Shock Wave Interaction with Nonequilibrium Plasma of Gas Discharge Proc. 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Q30 AIAA, Рестон, США, 2004.

59. J. S. Shang Plasma Injection for Hypersonic Blunt Body Drag Reduction // AIAA Journal, Vol. 40 (2002) No. 6, pp. 1178-1186.

60. A. Yabe, Y. Mori, K. Ilijikata EHD Study of the Corona Wind Between Wire and Plate Electrodes // AIAA Journal, Vol. 16 (1978) pp. 340-345.

61. J. R. Roth, D. M. Sherman, S. P. Wilkinson Boundary Layer Flow Control with a One Atmosphere Uniform Glow Discharge Surface Plasma // AIAA Paper N98-0328, Рино, США, 1998.

62. J. R. Roth, D. M. Sherman, S. P. Wilkinson Electro-hydrodynarnic Flow Control with a Glow Discharge Surface Plasma // AIAA Journal, Vol. 38 (2000) pp. 1166.

63. J. R. Roth, X. Dai Optimization of the Aerodynamic Plasma Actuator as an Electrohydro-dynamic (EHD) Electrical Device // 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Рестон, США, 2006.

64. H. Do, W. Kim, M. G. Mungal, M. A. Cappelli Bluff Body Flow Separation Control Using Surface Dielectric Barrier Discharges // AIAA Paper 2007-939, Рино, США, 2007.

65. J. Lopera, Т. T. Ng, Т. C. Corke Aerodynamic Control of 1303 UAV Using Windward Surface Plasma Actuators on a Separation Ramp // AIAA Paper 2007-636, Рино, США, 2007.

66. D. F. Opaits, D. V. Roupassov, S. G. Saddoughi, S. M. Starikovskaia, I. N. Zavialov, A. Yu. Starikovskii Plasma Control of Boundary Layer Using Low-Temperature Non-Equilibrium Plasma of Gas Discharge 11 AIAA Paper 2005-1180, Рино, США, 2005.

67. D. V. Roupassov, I. N. Zavyalov, A. Yu. Starikovskii, S. G. Saddoughi Boundary Layer Separation Plasma Control Using Low-Temperature Non-Equilibrium Plasma of Gas Discharge // AIAA Paper 2006-373, Рино, США, 2006

68. D. V. Roupassov, I. N. Zavyalov, A. Yu. Starikovskii, S. G. Saddoughi Boundary Layer Separation Control by Nanosecond Plasma Actuators // AIAA Paper 2007-4530, Рино, США 2007.

69. A. V. Berdushev, I. V. Kochetov, A. P. Napartovich Molecular Gas Heating by Pulsed MW Discharge // High Temperature (Teplofizika Vysokikh Temperatur), Vol. 26 (1988) No. 4, pp. 661-666.

70. J. F. Loiseau, J. Batina, F. Noel, R. Peyrous Hydrodynamical Simulation of the Electric Wind Generated by Successive Streamers in a Point-to-Plane Reactor // Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 35 (2002) pp. 1020-1031.

71. D. V. Roupassov, A. A. Nikipelov, M. M. Nudnova, A. Yu. Starikovskii Flow separation control by plasma actuator with pulse nanosecond periodic discharge // AIAA Journal. Vol. 47 no. 1 (2009), pp. 168-185.

72. R. S. Sigmond, I. H. Lagstadt Mass and Species Transport in Corona Discharges // Journal of High Temperature Chemical Q37 Processes, Vol. 2 (1993) pp. 417-36.

73. T. Unfer,J. P. Boeuf Modelling of a nanosecond surface discharge actuator // J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009).

74. A. Yu. Starikovskii, A. A. Nikipelov, M. M. Nudnova, D. V. Roupassov SDBD plasma actuator with nanosecond pulse-periodic discharge // Plasma Sources Sci. Technol. 18 (2009).

75. D. R. Crosley, R. K. Lengel Relative transition probabilities and the electronic transition moment in the A-X system of OH // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 15 (1975) 579591.

76. W. Hubschmid, R. Bombach Laser Spectroscopy in Combustion Research, ERCOFTAC Summerscchool Introduction to Numerical and Experimental Methods in Combustion Research // Swiss Federal Institute of Technology, Цюрих, Швейцария, 2002.

77. С. Т. Суржиков Атлас спектральных сечений поглощения электронных и колебательных систем полос двухатомных молекул // М., 1997.

78. P. Desgroux, L. Gasnot Correction of LIF temperature measurements for laser absorbtion and fluorescece trapping in a flame // Appl. Phys. В 16 (1995) 401-407.

79. W. Hubschmid, R. Bombach Laser Spectroscopy in Combustion Research // Paul Scherrer Institut CH-52 Villigen PSI Switzerland.

80. Katharina Kohse-Hoinghaus Applied Combustion Diagnostics // Taylor & Francis 2002

81. M. Letzgus, A. Brockhinke, K. Hoinghaus LASKINv2 A Simulation Program for Time-Resolved LIF-Spectra //University of Bielefeld, Faculty of Chemistry, Physical Chemistry I, http://pcl.uni-bielefeld.de/ laskin.

82. R. Ono, T. Oda Ozone production process in pulsed positive dielectric barrier discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 176-182.

83. Q. V. Nguyen, R. W. Dibble, C. D. Carter, C. J. Fiechtner, R. S. Barlow Raman-LIF Measurments in Temperature, Majot Species, OH and NO in a Methane-Air Bunsen Flame // Combustion and Flame, 105 (1996) 499-510.

84. J. R. Rostrup-Nielsen New aspects of syngas production and use // Catalysis Today 63 (2000) (2-4):159-164.

85. F. Fischer, H. Tropsch The composition of products obtained by the petroleum synthesis j I Brennst Chemistry 39 (3), 1928.

86. A. Tsolakis, A. Megaritis, M. L. Wyszynski Application of Exhaust Gas Fuel Reforming in Compression Ignition Engines Fueled by Diesel and Biodiesel Fuel Mixtures // Energy & Fuels 17 (2003) 1464-1473.

87. U. Asad, M. Zheng EGR Oxidation and Catalitic Fuel Reforming for Diesel Engines // ASME Internal Combustion Engine Division 2008, ICES-2008-1684.

88. Ю. Д. Королев, Г. А. Месяц Физика импульсного пробоя газов // М.: Наука, 1991.

89. A. Fridman, A. Chirokov, A. Gutsol Non-thermal atmospheric pressure discharges // Journal of Physics D: Applied Physics 38 (2005) 2:1-24.

90. Y. Yang Methane conversion and reforming by nonthermal plasma on pins // Industrial and Engineering Chemistry Research 41 (2002) (24):5918-5926.

91. B. Eliasson, U. Kogelschatz Modeling and application of silent discharge plasmas // IEEE Transaction on Plasma Science 19 (1991) (2):309-323.

92. J. Park, I. Henins, H. W. Herrmann, G. S. Selwyn, J. Y. Jeong, R. F. Hicks, D. Shim, C. S. Chang An atmospheric plasma source j I Applied Physics Letters 76 (2000) (3):288-290.

93. Н. D. Gesser, N. R. Hunter, D. Probawono The C02 reforming of natural gas in a silent discharge reactor 11 Plasma Chemistry Plasma Process 18 (1998) (2):241-245.

94. Q. Wang, В. H. Yan, Y. Jin, Y. Cheng Investigation of dry reforming of methane in a dielectric barrier discharge reactor // Plasma Chemistry Plasma Process 29 (2009) (3):217-228.

95. H. Sekiguchi, Y. Mori Steam plasma reforming using microwave discharge // Thin Solid Films 435 (2003) (l-2):44-48.

96. Q. Zhang, Y. J. Yang, J. S. Zhang, Q. Liu Study on the conversion of СЩ and C02 using a pulsed microwave plasma under atmospheric pressure // Acta Chimica Sinica 60 (2002) (11):1973-1980.

97. A. A. H. Mohamed, R. Block, К. H. Schoenbach Direct current glow discharge in atmospheric air // IEEE Transactions on Plasma Science 30 (2000) (1): 182-183.

98. A. M. Ghorbanzadeh, R. Lotfalipour, S. Rezaei Carbon dioxide reforming of methane at near room temperature in low energy pulsed plasma // International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009) (l):293-298.

99. A. Czernichowski Electrically assisted conversion of carbon dioxide into synthesis gas // Greenhouse Gas Control Technologies (1999) 439.

100. A. Fridman, S. Nester, L. A. Kennedy, A. Saveliev, O. Mutaf-Yardimci Gliding arc gas discharge // Progress in Energy and Combustion Science 25 (1998) (2):211-231.

101. A. Indarto, J. W. Choi, H. Lee, H. K. Song Effect of additive gases on methane conversion using gliding ac discharge // Energy 31 (2006) pp. 2986-2995.

102. G. Vourliotakis, G. Skevis, M. A. Founti, Z. Al-Hamamre, D. Trimis Detailed kinetic modelling of the T-POX reforming process using a reactor network approach // Int. J. of Hydr. Energy 33 (2008) 2816-2825.

103. E. Mintoussov, E. Anokhin, A. Starikovskii Plasma-Assisted Combustion and Fuel Reforming // AIAA Paper 2007-1382, Рино, США, 2007.

104. A. Nikipelov, I. Popov, G. Correale, A. Rakitin, A. Starikovskii Ultra-lean flames stabilization by high-voltage nanosecond pulsed discharge // Proc. ESCAMPIG XX, Новый Сад, Сербия, 2010.

105. E. M. Bazelyan, Yu. P. Raizer Spark Discharge // Elsevier, 1998.

106. S. V. Pancheshnyi, D. A. Lacoste, A. Bourdon, С. O. Laux Ignition of propane-air mixtures by a repetitively pulsed nanosecond discharge // IEEE Transactions on Plasma Science 34 (2006) 2478-2487.

107. N. L. Aleksandrov, S. V. Kindysheva, M. M. Nudnova, A. Yu. Starikovskiy Mechanism of ultra-fast heating in a nonequilibrium weakly-ionized air discharge plasma in high electric fields // J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010).

108. Шлирен снимки обтекания шара, движущегося со скоростью 2000 м/с в воздухе (А) и в положительном столбе тлеющего разряда в воздухе (В),16. 15

109. Отклонения лазерных лучей в двухпучковой схеме при прохождении акустической ударной волны в невозмущенном газе (вверху) и в положительном столбе тлеющего разряда с током 20 мА в азоте при давлении 15 Topp, 22. 16

110. Стабилизированный при М=2 поверхностный микроволновой разряд и изменение гидродинамического сопротивления пластинки ниже по потокупри его включении и выключении, 28. 18

111. Ударная волна в воздухе при 175 Topp через 6 мкс после импульсного разряда в форме плазменного листа, 29. 18

112. Обтекание аэродинамического профиля при скорости набегающего потока 2.85 м/с в отсутствие разряда (а) и с диэлектрическим барьерным разрядомс переменным питанием, расположенным на передней кромке крыла (Ь), 34. 20

113. Пределы воспламенения смеси кислород-водород согласно работе 37. . 22

114. Схематическое устройство плазменной горелки с запиранием потока, исследованной в 56. 29

115. Пределы различных режимов горения для пропано-воздушной горелки с наносекундным разрядом, ниже линии 1 пламя срывает в отсутствие разряда, в области 5 срывает даже пилотное пламя, начинающееся в области разряда, из работы 56. 30

116. Устройство актуатора, 79. 37

117. Осциллограммы высоковольтных импульсов для различных генераторов. . . 38

118. Дополнительная скорость, создаваемая актуатором. Импульсы длительностью 25 не, Время нарастания 8 не. Частота следования импульсов 1 кГц, амплитуда импульсов 20 кВ, 79. 40

119. Снимки развития поверхностного наносекундного катодонаправленного разряда. Экспозиция каждого кадра 0.5 не. Напряжение, подаваемое на разрядный промежуток 14 кВ, длительность импульса напряжения на полувысоте - 25 не, 79. 41

120. Снимки развития поверхностного наносекундного анодонаправленного разряда. Экспозиция каждого кадра 0.5 не. Напряжение, подаваемое на разрядный промежуток 14 кВ, длительность импульса напряжения на полувысоте - 25 не, 79. 41

121. Схема эксперимента по измерению давления газа в пограничном слое. 42

122. Динамика давления в нагретом слое для импульсов напряжений 16.5, 19 и24 кВ. Зависимость давления от энерговклада. 43

123. Зависимость дополнительного давления над актуатором от энерговклада. Черные символы — отрицательная, синие — положительная полярность открытого электрода. 45

124. Зависимость динамики давления в плазменном слое от времени. Синяя кривая положительная полярность открытого электрода; черная -отрицательная. V — 24 кВ. 46

125. Зависимость числа Маха формирующейся ударной волны от величины перегрева слоя. 52

126. Распространение ударной волны от симметричного актуатора (геометрия В). Напряжение импульса 24 кВ в кабеле, длительность — 50 не. А, В —2 мке после импульса, С, Б 20 мке. 55

127. Последовательность шлирен-снимков потока, набегающего на аэродинамический профиль при скорости 30 м/с, после присоединения потока при включении разряда. Нитки, выдные ранее, теперь увлечены потоком. 57

128. Взаимодействие вихря и потока над при скорости набегающего потока 30 м/си угле атаки 28°. 58

129. Переходы между энергетическими уровнями при возбуждении ифлуоресценции. 62

130. Тушение флуоресценции при различных давлениях по 85. 65

131. Расчет флуоресценции ОН при значительной плотности накачки для сухого воздуха и продуктов нормального горения. 66

132. Расчет флуоресценции ОН при малой плотности накачки для сухого воздухаи продуктов нормального горения. 67

133. Снимок развития наносекундного барьерного разряда, экспозиция 0.5 не. А- 4 не задержка, В 7 не задержка. 70

134. Снимок развития разряда, экспозиция 0.5 не. С 10 не задержка, D - 14 не задержка. 70

135. Снимок развития разряда, экспозиция 0.5 не. Е 20 не задержка, F - 30 не задержка. 71

136. Интегральные (экспозиция 100 не) снимки развития катодонаправленного стримера в подогретом потоке (А) и пламени (В). 71

137. Результаты абсолютных ЛИФ измерений концентрации ОН в канале положительного наносекундного барьерного разряда в подогретой перемешанной смеси метан-воздух. 73

138. Время снижения концентрации ОН в 10 раз для различных температур. . . 74

139. Устройство плазменно-стимулированной горелки и системы электродов, по55. 75

140. Установка для изучения распределения ОН с помощью ЛИФ. 76

141. Сигнал линейного ЛИФ для пропано-воздушного пламени. 78

142. Рассчитанный в LIFBASE спектр линейного ЛИФ. 78

143. ЛИФ предварительно перемешанного метано-воздушного пламени со стехиометрическим отношением 1 с наложенным сигналом хемолюменисценции. 79

144. Расчет в LASKIN спектра флуоресценции с учетом функции пропускания интерфильтров. 80

145. Расчет в LIFBASE спектра насыщенного ЛИФ при 600 К и 2000 К. 81

146. ИК-Фурье спектр поглощения продуктов сгорания пропана. 82

147. Зависимость скорости срыва пламени от частоты и амплитуды высоковольтных импульсов. 83

148. Снимок развития НБР в присутствии пламени, экспозиция 0,5 не. 84

149. ЛИФ снимки пламени с разрядом с наложенной картиной развития разряда

150. А) и пламени без разряда (В). 85

151. Фотография развития наносекундного барьерного разряда в воздухе в отсутствие пламени, по 55. 86

152. Изменение в концентрации СО2 под действием наносекундного барьерного разряда. 87

153. Изменение в концентрации СО под действием наносекундного барьерного разряда. 87

154. Расчет температуры в реакционной камере реформера с внутренним возвратом тепла с включенным механизмом горения метана.100

155. Снимки реакционной камеры реформера с внутренним возвратом тепла при работающем (А) и выключенном (В) плазматроне.101

156. Концентрация водорода в продуктах реформинга пропана без разряда и с разрядом.102

157. Плазматрон с наносекундной искрой, развивающейся вдоль по подогретому топливо-воздушному потоку.103

158. Плазматрон с наносекундной искрой, развивающейся вдоль по подогретому топливо-воздушному потоку.117

159. Осциллограммы с делителя напряжения на генераторе высоковольтных наносекундных импульсов, соответствующие стримерному и искровому режимам работы плазматрона.118

160. Стримерный режим плазматрона, выдержка 1/500 с, импульсы напряжения- 10 кВ, 12 не, 5 кГц.118

161. Плазматрон в режиме распределенной искры, выдержка 1/500 с, импульсы напряжения 10 кВ, 12 не, 10 кГц.119

162. Зависимость энерговклада от частоты и амлитуды высоковольтных импульсов. Поток через плазматрон отсутствует, разоряд развивается при нормальных условиях. Стримерному режиму отвечает энерговлад 30%, распределенной искре 60%.119

163. Зависимость энерговклада от частоты и амлитуды высоковольтных импульсов. Поток через плазматрон 100 нормальных литров при комнатной температуре в минуту. Стримерному режиму отвечает энерговлад 30%, распределенной искре 60%.120

164. Зависимость энерговклада от частоты и амлитуды высоковольтных импульсов. Поток через плазматрон 100 нормальных литров при температуре 260 С в минуту. Стримерному режиму отвечает энерговлад 30%, распределенной искре 60%.120

165. Зависимость энерговклада от частоты и амлитуды высоковольтных импульсов. Поток через плазматрон 60 нормальных литров при комнатной температуре в минуту. Стримерному режиму отвечает энерговлад 30%, распределенной искре 60%.121

166. Снимок развития разряда в режиме распределенной искры при потоке через плазматрон 60 нормальных литров в минуту. Видно, что разряд развиваетсяне по кратчайшему расстоянию, и следует за потоком.121

167. Схема эксперимента по развитию последовательных стримеров.122

168. Временная диаграмма экспериментов по развитию последовательных стримеров.122

169. Развитие стримерного разряда в воздухе в промежутке 5 мм.126

170. Схема установки для изучения воспламенения предварительно перемешанной подогретой смеси углеводород-воздух с помощью распределенной наносекундной искры.126

171. Зависимость от стехиометрического отношения продуктов воспламенения смеси пар дизтоплива воздух и температуры.129

172. Схема установки по реформированию пара дизтоплива в сингаз.130

173. Совместный расчет течения сингаза в реформере и распределения температуры внутри реформера.131

174. Зависимость концентраций продуктов реформинга и температуры в реакционной камере от времени.132

175. Зависимость выхода сажи в г/мин от стехиометрического отношения продуктов реформинга.134