Воспламенение насыщенных углеводородов при высоких давлениях и инициирование детонации наносекундным разрядом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

Но правах рукописи УДК 544 45

Жуков Виктор Павлович

Воспламенение насыщенных углеводородов при высоких давлениях и инициирование детонации наносекундным разрядом

01 04 17- химическая физика, и гч физика горения и пчрыва

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г Долгопрудный 2005 год

Рабоы выполнена и Лаборатории физики неравновесных систем Мое кош ко! о фи !ико-панического института (Государственный университет)

Наемный руководи ими, доктор физико-математических наук

Андрей Юрьевич Стариковский

Научный котул1.1.Ш1 кандидат физико-математических наук

Владислав Алексеевич Сеченов

Официальные шиюисшы доктор физико-математических наук

Сергей Михайлович Фролов (ИХФ РАН)

докюр физико-магматических наук Николай Иванович Кидин (ИПМ РАН)

Ведущая ориниыцин Институт теплофизики экстремальных

сосюяний ОИВТ РАН

Защша ((к ininoi марта 2ÜÜ5 года в 10 часов на заседании Диссерыционншо (oiiua К 212 156 03 при Московском физико-и'хпичес ком шк i и i \ к« но адресу 141700 Московская обл , i Долгопрудным Пи< пну к кип пер д 9

Oí п.шы направлял» по адрес у 141700 Московская обл ,г Долгопрудный, Имс i и i \ к кип пер д 9 МФТИ

С дмссс ))|,щмсГ| можно ошакомиться в библиотеке МФТИ

Авшреф* pai рашс.мн _ _ 2005 i ода

ченыи i екреырь Д|н<( iH.mnoMMoio Concia К 212 156 03 __

капдмд.и <|)м iiiK«-\iaieMai нчес ких наук ВЕБрагин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации

В последнее десятилетие многими научными коллективами ведется разработка новых перспективных типов двигателей, в том числе компрессионных и детонационных двигателей Эти двигатели обладают уникальными характеристиками в широком диапазоне условий эксплуатации, что достигается за счет более высокой степени сжатия и температуры газа в камере сгорания, при этом давление газа после воспламенения может достигать ~ 100 атм Для воспламенения \т-леводородов характерна длительная задержка воспламенения (период индукции)' время от момента нагрева горючей смеси до воспламенения (возникновения вспышки) значительно больше длительности самой вспышки. Для управлением режимами сгорания в двигателе необходимы точные знания зависимости времени задержки воспламенения от начальных параметров

Существует некоторый недостаток знаний по кинетике воспламенения насыщенных углеводородов при высоком давлении (выше 40 атм), сдерживающий создание новых типов двигателей и обусловленный объективными трудностями в проведении экспериментов при высоких давлениях В последние пять лет было обнаружено, что существующие кинетические механизмы окисления углеводородов плохо согласуются с экспериментальными данными по воспламенению насыщенных углеводородов при давлении 40-100 атм, т.к. эти механизмы основываются на экспериментальных данных, полученных при давлении ниже 10 атм

Для сверх-звукового прямоточного реактивного и детонационного двигателей, которые предназначены для использования в летательных аппаратах, существует также проблема достижения минимальной задержки воспламенения или минимального времени перехода горения в детонацию при наименьших затратах энергии на воспламенение или инициирование детонации. Прямое инициирование детонации тре6\ет высоких затрат энергии, однако, детонацию можно инициировать через переход горения в детонации, что требует в раз меньше энергии

Без применения дополнительных методов по ускорению перехода горения в детонацию переход осуществляется за значительное время и на большом расстоянии от точки воспламенения Длина перехода горения в детонацию для углеводородо-воздушных смесей в обычных условиях приблизительно в 100 раз больше характерного поперечного размера камеры сгорания. В последние пять лет был выполнен ряд работ в которых была показана высокая эффективность наносекундного разряда в виде высокоскоростной волны ионизации, как источника воспламене-

пия С точки зрения инициирования детонации наносекундный разряд имеет ряд преимуществ:

• высокая пространственная однородность:

• малое время возбуждения газа (<100 нс):

• высокая мощность:

• большие электрические поля в разряде, и. как следствие, большая плотность радикалов и электронно-возбужденных частиц в плазме.

Цель работы

Целью работы было экспериментальное и теоретическое исследование воспламенения бедных смесей насыщенных углеводородов с воздухом в при высоких давлениях и экспериментальное исследование возможности применения наиосекундного разряда для инициирования детонации. При этом были поставлены и решены следующие задачи:

Получить экспериментальные данные по воспламенению ряда насыщенных углеводородов: метана, пропана, пентана и гексана при высоких давлениях.

Создать кинетический механизм, описывающий воспламенение насыщенных углеводородов при давлении выше 40 атм.

• На основе полученных в эксперименте и при моделировании данных провести анализ кинетики воспламенения углеводородов и объяснить зависимость времени задержки воспламенения насыщенных углеводородов от начальных параметров в широком диапазоне параметров.

Продемонстрировать экспериментально возможность использования наносекундного разряда для инициирования детонационной волны.

• Исследовать зависимость характеристик воспламенения от начальных параметров при возбуждении высоковольтным наносекундным разрядом.

• Исследовать условия и процесс перехода горения в детонацию при инициировании высоковольтным наносекундным разрядом.

Научная новизна

1. Получены новые экспериментальные данные по воспламенению бедной смеси метана с воздухом в диапазоне давлений от 2,5 до 480 атм и температур от 1200 до 1700 К, и впервые при давлениях выше 160 атм.

2. Получены новые экспериментальные данные по воспламенению бедной смеси пропан бутан с воздухом в диапазоне давлений от 2,2 до 510 атм и температур от 1200 до 1700 К. и впервые при давлениях выше 40 атм.

3. Получены новые экспериментальные данные по воспламенению бедной смеси с воздухом в диапазоне давлений от 11 до 530 атм и температур от 910 до 1530 К, и впервые при давлениях выше 20 атм.

4. Получены новые экспериментальные данные по воспламенению бедной смеси н-гексана с воздухом в диапазоне давлений от И до 240 атм и температур от 820 до 1380 К, и впервые при давлениях выше 10 атм.

5. Создан новый комплексный кинетический механизм окисления углеводородов от метана до проверенный на широком наборе экспериментальных данных и хорошо с ними согласующийся.

6. Впервые для инициирования детонации применена сильно неравновесная плазма высоковольтного наносекундного разряда. Определены условия перехода горения в детонацию при инициировании высоковольтным наносекундным разрядом.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Измерения времени задержки воспламенения бедных смесей метана, пропана, н-пентана и н-гексана с воздухом за отраженной ударной волной при температуре от 800 до 1700 К и давлении от 2 до 530 атм.

2. Кинетический механизм окисления углеводородов от метана до н-гептана. проверенный на экспериментальных данных в диапазоне температур 800 1700 К и давлений до 530 атм.

3. Объяснение механизма изменения эффективной энергии активации для бедных смесей метана и пропана с воздухом при температуре около 1200 К.

4. температурного коэффициента и области высоких давлений при воспламенении бедных

5. Экспериментальная демонстрация применения высоковольтного наносекундного разряда для инициирования детонации.

6. Определение условий перехода горения в детонацию в смесях пропан-кислород-азот при возбуждении высоковольтным нано-секундным разрядом и исследование режимов распространения пламени в детонационной трубе: дефлаграции (горения), нестационарной (переходной) детонации и детонации Чепмена-Жуге.

Научная и практическая значимость работы

Научная ценной ь работы заключена в получении экспериментальных данных но воспламенению ряда насыщенных углеводородов (метана, пропана, н-пентшм и п-гексана) при давлениях до 500 атм. В создании детального кинетического механизма окисления насыщенных углеводородов от мегапа до н-геитана. В объяснении влияния начальных параметров: давления и температуры, на воспламенение бедных смесей насыщенных углеводородов с воздухом.

Экспериментально продемонстрирована возможность применения высоковольтного наносекундного разряда для инициирования детонации. Исследованы условия перехода горения в детонацию при возбуждении газа высоковольтным наносекундным разрядом.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные по воспламенению насыщенных углеводородов в широком диапазоне давлений и разработанный детальный кинетический механизм окисления насыщенных углеводородов могут быть использованы для определения времени задержки воспламенения и расчета состава смеси без учета гидродинамики в условиях близких к исследованным. Детальный кинетические механизм может служить основой для создания редуцированных схем окисления углеводородов, состоящих из нескольких десятков реакций. При этом полученные экспериментальные данные могут быть применены для тестирования и оптимизации редуцированных схем Редуцированные кинетические схемы позволяют проводить расчеты течения газов в реальных системах с учетом химических реакций.

Предложенный в работе способ инициирования детонации высоковольтным наносекундным разрядом может быть применен в детонационных двигателях

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

Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях XVIII Международная конференция "Уравнения состояния вещества Эльбрус, Россия, 1-6 марта 2002. 17th International Symposium on Gas Kinetics. Эссен, Германия. 24-29 августа 2002, Международный симпозиум по горению и загрязнению атмосферы, С.Петербург. Россия. 2003: 29-th Symposium on Combustion, Саппоро, Япония. 21 2G июля 2002: 41-st Aerospace Sciences Meeting, Рино, США, 6-9 январь 2003. 19th Int. Colloq. on Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS). Хаконе. Япония, 27 июля - 1 августа 42-nd Aerospace Sciences Meeting. Рино, США. 5-8 январь 2004: XIX Международная конференция "Уравнения состояния вещества''. Эльбрус, Россия, 1117 марта 2004: Международное совещание Неравновесные процессы в горении и плазменных технологиях, Минск, Беларусь, 21-26 августа, 2004: Международная конференция по горению и детонации, Москва, Россия. 30 августа - 3 сентября 2004.

Публикации. В основу диссертации положены работы, опубликованные в 2 статьях и в материалах 10 международных научных конференций, список которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из семи глав и списка цитируемой литературы из 95 названий. Первая и последняя главы - ведение и заключение. Основные результаты, полученные в работе, описаны в пятой и шестой главе. Объем диссертации 127 страниц Работа содержит 49 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные её цели и положения, выносимые на защиту, указана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Вторая глава содержит обзор литературы и состоит из трех раздело»

В первом разделе проведен обзор экспериментальных работ посвященных исследованию воспламенения насыщенных углеводородов от метана до октана. Большинство работ по исследованию воспламенения насыщенных углеводородов выполнено с использованием метода ударной трубы в смесях с высоким разбавлением аргоном. Лишь небольшое число работ посвящено воспламенению смесей углеводород воздух при давлении выше 10 атм.

Во втором разделе представлен обзор наиболее известных кинетических механизмов окисления углеводородов. Более подробно, по сравнению с другими кинетическими схемами, представлены механизмы окисления метана ОЫ-МееИ и механизмы окисления тяжелых углеводородов, разработанные в Ливерморской Лоуреносовской национальной лаборатории США. Данные механизмы были использованы в работе при создании собственного кинетического механизма.

В третьем разделе выполнен обзор работ посвященных вопросам инициирования детонации и уменьшению времени и длины перехода горения в детонацию. Проведен обзор различных методов инициирования детонации и описаны работы, являющиеся предпосылками к использованию высоковольтного наносекундного разряда для инициирования детонации.

Третья глава состоит из пяти разделов и посвящена описанию экспериментальных установок и методам измерений.

В первом разделе описывается ударная труба и дается общее описание используемой на ударной трубе диагностики. Эксперименты проводились в двухсекционной диафрагменной ударной трубе с внутренним диаметром 45 мм. Длина секции низкого давления - 3,2 м, длина секции высокого давления 0,7 м. Секции высокого и низкого давлений разделены вспомогательной камерой, предназначенной для раскрытия диафрагм при фиксированном давлении в камере высокого давления. В качестве толкающего газа использовался гелий. Наблюдения воспламенения велись в сечении, находящимся на расстоянии 7 мм от торца трубы. Скорость ударной волны измерялась лазерным шлирен-методом па двух базах с точностью 1%.

Во втором разделе описаны методы приготовления исследуемых смесей. В разделе обсуждено влияние примесей других углеводородов на результаты эксперимента.

В третьем разделе описаны эмиссионная и лазерная абсорбционная диагностики, с помощью которых проводились измерения времени задержки воспламенения за отраженной ударной волной. С помощью эмиссионной диагностики регистрировался времяразрешенпый профиль излучения радикала ОН(А). Лазерная абсорбционная диагностика состояла из двух ИК Не-№ лазеров с длинами волн 3,3922 дм и 3,3912 /2М, и двух ИК РЬ-Эо фоторезисторов. За ударной волной наблюдалось увеличение поглощения лазерного излучения, а в момент воспламенения смеси уменьшение поглощения и максимум излучения ОН (А)

В четвертом разделе описывается способ определения времени задержки воспламенения Параметры газа (температура и давление)

за отраженной ударной полной определялись по одномерной теории ударной трубы, в предположении замороженных химических реакций В расчете использовалось измеренное значение начального давления, температуры смеси и скорости ударной волны, полученное экстраполяцией на торец. Время задержки воспламенения определялось по максимуму излучения ОН (А).

В пятом разделе содержится описание второй экспериментальной установки, которая состояла из детонационной трубы, разрядной камеры, подводящей высоковольтной линии генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Маркса, и высоковольтного блока питания. Внутренний диаметр детонационной трубы составляет 140 мм. К одному из торцов детонационной трубы пристыкована разрядная камера. Детонационную трубу и разрядную камеру разделяет металлическая пластина с отверстиями, которая служила секционированным низковольтным электродом Разрядная камера состоит из 131 одинаковых разрядных секций длина разрядного промежутка равна 80 мм. Движение фронта горения в детонационной трубе регистрировалось пятью ИК датчиками установленными вдоль оси трубы. В экспериментах измерялось время задержки воспламенения и скорость распространения пламени при возбуждении наносекундным разрядом. Энергия инициирования определялась по данным, полученным с токового шунта и емкостного датчика, установленных в подводящей высоковольтной линии.

Четвертая глава описывает проведение моделирования воспламенения насыщенных углеводородов.

В первом разделе описана процедура построения кинетического механизма. Большую часть новой кинетической схемы составляет механизм окисления н-гептана [3]. Для достижения лучшего согласия с экспериментальными данными по воспламенению легких углеводородов механизм |3| был дополнен механизмом окисления метана RAMEC [2]. Из нового механизма были исключены дублирующие процессы, при этом предпочтение было отдано механизму RAMEC. как более точном}' который вошел в новый механизм без изменений.

Во втором разделе выполнен анализ чувствительности кинетического механизма к константам скоростей. Для всех реакций были вычислены коэффициенты чувствительности пропорциональные производной времени задержки воспламенения по константе скорости реакции. По результатам анализа была проведена оптимизация кинетического механизма, которая позволила улучшить согласие рассчитанных и экспериментальных данных как в области низких (Т- 900 К), так

и в обысти выесжи\ (Т 1200 К) температур Всего по результаты анализа ч\ ветви и и.иости било оптимизировано 9 констант скоростей реакциП Критериями при выборе реакций, по которым проводилась оптимизация бы ш высокая чувствительность времени задержки воспламенения от кош ынты скорости в области высоких давлений и низкая в области низких давлений Оптимизация подмеханизма окисления метана при этом ш провотилась по причине его высокого совпадения с экспериментом при мвлениях вп ють до 500 атм Поправочный коэффициент тля всех оптимизированных реакций не превысил 5 и не превышает ветичшп неопределенности оптимизированных констант

Пятая глава нос вящена исследованию воспламенения бедных смесей насыщенных \г юно юродов с воздухом в широком диапазоне давлений В первом разделе проведено экспериментальное и теоретическое исследование самовоспламенения бедной смеси метана с воздухом в диапазоне тав íeiuni 2 5 480 атм Измерения времени задержки вос-п шченешы выпошяжеь в ударной трубе за отраженной ударной волной Поименные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами рабепш (1| На рис 1 приведено сравнение измеренного и рассчи¡айном) времени задержки воспламенения для бедной смеси метана с воз у \ом

Зависимость времени задержки воспламенения алканов от темпера-т\ры ) юбно мрс к ывляп. в виде уравнения Аррениуса

г= 4еч,»(/;„/ЯГ)[Г„Я2„+2Г[02]3Иг]^ (1)

1де С„ 4е|)с|)ск1И11пая -tnepi на акшвации, предэкспоненциалышй множите н> о 3 " апи])сжс имационные коэффициенты В координатах в которых преде iai¡ ieiibi экспериментальные данные, от величины эффективной эперпш акшвации зависит наклон экспериментальных кривых При псре \о le от низких давлений к высоким происходит смена механизма ранч iнления цени проявляющаяся в уменьшении энергии активации при ьькоких давлениях (400 500 атм) с 44 ккал/моль до 24 кка i мо ih При ьысокнх давлениях реакция

Н + 02-0 + 0Н (2)

вьпее пае тс л ре-акщк и

Н + ()2 + Ко - Н()2 + N2 (3)

В рс !\ ни (i и конце и фация аюмеж О в момент вспышки драматически \ ме ni,шае и л (прпб ш нпеммш н 200 раз) при переходе сл начальною

давления 5 атм давлению 500 атм При понижении температуры ниже 1300 К скорость распада пероксильных радикалов значительно уменьшается, и соответственно, растет их концентрация, что приводит к появлению дополнительных каналов разветвления цепи с СУЧавГиейгОг и НО2 Реакциями с участием этих радикалов

обьясняется наблюдаемое в эксперименте уменьшение эффективной энергии активации при давлении выше 50 атм и температуре ниже 1300 К

Во в юром ра )де к' выполнено экспериментальное и теоретическое исследование самошн ппаменения бедной смеси пропана ( воздухом при давлен и и 2 510 л im Роулыаты экспериментов пре, к i дилены на рис 2

При век п'ыменеппн пропана наблюдается уменьшение энергии акннмцнн при понижении н-мпературы с 54 ккал моль при юмиературе 1520 1270 К w 20 км Ii моль при температуре 880 1100 К Увеличение с к'мпер.иурои эшрпш акптлции вызвано сменой механиша разветле-иия цепи Вькок.ы эффоминная -niepiия активации при температурах выше 1200 К об\( ювлена сильной температурной зависимоиыо К01КЫШЫ равновесия реакций которые опрете 1яют концентрацию

0 а m

о а

х ш

S

S 100

s

re C с о о ffl

к S

10

'07 08 09 10 11 12

1 ооо/т, к'1

Pin > Умеренное и рассчитанное время задержки itocn ыменення бедной смеси проп.ш(2'/) ноj i\ч Спмио ил эксперимент, пиши расчет но собствешюм\ меха-HiUMv мч1К11ф рас мет по механизму [3|

радикалов ОН и CHj

При lOMriepaiypax ниже 1200 К развитие цепи нос иг вырожденный xapaKiep и происходи! безучааия радикалов Н ОН и СНз

В ippibeM раздело проведено экспериментальное и теоретическое ж(ле ювапие воспламенения бедной смеси н-пешана с воздухом при давлении 11 530 аш (рис 3) и бедной смеси н-1ексанас воздухом при давлении 11 240 aiM (]>ис 4) в суммарном диапазоне температур 800

В об ыс ni 1000 1100 К наблюдаемся лычшелыюе изменение х|)(|)( к i iii.iioii )11с• ]> 1 пи актвацни Для пси п ымеиения насыщенных > I .к водоро (ois Xri[)<iKK'])iic) явление офицан'лыюго ieMiiepaiypnoi о кшффициеша (ОТК) При давлении меньше 40 атм в диапазоне и'мперапр 800 1000 К время задержки воспламенения н-пентана [4| и п-юмапа |5| увеличиваемся с росюм îeMiiepaiypi.i При давлении 300-400 юрр -жм *]>феы значительно сильнее выражен и область ОТК с си ми ые| 750 850 К В проведенных при давлении больше 200 атм жепорпменых *ффек! ОТК не наблюдаеия

CHj 4- CHj + M C2He + M ОН + ОН + M -> Н202 + M

(4)

(5)

1500 К

V -а

— О

о Vi

_о "оо

о со

О

о

ts о

Задержка воспламенения, (je

_ь

о

о о

-

*"i> 1

> о ■

nj s со •

° m и qj —1—1 _1 ^ ^ t

s s s 1 .....

b -о

Задержка воспламекния, pe

о. Vi

о. оо

о -Р-о со о

- о

<1 > о я

СЛ M О) -к СО Ol о to

\

►с»

о о

03 ш -Н -I

s г

О „ОАП ^Н02 Т>1200 К Р+Н202 Ч-РЖ-►Р'+РГ

-1000 К

ОН+ОН *

i

И %

он

Н202

1Т=850 К -►

иГк 02|

I

Я02 Я - алкильный радикал О - СпН2п

сю+онч—ооон —► са+ног

021 Т=750 I -1000 к

02СЮ0Н

I

НООСпН(2п-1 )0+0Н

1

0'0+0"0+0н

Рис Ь ^ прсшичшля схема мсчашнма окпг юння алканов

На рис о пред« ьшлена упрощенная схема механизма окисления насышенных V ичюдородов Часть реакций определяющих механизм окисления насыщенных млеводородов имеем сильную зависимость от температуры В рсч\пылге в диапазоне к-мнератур 800-1500 К зависимость времени задержки воспламенения алканов от температуры имес1 сложный ни i и определяется тремя раушчными механизмами При н'мпер,и\р,\\ ниже 900 К разве нзление вырождено и происходит через образование а 1ки.ш кдронерокс идои обозначенных на схеме как (}0()Н В обмин высоких темпер,пур (выше 1200 К) разветвление цени ос\'ще<ти.1яекя к реакциях с учли нем радикалов ОН и СНз В обмин промеж\ тчных 1емпер,и\|) ~1100 К скорость образования радикл юв ма ы как и с корос п. окисления по нтксмемпературпому ме-хинн зм\ коюрын замедчяекя в рсчулыате увеличения скорости распада алкши фоперокс и юв Таким обрагом создается область температур в кошроп с увеличением [смперапры скоросп. окисления насыщенных

углеводородов уменьшается

При увеличении давления равновесие между каналами разложения алкилгидропероксидов (гибели цепи) и присоединения молекулярного кислорода (продолжения цепи) определяющее низкотемпературную границу области ОТК смещается в сторону более высоких температур В тоже время увеличение давления смещает равновесие в реакции (5), ответственной за высокотемпературную границ) области ОТК смещает в сторону более низких температур Таким образом с ростом давления область ОТК сужается а сам эффект ОТК ослабевает

Шестая глава нос вящена экспериментальному ис следованию влияния наносекундного разряда на инициирование детонационной волны Эксперименты проводились в смесях С3Н8-502 СзН8/С4Н10-5О2+хМ2 х=0-10 при давлении 0 15-0 б атм

В смесях обнаружена сильная общая зависи-

мость времени задержки воспламенения и минимальной энергии воспламенения от доли азота в смеси Так при переходе от смеси с долей азота 25% к смеси с долей азота 62 5% время задержки воспламенения увеличивается с 1 мс до 21 мс а минимальная энергия воспламенения с 0 07 мДж до 12 Дж Экстраполированное к доле азота равной 77% значение минимальной энергии воспламенения достигает 25 Дж

при воспламенении наносекундным разрядом в распространяется в трех режимах в дозвуковом режиме (дофлаграции), в режиме переходной (нестационарной) детонации и режиме детонации Ч-Ж В смесях С3Н8/С4Н10 50г-хК? режим рлспрос (ранения пламени в детонационной трубе определяется начальным давлением н долей азота в смеси (см рис б) При высоком уровне разбавления азотом (больше 25%) или небольшом давлении (~ 0,2 атм) наблюдается режим медленною горения, характеризуемый дозвуковой скоройыо распространения В этом режиме распространения пламя движется с почIи нос юяиной скоростью, не много ускоряясь При более высоком давлении (больше 0,3 атм) и небольшом уровне разбавления (меньше 25%) наблюдается режим дсчопации Чепмена Жуге (рис 7) В этом режиме наблюдаемая скорость распространения фронта юрения соответствуй расчетной по соотношению Чепмена-Жуге скорости,

которая для всех исследованных смесей приблизительно равна 2400 м/с В узком диапа зоне давлений между режимом дозвукового

1 4 | | 1 | I | I—| I | I | . | ■ | . | I | I | ■ ( I |

000102030405060708091011 12 Время, мс

Рш 7 ()< ни 1 им |)<1чмы ПК ИЗ.ПЧСНИЯ пламени, изморенные в различных точках к кжлшюшюЛ ф\С>ы Смсчь С'С^Ню-эОг, давление 03 агм, режим детонации Ч /К

распостранения пламени и режимом детонации Ч-Ж наблюдается режим нестационарной(переходной) детонации Как видно из рис 8 в

режиме перехо цюй детонации по мере продвижения фронта горения по грубе длшелыюмь фроша профиля ИК излучения пламени уменьшается увеличивается интенсивность излучения пламени рас 1 см скорость фроша трения В этом режиме скорость распространения выше с корост тука (для цанной смеси ~300 м с) и ниже скором и Чепмена-Ж>1е (д 1я данной смеси ~2400 м/с) Режим переходной дето нации характеризуемся сильной зависимостью скорости распространения от давления в смеси С^Н« С4Ню+502+^ при увеличении начального давления с 0 3 <им до 0 31 аж скорость фронта горения измеренная на расстоянии 421 мм си юрца разрядной камеры возрастает с 706 м с до 2390 м/с В отличие 01 дру! их режимов распространения, в этом режиме фронт горения сильно \ с коряется при движении по детонационной трубе ускорение составляет ~ 3 10е м/с2

Время, мс

Рис 8 Осип I к» рам мм ПК изпчення пламени, измеренные в различных точках детонационной тр\бы Смесь С|Нв С^ю+бС^-гКг давтенне 0 3 атм режим переходноп и юн,тип

Было прове 1СЧЮ наб поденне развития разряда и воспламенения в дешнациежной ф\бе с помощью ПЗС камеры регистрирующей излучение в щапазоне длин волн 300-800 им Наблюдения проводились через торец ичонацнониой трубы, фокальная плоскость камеры находилась на трце разрядной секции Наноеекундный разряд в разрядной каме ре ра звинаекя в фи стадии Напе]>вой квазиоднородной по сечению разрядной камеры стадии длительное 1ыо ~10 не

происходит увеличение интенсивности излучения разряда. На второй стадии интенсивность излучения спадает и локализуется в 3-5 секциях разрядной камеры Вторая стадия продолжается в течении 50 нс. На третьей стадии, стадии послесвечения, длительностью до 500 нс, излучение локализуется в 1-2 секциях.

После выхода из разрядной камеры пламя занимает всё сечение трубы. В начальный момент фронт пламени имеет некоторую неоднородность по сечению детонационной трубы. Однако, степень неоднородности по мере продвижения фронта пламени от торца трубы сильно снижается. После отхода пламени от разрядной камеры на расстояние приблизительно равное диаметру трубы (140 мм) фронт пламени однороден по сечению детонационной трубы.

Проведенные в стехнометрической смеси пропана с кислородом показали, что при начальном давлении 0.3 атм и энергии инициирования 70 мДж (4 Дж м2) переход горения в детонацию осуществляется на расстоянии порядка 40 мм от торца разрядной камеры. О переходе горения в детонацию свидетельствуют крутизна и амплитуда сигнала с первого ИК датчика, скорость распространения фронта, наблюдения с помощью ПЗС камеры свечения пламени через торец трубы. При этом суммарное расстояние от точки воспламенения до точки перехода в детонацию составляет приблизительно 140 мм. Время перехода горения в детонацию, в данном случае близкое к времени задержки воспламенения, составляет 0й мс.

В заключении обсуждаются основные результаты, полученные в диссертации.

По профилю ихлучения ОН* за отраженной ударной волной определено время задержки воспламенения бедной смеси метана с воздухом при давлении до 480 атм. бедной смеси пропана с воздухом при давлении до 510 атм. бедной смеси н-пентана с воздухом при давлении до 530 атм и бедной смеси н-гексана с воздухом при давлении до 240 атм в суммарном диапазоне температур 800-1700 К.

В рамках созданного в работе комплексного кинетического механизма окисления насыщенных углеводородов (меган н-гептан) проведена интерпретация полученных экспериментальных данных. Разработанный механизм состоит из 2518 реакций и 549 компонент. При разработке механизма была использована иерархия углеводородов, т. е. механизмы окисления тяжелых углеводородов включают в себя механизмы окисления более легких. Проведенная оптимизация улучшила согласие механизма с эксперементом.

В бедных смесях метана и пропана с воздухом обнаружена

зависимость эффективной энергии активации от температуры при понижении начальной температуры с ~1400 К до ~1100 К эффективная энергия активации уменьшается с ~40 ккал моль до ~20 ккал моль Зависимость эффективной энергии активации от температуры объясняется влиянием температуры на механизм разветвления цепи. Скорости реакций распада пероксидов ЯОг- Н2О2 И НО2 сильно зависят от температуры, в результате на периоде индукции при высоких температурах высока концентрация радикалов а при низких температурах высока концентрация радикалов

При температуре выше 1200 К воспламенение метана и пропана проходит радикальному механизму и характеризуется высокой энергией активации, а при температуре ниже 1200 К воспламенение протекает по механизму с вырожденным разветвлением цепи и характеризуется низкой энергией активации.

На воспламенение алканов оказывает существенное влияние давление смеси. При высоких давлениях реакция Н + 02 —» О + ОН вытесняется реакцией рекомбинации Н+Ог + М2 —* НОг+Кг. в рсчультате чего сильно уменьшается концентрация а гомон Н н О. и возрастает концентрация перекисей Нг02 и Н02. что приводит к смене механизма разветвления

Воспламенение н-иентана и н-гексана характеризуется тремя механизмами окисления, высокотемпературным (выше 1200 К), низкотемпературным (ниже 1000 К) и механизмом окисления в области промежуточных температур (1000 1200 К) При давлениях больше 100 атм явление ОТК. характерное для насыщенных углеводородов. в бедных смесях н-нентана и н-гексана не наблюдается. Конкуренция между реакциями распада и присоединения молекулярного кислорода для алкильных и пероксиалкильных радикалов, с одной стороны, и балансом между прямой и обратной реакцией распада с другой,

приводит к сужению по температуре области ОТК и ослаблению эффекта ОТК при высоких давлениях. При давлениях больше 100 атм я иге I г не ОТК п нес [сгппятгыу смесям не. нябтттояяется

Экспериментально продемонстрировано применение высоковольтного напосекундиого разряда для инициирования деюнации Создана установка но изучению военаамснення и иницпнрования деюнации ианосекундпым разрядом. На установке были проведены эксперименты по исследованию воспламенения и инициировании детонации в пехиометрнчеекой смеси С^На-0О2 и в смесях С)НЙ С4Н10 - 502-хХ2 х - 0 10 при давлении 0.15 0.0 атм и тем пера!уре 298 К

Выполнены измерения времени задержки воспламенения и минимальной энергии воспламенения при возбуждении газа наносекундным

разряюм В|кмя задержки воспламенения и минимальная энер!ия воппаменення смесей CjHg С4Н10-5О2-хКг значительно возрастают с \величением дот азота в смеси так при переходе от смеси с долей азота 257с к смес и с долей азота 62 5% время задержки воспламенения увеличивается г 1 мс до 21 мс а минимальная энергия воспламенения j величивается с 0 07 мДж до 12 Дж

Проведено исследование режимов распространения пламени в детонационной тр\Г>е при воспламенении наносекундным разрядом Haf) подается три режима распространения пламени дозвуковой (деф.ш рация) нес гационарный сверхзвуковой (переходная детонация) и стационарный сверхзвуковой (режим детонации Чепмена-Жуге) Режим трения реализуется при высоком разбавлении и относительно низком начальном давлении и характеризуется скоростью распространения 50 300 м с меньшей скорости звука в несгоревшей смеси Режим переходной (нес ыционарной) детонации реализуется при меньшем разбавлении и опюсителыю большем начальном давлении Для этого режима характерно сильное ускорение фронта при движении вдоль тр\бы достшающее 10е 107 м/с2 При относительно более высоких давтениях (выше 0 3 атм) и доли азота меньше 25% реализуется режим стационарной и тнации Чепмена-Жугс в котором фронт горения расирос фаняется <о скоростью 2400 м'с

Изучение наносекундного разряда на начальной стадии квази-однородно по прос фанству После выхода пламени из разрядной камеры фронт пламени охватывает все сечение детонационной трубы Степень неоднородное™ rio мере продвижения фронта пламени от торца трубы сильно снижается После отхода пламени от разрядной камеры на расстояние приблизительно равное диаметру трубы (140 мм) фронт птаменн однороден по сечению детонационной трубы

При иозб\ж и'иин наносекундным разрядом с энергией 70 мДж инициирование ичонации в гтехиомегрической смеси пропана с воз iwoM при нача п.пом давлении 0 3 атм осуществляется на расстоянии 13П мм oí i очки not нламенения за время порядка 0 G мс

Список литературы

|l| Pitcison EL Davidson DF Rolmg M Hanson, R К and Bowman С T I Piopu! Povuu 15 (1999) 82-91

|2| Pete 1 sen E L Davidson D F Hanson RK Combustion and Flame 117 (1999) 272 290

[3| Сипаи. H.J.. Gafíuri. P.. Pit.z, W.J., and Westbrook. С. К., Combustion and Flame 114 (1998) 149-177 .

|4| Westbrook C.K.. Cunan H.,I., Pitz W.J., Griffiths Л.F., Mohamed С. Wo S.K . Pioe. Combust. Inst. 27 (1998) 371-378.

(5) Cunan. H.J.. Gaffuri. P.. Pitz, W.J., Westbrook. C.K., and Leppard, W.R . Proc. Combust. Inst. 26 (1996) 2667-2677.

выводы

1. Измерено время задержки воспламенения бедных смесей метана, пропана, н-пентана и н-гексана с воздухом за отраженной ударной волной при температуре от 800 до 1700 К и давлении от 2 до 530 атм.

2. Разработан кинетический механизм окисления углеводородов от метана до н-гептана. проверенный на экспериментальных данных в диапазоне температур 800-1700 К и давлений до 530 атм.

3 Показано, что и эффективной энергии активации в бедных

смесях метана и пропана с воздухом при температуре около 1200 К обусловлено реакциями распада пероксидов RO2, Н2О2 и НО2.

4. Показано, что увеличение начального давления приводит к исчезновению эффекта отрицательного температурного коэффициента (увеличению времени задержки воспламенения при увеличении температуры).

5. Впервые использован высоковольтный наносекундный разряд (напряжение: 4 70 кВ. длительность: 60 нс. разрядный промежуток: 80 мм) для инициирования детонации.

6 Определены условия перехода горения в детонацию в смесях пропан-кислород-азот при возбуждении высоковольтным наносе-кундным разрядом В смеси переход горения детонацию

на длина 130 мм осуществляется при давлении 0.3 атм и энергии инициирования 70 мДж. В смеси переход

горения детонацию на длина 300 мм осуществляется при давлении 0.4 атм и энергии инициирования 70 мДж.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1 Sedieno\ \ A Stauko\skn А ^ 11 Zhukov \ Р Methane--\ir Mixtures Ignition at High Pn ssuies \\ ork-m-Progress Posters at the 29-th Si mposium on Combustion

Sapporo Japan 2002 18-1146

2 Sce!ieno\ \ A Stariko\skn ^u Zhukov \ P Methane-Air Mixtures Ignition at High Piessuies Book of Abstracts at 17th International S\mposium on Gas Kinetics Essen Ge imam 2002 - CO 07

3 Лч\ков ВП Семенов В А Стариковский \ Ю Кинетика воспламенения четано-воэншных смесей при сверхвысоких давлениях// Тез XVIII Межд коне]) \ равнения состояния вещества' Э 1ьбр\с, Россия, - 2002 - С 60-70

4 /К\ков ВП Цыынов Д1 Семенов В А, Стариковский АЮ Кинетика восп ммеиення \ г ic вспоротых топ шв при высоких температурах и давлениях// Тез \!\ Меж t конф ^ равнения состояния вещества" - Эльбрус Россия, -2004 - С 70

5 Zhuko\ \ Р TsvgancK DL Sechenov \ A Stariko\skn Л Yu Hydrocarbon-air mixtiiKS ignition at Ingh piessures International conference on combustion and detonation Moscow Russia 2004 PP1 10

6 Bozhenkov S A StankovskaiaS M Secheno\ V \ , Starikovskn A Yu , Zhukov V P Combustible Mixtuies Ignition in a \\ lde Piessuie Range Nanosecond High-Voltage Discharge Ignition 41-st Aerospace Sciences Meeting - Reno, USA, - 2003 -AIAA 2003-0876

7 Knkacx E\ Ts\gano\ DL Zhukm \ P Starikovskaia S M , Stankovskn A Yu Deflagiation-to-De tonation Control 1>\ Non-Equilibiium Gas Discharges and its Applications foi Pulsed Detonation Engine 42-nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit Reno ISA, 2004 AIAA 2004-0870

8 Zliuken \ P See he не» \ A Stankovskn A Yu Hulrocarbon-Air Mixtures Ignition at High Piessuies 19-th Int Colloei on Dwiamies of Explosions and Reactive S\steins (ICDERS) Hakoue Japan 2003 Papei 170

9 Zhuko\ \ P Ts\gano\DL Sechenox \ \ Stariko\skn A Yu n-Decane ignition at high ptessiiK Contributed Papeisof Inteinational Scientific Workshop "Nonequi-libiiuin Piocesses In Combustion And Plasma Based Technologies" - Minsk, Be-latus 2004 P 134 136

10 Zhukov \ P btankovskii A ^u DcHagialiem-to-detouation control and direct initia-liem ofdcMcinalion li\ иешеерпЬЬпшп gas disc barge/ Contributed Papers of International Scientific Woikshop None C|inlibnunt Pioc esses In Combustion And Plasma Basic! le'chnologies Minsk Belaius 200) P 137

11 /К\ковВП Семенов В А Стариковский АЮ Самовоспламенение бедных мемаио-венепшы\ смесей в широком лишают1 мвчениИ// Физика горения и 1ярыва 2003 Т39 \5 СЗ 12

12 Zhiiko\ \ Р Seelienm \ A Stanko\skn A^u Ignition delay times in lean n-liexani'-an nnxtiiie at high piessuies Combustion and Flame - 2004 - V 136 -P 237 239

Жукоа Виктор Павлович

Воспламенение насыщенных углеводородов при высоких давлениях и инициирование детонации наносекундным разрядом Автореферат

Подписано и печап, 2а 01 2005 Форма1 СО х 84^ Ь\ м,иа офсесмая Печап> офсешая \с I меч I 10 \ч-ип т 10 Тираж 70-)кз Заказ

Гос \дарс щепное обра зоваге п.ное \ мере ж к мне вмешею профессиональною образования Мое кокс м|Г| фтпко-1с\шгкчкш1 1ШС1И1\1 (гоидарс м<с мнмй ишьерентег) 0|,нч авюиаш шрованпыч шдатемьекпч симем ФИЛ С\-ПОЛПГРАФ 14170(1 Моек оГш I Дсшонрудный Иис шп'н кий иер , д 9

Ol.Otf

201

1 Введение

2 Обзор литературы

2.1 Воспламенение насыщенных углеводородов.

2.1.1 Воспламенение метана за отраженной ударной волной

2.1.2 Воспламенение пропана за отраженной ударной волной.

2.1.3 Воспламенение пентана.

2.1.4 Воспламенение гексана

2.1.5 Воспламенение гептана и октана.

2.2 Кинетические механизмы окисления углеводородов

2.3 Инициирование детонации.

2.3.1 Способы инициирования детонации

2.3.2 Влияние способа инициирования на переход горения в детонацию.

2.3.3 Воспламенение с помощью наносекундного разряда в виде ВВИ.

3 Экспериментальное оборудование и методы измерений

3.1 Ударная труба.

3.2 Приготовление смеси.

3.2.1 О влиянии примесей углеводородов на воспламенение

3.3 Эмиссионная и абсорбционная диагностика.

3.3.1 Эмиссионная диагностика.

3.3.2 Абсорбционная диагностика.

3.4 Определение времени задержки воспламенения.

3.4.1 Определение параметров газа за отраженной УВ

3.4.2 Определение времени задержки воспламенения

3.5 Детонационная труба.

3.5.1 Детонационная труба.

3.5.2 Подводящая линия.

3.5.3 Генератор Маркса.

3.5.4 Измерение скорости волны воспламенения.

3.5.5 Определение времени задержки воспламенения

3.5.6 Определение энерговклада в разряде.

Кинетическое моделирование воспламенения углеводородов

4.1 Построение кинетического механизма окисления алканов

4.2 Анализ чувствительности.

Самовоспламенение бедных смесей насыщенных углеводородов с воздухов в широком диапазоне давлений

5.1 Самовоспламенение бедной смеси метана с воздухом

5.2 Самовоспламенение бедной смеси пропана с воздухом

5.3 Самовоспламенение бедной смеси н-пентана с воздухом и бедной смеси н-гексана с воздухом.

5.4 Выводы.

Влияние неравновесного газового разряда на переход горения в детонацию и инициирование детонации

6.1 Введение.

6.2 Зависимость характеристик воспламенения от уровня разбавления азотом и давления.

6.2.1 Зависимость времени задержки воспламенения от давления.

6.2.2 Влияние разбавления азотом на воспламенение

6.3 Режимы распространения пламени в детонационной трубе

6.4 Наблюдения развития разряда и воспламенения.

6.4.1 Наблюдение развития наносекундного разряда

6.4.2 Динамика излучения разряда.

6.4.3 Наблюдение развития воспламенения.

6.5 Условия инициирования детонации с помощью высоковольтного наносекундного разряда.

6.6 Выводы.

выводы

1. Измерено время задержки воспламенения бедных смесей метана, пропана, н-пентана и н-гексана с воздухом за отраженной ударной волной при температуре от 800 до 1700 К и давлении от 2 до 530 атм.

2. Разработан кинетический механизм окисления углеводородов от метана до н-гептана, проверенный на экспериментальных данных в диапазоне температур 800-1700 К и давлений до 530 атм.

3. Показано, что изменение эффективной энергии активации в бедных смесях метана и пропана с воздухом при температуре около 1200 К обусловлено реакциями распада пероксидов ГЮ2, Н2О2 и НО2.

4. Показано, что увеличение начального давления приводит к исчезновению эффекта отрицательного температурного коэффициента (увеличению времени задержки воспламенения при увеличении температуры).

5. Впервые использован высоковольтный наносекундный разряд (напряжение: 4-70 кВ, длительность: 60 не, разрядный промежуток: 80 мм) для инициирования детонации.

6. Определены условия перехода горения в детонацию в смесях нропан-кислород-азот при возбуждении высоковольтным наносе-кундным разрядом. В смеси С3Н8+5О2 переход горения в детонацию на длине 130 мм осуществляется при давлении 0,3 атм и энергии инициирования 70 мДж. В смеси СзНв/С^ю+бОгЧ^^ переход горения в детонацию на длине 300 мм осуществляется при давлении 0,4 атм и энергии инициирования 70 мДж.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своим со-авторам: Владиславу Алексеевичу Сеченову и Андрею Юрьевичу Стариковскому. Экспериментальные установки были изготовлены при непосредственном участии механиков лаборатории физики неравновесных систем: Мазко Николая Сергеевича, Ребрикова Александра Евгеньевича и Зудова Вячеслава Михайловича. Автор признателен коллективу лаборатории физики неравновесных систем за моральную поддержку при работе над диссертацией, а особенно Стариковской Светлане Михайловне и Аникину Николаю Борисовичу.

Данная работа посвящается Жуковой Людмиле Анатольевне.

1. J.E. Eisworth, P.J. Shuff, and A. Ungut. "Galloping"gas detonations in the spherical mode. In Prog. Astronaut. Aeronaut., v. 94, p. 130-150, 1984.

2. Starikovskii A.Yu. 39-th AIAA Join Propulsion Conference and Exhibit (2003), AIAA paper 2003-468G.

3. Seery D.J. and Bowman C.T.// Combustion and Flame. 14. 37-48 (1970).

4. Lifshitz A. et al.// Combustion and Flame. 16. 311-321 (1970).

5. Bowman. 15th Int. Symp. on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburg, c. 869, (1975).

6. Tsuboi T. and Wagner H.Gg. 15th Int. Symp. on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburg, c. 883, (1975).

7. Cheng R.K. and Oppenheim A.K.// Combustion and Flame. 58. 125139 (1984).

8. Frenklach M. and Bornside D.E.// Combustion and Flame. 56. 1-27 (1984).

9. Hidaka Y. et al.// Combustion and Flame. 118. 340-358 (1999).

10. Petersen, E. L., Röhrig, M., Davidson, D. F., Hanson, R. K., and Bowman, C. T., Twenty-Sixth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, 1996, p. 799.

11. Peterson, E.L., Davidson, D.F., Rohrig, M., Hanson, R.K., and Bowman, C.T., J. Propul. Power, 15, 82, 1999.13 14151920 2122

12. Ciezki, H.K., and Adomeit, G., Combust. Flame 93:421-433 (1993)

13. Huang J. et al.// Combustion and Flame. 136. 25-42 (2004).

14. Petersen E.L., Davidson D.F.,Hanson R.K. Kinetics modeling of shock-induced ignition in low-dilution CH4/02 mixtures at high pressures and intermediate temperatures // Combustion and Flame. 1999. T. 117, C. 272-290.

15. Davidson D.F, Herbon J.T, Horning D.C, Hanson R.K. OH concentration time histories in n-alkane oxidation. Int. J. Chem. Kinet. 2001; 33:775-783.

16. Burcat, A., Lifshitz, A., Scheller, K., and Skinner, G.B., 13rd Symposium (International) on Combustion, p. 745 (1971).

17. G.O. Thomas, C.J. Brown, Experimental studies of shock-induced ignition and transition to detonation in ethylene and propane mixtures -Their Nature, Effects and Control, Combustion and Flame, 117 (1999), 4 (июнь), 861-870

18. Kilyoung Kim and Kuan Soo Shin, Shock Tube and Modeling Study of the Ignition of Propane Bull. Korean Chem. Soc. 2001, Vol. 22, No. 3 стр.303-307

19. Philip Cadman, Geraint O. Thomas, Philip Butler, The auto-ignition of propane at intermediate temperatures and high pressures, PCCP: Physical Chemistry Chemical Physics, 002 (2000), 023 (декабрь 07), 5411-5419

20. D. С. Horning, D. F. Davidson, and R. K. Hanson, "Study of the High-Temperature Autoignition of n-Alkane/02/Ar Mixtures,"Journal of Propulsion and Power, 18, 363-371 (2002).

21. Dagaut P, Cathonnet M. Oxidation of neopentane in a jet-stirred reactor from 1 to 10 atmospheres: an experimental and detailed kinetic modeling study. Combust. Flame 1999; 118: 191-203.

22. Minetti, R., Roubaud, A., Therssen, E., Ribaucour, M., and Sochet, L.-R., Combust. Flame 118, 213-220 (1999).

23. Wang S.Q., Miller D.L., Cernansky N.P., Curran H.J., Pitz W.J., Westbrook C.K. A flow reactor study of neopentane oxidation at 8 atmospheres: experiments and modeling. Combust. Flame 1999; 118:415430.

24. Ribaucour M, Minetti R, Sochet LR, Curran HJ, Pitz WJ, Westbrook CK. Ignition of isomers of pentane: an experimental and kinetic modelling study. Proc. Combust. Inst. 2000; 28:1671-1678.

25. Burcat, A., Pitz, W.J., Westbrook, C.K., 18th International conference on shock waves and shock tubes, Sendai, Japan, July 21-26, 1992.

26. Curran, H.J., Gaffuri, P., Pitz, W.J., Westbrook, С.К., and Leppard, W.R., Twenty-Sixth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, pp. 2669-2677 (1996).

27. Dagaut P., Luche J., Cathonnet M. Combust. Flame 1995; 101:132-140.

28. R. Minetti, M. Carlier, M. Ribaucour, E. Therssen, L.R. Sochet A Rapid Compression Machine Investigation of Oxidation and Auto-Ignition of n-Heptane: Measurements and Modeling Combustion and Flame, 102 (1995), 3 (август), 298-309

29. Tanaka ct al., Combust. Flame 132:219-239 (2003)

30. Даутов Н.Г., Старик A.M.// TBT, т. 33, N2, с. 279-287, 1989.

31. Даутов Н.Г., Старик A.M.// ФГВ, т. 32, N1, с. 94-110, 1996.

32. Славинская Н.А., Старик A.M.// ФГВ, N1, с. 42-63, 2004.

33. Basevich V. Ya. et al.// Combustion and Atmospheric Pollution, Moscow, 2003, p. 84-90.

34. Cain Т. M., Combustion and Flame, 111:124-132 (1997).

35. Konnov, A.A., Development and validation of a detailed reaction mechanism for the combustion of small hydrocarbons. 28-th Symposium (Int.) on Combustion, Edinburgh, 2000. Abstr. Symp. Pap. p. 317 , http://homepages.vub.ac.be/~akonnov/.

36. Warnatz J. 18th Int. Symp. on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburg, c. 371-396, (1981).

37. Warnatz J.// Recent advances in combustion modeling. World Scientific, Singapore, 1991, p. 172.

38. Warnatz J.// Endevour, 20 (1996), 1, p. 31-36.

39. Vlasov P.A., Warnatz J., 29th Int. Symp. on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburg, (2002).

40. Warnatz J., Maas U., Dibble R.W.// Combustion, Springer (2001)

41. Bakali A., Delfau J.-L., Vovelle C. Combustion and Flame, 118:381-398 (1999).

42. Dagaut P. and Cathonnet M, Combustion and Flame, 118:191-203 (1999).

43. Ristori A., Dagaut P. and Cathonnet M, Combustion and Flame, 118:191-203 (1999).

44. Dagaut P. et al., Proceedings of the Combustion Institute, vol. 25, pp. 919-926, 1994.

45. Montgomery C.J. et al. AIAA paper 2002-0336, 40-th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 2002.

46. Bikas G. and Peters N., Combustion and Flame, 126:1456-1475 (2001).

47. Peters N. et al., Combustion and Flame, 128:38-59 (2002).

48. Lindstedt R.P. and Maurice L.Q., J. Propulsion and Power, Vol. 16, No. 2, 2000.

49. Ranzi E. et al., Combustion and Flame, 103:91-106 (1995).

50. M. Frenklach, H. Wang, C.-L. Yu, M. Goldenberg, C.T. Bowman, R.K. Hanson, D.F. Davidson, E.J. Chang, G.P. Smith, D.M. Golden, W.C. Gardiner and V. Lissianski, http://www.me.berkeley.edu/~grimech/new21/versionl2/textl2.html

51. C.T. Bowman, R.K. Hanson, D.F. Davidson, W.C. Gardiner, Jr., V. Lissianski, G.P. Smith, D.M. Golden, M. Frenklach and M. Goldenberg, http: / / www.me.berkeley.edu/~grimech / new21 / version21/text21 .html

52. Hunter T.B. et al., Combustion and Flame 104:505-523 (1996).

53. Curran, H. J., Gaffuri, P., Pitz, W. J., and Westbrook, С. K. "A Comprehensive Modeling Study of n-Heptane Oxidation"// Combustion and Flame 114 149-177 (1998).

54. Marinov, N. M., Pitz, W. J., Westbrook, С. K., Vincitore, A. M., Castaldi, M. J., Senkan, S. M. "Aromatic and Poly cyclic Aromatic Hydrocarbon Formation in a Laminar Premixed n-Butane Flame"Combustion and Flame 114 192-213 (1998).

55. Curran, H. J., Gaffuri, P., Pitz, W. J., and Westbrook, С. K. "A Comprehensive Modeling Study of iso-Octane Oxidation"// Combustion and Flame 129: 253-280 (2002).

56. Westbrook C.K., Dryer F.L. Chemical Kinetics and Modeling of Combustion Processes, 18th Symp (Int) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburg, 1981, p 749

57. G4. Axelsson E.I, Brezinsky К, Pitz W.J., Westbrook C.K., Dryer F.L. Chemical Kinetic Modeling of the Oxidation of Large Alkane Fuels: N-Octane and Iso-Octane, 21th Symp (Int) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburg, 1986, p 783

58. Bhaskaran R.F., Roth P.// Progress in energy and combustion science, T. 28, C. 151-192, 2002.

59. Zhukov V.P., Sechenov V.A., Starikovskii A.Yu. Ignition delay times in lean n-hexane-air mixture at high pressures// Combustion and Flame. 2004. - V.136. - P.257-259.

60. B. Higgins, M.Q. McQuay, F. Lacas, J.C. Rolon, N. Darabiha, S. Candel Fuel, 80 (2001), 1 (январь), 67-74

61. J. Luque, J.B. Jeffries, G.P. Smith, D.R. Crosley, K.T. Walsh, M.B. Long, M.D. Smooke, Combustion and Flame, 122 (2000), 1-2 (июль), 172-175

62. G.P. Smith, J. Luque, C. Park, J.B. Jeffries, D.R. Crosley, Combustion and Flame, 131 (2002), 1-2 (октябрь), 59-69.

63. Ступоченко E.B., Лосев С.А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М.: Наука, 1965.

64. Стариковский А.Ю. Анализ течения газа с экзотермическими реакциями за ударной волной // Химическая физика. 1993. Т. 12, 5, С.645.

65. Eric L. Petersen, Ronald К. Hanson Nonideal effects behind reflected shock waves in a high-pressure shock tube // Shock Waves, 10 (2001), 6 (январь), 405-420

66. Стариковская С.M. Физические методы исследования. Семинарские занятия. М: изд-е МФТИ, 2003.

67. Beyer M., Boeck W., Môller К., Zaengl W. Hochspannungstechnik, theoretische und praktische grundlagen, Springer-Verlag, 1986.

68. Kee, R. ,!., Rupley, F. M., and Miller, J. A., "CHEMKIN-II:A Fortran Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas-Phase Chemical Kinetics, "Sandia National Laboratories Report, SAND89-8009, 1989.

69. Luts, A. E., Lee, R. K., Miller, J. A. SENKIN: A FORTRAN Program for Predicting Homogeneous Gas-Phase Chemical Kinetics with Sensitivity Analysis; Sandia National Laboratories, Livermore, CA. Report No. SANDIA89-8009, 1989.

70. Gilbert R. G., Luther K., and Troe J. Theory of thermal unimolecular reactions in the fall-off range. II Weak collision rate constants // Ber. Bunsenges. Pliys. Chem. 87. 1983. C. 169-177.

71. Jakson S.I. and Shepherd J.E., 38-th AIAA Join Propulsion Conference and Exhibit (2002), AIAA paper 2002-3627.

72. Liu J.В., Ronney P.D and Gundersen M.A., Premixed flame ignition by transient plasma discharges. The Twenty-Ninth International Symposium on Combustion, Sapporo, Japan, July 21-26, 2002.

73. Wang F., Jiang C., Kuthi A., et al., Transient Plasma Ignition of Hydrocarbon-Air Mixtures in Pulse Detonation Engines, 42-nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, Jan 5 8, 2004. AIAA Paper 2004-834.

74. Penyazkov O.G. and Sevruk K.L., Contributed papers, Int. workshop Nonequilibrium Processes in Combustion and Plasma Based Technologies, Minsk, Belarus, 2004, p. 120.

75. J. E. Shepherd, J. M. Austin, T. Chao, F. Pintgen, E. Wintenberger, S. Jackson, and M. Cooper. Detonation initiation and propagation. 15th ONR Propulsion Conference, Washington DC, August 2002

76. Pinard P.F., Higgins A.J. and Lee J.H., Combustion and Flame, 136:146-154 (2004).1.e J.H., Knystautas R. and Guirao C.M. 15th Symp (Int) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburg, 1974, p. 53.

77. Зельдович Я.В., Либрович В.В., Махвиладзе F.M. и др. О возникновении в неравномерно нагретом газе // ПМТФ. 1970. - No 2. - С. 76.

78. Стариковский А.Ю.// ФГВ, N6, с. 12-19, 2003.

79. Bozhenkov S.A., Starikovskaya S.M. and Starikovskii A.Yu., Combustion and Flame 133 (2003) 133-146

80. Starikovskaya S.M., Kukaev E.N., Kuksin A.Yu., et al// Combustion and Flame. 2004. T. 139, C. 177-187.

81. Кукаев E.H. Исследование воспламенения горючих смесей наносекундным разрядом и импульсным флэш-фотолизом. Диплом магистра. МФТИ. 2004.1.e T.W., Jain V., and Kozola S.// Combustion and Flame. 2001. T.125. C. 1320-1328.1. Список иллюстраций

82. Зависимость числа изомеров насыщенных углеводородовот числа атомов углерода в молекуле. 22

83. Усредненная зависимость числа компонент и реакций в кинетическом механизме от числа атомов углерода в молекуле (пустой символ собственный механизм Hybrid). 22

84. Ударная труба (вид со стороны секции высокого давления). 3532 Схема ударной трубы. 36

85. Хроматограмма использованного для приготовления топливной смеси иентана. 38

86. Оптическая схема систем эмиссионной и абсорбционной диагностики. 40

87. Времяразрешенный профиль эмиссии на Л = 306,4 нм для метано-воздушной смеси (ф = 0,5) при Р = 173 атм и1. Т = 1265 К. 41

88. Времяразрешенные профили поглощения для метано-воздушиой смеси (ф = 0,5) при Р = 173 атм и Т = 1265 К. Момент времени t = 0 fie соответствует моменту прохождения отраженной ударной волны измерительного сечения. 43

89. Сигналы с абсорбционной и эмиссионной диагностики. Штриховая линия профиль поглощения, сплошная линия - профиль эмиссии, Смесь н-пентан-воздух(1,3%) Р=11атм и Т=1365 К. 44

90. Определение времени задержки воспламенения с помощью абсорбционной и эмиссионной диагностики, штриховая линия профиль поглощения, сплошная линия - профиль эмиссии, Р=19,7 атм и Т=1247 К. 46

91. Движение газа отраженной УВ и волны воспламенения в ударной трубе. 47

92. Общий вид экспериментальной установки.48

93. Электрическая схема генератора высоковольтных импульсов. 50

94. Электрическая схема высоковольтного блока питания. . 51

95. Осциллограммы сигналов с токового шунта (—) и емкостного датчика (- -), пересчитанные в ток и напряжение разряда. 53

96. Пример расчета но кинетическому механизму профилей температуры и основных компонент бедной ф = 0, 5 смеси н-гексап/воздух при давлении 220 атм и начальной температуре 1000 К. 58

97. Анализ чувствительности времени задержки воспламенения к константе скорости реакции до проведения оптимизации для бедной ф = 0,5 смеси пропан/воздух при давлении 500 атм. 59

98. Анализ чувствительности времени задержки воспламенения к константе скорости реакции после проведения оптимизации для бедной ф = 0,5 смеси пропан/воздух при давлении 500 атм. 59

99. Анализ чувствительности времени задержки воспламенения к константе скорости реакции для бедной ф = 0,5 смеси метан/воздух. 60

100. Анализ чувствительности времени задержки воспламенения к константе скорости реакции для бедной ф = 0,5 смеси н-пентан/воздух. 60

101. Анализ чувствительности времени задержки воспламенения к константе скорости реакции для бедной ф = 0,5 смеси н-гексан/воздух. 61

102. Сравнение измеренного и рассчитанного по механизму СШ-МесЬ 3.0 58. времени задержки воспламенения бедной смеси метан-воздух (ф = 0,5): 1), 6) Р = 3,4 атм; 2), 7) - Р = 15 атм; 3), 8) - Р = 50 атм; 4), 9) - Р = 150 атм; 5),1. Ю) Р = 450 атм. 64

103. Зависимость времени задержки воспламенения от давления. Смесь метан-воздух (ф = 0,5). (линии расчет по механизму СШ-МесЬ 3.0). 65

104. Изменение канала образования радикалов ОН в механизме GRI 3.0 при изменении давления (сплошные линии высокое давление, пунктирные низкое). 66

105. Изменение профилей концентрации (мольной доли) О и Н2О2 в процессе воспламенения (Т = 1500 К) при изменении начального давления смеси, расчет по механизму GRI 3.0. 1), 4) 500 атм; 2), 5) - 50 атм; 3), 6) - 5 атм. . . 67

106. Сравнение измеренного и рассчитанного по механизму "Гибрид" времени задержки воспламенения бедной смеси метан-воздух (ф = 0,5). Кресты данные работы 12. 71

107. Измеренное и рассчитанное время задержки воспламенения бедной смеси пропан(2%)/воздух. Символы эксперимент, линии - расчет по механизму "Гибрид", пунктир - расчетпо механизму 60. 74

108. Рассчитанные по кинетическому механизму профили температуры и основных компонент бедной ф = 0,5 смеси пропан/воздух при давлении 500 атм и начальной температуре 1000 К. 76

109. Анализ чувствительности времени задержки воспламенения к константе скорости реакции для бедной ф = 0,5 смеси пропан/воздух при времени задержки воспламенения 100fie. 77

110. Сравнение измеренного и вычисленного времени задержки воспламенения для бедной смеси н-пентан/воздух. 80

111. Сравнение измеренного и вычисленного времени задержки воспламенения для бедной смеси н-гексан/воздух. 81

112. Упрощенная схема кинетического механизма окисления углеводородов. 82

113. Зависимость времени задержки воспламенения от давления (С3Н8/С4Н10+5О2, С3Н8/С4Н10+5О2+ЗК2, С3Н8/С4Н10+5О2+7К2).

114. Зависимость времени задержки воспламенения от уровня разбавления азотом. Символы экспериментальные данные, линия - аппроксимация по уравнению 6.1. 89

115. Зависимость минимальной энергии воспламенения смеси С3Н8/С4Н10+502+хЫ2 от уровня разбавления азотом. ■ -эксперимент, линия аппроксимация ~1М2.3. 90

116. Режим медленного (дозвукового) распространения пламени. Смесь С3Н8/С4Н10+5О2, давление 0,16 атм. . . . 9266 Режим детонации Ч-Ж. 92

117. Режим нестационарной детонации. Смесь СзН8/С4Ню+502+N2, давление 0,3 атм. 94

118. Фотографии излучения (негатив) наносекундного разряда в воздухе при давлении 0,33 атм в различные моменты времени. Штриховая линия обозначает контуры разрядной камеры.•. 96

119. Типичная осциллограмма тока через разрядное устройство. 97

120. Излучение разряда в азоте на длине волны А=337 нм при давлении 0,01 атм и 0,1 атм. 98

121. Свечение пламени (негатив) в различные моменты времени. Штриховая линия обозначает контуры разрядной камеры. 99

122. Временные зависимости интенсивности ИК излучения в двух сечения детонационной трубы и временной профиль напряжения на усилителе яркости ПЗС камеры от времени. 100

123. Интенсивность ИК излучения в различных точках детонационной трубы. Смесь С3Н8+502, начальное давление 0,3атм, энергия разряда 70 мДж.103

124. Временная зависимость положения фронта пламени, определенная по рис. 6.13. Линия соответствует скорости 2380м/с.103

125. Интенсивность ИК излучения в различных точках детонационной трубы. Смесь пропан/бутан+502, начальное давление 0,3 атм, энергия разряда 14 Дж. В данном эксперименте ИК датчики имеют разную чувствительность. 104