Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

чаи

КОПЫЛ Павел Владимирович

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ

01.04.08 — физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

31 ИЮЛ 2014

Москва -2014

005551451

005551451

Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Шибков Валерий Михайлович

Официальные оппоненты: Климов Анатолий Иванович,

доктор физико-математических наук, Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, зав. отделом

Бережецкая Наталья Константиновна, кандидат физико-математических наук, Институт общей физики имени A.M. Прохорова Российской академии наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Московский радиотехнический институт

Российской Академии Наук

Защита состоится 18 сентября 2014 года в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.2, Физический факультет МГУ, ауд. ЮФА.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/

Автореферат разослан 18 июля 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,

к.ф.-м.н.

И.Н.Карташов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в российской и мировой науке все большую актуальность приобретают исследования в области сверхзвуковой плазменной аэродинамики, что связано с технологией создания новых видов высокоскоростных транспортных и космических систем. Для развития современной авиации, предназначенной для высоких скоростей полета, требуется поиск и разработка инновационных фундаментальных методов, позволяющих обеспечивать быстрое объемное воспламенение и управление процессом горения углеводородного топлива в условиях сверхзвукового потока. Однако при таких скоростях трудно реализовать стабилизацию и полное сгорание топлива внутри аэродинамического канала без застойных зон. В прямоточном воздушно-реактивном двигателе для решения этой проблемы осуществляют нагрев рабочего тела за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха, но при скорости летательного аппарата М= 6 температура заторможенного рабочего тела в двигателе может достигать с учетом трения и скачков уплотнения в реальном процессе более 2200 К. При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счет сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемых термической стойкостью конструкционных материалов двигателя. Поэтому для сверхзвуковых летательных аппаратов, оснащенных прямоточным воздушно-реактивным двигателем, скорость полета с числом Маха М- 5 считается предельной. Одним из новых решений данной проблемы является использование газовых разрядов с целью направленного воздействия на поток с помощью локального выделения в нем дополнительной энергии, способствующей полному сжиганию топлива в достаточно коротких камерах сгорания длиной ¿~ 1 м при умеренных температурах воздушно-углеводородного топлива Т~ 1000 К.

Работа относится к приоритетному для Российской Федерации направлению — авиационно-космические и гиперзвуковые системы, связанному с технологией создания новых видов высокоскоростных транспортных и космических систем. Разработки гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей, ведущиеся уже более тридцати лет, в последнее время вышли на качественно новый уровень - создаются экспериментальные образцы силовых установок, на основе которых в течение ближайшего десятилетия планируется разработать перспективные пилотируемые системы, работоспособные в широком диапазоне полетных чисел Маха. Выполненные в диссертации исследования связаны с разработкой способов повышения эффективности горения высокоскоростных потоков воздушно-углеводородного топлива за счет разработки физических принципов применения плазменных технологий для целей уменьшения времени воспламенения горючего, увеличения полноты сгорания топлива и стабилизации сверхзвукового горения. В условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы возможен режим горения, когда наработка активных частиц практически на всем протяжении реакции осуществляется электронным ударом. Методы управления горением воздушно-углеводородных потоков, основанные на генерации электрических разрядов, представляются в настоящее время наиболее перспективными [1-13]. Применение комбинированных разрядов [14-15] может обеспечить необходимую скорость и интенсивность горения.

Диссертация посвящена изучению возможности применения неравновесной низкотемпературной плазмы для воспламенения и стабилизации горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках.

Фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлены исследования, является разработка способов повышения эффективности сгорания сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков, основанных на новейших физико-химических принципах применения плазменных технологий для целей уменьшения времени воспламенения горючего, стабилизации горения и увеличения полноты сгорания свободных высокоскоростных потоков воздушно-углеводородного топлива.

Целью диссертационной работы является экспериментальное изучение процессов, протекающих в условиях инициированного низкотемпературной газоразрядной плазмой сверхзвукового горения воздушно-углеводородного топлива.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Создание на основе новых и модифицированных стандартных контактных и бесконтактных методов диагностического комплекса, необходимого для измерения в масштабах реального времени параметров плазмы и пламени, возникающего при плазменно-стимулированном горении газообразных и жидких углеводородных топлив, а также определения полноты их сгорания в условиях сверхзвуковых воздушных потоков.

2. Разработка основанной на передовых достижениях физики плазмы, газовой динамики и физической химии инновационной плазменной технологии управления процессом горения воздушно-углеводородного топлива в условиях сверхзвукового потока.

3. Реализация в свободном пространстве и внутри аэродинамического канала стабилизации сверхзвукового горения углеводородного топлива в газообразной и жидкой (спрей) фазах.

4. Изучение процессов, протекающих в условиях инициированного низкотемпературной газоразрядной плазмой сверхзвукового горения воздушно-углеводородных топлив.

5. Определение полноты сгорания высокоскоростных потоков пропан-воздушного, спирт-воздушного и пропан-спирт-воздушного топлива в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись как бесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследования проводились с временным и пространственным разрешением с помощью созданного диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров и спектрографов с цифровой регистрацией спектра; блока зондовой диагностики с цифровой регистрацией вольт-амперных характеристик; датчиков давления; термопар; тензодатчиков; теневой установки; рефракционных лазерных датчиков; накаливаемого потоком пламени электрического зонда; системы измерения проводимости пламени; электронных датчиков измерения концентраций пропана, углекислого газа, температуры, абсолютной и относительной влажности; цифровых фотоаппаратов; высокоскоростной цифровой видеокамеры; цифровых осциллографов; компьютеров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан и создан диагностический комплекс, позволяющий в масштабах реального времени проводить измерения пространственно-временной эволюции характеристик газоразрядной плазмы и пламени, возникающего при плазменно-стимулированном горении воздушно-углеводородного топлива;

- впервые в условиях программированного разряда, представляющего собой комбинацию поверхностного СВЧ-разряда и разряда постоянного тока, реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение спирта, вводимого в капельной (в виде спрея) фазе в дозвуковой (А/=0.3-0.9) воздушный поток;

- впервые показано, что в процессе перехода от разряда в воздушном потоке к стабилизации плазменно-стимулированного горения жидкого углеводородного топлива резко изменяются внешний вид и вольтамперная характеристика разряда, спектр излучения и интегральная интенсивность свечения пламени, тепловой поток, концентрация электронов, интенсивность излучения гидроксила, временные зависимости разрядного тока и особенно напряжения на разрядном промежутке;

- впервые показано, что полнота сгорания заранее не активированного жидкого спирта при стабилизации его горения в условиях комбинированного разряда, создаваемого в высокоскоростных воздушных потах, достигает 80 % и более в зависимости от подводимой мощности и скорости потока, причем горение происходит при температуре пламени порядка 2000 К.

- впервые осуществлена стабилизация плазменно-стимулированного горения многокомпонентного спирт-пропан-воздушного топлива на поверхности диэлектрической пластины, обтекаемой дозвуковыми и сверхзвуковыми воздушными потоками и проведено исследование этого явления;

- реализована в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы стабилизация горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутри гладкого (без застойных зон) расширяющегося аэродинамического канала;

- определены пространственно-временные распределения концентрации электронов внутри аэродинамического канала, а также температуры пламени внутри и на выходе расширяющегося гладкого канала, моделирующего камеру сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя;

- показано, что без использования застойных зон низкотемпературная газоразрядная плазма является стабилизатором горения высокоскоростных холодных потоков углеводородного топлива.

На основе полученных результатов была разработана инновационная плазменная технология для ее применения при конструировании новых схем прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Отличительной особенностью и преимуществом проведенных исследований является комплексный, междисциплинарный и инновационный подход к решению проблемы управления процессом сверхзвукового горения воздушно-углеводородного топлива в условиях, приближенных к камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Достоверность результатов. Экспериментальные результаты получены на различных экспериментальных установках. Достоверность результатов обеспечена использованием широкого спектра различных диагностических методов. Причем полученные различными методами данные находятся в хорошем соответствии

между собой, а также с результатами других групп исследователей. Это позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты могут служить основой для понимания и объяснения влияния низкотемпературной газоразрядной плазмы на физико-химические процессы, ответственные за быстрое воспламенение и стабилизацию горения сверхзвуковых потоков углеводородного топлива. Результаты диссертации представляют не только академический интерес, но и 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 потоков воздушно-углеводородного топлива. Практическая реализация и внедрение быстрого плазменно-стимулированного воспламенения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков и оптимизация режима горения топлива позволит существенно уменьшить продольные размеры камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, снизить вес двигателя, увеличить эффективность его работы, и, соответственно, увеличить долю массы полезной нагрузки, что снизит стоимость эксплуатации летательных аппаратов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Разработанный и экспериментально апробированный диагностический комплекс измерения в масштабах реального времени пространственно-временных параметров пламени, возникающего в условиях плазменно-стимулированного горения высокоскоростных потоков воздушно-углеводородных топлив.

2. Экспериментальная реализация стабилизации плазменно-стимулированного горения многокомпонентных (воздух-спирт, воздух-пропан, воздух-спирт-пропан) топлив на поверхности диэлектрической пластины, обтекаемой дозвуковыми и сверхзвуковыми воздушными потоками.

3. Стабилизация с помощью низкотемпературной газоразрядной плазмы горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутри гладкого (без застойных зон) расширяющегося аэродинамического канала.

4. Полученный с использованием созданного диагностического комплекса набор пространственно-временных распределений параметров плазмы и пламени, возникающего при сверхзвуковом горении воздушно-углеводородного топлива.

5. Реализованная в условиях комбинированного разряда полнота сгорания пропана, достигающая 95-100% в дозвуковом воздушном потоке, и 90-95% в условиях сверхзвуковых потоков, а также полнота сгорания заранее не активированного спирта, равная 80 %.

6. Близкое к максимально возможной величине значение тяги, зафиксированное при сжигании пропан-воздушного топлива внутри снабженного выходным соплом расширяющегося аэродинамического канала с присоединенным воздуховодом при атмосферном давлении окружающего воздуха.

7. Комплекс экспериментальных результатов, свидетельствующий об эффективности предложенного плазменного метода для реализации сжигания топлива внутри аэродинамического канала, моделирующего условия в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Личный вклад автора. В диссертации приведены результаты, полученные непосредственно автором или при его активном участии. Диссертант лично

проводил как экспериментальные измерения, так и обработку полученных данных. Совместно с соавторами непосредственно участвовал в написании научных статей, а также в подготовке и представлении устных и стендовых докладов на научных конференциях. Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором проведены экспериментальные исследования влияния плазменных эффектов на процесс стабилизации горения в условиях плазмы поперечного по отношению к потоку электродного разряда, а также комбинированного СВЧ-разряда. Квалификационная ценность исследований признана российским и международным научными сообществами. Результаты, полученные автором и вошедшие в диссертацию, являлись базовыми для отчетов по грантам РФФИ (№ 08-02-01251-а, № 11-02-01091-а), по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН (Р-09) «Исследование вещества в экстремальных условиях» и гранту CRDF (№ RUP-1514-МО-Об).

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались лично автором на 15 российских и международных конференциях: на 13lh International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, 2014, Moscow, Russia; на XLI Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2014, Звенигород, Россия; на научной конференции «Ломоносовские чтения». Секция физики. МГУ, физический факультет, 2014, Москва, Россия; на 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2013, Grapewine, Texas, USA; на 12th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, 2013, Moscow, Russia; на научной конференции «Ломоносовские чтения». Секция физики. МГУ, физический факультет, 2013, Москва, Россия; на 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2012, Nashville, Tennessee, USA; на 11л International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, 2012, Moscow, Russia; на VIII International Workshop Microwave Discharges: Fundamentals and Applications (MD-8), 2012, Zvenigorod, Russia; на научной конференции «Ломоносовские чтения». Секция физики. МГУ, физический факультет, 2012, Москва, Россия; на 10th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, 2011, Moscow, Russia; на научной конференции «Ломоносовские чтения». Секция физики. МГУ, физический факультет, 2011, Москва, Россия; на 8th International Workshop «Strong Microwaves and Terahertz Waves Sources and Applications», 2011, Nizhny Novgorod, Russia; на XXXVIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2011, Звенигород, Россия; на XXXV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2008, Звенигород, Россия.

Публикации. Основные результаты, включенные в диссертацию, представлены в 27 научных публикациях, в том числе: в 5 статьях в реферируемых научных журналах из перечня ВАК РФ, в 12 статьях в книгах, научных сборниках, материалах международных и российских конференций, а также в 10 тезисах докладов. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Основное содержание диссертации изложено на 184 страницах машинописного текста, включая 84 рисунка и 9 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, в котором сформулированы основные выводы. Список цитируемой литературы содержит 148 наименований.

II. 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 описание работы.

В первой главе диссертации кратко анализируются работы, посвященные экспериментальному изучению влияния низкотемпературной газоразрядной плазмы на воспламенение воздушно-углеводородных топлив в высокоскоростных потоках, а также математическому моделированию плазменно-стимулированного горения различных углеводородов.

Во второй главе диссертации описываются экспериментальные стенды, на которых проводились исследования. На первой установке изучался процесс воспламенения и стабилизации плазменно-стимулированного горения углеводородного топлива с помощью комбинированного разряда на внешней поверхности диэлектрической пластины, обтекаемой дозвуковыми и сверхзвуковыми воздушными потоками. Установка состоит из вакуумной камеры, системы для создания сверхзвукового воздушного потока, ресивера высокого давления воздуха, ресивера высокого давления пропана, системы для смешивания пропана с воздухом, системы инжекции жидкого углеводородного топлива, магнетронного генератора, системы для ввода СВЧ-энергии в камеру, аэродинамического канала прямоугольного сечения, высоковольтного источника питания для создания разряда постоянного тока, системы синхронизации и диагностической аппаратуры. Основой экспериментальной установки является откачиваемая металлическая цилиндрическая барокамера, которая одновременно служит как для обеспечения необходимого давления при исследовании свойств газоразрядной плазмы в неподвижном воздухе, так и для создания сверхзвукового потока, а также в роли резервуара для выхлопных газов и продуктов горения. Внутренний диаметр вакуумной камеры равен 1 м, ее длина равна 3 м. Вакуумная система позволяет проводить исследования в широком диапазоне давлений р = 10760 Тор. Сверхзвуковой поток создается при заполнении барокамеры воздухом через профилированное сопло Лаваля, установленное на выходной трубке электромеханического клапана.

Система хранения воздуха высокого давления состоит из газгольдера объемом 0.562 м3 с компрессором, поднимающим давление воздуха в ресивере до величины р=1-5 атм; клапана высокого давления; детектора для измерения динамического давления; электромагнитного клапана с временем срабатывания t — 0.05 с, обеспечивающего длительность пуска т= 0.5-3.0 с. Секундный массовый расход воздуха в эксперименте мог изменяться от 25 г/с до 150 г/с. Система накопления и хранения газообразного горючего состоит из стандартного баллона объемом 0.04 м3, который содержит жидкий пропан. Через запорный клапан и редуктор уже газообразное топливо поступает в ресивер объемом 0.012 м3. Воздух и пропан первоначально поступают в смеситель, установленный в дозвуковой части канала. Смешение происходит в основном до критического сечения сверхзвукового сопла Лаваля. Секундный массовый расход пропана в эксперименте мог изменяться от 1 г/с до 6 г/с. Эквивалентное отношение а для

пропана, равное отношению доли пропана в топливе к его доли в стехиометрической смеси, изменялось от 0.5 до 2. Система инжекции жидкого углеводородного топлива в высокоскоростной воздушный поток состоит из металлического баллона, заполненного жидким углеводородным топливом. Баллон соединен через герметически впаянную в верхнюю крышку металлическую трубку и гибкий шланг с инжектором. Металлическая трубка была герметически впаяна в один из иллюминаторов барокамеры. Это позволяет в целях безопасности проводить эксперименты с вынесенным за пределы разрядной камеры запасом жидкого топлива. Инжекция спирта осуществляется или непрерывно в течение определенного времени, или в импульсно-периодическом режиме с регулируемыми длительностями импульсов и частотой их следования. Секундный массовый расход спирта в эксперименте мог изменяться от 0.5 г/с до 2.5 г/с.

СВЧ-разряд используется для предварительного создания плазмы и быстрого воспламенения. Источником СВЧ-излучения служит импульсный магнетронный генератор сантиметрового диапазона длин волн, имеющий следующие характеристики: длина волны X — 2.4 см; импульсная СВЧ-мощность IV< 75 кВт; длительность импульсов г= 5-150 мкс; скважность 0 = 1000, при этом средняя СВЧ-мощность не превышает 100 Вт. Для изучения процесса горения углеводородных топлив в условиях комбинированного разряда, генерируемого на внешней поверхности диэлектрической антенны, обтекаемой высокоскоростным воздушным потоком, используется источник питания с выходным напряжением 11= 2.5-5.5 кВ, обеспечивающий разрядный ток /'=1-15 А при длительности импульса от 0.1 до 2 с. Параметры источника позволяют создавать электродный разряд постоянного тока в сверхзвуковом потоке при подводимой мощности до 10 кВт. Ввод СВЧ-излучения в вакуумную камеру осуществляется через герметизированный блок, расположенный на одном из иллюминаторов. СВЧ-энергия с помощью волновода подводилась к диэлектрической антенне, выполненной из кварца. Антенна представляет собой диэлектрический стержень прямоугольного сечения размером 9x18 мм и длинной 11 см с клинообразной торцевой частью с углом 25° при вершине клина. Она устанавливалась по оси симметрии сверхзвукового сопла. Направление сверхзвукового потока было противоположно распространению поверхностного СВЧ-разряда.

В этой конфигурации разряд постоянного тока, возникая между электродами, сносится вниз по потоку и замыкается на заземленный металлический волновод, подводящий микроволновую энергию к кварцевой антенне. После этого разряд переходит в форму поперечно-продольного разряда и существует между высоковольтным электродом и заземленным волноводом. В воздушном потоке конец разрядного канала, касающийся металлического волновода, начинает скользить по волноводу. Длина канала увеличивается, падение напряжения на нем растет до тех пор, пока источник питания может обеспечить напряжение, необходимое для поддержания растущего канала. При достижении максимально возможной длины для данных условий эксперимента разряд прекращается. При этом происходит новый пробой газа по кратчайшему расстоянию или между электродами, или между высоковольтным электродом и заземленным волноводом, и процесс повторяется далее периодически.

Для предотвращения замыкания разрядного канала на заземленный волновод, была изменена конфигурация создания комбинированного разряда. При этом микроволновая энергия и высокоскоростной воздушный поток

распространяются в одном направлении. Разряд постоянного тока создается на тефлоновой пластине, в которую заподлицо с ее поверхностью вставлены два электрода специальной конфигурации. В эту же пластину монтируется кварцевая антенна так, что ее поверхность располагается на одном уровне с поверхностью пластины, а ее передний торец располагается на расстоянии приблизительно 0.5 см от электродов. Это было сделано для того, чтобы не происходил пробой между высоковольтным электродом и заземленным волноводом через плазму поверхностного СВЧ-разряда. Блок-схема установки представлена на рис. 1. В экспериментах измерения проводились с использованием прямоугольного сопла,

рассчитанного для потока с числом Маха М-2. Электромеханический клапан

(14) установлен на фланце иллюминатора камеры, при этом подводящий воздуховод

(15), сопло Лаваля (16) и прямоугольный канал (17) располагались так, чтобы сверхзвуковой поток был направлен под углом 15° к плоскости пластины. Это связано с тем, что из-за технических особенностей отдельных узлов установки не представлялось возможным полностью совместить направления распространения СВЧ-энергии и воздушного потока. Система синхронизации позволяет вводить воздух, жидкое углеводородное топливо, пропан или пропан-воздушную смесь в аэродинамический канал с фиксированными задержками по отношению друг к другу, а

также позволяет создавать поверхностный СВЧ-разряд в режиме одиночного импульса, в импульсно-периодическом режиме или в программированном режиме. При этом возможно изменять в широком диапазоне длительность импульсов, число и частоту следования импульсов.

Без использования застойных зон в условиях импульсного самостоятельного разряда сверхзвуковое горение свободных воздушно-углеводородных потоков происходит только в течение длительности импульса, и пламя срывается после прекращения подвода энергии. Для стационарного плазменно-стимулированного горения необходимо оптимизировать режим инициации разряда, что может быть осуществлено при создании разряда в режиме программированного импульса.

установки: 1 - вакуумная камера, 2 — магнетрон, 3, 4 - система синхронизации, 5 - металлический волновод, 6 - направленный ответвитель, 7 - кристаллический детектор, 8 - импульсный вольтметр, 9 - нагрузка, 10 - диэлектрическая антенна, 11 -электроды для создания разряда постоянного тока, 12 -программированный СВЧ разряд, 13 - ресивер высокого давления воздуха, 14 - электромеханический клапан, 15 — подводящий шланг, 16 - сопло Лаваля, 17 - прямоугольный аэродинамический канал, 18 -датчик давления, 19 — термопара, 20 - инжектор, 21, 22 - усилители, 23 - блок питания инжектора, 24 - источник питания двойного зонда, Я - измерительное сопротивление, 25 - цифровой осциллограф, 26 -усилитель сигнала от термопары, 27 - двойной зонд, 28 - термопара, 29 - насадок для измерения статического давления и давления торможения, 30, 31 - датчики давления, 32 - цифровой многоканальный спектрограф, 33 - монохроматор, 34, 35, 36 -световоды, 37 - фотоэлектронный умножитель, 38, 39 - усилители, 40 - видео и фото цифровые камеры, 41 - импульсная теневая установка, 42,43 - компьютеры, 44 - вакуумные насосы, 45 - вентиль.

В первом эксперименте по использованию газоразрядной плазмы для стабилизации внутреннего горения высокоскоростного пропан-воздушного потока

при атмосферном давлении окружающего воздуха использовался короткий аэродинамический канал, продольный размер которого меньше 10 см. На рис. 2 представлена фотография плазменно-стимулированного горения в коротком канале. Топливо не успевает полностью сгореть внутри этого канала. В условиях эксперимента полнота сгорания порядка 30 %. Для того чтобы повысить эффективность горения, необходимо было увеличить время нахождения топлива внутри камеры сгорания, т.е. либо уменьшить скорость потока, что для нас неприемлемо, либо увеличить продольные размеры канала. Были разработаны и изготовлены новые гладкие (без застойных зон) аэродинамические каналы

прямоугольного сечения. Чтобы избежать их запирания при плазменно-стимулированном горении воздушно-углеводородного топлива в высокоскоростном потоке каналы были с переменным сечением, причем отношение выходного сечения к входному S2IS\ = 5, 8 и 12. Продольная длина каналов соответственно 70, 60 и 50 см. Общий вид аэродинамического канала длиной 50 см с S2/Si = 12, помещенного внутрь барокамеры, можно видеть на фотографии (рис. 3).

В третьей главе диссертации представлено описание разработанного и созданного на базе современного оборудования диагностического комплекса, позволяющего в масштабах реального времени проводить как бесконтактными, так и контактными методами измерения пространственно-временной эволюции характеристик не только газоразрядной плазмы, но и пламени, возникающего при плазменно-стимулированном горении воздушно-углеводородного топлива. Комплекс включает в себя широкий набор методов исследования, как стандартных, применяемых в различных лабораториях при исследовании свойств газоразрядной плазмы, так и разработанных в нашей лаборатории для диагностики плазменных систем, создаваемых в высокоскоростных потоках воздуха и в воздушно-углеводородных смесях. Процесс плазменно-стимулированного воспламенения и горения углеводородов фиксируется с использованием цифрового фотоаппарата D50, цифровой видеокамеры «Nokia» и цифровой видеокамеры «ВидеоСпринт» с электронно-оптическим наносекундным затвором. При последующем воспроизведении изображений на мониторе компьютера можно измерять размеры области горения, фиксировать момент начала воспламенения и определять пространственно-временную эволюцию процесса горения. Спектр излучения пламени фиксируется с помощью цифрового двухканального спектрографа «AvaSpec-2048-2-DT». Температура газа определяется из сравнения экспериментально измеренных и синтезированных молекулярных полос N2, CN и СН. При моделировании распределение по вращательным и колебательным уровням предполагается больцмановским. Используются разработанные нами программы для расчета спектров и отдельно для расчета факторов Хенля-Лондона.

Рис. 2. Плазменно-стимулированное горение высокоскоростного (М~ 1) пропан-воздушного патока, р = I атм. длительность разряда т= 1 с, время экспозиции гэкс = 20 мс.

Рис. 3. Общий вид аэродинамического канала.

Расчеты производятся по программе, позволяющей накладывать заранее заданное уширение на вращательные переходы синтезированного молекулярного спектра. При воспламенении и горении воздушно-углеводородных топлив температура пламени на выходе их зоны горения определяется по току термоэлектронной эмиссии, возникающему при разогреве двойного вольфрамового зонда, помещенного в горячий поток, а также по сплошному спектру, испускаемому накаленным вольфрамовым стержнем. Для визуализации ударных волн и газодинамических возмущений, возникающих при воспламенении углеводородного горючего, используется импульсная теневая установка. Динамика воспламенения углеводородов изучается также с помощью оптических рефракционных датчиков и коллимированных фотоэлектронных умножителей. Изменение тепловых потоков, идущих от области пространства, в которой создается комбинированный разряд, приводящий к воспламенению углеводородного топлива, регистрируется с помощью термопар. В экспериментах факт воспламенения и стабилизации горения высокоскоростного потока углеводородного топлива определяется по резкому изменению интенсивности свечения гидроксила ОН и полосы СЫ, по изменению общего вида разряда, по изменению временного хода импульса разрядного тока и особенно импульса напряжения на разрядном промежутке. При стабилизации горения резко уменьшаются колебания напряжения на разрядном промежутке, а после прекращения подачи горючего сильные колебания напряжения восстанавливаются. Концентрация заряженных частиц в областях пространства, расположенных вниз по потоку на различных расстояниях от зоны горения, измеряется с помощью симметричных двойных зондов диаметром 1 мм, длиной рабочей части 10 мм и расстоянием между их центрами 5 мм. Измерения концентрации ионов проводятся по ионному току насыщения. Для этого между зондами подается постоянное смешение 12 В. Концентрация электронов в области горения измеряется также по поглощению зондирующего маломощного микроволнового излучения. Концентрация электронов в плазме СВЧ-разряда, а также в каналах пульсирующего электродного разряда определяется спектроскопическим методом по регистрации штарковского уширения спектральных линий бальмеровской серии водорода. Период индукции определяется одновременно несколькими способами, а именно: по минимальной длительности импульсного разряда, приводящего к появлению характерного свечения в аэродинамическом канале; по резкому возрастанию интенсивности свечения молекулярной полосы возбужденного радикала СН с длиной волны канта 431.5 нм; по времени появления сигнала с двойного зонда и тока через плоский конденсатор, расположенных на выходе аэродинамического канала; по резкому возрастанию акустического шума и тепловых потоков из области воспламенения; по резкому увеличению поглощения зондирующего маломощного микроволнового излучения; по изменению общего вида спектра излучения плазмы и увеличению температуры газа. Полнота сгорания углеводородного топлива определялась по измерению концентраций пропана, спирта, углекислого газа, паров воды, по изменению абсолютной и относительной влажности воздуха, по повышению давления и температуры воздуха в закрытой барокамере в процессе реализации горения. Созданный диагностический комплекс позволяет в масштабах реального времени получать различными методами, подтверждающими друг друга, данные одновременно о нескольких параметрах, характеризующих процесс сверхзвукового горения воздушно-углеводородного

топлива, например, о температуре пламени, степени ионизации, полноте сгорания и др. Это дает нам уверенность в надежности проводимых измерений.

В четвертой главе диссертации изучается плазменно-стимулированное горение газообразных и жидких углеводородов в условиях высокоскоростных воздушных потоков, обтекающих диэлектрическую пластину, на поверхности которой создается программированный СВЧ-разряд. Во всех типах реактивных двигателей стабильное горение поддерживается с помощью специальных устройств (застойных зон, каверн и т.п.), служащих для предотвращения срыва пламени высокоскоростным потоком. Конструкция этих устройств должна учитывать баланс между вносимым ими дополнительным сопротивлением потоку и стабилизацией пламени. В свободном сверхзвуковом потоке в принципе невозможно удержать пламя без специальных мер. Одним из таких способов является использование газоразрядной плазмы. В условиях импульсного самостоятельного разряда сверхзвуковое горение свободных воздушно-углеводородных потоков происходит только в течение длительности импульса, и пламя срывается, как только подвод энергии прекращается. Для стационарного горения при использовании нестационарной низкотемпературной плазмы необходимо оптимизировать режим инициации импульсного разряда, т.е. величину вкладываемой в плазму энергии, длительность и частоту следования импульсов. Это может быть осуществлено при создании разряда в режиме программированного импульса [14]. В программированном режиме пробой газа и создание плазмы осуществляется с помощью мощного короткого одиночного импульса, или серии коротких мощных импульсов, а поддержание образующейся плазмы и вклад энергии в плазму происходит в течение длительного маломощного импульса, следующего с некоторой временной задержкой после первого импульса, или после серии коротких мощных импульсов. Также возможно создавать разряд в программированном режиме, когда маломощный импульс включается в течение времени, равном длительности серии коротких мощных импульсов, следующих с некоторой частотой повторения. Известно [14, 15], что в неподвижном газе повторный электрический пробой газа облегчен по сравнению с первичным пробоем. Это связано с тем фактом, что деионизация разрядного промежутка происходит в течение некоторого времени, то есть к моменту подачи второго импульса в разрядном промежутке может еще находиться большое количество заряженных частиц. Наличие в газе долгоживущих возбужденных частиц также облегчает повторный пробой, так как ионизацию газа в этом случае могут производить электроны с малыми энергиями за счет ступенчатых процессов с участием метастабильных атомов и молекул. Нагрев газа в течение первого импульса при высоких давлениях также приводит к снижению поля повторного пробоя из-за уменьшения плотности газа в зоне существования первичного разряда. По отношению к воспламенению неподвижной воздушно-углеводородной смеси уменьшение периода индукции в течение повторного разряда, и увеличение полноты сгорания может происходить из-за активации углеводородного горючего (создание заряженных и возбужденных частиц, активных радикалов, а также нагрев горючего) в течение первого импульса. Для воспламенения высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков режим программированного импульса может использоваться в следующей комбинации. Разряд в течение первого импульса создается перед входом в камеру сгорания, где происходит предварительная подготовка горючего, тогда как в основной камере сгорания плазма создается в

течение повторного импульса с временной задержкой, определяемой скоростью сноса реформированного горючего и расстоянием между областью предварительного возбуждения горючего и камерой сгорания.

В диссертации исследовано плазменно-стимулированное горение инжектируемого в дозвуковую воздушную струю жидкого спирта в капельной фазе (в виде спрея) в условиях комбинированного разряда, создаваемого в режиме программированного импульса. Струя истекает со скоростью от 30 до 300 м/с в заполненную воздухом атмосферного давления камеру, На рис. 4 представлена интегральная фотография (время экспозиции 1 с) общего вида программированного разряда в дозвуковой воздушной струе без инжекции спирта.

Слева на фотографии наблюдается свечение поверхностного СВЧ-разряда, справа - разряда постоянного тока. Динамика данного разряда

Рис. 4. Интегральная = 1 с) фотография изучалась С ПОМОЩЬЮ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ разряда, создаваемого в программированном видеокамеры. Разряд создавался в течение режиме в дозвуковом потоке воздухе.

одной секунды, за это время фиксировалось 5000 кадров. На рис. 5 представлен фрагмент видеограммы. Видно, что исследуемый разряд представляет собой тонкий (диаметром менее 1 мм) плазменный канал, вытягиваемый вниз по потоку. Первоначальный пробой газа осуществляется в области наименьшего расстояния между электродами. Образующийся при этом плазменный канал начинает сноситься вниз по потоку, скользя без нарушения контакта по электродам. При достижении плазменной

перемычки торцов электродов, на которых в дальнейшем фиксируются концы канала, разряд начинается вытягиваться в виде петли вниз по потоку. При этом падение напряжения на разрядном промежутке непрерывно увеличивается. Используемый в эксперименте источник постоянного напряжения не может обеспечить существования разрядной петли при достижении ей длины порядка 30 см. Разрядная петля "разрывается" и плазменный канал исчезает. Одновременно между электродами происходит новый пробой газа, и процесс вытягивания разрядной петли вниз по потоку повторяется снова. То есть электродный разряд в потоке, создаваемый с помощью источника постоянного напряжения, представляет собой, по существу, нестационарный пульсирующий разряд. Частота пульсаций в условиях эксперимента изменяется от 0.5 до 2 кГц в зависимости от скорости потока. С увеличением скорости потока частота пульсаций возрастает.

Пульсирующий характер разряда приводит к сильным осцилляциям напряжения на разрядном промежутке и разрядного тока. Это ведет к тому, что вольтамперная характеристика разряда в потоке представляет собой немонотонную неоднозначную зависимость напряжения на разрядном промежутке от тока. Особенно сильно проявляются пульсации напряжения. Это связано с тем, что при вытягивании разрядной петли вниз по потоку падение напряжения на ней изменяется. А так как в потоке длина плазменного канала увеличивается от 1 до

Рис. 5. Динамика программированного разряда в дозвуковом воздушном потоке. Время экспозиции одного кадра 4 мкс, частота съемки 5000 кадров в секунду, временной интервал между кадрами 200 мкс. Поток направлен слева направо, время - сверху вниз и слева направо. Левый верхний кадр - первый (400-ая миллисекунда от начала развития разряда), правый нижний - последний.

30 см, то и напряжение на разрядном промежутке очень сильно осциллирует, изменяясь от нескольких десятков вольт до трех киловольт. Средняя по объему температура газа, измеренная на расстоянии 3 см вниз по потоку от кончиков электродов, равна 500-800 К. Температура газа в канале вблизи электродов порядка 1500 К. Концентрация электронов в плазме, измеренная по штарковскому уширению линий бальмеровской серии водорода, порядка 10й - 1015 см"3.

Далее было исследовано влияние низкотемпературной нестационарной плазмы программированного разряда на эффективность горения жидкого спирта, инжектируемого в капельной фазе в дозвуковую воздушную струю, истекающую в камеру, заполненную воздухом атмосферного давления. Программированный разряд создавался в режиме, когда маломощный импульс включается в течение времени, равном длительности серии коротких мощных СВЧ-импульсов. Число импульсов N в серии можно было изменять от 1 до 100, частота повторения СВЧ-импульсов /= 50 Гц. Для этого использовался СВЧ-генератор с параметрами:

Я = 2.4 см, г, = 20 мкс, W= 50 кВт, Q = 1000. В качестве маломощного импульса использовался разряд постоянного тока. В свободном потоке разряд постоянного тока без поверхностного СВЧ-разряда не существовал. В экспериментах длительность программированного импульса изменялась от 0.8 до 1.5 с, а время задержки подачи жидкого углеводородного топлива относительно переднего фронта разряда постоянного тока от 0.1 до 0.3 с. Процесс исследовался в барокамере при атмосферном давлении воздуха. С помощью программированного импульса осуществлена стабилизация горения жидкого спирта на поверхности диэлектрической пластины длиной 10 см, обтекаемой дозвуковым воздушным

потоком. На рис. 6 представлен общий вид процесса горения жидкого спирта, инжектируемого в дозвуковой поток воздуха. Воздушный поток

распространяется слева направо. Рассеяние света от пламени на капельках спирта позволяет визуализировать поток горючего (на фотографии слева). Справа от зоны горения (область яркого белого свечения в центре) наблюдается слабосветящаяся зона красного свечения. На рис. 7 представлены

жидкого спирта в процессе его воспламенения оСЦИЛЛОГраММЫ напряжения На (i = 0.3-0.45 с) и стабилизации горения (/ = 0.45-0.8 с).

р=1атм, секундный расход спирта àmjlil- 0.5 г/с, разрядном Промежутке (вверху) И

г«: = 0.8 с, длительность инжекции спирта г2 = 0.5 с, ИМПуЛЬСа ТОКЭ. ИнЖвКЦИЯ Спирта В

время задержки инжекции спирта /2 = 0.3 с. ДОЗВуКОВОЙ ПОТОК начинается СПуСТЯ

0.3 с после включения разряда. До этого времени наблюдаются сильные осцилляции величины падения напряжения на разряде. После начала инжекции спирта в течение приблизительно 0.15 с сильные колебания напряжения сохраняются, а затем они резко уменьшаются и остаются на низком уровне вплоть

Рис. 6. Интегральная фотография зоны горения спирта в дозвуковом потоке в условиях программированного импульса.

Рис. 7. Временной ход напряжения и тока в условиях программированного разряда в воздушном потоке без инжекции спирта (I = 0-0.3 с) и при инжекции в поток

до окончания горения. Что касается импульса разрядного тока (см. рис. 7), то после 0.45 с его величина несколько возрастает, а пульсации сглаживаются.

Сразу после начала инжекции спирта сигнал с фотоэлектронного умножителя, регистрирующий интенсивность интегрального свечения, испытывает резкий скачок (рис. 8, нижняя осциллограмма). Это связано с началом процесса

воспламенения спирта. Однако, так же как и при разряде в воздухе в этот период интенсивность свечения нестабильна. После того, как осцилляции напряжения на разрядном промежутке резко уменьшаются, сглаживается и сигнал с фотоэлектронного умножителя (3). На рис. 8 также приведен временной ход сигнала с термопары без инжекции (1) и с инжекцией (2) спирта. Видно, что спустя время 0.3 с после начала разрядного тока происходит резкий излом на сигнале, регистрируемом термопарой. Именно в это время начинается инжекция в поток жидкого спирта. Скорость нарастания сигнала резко возрастает, что свидетельствует о том, что при горении происходит дополнительное выделение тепловой энергии в результате химических реакций в области сгорания спирта. Зная мощность, выделяемую в разряде, и изменение сигнала от термопары в результате горения спирта, можно рассчитать, какая

дополнительная энергия выделяется в условиях эксперимента. При известных секундном расходе спирта и удельной теплоте его сгорания была оценена полнота сгорания спирта, которая в условиях программированного разряда в дозвуковой воздушной струе изменяется в пределах 60-80 %.

На рис. 9 представлена динамика развития программированного разряда в дозвуковой воздушной струе при давлении р = 1 атм неподвижного воздуха в камере. Длительности импульсов воздушного потока, инжекции спирта и разрядного тока составляли 1.5 с, 0.5 с и 0.8 с, средняя мощность разряда - 11 кВт. Длительность СВЧ-импульсов г=20мкс, частота их следования /=50 Гц, число импульсов в серии ТУ =40, импульсная СВЧ-мощность 100 кВт, при этом средняя СВЧ-мощность 100 Вт. Время задержки начала инжекции спирта по отношению к моменту старта воздушной струи равно 0.3 с. Режим работы высокоскоростной видеокамеры - время экспозиции одного кадра 4 мкс, частота съемки 5000 кадров в секунду, временной интервал между кадрами 200 мкс. Регистрируемый процесс следующим образом представлен на рис. 9: слева (56 мс от начала разряда) - вид разряда в воздушном потоке, посредине (320 мс) - переходный процесс воспламенения, справа (760 мс) - стабилизация горения дозвукового воздушно-

Рис. 8. Временной ход интегрального по спектру свечения и сигнала от термопары, установленной вниз по потоку на расстоянии 10 см от области горения. Условия те же, что на рис.7.

- —•

— -

-т

ВШЕЯ —»

Рис. 9. Динамика развития процесса воспламенения и горения спирта в дозвуковой воздушной струе в условиях программированного импульса.

2100

Рис. 10. Временной ход отношения интенсивности свечения полосы (0,0) молекулярного иона азота к интенсивности свечения полосы (0,0) циана (кривая 1) и температуры газа (кривая 2) в условиях перехода от программированного разряда в воздушном потоке к воспламенению и горению спирта, инжектируемого в дозвуковой поток воздуха.

спиртового потока. Видно, что после начала стабилизации процесса горения

жидкого спирта, инжектируемого в дозвуковую воздушную струю, канальная структура разряда исчезает, область горения фиксируется на поверхности пластины вблизи электродов. Затем происходят только незначительные изменения в общем виде процесса горения. Следует отметить, что если инжекция спирта в поток прекращается до момента окончания импульса разрядного тока, то разряд переходит в пульсирующий режим, а колебания напряжения на разрядном промежутке снова резко возрастают.

Температура газа в условиях программированного разряда без инжекции спирта порядка 800 К (рис. 10), тогда как при горении спирта температура пламени резко возрастает до Т- 1800-2000 К. Следует отметить, что фиксируемая в области разряда без инжекции спирта интенсивность свечения полосы (0,0) молекулярного иона азота соизмерима с интенсивностью свечения полосы (0,0) циана, тогда как при горении жидкого углеводорода интенсивность свечения полос циана на порядки величины превышает интенсивность свечения полосы первой отрицательной системы

молекулярного иона азота.

Концентрация заряженных частиц в пламени при горении жидких углеводородов в условиях программированного разряда измерялась на расстоянии г =10 см от электродов с помощью двойного зонда по ионному току насыщения (см. рис. 11). Концентрация электронов на таком расстоянии от области горения порядка ие~109см'3. Следует отметить, что хотя точность измерения концентрации электронов зондовым методом в условиях эксперимента довольно низкая, тем не менее на осциллограмме отчетливо виден процесс воспламенения спирта.

Факт воспламенения и стабилизации горения высокоскоростного потока жидкого спирта определялся также (рис. 12) по резкому изменению интенсивности свечения гидроксила ОН, который является

1,00

Рис. 11. Временной ход ионного тока насыщения двойного зонда, расположенного вниз по потоку на расстоянии г = 10 см от электродов.

-200

г>

е-адо

-600

и

0 500 1000 1500

/, мс

Рис. 12. Временной ход свечения гидроксила ОН. / = 0-200 мс - без инжекции спирта, / = 200370 мс - в процессе воспламенения и / = 3701200 мс - стабилизации горения при инжекции в поток жидкого спирта. Давление воздуха в камере р= 1 атм, расход спирта 1.6 мл/с, длительность программированного разряда 1.2 с, длительность инжекции спирта 1 с, время задержки инжекции спирта 0.2 с.

2700

2100

^ 1500 S-Г

900 300

0

200 400 600 800 1000

активным веществом, способствующим развитию цепного механизма, и эффективно нарабатывается в процессе горения. Из рис. 12 следует, что в случае создания разряда в потоке воздуха регистрируется слабое свечение ОН, которое при воспламенении топлива резко возрастает, на фоне сильных осцилляций свечения, почти полностью исчезающих при стабилизации горения.

Исследовано также влияние плазмы комбинированного разряда, создаваемого в режиме программированного импульса, на эффективность горения многокомпонентного (жидкого и газообразного) углеводородного топлива, инжектируемого в дозвуковой (число Маха потока М< 1) и сверхзвуковой (М> 1) воздушные потоки. С помощью комбинированного разряда осуществлена

стабилизация внешнего горения жидкого спирта, газообразного пропана, а также их смесей на поверхности диэлектрической пластины длиной 10 см, обтекаемой высокоскоростной воздушной струей. Без инжекции пропана в высокоскоростную струю, или при вкладываемой в разряд электрической мощности меньше 4 кВт, а также в случае бедных (эквивалентное отношение пропана от <0.3) или богатых (а> 2) топливных смесей плазменно-стимулированное горение высокоскоростных воздушно-

углеводородных потоков в условиях эксперимента не реализуется. Спектр, излучаемый из области плазменно-стимулированного сверхзвукового горения пропан-воздушного топлива, состоит только из полос CN, тогда как на больших расстояниях (г = 15-25 см) от разрядной

области спектр излучения пламени содержит в основном полосы радикала СН. Температура газа Tg определялась из сравнения экспериментально

измеренных и синтезированных молекулярных полос (0;0) и (1 ;1) циана с длинами волн кантов Д = 388.3 нм и А = 387.1 нм. Получено, что в области существования разряда г = 0-10 см от торцов электродов температура газа изменяется от 2500 до 2000 К, тогда как вне разряда на расстоянии z=15cm температура пламени равна

приблизительно 1800 К, постепенно уменьшаясь вниз по потоку. На рис. 13 представлен временной ход температуры пламени, измеренный на расстоянии z=12cm. Видно, что средняя за время горения пропана температура пламени порядка 1850 К, причем спустя 200 мс после воспламенения осуществляется стабилизация плазменно-стимулированного горения.

мс

Рис. 13. Температура пламени при горении высокоскоростного пропан-воздушного потока на расстоянии г = 12 см от кончиков электродов.

S 1.0

Рис. 14. Временная зависимость сигнала, регистрируемого термопарой, расположенной вниз по потоку на расстоянии г = 15 см от электродов. I - старт воздушного потока; 2 -момент включения разряда постоянного тока; 3 -начало инжекции спирта; 4 - инжекция пропана.

Экспериментально реализована стабилизация на поверхности пластины внешнего горения дозвукового спирт-пропан-воздушного потока. Показано, что в дозвуковом потоке при горении спирта в условиях комбинированного разряда тепловой поток возрастает приблизительно в 7 раз, а при горении пропана в 15 раз по сравнению с потоком тепла от разряда в воздушном потоке без инжекции

топлива (рис. 14). Концентрация электронов, измеренная на расстоянии 15 см от электродов вниз по потоку с помощью двухпроводной линии по поглощению зондирующего

маломощного 8 мм микроволнового излучения, представлена рис. 15. Видно, что концентрация электронов при создании разряда в воздушном потоке без инжекции углеводородов не

превышает величины 109см"3. При горении спирта концентрация электронов в области пламени достигает величины 210" см"3, а при горении пропана равна310" см"3.

Температура пламени при горении углеводородного топлива измерялась также с помощью накаленного зонда. Расчет плотности тока насыщения 1, на двойной накаленный зонд проводился по формуле:

где А = А„(1-г); Д, = 4лек2тс/И3 =120.4 А/см2А-2; е<р„ -

Ю"

ю"

В 10"

10

10

т

0,0

0,5

С

1,0

1,5

Рис. 15. Временной ход концентрации электронов, измеренный на расстоянии г = 15 см от электродов. 1 -разряд постоянного тока в потоке воздуха; 2 - горение спирта; 3 - горение пропана.

кТ

работа выхода электрона. В расчете принималось, что усредненный по энергиям коэффициент отражения электронов от поверхности эмиттера г= 0.3-0.7. В эксперименте двойной зонд помещался на выходе из канала, в котором осуществлялось воспламенение и стабилизация горения высокоскоростного пропан-воздушного потока. Параметры двойного зонда: материал - вольфрамовая

проволока диаметром 1 мм и длиной

2 см; расстояние между зондами - 2 мм; напряжение между ними — 15 В. После воспламенения двойной зонд начинает нагреваться, что хорошо видно на рис. 16. Вначале, пока зонд не нагрет, регистрируемый ток определяется концентрацией заряженных частиц в потоке пламени, а ток термоэмиссии с его поверхности равен нулю. По мере нагревания зонда в пламени ток термоэлектронной эмиссии растет, и спустя время /=1.0-1.5 с после начала горения ток выходит на установившееся значение, т.е. температура поверхностного слоя зонда к этому времени принимает стационарное значение. В эксперименте термоэмиссионный ток за вычетом тока проводимости в пламени достигает 40 мкА. Этому соответствует температура пламени на выходе из канала Т= 1800-1850 К. Полученная с помощью накаленного

0,8 Л с

Рис. 16. Временной ход тока насыщения на двойной зонд, помещенный в область горения высокоскоростного пропан-воздушного потока.

зонда температура пламени с хорошей точностью совпадает с температурой, измеренной спектральным методом (см. рис. 13).

Для измерения полноты сгорания углеводородного топлива (см. рис. 17)

использовались несколько методик. Во-первых, в эксперименте измерялась температура пламени в условиях высокоскоростного горения. Зная секундный массовый расход воздуха и пропана можно определить, сколько топлива должно сгореть, чтобы нагреть струю пламени до измеренной температуры. Во-вторых, измерялась температура газа в закрытой камере сразу же после пуска. Зная массу воздуха в камере можно определить, какое количество теплоты должно выделиться,

ЧГ

40

20

О

0

100

400

500

200 300 V, м/с

Рис. 17. Зависимость доли сгоревшего пропана от скорости пропан-воздушного потока.

чтобы нагреть всю газообразную среду в камере до измеренной температуры, и, соответственно, сколько топлива должно при этом сгореть. В-третьих, доля сгоревшего пропана измерялась по изменению давления в закрытой камере в процессе пуска воздуха без разряда, с разрядом без горения и в результате горения углеводородного топлива. В-четвертых, проводилась регистрация концентрации паров воды в камере после сгорания пропана. Зная количество пропана, вводимого в поток, можно рассчитать концентрацию паров воды, которая должна образоваться при полном сгорании пропана. Сравнивая эту величину с измеренной концентрацией паров воды, образовавшейся в эксперименте, можно рассчитать полноту сгорания пропана. Так, например, при скорости потока 450 м/с при полном сгорании пропана должно было бы появиться 14.2 г паров воды, а экспериментально измеренное количество образовавшейся в камере воды равно 13.8 г. Этому соответствует полнота сгорания 97%. Полнота сгорания определялась также с помощью датчика пропана, расположенного внутри закрытой камеры. Из рис. 17 видно, что в условиях комбинированного разряда в дозвуковом потоке происходит полное сгорание углеводородного топлива, а в сверхзвуковых потоках полнота сгорания достигает 95 %. Полученные результаты подтверждают эффективность использования комбинированного разряда в плазменной аэродинамике.

Пятая глава посвящена описанию экспериментов по стабилизации

внутри гладких (без застойных зон) аэродинамических каналов с помощью низкотемпературной газоразрядной

плазмы. При сгорании воздушно-углеводородного потока внутри аэродинамического канала на выходе из него образуется факел, продольные размеры которого не превышают 20-25 см. В качестве примера на рис. 18 представлен общий вид выходной области аэродинамического канала при плазменно-стимулированном горении в нем пропан-воздушного топлива. В спектре, излучаемом пламенем на выходе из канала.

сверхзвукового горения пропана

Рис. 18. Общий вид выходной области аэродинамического канала при плазменно-стимулированном горении пропан-воздушного топлива.

а:

900

наблюдаются в основном полоса (0;0) радикала СН с длиной волны канта 431.5 нм. Горение воздушно-углеводородного топлива в длинном канале (Ь = 50 см) резко отличается от плазменно-стимулированного горения в коротком канале длиной

1=10 см (смотри рис.2). Такой короткий факел голубого пламени при сверхзвуковом плазменно-

стимулированном горении пропана в длинном канале указывает на тот факт, что топливо полностью сгорает внутри канала, при этом не образуется сажа.

Аксиальное распределение

температуры пламени внутри канала на расстоянии больше 10 см от электродов, где отсутствует электрическое иоле и вращательная и колебательная температуры равны температуре газа, измерялось спектральным методом по относительным интенсивностям полос (0;0) и (1;1) циана. На рис. 19 приведена аксиальная зависимость температуры пламени внутри аэродинамического канала (г = 20-50 см). Видно, что температура повышается от 1400 К вблизи электродов до 1900 К на выходе из аэродинамического канала. Это связано с тем, что в области существования газоразрядной плазмы, генерируемой в области г =10-20 см от входного сечения канала, нет полного сгорания пропана. По мере сноса воздушно-углеводородного потока происходит догорание топлива, и температура повышается до 1900 К. На выходе из аэродинамического канала продольное распределение температуры пламени определялось с помощью накаленного двойного зонда. При помещении в горячий поток пламени вольфрамового зонда происходит постепенный разогрев его поверхностного слоя до температуры 1800-

"0 10 20 30 40 50 60 70 г, см

Рис. 19. Распределение температуры пламени вдоль аэродинамического канала и на выходе из него.

2000 К. По регистрируемой через

х

С

50

40

30

20

10

1.5 с после начала горения величине термоэмиссионного тока была определена стационарная температура поверхности зонда, которая

отождествлялась в этот момент времени с температурой пламени. Для подтверждения этого результата в работе был использован также метод регистрации температуры пламени на выходе из аэродинамического канала по сплошному спектру, испускаемому нагретым вольфрамовым стержнем диаметром с1= 1-1.5 мм. Полученная двумя этими методами температура хорошо согласуется с температурой пламени, определенной спектральным методом по измерению относительных интенсивностей колебательных полос циана. Суммарная зависимость температуры газа от продольной координаты, определенная различными методами, представлена на рис. 19. Из рис. 19 видно, что сверхзвуковое плазменно-

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

ас,н,

Рис. 20. Зависимость тяги, возникающей при сверхзвуковом сгорании внутри расширяющегося аэродинамического канала пропан-воздушного топлива, от состава смеси. <1тавЛ1г = 100 г/с.

стимулированное горение происходит при достаточно низкой температуре (^пл = 1400-2000 К).

Проведены исследования возможности применения разрабатываемой технологии для сверхзвукового сжигания в аэродинамическом канале бедных по отношению к пропану воздушно-углеводородных топлив. На рис. 20 представлены данные о зависимости фиксируемой с помощью тензовесов тяги, возникающей при плазменно-стимулированном горении пропан-воздушного топлива в расширяющемся (не снабженным выходным соплом) аэродинамическом канале с присоединенным воздуховодом, от эквивалентного отношения пропана при постоянном секундном массовом расходе воздуха-100 г/с и различных секундных массовых расходах пропана. Пунктирная прямая соответствует стехиометрической

пропан-воздушной смеси. Видно, что при сжигании бедных смесей тяга линейно растет с увеличением секундного массового расхода пропана. При dwC3Hs/dt = 5 г/с, что соответствует эквивалентному отношению для пропана 0.75, тяга достигает максимальной величины, а при дальнейшем увеличении расхода пропана незначительно уменьшается. Этот результат является важным с точки зрения практического применения плазменной технологии.

Временной ход силы тяги, возникающей при плазменно-стимулированном горении холодного сверхзвукового пропан-воздушного потока в аэродинамическом канале, снабженного выходным соплом, приведен на рис.21 (dm^Jdt - 105 г/с;

dm(^Jdí = 4.9 г/с; эквивалентное отношение для пропана а =0.75 (бедная смесь);

г. = 3 с; г .„ = 2 с; г„„ = 2 с).

air ' C3H8 ' DC '

Оценка силы тяги по формуле ^т = (l>2 — ц) = Мп

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 с

Рис. 21. Временной ход силы тяги, возникающей при плазменно-стимулированном горении сверхзвукового потока пропан-воздушного топлива.

Иги ,

+ Ц2-2ср(Т2-7]) -ц

где и\ и 1»2, Т\ и 7"2 - скорости потока и температуры газа на входе и выходе из аэродинамического канала, Мп [кг/с] - секундный массовый расход воздушно-углеводородного топлива, гпс^Нх [кг^с] - секундный массовый расход пропана, ?СзЯ8 [Дж/кг] - удельная теплота сгорания пропана, дает значение /*", = 60 Н, что хорошо согласуется с экспериментально измеренной величиной (смотри рис. 21). Основные результаты и выводы.

1. На основе разработанных в диссертации новых и модифицированных стандартных контактных и бесконтактных методов создан диагностический комплекс измерения полноты сгорания, степени ионизации и температуры пламени, возникающего в условиях плазменно-стимулированного горения газообразного и жидкого углеводородного топлива в дозвуковых и сверхзвуковых воздушных потоках в свободном пространстве (на поверхности

диэлектрической пластины) и внутри различной конфигурации гладких аэродинамических каналов. Показано, что при изменении в широком диапазоне компонентного состава топлива, секундных массовых расходов воздуха, пропана и спирта, а также вкладываемой в разряд электрической мощности параметры пламени, измеренные различными дополняющими друг друга методами, хорошо согласуются между собой.

2. Впервые в условиях высокоскоростных воздушных потоков реализована стабилизация внешнего горения многокомпонентных (воздух-спирт-пропан) топлив на поверхности диэлектрической пластины. Показано, что при сгорании спирта тепловые потоки возрастают приблизительно в 7 раз, а при горении пропана - в 15 раз по сравнению с тепловыми потоками от разряда, создаваемого в высокоскоростном воздушном потоке без инжекции топлива. Концентрация электронов, измеренная на расстоянии 10 см вниз по потоку от электродов, равна приблизительно 109см'3 при создании разряда в потоке воздуха, тоща как при горении спирта достигает 2-10"см"3, а при горении пропана равна 3-10" см"3. Температура пламени в области существования разряда изменяется от 2500 до 2000 К, а вне разряда на расстоянии г= 15 см от электродов равна 1800 К, постепенно уменьшаясь вниз по потоку. Экспериментально показано, что в условиях комбинированного разряда (СВЧ разряд плюс разряд постоянного тока) в дозвуковом потоке реализуется полное (95-100 %) сгорание газообразных углеводородов. В условиях сверхзвуковых потоков полнота сгорания пропана достигает 90-95 %, а спирта 80 % в зависимости от скорости потока.

3. Реализована стабилизация горения пропана в сверхзвуковом потоке воздуха внутри шадкого (без использования застойных зон) аэродинамического канала с присоединенным воздуховодом при атмосферном давлении окружающего воздуха. Измерено пространственно-временное распределение температуры пламени внутри и на выходе из аэродинамического канала. Показано, что температура внутри канала нарастает вниз по потоку от 1400 К на расстоянии ъ = 10 см от разрядной области до 1900 К на выходе из канала. Температура пламени остается постоянной и равной приблизительно 1900 К еще на расстоянии 15 см после выхода потока пламени из канала, а затем резко падает.

4. Впервые в расширяющемся (без выходного сопла) аэродинамическом канале с присоединенным воздуховодом исследована эффективность по величине тяги сверхзвукового плазменно-стймулированного горения пропан-воздушного топлива в зависимости от эквивалентного отношения для пропана при постоянных величинах секундного массового расхода воздуха и вкладываемой в разряд электрической мощности. Экспериментально получено, что с ростом эквивалентного отношения для пропана от 0.55 до 0.75 измеренная тяга увеличивается от 20 до 45 Н, уменьшаясь при дальнейшем увеличении секундного массового расхода пропана.

5. Ъ „условиях плазменно-стимулированного горения в расширяющемся аэродинамическом канале, снабженном выходным соплом, при секундном массовом расходе воздуха 105 г/с и пропана 4.9 г/с (эквивалентное отношение для пропана а = 0.75 - бедная смесь) реализована тяга порядка 50-55 Н при максимально возможной тяге 60 Н. Показано, что низкотемпературная газоразрядная плазма является эффективным способом стабилизации (без использования застойных зон) сверхзвукового горения пропан-воздушного

топлива, которое происходит при низкой температуре пламени порядка и меньше 2000 К, что важно с экологической точки зрения. Результаты выполненных экспериментальных исследований позволяют сделать вывод о том, что разрабатываемая плазменная технология является перспективной для инициирования воспламенения и поддержания стационарного горения сверхзвуковых потоков воздушно-углеводородных топлив.

Список цитируемой литературы

1. Константиновский Р.С., Шибкое В.М., Шибкова JI.B. // Кинетика и катализ. 2005. Т. 46. №6. С. 821.

2. Shibkov V.M., Aleksartdrov A.F., Chemikov V.A., et al. // Journal of Propulsion and Power. 2009. V. 25. No. 1. P. 123.

3. Adamovich I.V., Lempert W.R., Nishihara M, et.al. // Journal of Propulsion and Power. 2008. V. 24. No. 6. P. 1198.

4. Starikovskaya S.M. //J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. P. R265.

5. Starikovskii A.Y., Anikin N.B., Kosarev I.N., et.al. H Journal of Propulsion and Power. 2008. V. 24. No. 6, P.l 182.

6. Bozhenkov S.A. Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. II Combust Flame. 2003. V. 133. P. 133.

7. Barkhudarov E.M., Berezhetskaya N.K., Kop'ev V.A., Kossyi I.A., et.al. II J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V.43. 365203.

8. Artem'ev K.V., Kazantsev S.Yu., Kononov N.G., Kossyi I.A., et.al. П J. Physics D: Applied Physics. 2013. V. 46. 055201/ P. 11.

9. Berezhetskaya N.K., Gritsinin S.I., Kop'ev V.A., Kossyi I.A., et.al. II Plasma Phys. Rep. 2009. V. 35. P. 471.

10. Dutta A., Choi /., Uddi M., et.al. И 47th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 58 January 2009. Orlando. FL. USA. AIAA-2009-0821.

11. Bocharov A., Bityurin V., Klement'eva I., Klimov A. U Proceedings of 44th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2006. Reno. NV. USA. AIAA-2006-1009.

12. Esakov /., Grachev L., Khodataev K, Van.Wie D. //Proceedings of 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2004, Reno, USA, AIAA-2004-0840.

13. Esakov 1.1., Grachev L.P., Khodataev K.V., et.al. И IEEE transactions on plasma science. 2006. V. 34, No. 6. P. 2497.

14. Зарин А.С., Кузовников A.A., Шибкое B.M. - Свободно локализованный СВЧ разряд в воздухе. М.: Нефть и газ. 1996.

15. Шибкова JI.B., Шибкое В.М. - Разряд в смесях инертных газов. М.: Физматлит. 2005.

Список публикаций по теме диссертации

1а. А.Ю.Баурое, Л.В.Шибкоеа, В.М.Шибков, П.В.Копыл, О.С. Сурконт. Внешнее горение высокоскоростных многокомпонентных воздушно-углеводородных потоков в условиях низкотемпературной плазмы. // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2013. № 4. СС. 28-33.

2а. П.В.Копыл, О.С.Сурконт, В.М.Шибкое, Л.В.Шибкоеа. Стабилизация горения жидкого углеводородного топлива с помощью программированного СВЧ-разряда в дозвуковом воздушном потоке. // Физика плазмы. 2012. Т. 38. № 6. СС. 551-561.

За. В.М.Шибков, Л.В.Шибкова, А.А.Карачев, П.В.Копыл, О.С.Сурконт. Пространственно-временная эволюция горения в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы жидкого спирта, инжектируемого в воздушный поток. // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2012. № 1. СС. 141-145.

4а. В.М.Шибков, Л.В.Шибкова, П.В.Копыл, О.С.Сурконт. Воспламенение тонких жидких углеводородных пленок с помощью поверхностного СВЧ-разряда, создаваемого в режиме парных импульсов. // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2012. № 3. СС. 68-71.

5а. В.О.Герман, А.П.Ершов, П.В.Козлов, Г.АЛюбимов, П.В.Копыл, О.С.Сурконт. Зондовая диагностика свободногорящей дуги в атмосфере. // Теплофизика высоких температур. 2009. Т. 47. № 4. СС. 505-515.

6а. А.Ю.Бауров, П.В.Копыл, О.С.Сурконт, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова. Методы диагностики сверхзвукового горения углеводородного топлива. // Научная конференция Ломоносовские чтения. Секция физики. Подсекция Газодинамика, термодинамика, ударные волны. МГУ, физический факультет. 14-25 апреля 2014 г. СС. 159-162.

7а. П.В.Копыл, О.С.Сурконт, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова. Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы. // Научная конференция Ломоносовские чтения. Секция физики. Подсекция Газодинамика, термодинамика, ударные волны. МГУ, физический факультет. 14-25 апреля 2014 г. СС. 162-165.

8а. P.V.Kopyt, A.Yu.Baurov, L.V.Shibkova, V.M.Shibkov, O.S.Surkont, V.N.Fedos'kin. External Combustion of High-Speed Multicomponent Hydrocarbon-Air Streams under Conditions of Low Temperature Plasma. // 51s' AIAA Aerospace Sciences Meeting. 7 - 10 January 2013. Grapewine. Texas. USA. AIAA-Paper-2013-1049. PP. 1-10.

9a. А.Ю.Бауров, П.В.Копыл, Сурконт O.C., Шибкое В.М., Шибкова Л.В. Взаимодействие низкотемпературной плазмы с высокоскоростными воздушно-углеводородными потоками. // Научная конференция Ломоносовские чтения. Секция физики. Подсекция Газодинамика, термодинамика, ударные волны. МГУ, физический факультет. 2013. СС. 235239.

10а. А.Ю.Бауров, П.В.Копыл, Сурконт О.С., Шибкое В.М., Шибкова Л.В. Полнота сгорания в условиях газоразрядной плазмы высокоскоростных пропан-воздушных потоков. // Научная конференция Ломоносовские чтения. Секция физики. Подсекция Газодинамика, термодинамика, ударные волны. МГУ, физический факультет. 2013. СС. 239-243.

11а. P. V.Kopyl, V.M.Shibkov, L. V.Shibkova, A.Yu.Baurov, O.S.Surkont. Stabilization of combustion of high-speed hydrocarbon-air streams under conditions of the combined microwave discharge. // In book: «Microwave Discharges: Fundamentals and Applications». Edited by Yu.A.Lebedev. Moscow: Yanus-K, 2012, p.265-270.

12a. P.V.Kopyl, V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, O.S.Surkont, E.S.Vasil'eva, V.N.Fedos'kin. Non-Equilibrium Low-Temperature Gas Discharge Plasma as a Means of Stabilization of Combustion of Liquid Alcohol, Injected into Air Stream. // 50lh AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and

Aerospace Exposition. Nashville. Tennessee. USA. 9-12 January 2012. AIAA-Paper-2012-825. PP. 1-10.

13a. V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, A.Yu.Baurov, V.N.Fedos'kin, P.V.Kopyl, O.S.Surkont. Stabilization of combustion of high-speed propane-air, alcohol-air and alcohol-propane-air streams under conditions of low temperature plasma of the combined microwave discharge. // llIh International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Reports. Institute of High Temperature of RAS. Moscow. 2012. PP. 1-11.

14a. П.В.Копыл, О.С.Сурконт, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова, В.Н.Федоськин, Е.С.Васильева. Стабилизация горения высокоскоростного пропан-спирт-воздушного потока в условиях программированного СВЧ-разряда. // Научная конференция Ломоносовские чтения. Секция физики. Подсекция Газодинамика, термодинамика, ударные волны. МГУ, физический факультет. 2012. СС.141-144.

15а. A.A.Karachev, P.V.Kopyl, V.M.Shibkov, N.V.Shibkova, O.S.Surkont. Stabilization of Combustion of Liquid Alcohol, Injected into High-Speed Air Stream, under Condition of Programmable Microwave Discharge. // 8 International Workshop «Strong Microwaves and Terahertz Waves Sources and Applications». IAP RAS, Nizhny Novgorod, Russia. 2011. PP. 343-344.

16a. П.В.Копыл, О.С.Сурконт, В.М.Шибков. Стабилизация с помощью программированного СВЧ разряда горения жидкого углеводородного топлива, инжектируемого в капельной фазе в дозвуковой воздушный поток. // Научная конференция Ломоносовские чтения. Секция физики. Подсекция Газодинамика, термодинамика, ударные волны. МГУ, физический факультет. 2011.СС. 238-242.

17а. П.В.Копыл, О.С.Сурконт, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова. Горение высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков в условиях разряда, создаваемого в режиме программированного импульса. // Научная конференция Ломоносовские чтения. Секция физики. Подсекция Газодинамика, термодинамика, ударные волны. МГУ, физический факультет. 2011.СС. 242-246.

18а. P.V.Kopyl, V.M.Shibkov, LV.Shibkova, A.Yu.Baurov, O.S.Surkont, V.l.Sukhorukov. Spatio-temporal distribution of the flame temperature under supersonic combustion of propane-air fuel in the aerodynamic channel. // 13th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Abstracts. Institute of High Temperature of RAS, Moscow, 8-10 April 2014. P. 125-129.

19a. Д.А.Воробьев, П.В.Копыл, Л.В.Шибкова, В.МШибков. Распределение температуры пламени вдоль аэродинамического канала в условиях сверхзвукового горения пропан-воздушного потока // XLI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. Тезисы докладов. 10-14 февраля 2014 г. Звенигород. Россия. С. 248.

20а. В.МШибков, Л.В.Шибкова, А.Ю.Бауров, П.В.Копыл, О.С.Сурконт. Плазменно-стимулированное горение на внешней поверхности пластины, обтекаемой высокоскоростными воздушно-углеводородными потоками. // XLI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. Тезисы докладов. 10-14 февраля 2014 г. Звенигород. Россия. С. 249.

21а. A.Yu.Baurov, P.V.Kopyl, O.S.Surkont, V.M.Shibkov, L.V.Shibkova. Determination of combustion completeness of high-speed propane-air streams. // П"1 International

Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Abstracts. Institute of High Temperature of RAS, Moscow, 26-28 March 2013. PP. 21-24.

22a. V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, P.V.Kopyl, O.S.Surkont, l.N.Gusev, V.N.Fedos'kin, E.S.Vasil'eva. Stabilization of combustion of high-speed propane-air, alcohol-air and alcohol-propane-air streams under conditions of low temperature plasma of the combined microwave discharge. // 11th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Abstracts. Institute of High Temperature of RAS. Moscow. 10-12 April 2012. PP. 13-16.

23a. P.V.Kopyl, V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, A.Yu.Baurov, O.S.Surkont. Stabilization of combustion of high-speed hydrocarbon-air streams under conditions of the combined microwave discharge // VIII International Workshop Microwave Discharges: Fundamentals and Applications (MD-8). Abstracts. Russia. Zvenigorod. 10-14 September 2012. P. 51.

24a. l.N.Gusev, A.A.Karachev, P.V.Kopyl, V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, O.S.Surkont. Programmable microwave discharge as the way of combustion stabilization of liquid alcohol, injected into transonic air stream // 10th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Abstracts. Institute of High Temperature of RAS. Moscow. 2011. P. 53-55.

25a. И.Н.Гусев, А.А.Карачев, П.В.Копыл, О.С.Сурконт, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова. Стабилизация с помощью программированного СВЧ разряда горения жидкого спирта, инжектируемого в капельной фазе в трансзвуковой воздушный поток. // XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. Тезисы докладов. 14-18 февраля 2011 г. С. 349.

26а. И.Н.Гусев, А.А.Карачев, П.В.Копыл, О.С.Сурконт, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова. Параметры пламени при горении в высокоскоростном воздушном потоке жидкого спирта в условиях программированного разряда. // XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. Тезисы докладов. 14-18 февраля 2011 г. С. 350.

27а. А.Ф.Александров, А.П.Ершов, С.А.Каменщиков, П.В.Копыл, О.С.Сурконт, В.А. Черников. Зондовые измерения параметров плазмы в сверхзвуковом потоке. // XXXV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. Тезисы докладов. 11-15 февраля 2008 г. С. Т44.

Подписано в печать 17.07.2014 Формат А5 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 100 экз. Заказ № 2655 Отдел полиграфии Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова 119192 Москва, Ломоносовский проспект, 27



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

04201460818

Копыл Павел Владимирович

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ

ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ

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

Москва - 2014

Оглавление

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ........................................... 27

2ЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ................. 42

§2.1. Экспериментальная установка для изучения внешнего горения жидкого углеводородного топлива, инжектируемого в дозвуковой воздушный поток............. 42

§ 2.2. Аэродинамические каналы, используемые для

исследования внутреннего горения сверхзвуковых пропан-воздушных потоков.................................................. 55

ГЛАВА 3. Методы диагностики параметров пламени в условиях плазменно-стимулированного горения высокоскоростных потоков воздушно-углеводородного топлива................................................................ 62

§3.1. Диагностический комплекс......................................... 62

§ 3.2. Спектроскопический метод измерения температуры газа по разрешенной вращательной структуре молекулярных полос..................................................................... 74

§ 3.3. Метод определения колебательной температуры

молекулярной плазмы............................................... 79

§ 3.4. Метод определение температуры газа по неразрешенной

вращательной структуре молекулярных полос................ 81

§ 3.5. Определение температуры пламени по току насыщения на

двойной накаленный зонд.......................................... ^

§ 3.6. Определение температуры пламени по сплошному спектру, испускаемому накаленным вольфрамовым стержнем............................................................... 100

§ 3.7. Определение концентрации электронов по штарковскому уширению спектральных линий бальмеровской серии водорода............................................................... 107

§ 3.8. Определение полноты сгорания в условиях плазменно-стимулированного горения воздушно-углеводородных топлив................................................................... 109

ГЛАВА 4. Стабилизация с помощью программированного сверхвысокочастотного разряда горения жидкого спирта, инжектируемого в капельной фазе в дозвуковой воздушный поток.................................... 115

§4.1. Динамика разряда в высокоскоростном воздушном потоке. 115

§ 4.2. Стабилизация горения жидкого спирта в трансзвуковом потоке воздуха в условиях программированного СВЧ разряда.................................................................. 122

§ 4.3. Параметры пламени при горении жидкого спирта в условиях программированного разряда в

высокоскоростном воздушном потоке............................ 128

§ 4.4. Плазменно-стимулированное горение многокомпонентного

топлива............................................................................... 133

ГЛАВА 5. Стабилизация сверхзвукового горения пропан-

воздушного топлива внутри аэродинамического канала в условиях низкотемпературной плазмы..................... 144

§5.1. Плазменно-стимулированное сверхзвуковое горение

пропан-воздушного топлива внутри аэродинамического канала................................................................... 144

§ 5.2. Параметры плазмы электродного разряда, создаваемого в высокоскоростном воздушном и пропан-воздушном потоках внутри аэродинамического канала...................... 147

§ 5.3. Параметры сверхзвукового горения пропан-воздушного

топлива внутри аэродинамического канала...................... 156

§ 5.4. Пространственно-временное распределение температуры пламени в аэродинамическом канале в условиях сверхзвукового горения пропан-воздушного топлива......... 162

§ 5.5. Сила тяги, возникающая при сверхзвуковом горении

пропан-воздушного топлива в аэродинамическом канале с присоединенным воздуховодом.................................... 170

ВЫВОДЫ.............................................................................. 172

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................... 175

Введение

Актуальность темы. В настоящее время в российской и мировой науке все большую актуальность приобретают исследования в области сверхзвуковой плазменной аэродинамики, что связано с технологией создания новых видов высокоскоростных транспортных и космических систем. Для развития современной авиации, предназначенной для высоких скоростей полета, требуется поиск и разработка инновационных фундаментальных методов, позволяющих обеспечивать быстрое объемное воспламенение и управление процессом горения углеводородного топлива в камере сгорания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя [1-8]. Для его эффективного функционирования необходимо, чтобы скорость потока рабочего тела в камере сгорания превышала сверхзвуковую. Однако при таких скоростях невозможно осуществить стабилизацию и полное сгорание топлива внутри камеры сгорания. Для решения этой проблемы осуществляют нагрев рабочего тела за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха, но при скорости летательного аппарата М— 6 температура заторможенного рабочего тела в двигателе достигает 2200 К, а с учетом трения и скачков уплотнения в реальном процессе - еще выше. При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счет сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемых термической стойкостью конструкционных материалов двигателя. Для сверхзвуковых летательных аппаратов, оснащенных прямоточным воздушно-реактивным двигателем, скорость полета с числом Маха М= 5 считается предельной. Одним из новых решений данной проблемы является использование газовых разрядов с целью направленного воздействия на поток с помощью локального выделения в нем дополнительной энергии, способствующей полному сжиганию топлива в достаточно коротких камерах сгорания длиной Ь ~ 0.5 м при умеренных температурах воздушно-углеводородного топлива 1000 К.

Работа относится к приоритетному для Российской Федерации направлению - авиационно-космические и гиперзвуковые системы, связанному с технологией создания новых видов высокоскоростных транспортных и космических систем. Разработки гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей, ведущиеся уже более тридцати лет, в последнее время вышли на качественно новый уровень — создаются экспериментальные образцы силовых установок, на основе которых в течение ближайшего десятилетия планируется разработать перспективные пилотируемые системы, работоспособные в широком диапазоне полетных чисел Маха. Проблема, на решение которой направлены исследования, связана с нахождением новых способов повышения эффективности сверхзвукового горения воздушно-углеводородного топлива за счет разработки физических принципов применения новых плазменных технологий для целей уменьшения времени воспламенения горючего, увеличения полноты сгорания и стабилизации сверхзвукового горения. В условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы возможен режим горения, когда наработка активных частиц практически на всем протяжении реакции осуществляется электронным ударом. Методы управления горением воздушно-углеводородных потоков, основанные на генерации электрических разрядов, представляются в настоящее время наиболее перспективными [9, 10]. Применение комбинированных разрядов [11, 12] может обеспечить необходимую скорость и интенсивность горения.

Диссертация посвящена изучению возможности применения неравновесной низкотемпературной плазмы для воспламенения и стабилизации горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках.

Фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлены исследования, является разработка способов повышения эффективности сгорания сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков,

основанных на новейших физико-химических принципах применения плазменных технологий для целей уменьшения времени воспламенения горючего, стабилизации горения и увеличения полноты сгорания свободных высокоскоростных потоков воздушно-углеводородного топлива.

Целью диссертационной работы является экспериментальное изучение процессов, протекающих в условиях инициированного низкотемпературной газоразрядной плазмой сверхзвукового горения воздушно-углеводородного топлива.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Создание на основе новых и модифицированных стандартных контактных и бесконтактных методов диагностического комплекса, необходимого для измерения в масштабах реального времени параметров плазмы и пламени, возникающего при плазменно-стимулированном горении газообразных и жидких углеводородных топлив, а также определения полноты их сгорания в условиях сверхзвуковых воздушных потоков.

2. Разработка основанной на передовых достижениях физики плазмы, газовой динамики и физической химии инновационной плазменной технологии управления процессом горения воздушно-углеводородного топлива в условиях сверхзвукового потока.

3. Реализация в свободном пространстве и внутри аэродинамического канала стабилизации сверхзвукового горения углеводородного топлива в газообразной и жидкой (спрей) фазах.

4. Изучение процессов, протекающих в условиях инициированного низкотемпературной газоразрядной плазмой сверхзвукового горения воздушно-углеводородных топлив.

5. Определение полноты сгорания высокоскоростных потоков пропан-воздушного, спирт-воздушного и пропан-спирт-воздушного топлива в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись как бесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследования проводились с временным и пространственным разрешением с помощью созданного диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров и спектрографов с цифровой регистрацией спектра; блока зондовой диагностики с цифровой регистрацией вольт-амперных характеристик; датчиков давления; термопар; тензодатчиков; теневой установки; рефракционных лазерных датчиков; накаливаемого потоком пламени электрического зонда; системы измерения проводимости пламени; электронных датчиков измерения концентраций пропана, углекислого газа, температуры, абсолютной и относительной влажности; цифровых фотоаппаратов; высокоскоростной цифровой видеокамеры; цифровых осциллографов; компьютеров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан и создан диагностический комплекс, позволяющий в масштабах реального времени проводить измерения пространственно-временной эволюции характеристик газоразрядной плазмы и пламени, возникающего при плазменно-стимулированном горении воздушно-углеводородного топлива;

- впервые в условиях программированного разряда, представляющего собой комбинацию поверхностного СВЧ-разряда и разряда постоянного тока, реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение спирта, вводимого в капельной (в виде спрея) фазе в дозвуковой (М=0.3-0.9) воздушный поток;

- впервые показано, что в процессе перехода от разряда в воздушном потоке к стабилизации горения жидкого углеводородного топлива резко изменяются внешний вид и вольтамперная характеристика разряда, спектр излучения и интегральная интенсивность свечения пламени, тепловой поток, концентрация электронов, интенсивность излучения

гидроксила, временные зависимости разрядного тока и особенно напряжения на разрядном промежутке;

- впервые показано, что полнота сгорания заранее не активированного жидкого спирта при стабилизации его горения в условиях комбинированного разряда, создаваемого в высокоскоростных воздушных потах, достигает 80 % и более в зависимости от подводимой мощности и скорости потока, причем горение происходит при температуре пламени порядка 2000 К.

- впервые осуществлена стабилизация плазменно-стимулированного горения многокомпонентного спирт-пропан-воздушного топлива на поверхности диэлектрической пластины, обтекаемой дозвуковыми и сверхзвуковыми воздушными потоками и проведено исследование этого явления;

- реализована в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы стабилизация горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутри гладкого (без застойных зон) расширяющегося аэродинамического канала;

- определены пространственно-временные распределения концентрации электронов внутри аэродинамического канала, а также температуры пламени внутри и на выходе расширяющегося гладкого канала, моделирующего камеру сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя;

- показано, что без использования застойных зон низкотемпературная газоразрядная плазма является стабилизатором горения высокоскоростных холодных потоков углеводородного топлива.

На основе полученных результатов была разработана инновационная плазменная технология для ее применения при конструировании новых схем прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Отличительной особенностью и преимуществом проведенных исследований является

комплексный, междисциплинарный и инновационный подход к решению проблемы управления процессом сверхзвукового горения воздушно-углеводородного топлива в условиях, приближенных к камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Достоверность результатов. Экспериментальные результаты получены на различных экспериментальных установках. Достоверность результатов обеспечена использованием широкого спектра различных диагностических методов. Причем полученные различными методами данные находятся в хорошем соответствии между собой, а также с результатами других групп исследователей. Это позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты могут служить основой для понимания и объяснения влияния низкотемпературной газоразрядной плазмы на физико-химические процессы, ответственные за быстрое воспламенение и стабилизацию горения сверхзвуковых потоков углеводородного топлива. Результаты диссертации представляют не только академический интерес, но и 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 потоков воздушно-углеводородного топлива. Практическая реализация и внедрение быстрого плазменно-стимулированного воспламенения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков и оптимизация режима горения топлива позволит существенно уменьшить продольные размеры камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, снизить вес двигателя, увеличить эффективность его работы, и, соответственно, увеличить долю массы полезной нагрузки, что снизит стоимость эксплуатации летательных аппаратов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Разработанный и экспериментально апробированный диагностический комплекс измерения в масштабах реального времени пространственно-временных параметров пламени, возникающего в условиях плазменно-стимулированного горения высокоскоростных потоков воздушно-углеводородных топлив.

2. Экспериментальная реализация стабилизации плазменно-стимулированнош горения многокомпонентных (воздух-спирт, воздух-пропан, воздух-спирт-пропан) топлив на поверхности диэлектрической пластины, обтекаемой дозвуковыми и сверхзвуковыми воздушными потоками.

3. Стабилизация с помощью низкотемпературной газоразрядной плазмы горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутри гладкого (без застойных зон) расширяющегося аэродинамического канала.

4. Полученный с использованием созданного диагностического комплекса набор пространственно-временных распределений параметров плазмы и пламени, возникающего при сверхзвуковом горении воздушно-углеводородного топлива.

5. Реализованная в условиях комбинированного разряда полнота сгорания пропана, достигающая 95-100% в дозвуковом воздушном потоке, и 9095% в условиях сверхзвуковых потоков, а также полнота сгорания заранее не активированного спирта, равная 80 %.

6. Близкое к максимально возможной величине значение тяги, зафиксированное при сжигании пропан-воздушного топлива внутри снабженного выходным соплом расширяющегося аэродинамического канала с присоединенным воздуховодом при атмосферном давлении окружающего воздуха.

7. Комплекс экспериментальных результатов, свидетельствующий об эффективности предложенного плазменного метода для реализации

сжигания топлива внутри аэродинамического канала, моделирующего условия в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Личный вклад автора. В диссертации приве�