авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

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

На правах рукописи

КОНСТАНТИНОВСКИЙ Роман Сергеевич

ПЛАЗМЕННО-СТИМУЛИРОВАННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ

ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНО-УГЛЕВОДОРОДНЫХ

ПОТОКОВ В УСЛОВИЯХ ПОВЕРХНОСТНОГО

СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА

01.04.08 физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва 2011

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

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Шибков Валерий Михайлович

Научный консультант: доктор физико-математических наук Шибкова Лидия Владимировна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, профессор Суржиков Сергей Тимофеевич доктор физико-математических наук Попов Николай Александрович

Ведущая организация: Институт нефтехимического синтеза имени А.В.Топчиева РАН.

Защита диссертации состоится 16 февраля 2012 г. В 16 часов 30 мин. на засе дании Диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государствен ном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, Ле нинские горы, дом 1, стр. 2, физический факультет МГУ, ауд. СФА.

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

Автореферат разослан « » января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001. кандидат физико-математических наук И.Н.Карташов I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

Самостоятельные сверхвысокочастотные разряды, существующие при больших значениях приведенного электрического поля, являются одним из перспективных способов создания низкотемпературной плазмы для различ ных практических приложений, в частности, для решения задач сверхзвуко вой плазменной аэродинамики. СВЧ-разряды, создаваемые в молекулярных газах, приводят к эффективной диссоциации молекул, наработке активных радикалов и нагреву рабочей среды. Эти процессы в разрядах в горючих воз душно-углеводородных смесях могут привести к полному изменению перво начального состава, что связано, в частности, с процессами воспламенения и горения. Для более глубокого понимания физико-химических процессов, протекающих при воспламенении углеводородных смесей в газовой фазе с помощью низкотемпературной плазмы, актуальным является проведение как экспериментальных исследований, так и сопоставление их с расчетами в рамках физических моделей влияния СВЧ-разряда на инициирование горе ния.

Диссертация посвящена исследованию возможности применения неравновесной низкотемпературной плазмы самостоятельных поверхностно го и объемного СВЧ-разрядов, а также импульсного поперечного электрод ного разряда для инициирования воспламенения сверхзвукового воздушно углеводородного потока.

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



Для достижения поставленной цели решались следующие основные за дачи:

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

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

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

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

компьютеров.

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

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

Достоверность полученных результатов. Экспериментальные ре зультаты получены с помощью комплекса независимых диагностических ме тодик на различных экспериментальных установках, подтверждаются срав нением измеренных величин с результатами теоретических и эксперимен тальных работ других исследователей, а также данными численного модели рования. Таким образом, полученные результаты являются вполне обосно ванными и достоверными.

Личный вклад автора. Вклад соискателя в работы, написанные в со авторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором проведены экспериментальные исследования влияния плазменных эффектов на процесс быстрого воспламенения в условиях плазмы импульсного попе речного по отношению к потоку электродного разряда, объемного и поверх ностного СВЧ-разрядов, а также разработана программа расчета воспламене ния в условиях самостоятельного СВЧ-разряда, проведено численное моде лирование изучаемого явления и выполнен анализ полученных результатов.

Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты представляют не только академический интерес, но являются научной базой для выработки рекомендаций по использованию газоразрядной плазмы при создании летательных аппаратов нового поколения, в частности для быстро го воспламенения и стабилизации горения сверхзвуковых воздушно углеводородных потоков. Квалификационная ценность результатов исследо ваний признана российским и международным научными сообществами. Ре зультаты, полученные автором и вошедшие в диссертацию, являлись базо выми для отчетов по грантам РФФИ (№ 05-02-16532-а, № 08-02-01251-а), по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН (Р-09) «Иссле дование вещества в экстремальных условиях», по проекту МНТЦ (№ 2248), по гранту Нидерландского научного общества (NWO № 047-016.019) и гран ту CRDF (№ RUP-1514-MO-06).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, в том числе: на Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 2003);

на Всероссийской конференции по физической элек троники (Махачкала, 2003);

на Международных симпозиумах Термохими ческие и плазменные процессы в аэродинамике (Санкт-Петербург, 2004, 2006);

на Международных конференциях по физике слабоионизованных га зов (Weakly Ionized Gases Workshops (USA) Reno, 2004, 2005, 2006, 2007, Or lando, 2009, 2010);

на научных школах-конференциях Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики (Алушта, 2004, 2005, 2006, 2008);

на Международных конференциях Мощное СВЧ излучение в плазме (Strong microwave in plasmas Нижний Новгород, 2005, 2006);

на Междуна родных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и УТС (Звениго род, 2005, 2006, 2008, 2010);

на Международных совещаниях по магнитной и плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Magneto-plasma aerodynamics in aerospace applications Москва, 2005, 2008, 2009, 2010);

на международной конференции СВЧ разряды: основные свойства и примене ния, (VI International Workshop Microwave discharges: Fundamentals and ap plications – Звенигород, 2006);

на Международной конференции по термо химическим и газодинамическим явлениям (Thermophysical and gasdynamical phenomena Киев, 2006), на Московской конференции Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики в рамках Российского Научного Форума Демидовские чтения (Москва, 2006);

на научных конференциях МГУ Ломоносовские чтения (Москва, 2006, 2009, 2010, 2011) и на научных семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

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

Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изло жено на 149 страницах машинописного текста, включая 86 рисунков и 6 таб лиц. Работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения, в котором сформу лированы основные выводы, и Приложения с базой данных. Список цитиру емой литературы содержит 139 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформули рованы цели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практиче ская значимость работы, достоверность полученных результатов и личный вклад автора, а также приведены сведения об апробации работы и публика циях. Приведено краткое содержание работы.

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

Во второй главе диссертации описывается экспериментальная уста новка, использованная в данной работе, и методики измерений. Блок-схема установки приведена на рис. 1. Экспериментальная установка включает в се бя вакуумную камеру, ресивер вы сокого давления воздуха, ресивер 11 16 9 9 29 высокого давления пропана, си 10 10 стему для создания сверхзвуково 14 4 го потока, два магнетронных гене 23 ратора, две системы для ввода СВЧ-энергии в камеру, цилиндри ческий и прямоугольный аэроди 29 30 намические каналы, два высоко Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 – ваку умная камера, 2 – магнетроны, 3 – рупорная антенна, 4 – вольтных источника питания, си металлическое зеркало, 5 – свободно локализованный СВЧ разряд, 6 – поверхностный СВЧ разряд, 7 – направленный стему синхронизации и диагно ответвитель, 8 – кристаллический детектор, 9 – клапаны, – сопло Лаваля, 11 – ресивер высокого давления воздуха, стическую аппаратуру. Основой – ресивер высокого давления пропана, 13 – баллон с пропа ном;

14 – цилиндрический аэродинамический канал, 15 – установки является откачиваемая вакуумные насосы, 16 – видео и фото цифровые камеры, – компьютеры, 18 – цифровой осциллограф, 19 – монохро металлическая цилиндрическая матор, 20 – ПЗС линейка или ФЭУ, 21 – установка теневой диагностики, 22 – линзы, 23 – двойные зонды, 24 – плоский барокамера с внутренним диамет конденсатор, 25 – система сбора данных, 26 – система управления, 27 – прямоугольный аэродинамический канал с ром 1 м и длиной 3 м. Вакуумная каверной, 28 – электрический гидравлический клапан, 29 – система позволяет проводить ис система синхронизации, 30 – источники питания.

следования в широком диапазоне давлений р = 10-760 Тор. Система хранения воздуха высокого давления состоит из газгольдера объемом 0.6 м3 с компрес сором, поднимающим давление воздуха до максимальной величины р = 12 атм;





клапана высокого давления;

детектора для измерения динамиче ского давления;

запорного клапана и электромагнитного клапана с временем срабатывания t ~ 1мс. Система хранения горючего состоит из стандартного баллона объемом 0.04 м3, который содержит жидкий пропан. Через запорный клапан и редуктор уже газообразное топливо поступает в ресивер, представ ляющий собой баллон объемом 0.01 м3. Воздух или пропан-воздушная смесь первоначально поступает в смеситель, установленный в дозвуковой части канала. Смешение происходит в основном до критического сечения сверх звукового сопла. Прямо за смесителем установлено сверхзвуковое сопло Ла валя. Для исследования возможности воспламенения сверхзвуковой пропан воздушной смеси с помощью поверхностного электродного газового разряда использовался аэродинамический канал прямоугольного сечения s = 12.5x23 мм2. В широкой стенке канала монтируется диэлектрическая вставка. В экспериментах использовались две вставки. Первая образовывала застойную зону в виде прямоугольной каверны 70 мм длиной, 18 мм шири ной и регулируемой глубиной 0-20 мм. Вторая – 50 мм длиной, 23 мм шири ной и регулируемой глубиной 0-20 мм. Поверхностный импульсный разряд формировался на диэлектрической плоской пластине, помещенной на дно ка верны аэродинамического канала. Использовались два источника питания.

Выходное напряжение первого источника U = 5-30 кВ, длительность импуль са = 0.05-1 мс, разрядный ток i = 1-20 A. Электродный поверхностный раз ряд создавался в режиме одиночного импульса при максимальной импульс ной мощности W 1 МВт. Выходное напряжение второго источника U = 2.5 5.5 кВ, длительность импульса изменялась от 0.1 до 2.0 с, разрядный ток i = 1-30 A. Параметры второго источника позволяли создавать электродный поверхностный разряд постоянного тока в сверхзвуковом потоке при макси мальной подводимой мощности 10 кВт. Эксперименты проводились при мас совом расходе воздуха 20-100 г/с и пропана 2-8 г/с.

Для исследованию возможности применения сверхвысокочастотных разрядов для быстрого воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока использовались два типа микроволновых разрядов: безэлектродный свободно локализованный СВЧ-разряд, создаваемый в заданном месте пространства сфокусированным пучком электромагнитного излучения, а также СВЧ-разряд, формируемый на внешней поверхности диэлектрического тела поверхностной волной. Источником СВЧ-излучения для обоих микроволновых разрядов служил импульсный магнетронный генератор сантиметрового диапазона длин волн, имеющий следующие характеристики:

длина волны = 2.4 см;

импульсная СВЧ-мощность W 100 кВт;

длительность импульса = 5-150 мкс;

скважность Q=1000. СВЧ-мощность подводится к разрядной камере с помощью волноводного тракта прямоугольного сечения 9.5x19 мм2.

Экспериментальная установка оснащена измерительной аппаратурой, позволяющей проводить исследования процесса воспламенения газообраз ных углеводородов. Диагностический комплекс состоит из цифровых моно хроматоров и спектрографов, оптических рефракционных датчиков, импуль сной теневой установки, коллимированных фотоэлектронных умножителей, электрических зондов, термопар, датчиков давления, системы для измерения проводимости пламени, двухпроводной линии, цифровых осциллографов, цифровых фото- и видеокамер и др. Процесс воспламенения углеводородов в условиях газоразрядной плазмы фиксировался с использованием цифрового фотоаппарата D50 и цифровой видеокамеры ВидеоСпринт с электронно оптическим наносекундным затвором. Спектр излучения пламени фиксиро вался с помощью цифрового двухканального спектрографа AvaSpec-2048-2 DT фирмы Avantes. Температура газа Tg определялась из сравнения экспери ментально измеренных и синтезированных молекулярных полос циана (0;

0) и (1;

1) с длинами волн кантов = 388.3 нм и = 387.1 нм. При моделирова нии спектра распределение по вращательным и колебательным уровням предполагалось больцмановским. Использовались программы для расчета спектров и отдельно для расчета факторов Хенля – Лондона. Расчеты произ водились в среде Matlab по программе, позволяющей накладывать заранее заданное уширение на вращательные переходы, полученного при расчете мо лекулярного спектра. Для визуализации ударных волн и газодинамических возмущений, возникающих при воспламенении углеводородного горючего, применялась импульсная теневая установка. Оптическая система теневой установки позволяла формировать параллельный пучок света диаметром 150 мм с однородным распределением интенсивности света по сечению пуч ка. Поперечная скорость распространения фронта горения f определялась по известной скорости сверхзвукового потока и измеренному тангенсу угла наклона tg резкой передней границы характерного свечения, наблюдаемого при воспламенении сверхзвукового пропан-воздушного потока, по формуле f = tg. Концентрация заряженных частиц в пламени, возникающем при воспламенении сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков, измеря лась с помощью двойного зонда. Использовались симметричные зонды с диаметром 1 мм, длиной рабочей части 10 мм и расстоянием между центрами зондов 5 мм. В экспериментах факт воспламенения сверхзвукового потока углеводородного топлива определялся по появлению характерного свечения вниз по потоку от разрядной области. Для подтверждения факта воспламене ния снималась теневая картина области возникновения пламени, а также ис пользовались рефракционные лазерные датчики, термопары и датчики дав ления. Период индукции определялся: по минимальной длительности раз рядного импульса, приводящего к появлению характерного свечения в аэро динамическом канале;

по резкому возрастанию интенсивности свечения мо лекулярной полосы возбужденного радикала CH* с длиной волны канта =431.5 нм;

по времени появления сигнала с двойного зонда;

по резкому из менению сигналов, регистрируемых датчиками давления;

по резкому увели чению температуры газа.

В третьей главе диссертации исследовано воспламенение высокоско ростных пропан-воздушных потоков в условиях низкотемпературной плазмы газового разряда. В первом параграфе рассматривается воспламенение с по мощью поперечного импульсно-периодического электродного разряда. На рис. 2 представлен общий вид импульсно-периодического поперечного по верхностного разряда в аэродинами ческом канале. Можно видеть, что в аэродинамическом канале без застой ной зоны импульсно-периодический 1 2 3 4 5 6 поперечный поверхностный разряд Рис. 2. Импульсно-периодический поперечный по верхностный разряд в сверхзвуковом воздушном пото представляет собой две гладкие плаз ке с M = 2 в аэродинамическом канале прямоугольного сечения 1018 мм2 без застойной зоны (h = 0 мм). Вид менные струи, вытянутые вдоль пото спереди. Сверхзвуковой поток воздуха направлен сверху вниз. p = 150 Тор, i = 8 А,, мкс: 1-100;

2-200;

ка (см. рис. 2). Структура потока и 3-300;

4-400;

5-600;

6-800;

7-1000.

разряда начинают резко изменяться при создании разряда в каверне. Поток становится турбулентным, наблюда ются отрывные течения. Использование каверны глубиной всего h = 3 мм приводит к формированию отрывных потоков, направленных противополож но направлению основного потока, при этом разряд распространяется в двух направлениях, как по потоку, так и в обратном направлении (см.

1 2 3 4 5 рис. 3). Формируется рециркуляци Рис. 3. То же самое, что рис. 2, h=3 мм,, мкс: 1-75;

2 150;

3-300;

4-600;

5-800;

6-1000.

онная область с вихревым движением у задней стенки каверны. При использовании застойной зоны глубиной h = 5 мм разряд существует только около задней стенки полости и не распро страняется вниз по потоку. Это обстоятельство является благоприятным с точки зрения использования каверны как источника активных частиц, спо собствующих ускорению воспламенения и стабилизации горения сверхзвукового потока газовых смесей.

На рис. 4 представлен временной ход зондового тока и излучения возбужденного радикала CH* в условиях воспламенения сверхзвуковой пропан-воздушной смеси.

Можно видеть, что зондовый метод, также как оптический, является надежным способом Рис. 4. Воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока при i = 16 А, диагностики процесса воспламенения пропан р = 150 Тор, mair = 70 г/с, mg = 4.4 г/с, = 350 мкс. Двойной зонд (1) расположен воздушной смеси. Экспериментально было на расстоянии z = 32 см вниз по потоку от показано, что застойная зона приводит к ста электродов. Излучение CH* полосы (2) регистрируется на расстоянии z = 30 см билизации горения сверхзвукового пропан вниз по потоку от электродов.

воздушного потока. Так каверна глубиной 2 мм приводит к увеличению вре мени горения до 1000 мкс при длительности импульса тока = 200 мкс.

Во втором параграфе рассмотрена стабилизация горения пропан воздушного потока в условиях газоразрядной плазмы, создаваемой в аэродинамическом канале с полостью. В качестве застойной зоны в эксперименте использовалась прямоугольная каверна с различными отношениями длины L каверны к ее глубине h (L/h = 1-10). Каверна позволила нам использовать для создания поверхностного разряда в сверхзвуковом потоке источник питания с постоянным напряжением U = 2.5 4.5 кВ. С помощью такого источника питания невозможно создавать разряд постоянного тока в свободном потоке, или поверхностный разряд в канале без застойной зоны, так как напряжение питания недостаточно для поддержания разряда в сверхзвуковом потоке. Однако, используемый источник питания позволяет поддерживать поверхностный Рис. 5. Горение сверхзвукового пропан электродный разряд в полости в течение воздушного потока в аэродинамическом канале.

Поперечный поверхностный разряд в застойной времени t = 1-2 с. На рис. 5 представлены зоне h = 17 мм, L = 70 мм, р = 150 Тор, M = 2, i = 12 А, U = 250 В, = 750 мс, maitr = 70 г/с, типичные временные зависимости mg = 4.4 г/с. 1 – временной ход излучения полосы CH*;

2 – разрядный ток;

3 – напряжение на раз интенсивности излучения полосы CH* рядном промежутке.

(переход A-X, полоса (0,0), длина волны =431.5 нм), разрядного тока и напряжение на разрядном промежутке при использовании поперечного поверхностного электродного разряда в застойной зоне аэродинамического канала для горения пропан-воздушного потока. Можно видеть, что после пробоя напряжение U на разрядном промежутке резко уменьшается с 4.5 кВ до 250 В. При этом имеется временная задержка между возникновением разряда и достижением стационарного горения пропан-воздушной смеси. Скорость воспламенения увеличивается с ростом разрядного тока, при этом стационарный режим горения устанавливается быстрее. Так при малых разрядных токах (i10 A), то есть для малых значений вкладываемой в разряд электрической мощности (W2 кВт) горение начинается только к концу импульса длительностью 750 мс, тогда как при больших разрядных токах (i~30 A, W~6 кВт) стационарный режим горения устанавливается через 150-200 мс.

Процесс воспламенения сильно зависит от состава смеси (рис. 6).

Видно, что как в случае бедной, так и богатой смеси время достижения стационарного режима горения увеличивается по сравнению со стехиометрической смесью. Необходимо отметить, что время индукции при использовании для воспламенения мощного высоковольтного импульсного источника равно нескольким сотням микросекунд, тогда как при использовании для создания разряда в каверне низковольтного источника питания время индукции резко возрастает. Этот факт опосредовано подтверждает наше заключение о сильном влиянии заряженных и активных частиц, эффективно образующихся в разряде при больших значениях приведенного электрического поля, на процесс воспламенения газоразрядных топлив.

t, мс В третьем параграфе приведены данные о плазменно-стимулированном воспламенении с помощью свободно ло 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1, кализованного СВЧ-разряда. Фотогра фии свободно локализованного СВЧ Рис. 6. Зависимость времени начала воспламене ния (кривая 1) и времени достижения стационар разряда внутри аэродинамического кана ного горения пропан-воздушной смеси (кривая 2) от состава смеси. M = 2, = 750 мс, U = 250 В, ла в неподвижном воздухе, а также в i = 8 А, h = 17 мм, L = 70 мм, р = 150 Тор.

сверхзвуковом потоке воздуха и пропан воздушной смеси представлены на рис. 7. Сверхвысокочастотный разряд, со здаваемый в неподвижном воздухе, представляет собой плазменное образо вание размером 1-2 см, существующее вблизи инициатора. Размеры разряда растут с увеличением подводимой СВЧ-мощности и длительности воздей ствия. Показано, что с помощью СВЧ-разряда можно легко воспламенить сверхзвуковой поток газообразного углево дородного топлива уже при длительности воздействия =25 мкс. Одновременно с фо тографированием общего вида аэродинами ческого канала в эксперименте регистриро вался спектр излучения продуктов горения пропан-воздушной смеси из различных об ластей аэродинамического канала. Так на 1 2 Рис. 7. Общий вид свободно локализованно расстоянии z=7 см вниз по потоку от фо го СВЧ-разряда в неподвижном воздухе (1) при W = 100 кВт и сверхзвуковых потоках кальной области сфокусированного пучка (M=2) воздуха (2) и пропан-воздушной сме си (3) при W = 200 кВт, p=60 Тор, =100 мкс.

при СВЧ разряде в сверхзвуковом потоке воздуха нам не удалось зарегистрировать свечения никаких атомарных линий или молекулярных полос, тогда как при разряде в сверхзвуковом потоке про пан-воздушной смеси регистрируется интенсивное свечение возбужденных радикалов CH*, а также молекулярные полосы С2, CN и спектральные линии атомарного кислорода и водорода. При этом длительность регистрируемого свечения равна ~1 мс при длительности инициирующего воспламенение СВЧ импульса = 100 мкс. Необходимо также отметить, что электродный попе речный импульсно-периодический разряд приводит к воспламенению сверх звукового пропан-воздушной потока при длительности импульса порядка 100-150 мкс, тогда как длительность СВЧ-импульса, необходимая для под жига, много меньше. Это подтверждает тот факт, что в плазме СВЧ-разряда образуется больше активных частиц, чем в плазме электродного разряда по стоянного тока.

Описание экспериментов по воспламенению с помощью поверхностно го СВЧ-разряда приведено в четвертом параграфе. На рис. 8 представлена фотография поверхностного СВЧ-разряда, со здаваемого на диэлектрической антенне с кли нообразной торцевой передней частью в непо движном воздухе. Можно видеть, что разряд в Рис. 8. Поверхностный СВЧ-разряд в воздухе на прямоугольной антенне с воздухе представляет собой однородную ярко клинообразной передней частью при p = 40 Тор, W = 40 кВт, = 75 мкс.

светящуюся плазму, разряд локализован в тон ком приповерхностном слое и с увеличением длительности воздействия или СВЧ-мощности все большая часть антенны покрывается плазмой, создавае мой поверхностной СВЧ-волной. Фотография воспламенения в условиях поверхностного СВЧ-разряда сверхзвукового стехиометриче ского пропан-воздушного потока представлена на рис. 9. Видно характерное свечение пламе Рис. 9. Воспламенение стехиометрическо ни. Скорость распространения фронта горения го пропан-воздушного потока при M = 2, p = 40 Тор, = 100 мкс, W = 40 кВт.

достигает в зависимости от вкладываемой в поверхностный СВЧ-разряд энергии величин 100-200 м/с. Такое простран ственное распределение фронта горения сверхзвукового потока пропан воздушной смеси подтверждает наше предположение о большом вкладе соб ственного ультрафиолетового излучения поверхностного СВЧ-разряда в ки нетику воспламенения и горения углеводородного горючего. Необходимо также отметить, что процесс горения останавливается при выключении СВЧ мощности. В эксперименте также регистрировался спектр излучения в диапа зоне длин волн = 350-425 нм. Было получено, что при создании поверх ностного СВЧ-разряда в воздухе в этой спектральной области наблюдаются интенсивные полосы второй положительной системы азота и полосы циана.

При этом газовая температура, измеренная по различным молекулярным по лосам, равна 800-1000 К. При воспламенении пропан-воздушного сверхзву кового потока общий вид спектра в этой области длин волн существенно из меняется, а именно, интенсивности излучения полос CN резко растут, а ин тенсивность излучения полос второй положительной системы азота умень шается. Газовая температура, измеренная по полосам циана, резко увеличи вается до Tg = 2750 К, что также подтверждает воспламенение сверхзвуково го потока газообразного горючего на поверхности пластины.

Для различных типов газовых разрядов при одной и той же вкладываемой мощности достигается различная степень ионизации газа. При этом вкладываемая электрическая энергия различным образом перераспределяется по внутренним степеням свободы молекулярного газа.

Это перераспределение в очень сильной степени зависит от приведенного электрического поля, которое, в свою очередь, определяется электродинамикой разряда. В диссертации получена зависимость времени задержки воспламенения (периода индукции) для воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха M = 2 от приведенного электрического поля E/N. Показано, что период индукции уменьшается с увеличением E/N. Воспламенение пропан-воздушной смеси с помощью поверхностного СВЧ-разряда, существующего при значениях приведенного электрического поля 100-200 Тд, имеет место уже при длительности импульса = 5-20 мкс, тогда как при тех же условиях импульсный поперечный электродный разряд, существующий при E/N = 30 40 Тд приводит к воспламенению только при 150-200 мкс. Этот результат демонстрирует влияние величины приведенного электрического поля на механизм воспламенения углеводородного топлива в условиях газоразрядной плазмы.

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

Показано, что комбинированный СВЧ-разряд в застойной зоне, образо ванной в аэродинамическом канале обратной ступенькой приводит к быст рому воспламенению и горению пропан-воздушного потока. Однако эффек тивность горения высокоскоростного потока углеводородного топлива низ кая и пламя не распространяется в основной поток. Горение внутри аэроди намического канала пропан-воздушного потока, полученное при использова нии в качестве стабилизатора пламени прямоугольной каверны с наклонной передней стенкой, представлено на рис. 10. Временной ход давления в аэро динамическом канале в условиях стабилизации горения приведен на рис. 11.

Можно видеть, что после некоторой временной задержки от момента вклю чения комбинированного разряда осуществляется стабилизация горения. По лученные результаты подтверждают эффективность использования комбини рованного СВЧ-разряда в плазменной аэродинамике.

p, Тор 0,0 0,5 1,0 1,5 2, Рис. 10. Горение сверхзвукового (М = 2) пропан- t, с воздушного потока при использовании для вос Рис. 11. Временная зависимость давления в пламенения и стабилизации горения комбиниро аэродинамическом канале в условиях горе ванного СВЧ-разряда, создаваемого в прямо ния пропан-воздушного потока при угольной каверне с наклонной передней стенкой.

= 520 м/с, СВЧ = 30 мкс, p0 = 40 Тор, СВЧ = 10 мкс, f = 100 Гц, DC = 1 с, время экспо WСВЧ = 55 кВт, f = 100 Гц, число СВЧ зиции кадра 20 мс. Сверхзвуковой пропан импульсов N = 100, DC = 1 с, i = 12 A.

воздушный поток направлен справа налево.

Для выявления механизма, приводящего к воспламенению сверхзвуко вого пропан-воздушного потока в четвертой главе диссертации описывают ся математическая модель и программа расчета, позволяющие моделировать процесс автовоспламенения пропан-воздушной смеси при пристеночном вы делении тепла, а также рассчитывать процесс плазменно-стимулированного горения водородно-кислородной и пропан-воздушной смесей. Для описания процесса автовоспламенения использовалась газофазная модель, включаю щая 30 компонент (C3H8,O, H, O2, N2, H2, CO, OH, H2O, HO2, H2O2, HCO, CO2, CH, CH2, CH3, CH4, C2H, C2H2, C2H3, C2H4, C2H5, C2H6, C3H5, C3H6, i C3H7, n-C3H7, CH2O, CH2OH, CH3OH) и 70 химических реакций. При модели ровании автовоспламенения пропан-воздушной смеси использовалась систе ма уравнений, состоящая из уравнения энергии, уравнения изменения плот ности (концентрации) частиц и уравнения состояния. Для определения влия ния плазменных эффектов на воспламенение сверхзвукового потока горючих углеводородно-воздушных газообразных смесей разработана кинетическая модель воспламенения при учете влияния электрического поля на процессы диссоциации молекул и создания активных радикалов, возбужденных и за ряженных (электроны, положительные и отрицательные ионы) частиц в условиях неравновесной плазмы газового разряда. В основу модели плазмен но-стимулированного воспламенения положена система уравнений, описы вающая процессы окисления в воздушно-углеводородной смеси и включаю щая в себя нестационарное кинетическое уравнение для функции распреде ления электронов по энергиям, уравнение для энергии, уравнение изменения плотности (концентрации) частиц и уравнение состояния. Для определения влияния различных каналов на воспламенение горючей смеси была разрабо тана кинетическая модель, включающая в себя 166 компонентов и 1168 пря мых и обратных реакций. При моделировании принимались во внимание та кие компоненты, как нейтральные невозбужденные частицы: H, H2, N2, N, NH, NH2, NH3, N2H, N2H2, N2H3, N2H4, N2O, NO, NO2, NO3, NHO, HNO, HNO2, HNO3, O, O2, OH, H2O, HO2, H2O2, O3, C, C2, CH, CH2, CH3, CH4, C2H, C2H2, C2H3, C2H4, C2H5, C2H6, CO, CO2, HCO, CH2O, CH3O, CH2OH, CH3OH, CH3O2, CH3OOH, C2HO, C2H2O, CH2CO, CH3CO, CH3CHO, C2H5O, C2H5O2, C2H5O2H, CN, C2N, C2N2, HCN, NCO, C3H4, C3H5, C3H6, н-C3H7, изо-C3H7, C3H8, C3H5O, C3H5O2, C3H5O2H, C3H6O, н-C3H7O, изо-C3H7O, н-C3H7O2, изо-C3H7O2, н C3H7O2H, изо-C3H7O2H, C4H, C4H2, C4H3, C4H6, C4H7, C4H8, н-C4H9, втор-C4H9, C4H10, электронно-возбуждённые состояния атомов и молекул: H(2s+2p), H2(c3Пu), H2(a3g+), H2(e3u+), H2(d3Пu ), N2(A3u+), N2(B3g), N2(C3u), N2(D3u), N2(a1g), N2(b1u), N2(a1g+), N2(11.87), N2(a'1u-), N(2D), N(2P), O(1D), O(1S), O2(a1g), O2(b1g+), положительные ионы H2+, H3+, H5+, N+, N2+, HN2+, N3+, N4+, O+, O2+, OH+, H2O+, HO2+, C+, CH+, CH2+, CH3+, C2+, C2H+, C2H2+, C2H3+, C2H4+, C2H5+, C2H6+, C3+, C3H2+, C3H3+, C3H4+, C3H5+, C3H6+, C3H7+, C3H8+, H+, CO+, CH4+, O3+, CO2+, H3O+, O3H2+, O4+, O2+N2, NO+N2, NO+O2, NO+NO, отрицательные ионы O-, OH-, CH4-, H-, O2-, O3-, O4-, CH2-, NO3-, NO3-* и электроны е.

В пятой главе диссертации представлены результаты математического моделирования и их сравнение с экспериментом. Для поиска механизма вос пламенения пропан-воздушной смеси совместно с В.Г.Громовым – сотруд ником Института механики МГУ имени М.В.Ломоносова – была разработана математическая модель теплового автозажигания сверхзвукового пропан воздушного потока в условиях поверхностного СВЧ-разряда при пристеноч ном выделении тепла. Расчет автовоспламенения выполнен для условий вы сокоскоростного потока стехиометрической пропан-воздушной смеси на за тупленной плоской пластине длиной 15 см и толщиной 0.02 см при скорости невозмущенного потока 519 м/с, давлении 98 Тор и температуре 167 К. Вы числения выполнены при аналогичных режиму создания поверхностного СВЧ-разряда условиях. Предполагалось, что тепловая энергия вкладывается импульсно в течение 100 мкс в турбулентный поток с постоянной общей мощностью Pd = 2500 Вт/см однородно в пристеночную область 0.5 см x 15 см, 0 см y 0.1 см.

Данные математического моделирования показывают, что для рассмат риваемых условий воспламенение горючей смеси происходит после оконча ния импульса вкладываемой энергии длительностью 100 мкс на расстоянии приблизительно 4 см от начала пластины. К этому времени газовая темпера тура вблизи стенки достигает 3000 К. После воспламенения фронт горения движется вниз по потоку со скоростью приблизительно 300 м/с. В газовой смеси за фронтом горения доля H2O и CO2 продуктов горения увеличивается, тогда как доля кислорода и промежуточных продуктов горения падает. Мо делирование выявило, что при более коротком нагревающем импульсе или меньшей вкладываемой мощности, когда температура газа не достигает 3000 K, воспламенение не происходит. Эти результаты находятся в проти воречии с экспериментальными данными (полученными при тех же началь ных условиях), которые показывают, что воспламенение высокоскоростного пропан-воздушного потока в условиях поверхностного СВЧ-разряда проис ходит намного быстрее и при температуре газа Tg ~ 1000 К. Это объясняется тем, что при моделировании поверхностный СВЧ-разряд рассматривается только как источник тепловой энергии, вводимой в пограничный слой, а плазменные эффекты не учитываются.

В этой же главе диссертации на основе сравнения результатов матема тического моделирования и экспериментальных данных по инициированию горения пропан-воздушного сверхзвукового потока в условиях низкотемпе ратурной плазмы, создаваемой различными разрядами, анализируется меха низм быстрого плазменно-стимулированного воспламенения газообразных углеводородов. Вначале математическое моделирование влияния плазмен ных эффектов проведено на примере неподвижной водородно-кислородной смеси. Влияние низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда вычислялось с использованием фундаментальной кинетической схемы, включающей 29 компонентов и 241 реакцию. Учитывались нейтральные ча стицы, возбужденные молекулы кислорода, электроны, положительные и от рицательные ионы. При моделировании инициирования воспламенения в условиях низкотемпературной плазмы необходимы данные о вероятностях процессов с участием электронов. Константы скоростей этих процессов вы числялись с использованием рассчитанной функции распределения электро нов по энергиям в зависимости от приведенного электрического поля. Пока зано, что время задержки воспламенения в условиях неравновесной плазмы при низких температурах газовой смеси уменьшается на несколько порядков величины при увеличении температуры электронов от 1 до 1.5 эВ, тогда как с увеличением газовой температуры влияние разряда становится не столь су щественным.

На рис. 12 представлено сравнение экспериментально полученной за висимости задержки воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного по тока от приведенного электрического поля с результатами математического моделирования. Экспериментальные данные получены с использованием для воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока различных разря дов, существующих при различных значениях приведенного электриче - ского поля, а именно, разряда посто - янного тока, создаваемого внутри - аэродинамического канала, импуль -, с сного поперечного по отношению к Эксперимент - потоку электродного разряда, сво - бодно локализованного СВЧ разряда и поверхностного СВЧ - 0 50 100 150 разряда. Промоделировано также E/N, Тд Рис. 12. Зависимость периода индукции от приведенного плазменно-стимулированное горе электрического поля. Высокоскоростной пропан ние стехиометрической пропан воздушный поток с числом Маха потока M = 2.

Эксперимент – данные, полученные с использованием воздушной смеси в условиях СВЧ разряда постоянного тока, импульсного поперечного электродного разряда, свободно локализованного СВЧ разряда, создаваемого в режиме про разряда и поверхностного СВЧ-разряда. Точки – расчет: – самостоятельный поверхностный СВЧ-разряд, 2 – граммированного импульса. Пока программированный СВЧ-разряд (инициация разряда осуществляется импульсом длительностью = 2.8 мкс, зано, что в этих условиях возможно при E/N = 150 Тд), 3 – с ограничением максимальной концентрации электронов значением 4.21012 см-3.

уменьшение минимально необходи мого для поддержания горения удельного энерговклада по сравнению с ре жимом горения в условиях постоянной СВЧ-мощности при равном времени воспламенения.

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

Было установлено, что в условиях автовоспламенения стехиометриче ской пропан-воздушной смеси при температуре 167 К и давлении 98 Тор, первоначально нагретой до температуры 1300 K, развитие цепи воспламене ния пропана начинается в основном с его термического разложения на CH3 и C2H5, и дальнейшего разложения молекулы C2H5 с выделением атома водо рода. Далее вступают в действие следующие цепи реакций. Во-первых, ато марный водород активно взаимодействует с имеющимся в начальном составе смеси молекулярным кислородом, образуя две активные частицы – атомар ный кислород и гидроксил – это ключевая реакция развития цепи. Частицы O, OH и H отрывают атом водорода у молекулы пропана, образуя С3Н7. При этом также происходит восстановле C2H CH ние O до OH, а затем до H2O с выде CH лением тепла. С3Н7, замыкая цепь, C3H C3H8 C2H5 C3H разлагается с образованием H. Во H H вторых, активно протекают следую O H2O щие реакции с метилом – продуктом OH термического разложения пропана:

Реакции термического распада СН3 отрывает атом водорода у моле Реакции, идущие с поглощением C3H Реакции, идущие с поглощением O кулы пропана, образуя С3Н7, который, Рис. 13. Наиболее быстрые реакции развития цепи претерпевая термический распад, тепловой инициации стехиометрической пропан вновь образует молекулу метила (и воздушной смеси, нагретой до T0=1300 K.

этилена). Следует заметить, что по следняя цепь реакций, а также цепь HС3Н7 не связаны напрямую с горени ем и являются эндотермическими, однако они не приводят к потерям уже наработанных активных частиц – H и С3Н7, участвующих в главной цепи воспламенения. В результате протекания описанных выше цепей реакций происходит нагрев смеси, ускоряющий дальнейшие процессы окисления и термического разложения. Также происходит наработка продукта горения – H2O и продуктов разложения пропана – H2, CH4, C2H4 и C3H6. С образовани ем последних получают развитие связанные с ними процессы воспламенения.

Результаты представлены на рис. 13. Следует отметить, что описанные меха низмы являются наиболее важными лишь при указанных начальных услови ях, при других значениях начальной температуры и давления их набор может меняться.

Далее были изучены основные механизмы ускорения описанной цепи автовоспламенения пропан-воздушной смеси в присутствии низкотемпера турной плазмы поверхностного СВЧ-разряда (см. рис. 14). В этом случае сте хиометрическая пропан-воздушная смесь с начальной добавкой электронов (ne0 = 103 см-3) при давлении 98 Тор и температуре 167 К первоначально нагревалась до температуры 300 K и помещалась в условия внешнего СВЧ поля. При достаточных значениях приведенного поля в такой смеси происхо дит развитие лавины разряда с наработкой положительных и отрицательных ионов и свободных электронов. В процессе этого также происходит диссоци ация молекулы кислорода электронным ударом и через возбуждённые состо яния молекулы азота, которые эффективно нарабатываются в плазме поверх ностного СВЧ-разряда. Во-вторых, происходит ускорение основной реакции развития цепи H + O2 O + OH за счет наработанных в разряде возбужден ных состояний a1g и b1g+ молекулы кислорода. В-третьих, образовавшийся в результате реакций цепи воспламенения молекулярный водород активно взаимодействует с O2(a1g, b1g+), образуя две частицы гидроксила. Указан ные состояния O2(a1g, b1g+) также нарабатываются на поздних стадиях вос пламенения – за счёт реакций между OH и HO2 и между H и O3.

Наработка O Ускорение переработки H и H2 в O и OH O2 + e 2 O + e H + O2(a1g) O + OH N2(A3u+) + O2 N2 + 2 O H + O2(b1g+) O + OH N2(B3g) + O2 N2 + 2 O H2 + O2(b1g+) OH + OH N2(C3u) + O2 N2 + O + O(1S) H2 + O2(a1g) OH + OH Наработка N2(A, B, C) Наработка O2(a, b) O2 + e O2(a1g) + e N2 + e N2(A u+) + e N2 + N2(B3g) N2 + N2(A3u+, v=6,7) N2(A3u+) + O2 N2 + O2(a1g) N2 + e N2(B3g) + e O2(b1g+) + M O2(a1g) + M N2(A3u+) + N2(A3u+) N2 + N2(B3g) N2(A3u+) + O2 N2 + O2(b1g+) N2 + e N2(C3u) + e O2 + e O2(b1g+) + e N2(A3u+) + N2(A3u+) N2 + N2(C3u) O(1S) + O2 O(1D) + O2(b1g+) OH + HO2 O2(a1g) + H2O Рис. 14. Основные механизмы воспламенения OH + HO2 O2(b1g+) + H2O пропан-воздушной смеси в присутствии низко температурной плазмы поверхностного СВЧ H + O3 O2(b1g+) + OH разряда.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1. Экспериментально исследовано влияние низкотемпературной неравновес ной газоразрядной плазмы, создаваемой с помощью поперечного по отно шению к газовому потоку электродного разряда, а также самостоятельных свободно локализованного и поверхностного СВЧ-разрядов, на время за держки воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с чис лом Маха М = 2. Показано, что период индукции изменяется от миллисе кундного масштаба времени для разряда постоянного тока, поддерживае мого при малых значениях приведенного электрического поля, до сотен микросекунд в условиях импульсного поперечного разряда, существующе го при E/N = 20-40 Тд, нескольких десятков микросекунд в условиях сво бодно локализованного и единиц микросекунд для поверхностного СВЧ разрядов, существующих при больших значениях приведенного электри ческого поля E/N = 100-200 Тд.

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

3. Для условий самостоятельного СВЧ-разряда, существующего в течение сотен микросекунд при больших значениях приведенного электрического поля E/N = 100-200 Тд, разработана кинетическая модель воспламенения водородно-кислородной смеси, учитывающая влияние электрического по ля на процессы диссоциации молекул и наработку активных радикалов, возбужденных и заряженных частиц. Математическое моделирование вы явило сильное влияние разряда на время задержки воспламенения при низ ких температурах газа. Показано, что при начальной газовой температуре Tg=900 K и атмосферном давлении стехиометрической H2-O2 смеси период индукции изменяется от ~1 мс при электронной температуре Te=0.1 эВ до ~1 мкс при Te=1.6 эВ. Рассмотрены четыре редуцированные кинетические схемы и показана роль различных компонент и реакций на нетепловое инициирование воспламенения с помощью микроволновой плазмы Н2-О смеси.

4. В условиях поверхностного СВЧ-разряда проведено математическое моде лирование процесса плазменно-стимулированного воспламенения пропан воздушной смеси с составом C3H8:O2=1:5 и O2:N2=21:79 при начальной га зовой температуре 300 К, начальном давлении 176 Тор, начальной концен трации электронов 103 см-3 и различных значениях 130-200 Тд приведенно го электрического поля. Показано, что рассчитанная зависимость периода индукции от приведенного электрического поля удовлетворительно согла суется с экспериментальными данными. Выявлены основные механизмы ускорения воспламенения пропан-воздушной смеси в условиях низкотем пературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда. Также с помощью моде лирования автовоспламенения сверхзвукового (М = 2) пропан-воздушного потока при пристеночном выделении тепла вблизи поверхности пластины выявлена важность учета плазменных эффектов. Показано, что в этих условиях быстрое в течение 100 мкс воспламенение может быть осуществ лено только при нагреве газа до 3000 К, при нагреве газа до температур меньших 3000 К или при использовании импульсного источника тепла длительностью меньше 100 мкс автовоспламенение в сверхзвуковом пото ке на пластине длиной 15 см не успевает произойти, тогда как плазменно стимулированное воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного по тока в условиях поверхностного СВЧ-разряда происходит при длительно сти 5-20 мкс и при нагреве газа до 1000-1500 К.

5. Промоделировано плазменно-стимулированное горение стехиометриче ской пропан-воздушной смеси в условиях СВЧ-разряда, создаваемого в режиме программированного импульса. Показано, что с помощью про граммированного режима создания разряда возможно уменьшение мини мально необходимого для поддержания горения удельного энерговклада по сравнению с режимом горения для непрерывного подвода СВЧ-энергии при равном времени воспламенения. Результаты выполненных экспери ментальных исследований и данные математического моделирования поз воляют сделать вывод о том, что низкотемпературная неравновесная газо разрядная плазма микроволновых разрядов является перспективным сред ством для инициирования воспламенения, а использование программиро ванного режима создания разряда эффективно для поддержания стацио нарного горения сверхзвуковых потоков углеводородного топлива.

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

2. Starikovskaya S.M. Plasma assisted ignition and combustion. //J. Phys. D:

Appl. Phys. 2006, v. 39, p. R265-299.

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

4. Шибков В.М., Ершов А.П., Черников В.А., Шибкова Л.В. Сверхвысокоча стотный разряд на поверхности диэлектрической антенны // Журнал тех нической физики, 2005, т. 75, № 4, с. 67-73.

5. Vinogradov V.A., Shikhman Y.M., Kossiy I.A. et.al. Effect of input energy level on ignition performance of MW surface discharge spark plug.

// Proceedings of 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Aerospace Ex hibit, 5-8 January 2009, Orlando, Florida, USA, AIAA 2009-494.

6. Esakov I., Grachev L., Khodataev K., Van.Wie D. Experiments on propane ig nition in high-speed airflow using a deeply undercritical microwave discharge.

// Proceedings of 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2004, Reno, NV, USA, AIAA-2004-0840.

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

8. Bityurin V.A. Optimization of plasma generators for plasma assisted combus tion. // Proceedings of 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2001, Re no, NV, USA, AIAA-2001-2874.

9. Bocharov A., Bityurin V., Klement’eva I., Klimov A. Experimental and numer ical study of MHD assisted mixing and combustion. // Proceedings of 44th Aer ospace Sciences Meeting and Exhibit, 2006, Reno, NV, USA, AIAA-2006 1009.

10. Кочетов И.В., Напартович А.П., Леонов С.Б. Плазменное инициирование горения в сверхзвуковом потоке в топливно-воздушных смесях. Пробле мы моделирования. // Химия высоких энергий. 2006, т. 40, № 2, с. 1-8.

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

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СТАТЬЯХ В РЕФЕРИРУЕМЫХ НАУЧНЫХ ЖУРНАЛАХ:

1. В.М.Шибков, А.Ф.Александров, А.П.Ершов, А.А.Карачев, Р.С.Констан тиновский, И.Б.Тимофеев, В.А.Черников, Л.В.Шибкова. Воспламенение сверхзвукового потока углеводородного топлива с помощью сверхвысо кочастотных разрядов. // Вестник Московского университета, Серия 3.

Физика. Астрономия. 2004, № 5, с. 67-69.

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

3. В.М.Шибков, С.А.Двинин, А.П.Ершов, Р.С.Константиновский, О.С.Сурконт, В.А.Черников, Л.В.Шибкова. Поверхностный сверхвысоко частотный разряд в воздухе. // Физика плазмы, 2007, т. 33, № 1, с. 77-85.

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

5. В.М.Шибков, Л.В.Шибкова, В.Г.Громов, А.А.Карачев, Р.С.Констан тиновский. Влияние поверхностного СВЧ разряда на воспламенение вы сокоскоростных пропан-воздушных потоков. // Теплофизика высоких температур. 2011, т. 49, № 2, с. 163-176.

В СТАТЬЯХ В КНИГАХ, СБОРНИКАХ И ТРУДАХ КОНФЕРЕНЦИЙ:

6. V.M.Shibkov, V.A.Chernikov, A.P.Ershov, A.A.Karachev, R.S.Konstan tinovskij, L.V.Shibkova, I.B.Timofeev, A.V.Voskanyan, V.V.Zlobin. Propane air mixture ignition with the help of the surface discharge. // International Con ference on Physics of Low Temperature Plasma PLTP-03, Kiev, Ukraine, May 11–15, 2003. Invited Paper, p.1-6.

7. V.M.Shibkov, A.D.Abramova, V.A.Chernikov, A.P.Ershov, V.G.Gromov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, I.B.Timofeev, A.V.Vos kanyan. Microwave discharges in supersonic plasma aerodynamics. // AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 5-8 January 2004, Reno, Ne vada, USA, 75-WIG-3, AIAA-2004-0513, p.1-11.

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

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

10. V.M.Shibkov, V.A.Chernikov, A.P.Ershov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinov skij, L.V.Shibkova, A.V.Voskanyan, V.V.Zlobin. Influence of low temperature non-equilibrium gas discharge plasma on ignition and burning of the superson ic flow of the combustible hydrocarbon fuels. // XV International Conference on MHD Energy Conversion and VI International Workshop on Magnetoplas ma Aerodynamics. Moscow, Russia, May 24-27 2005, v.3, p.711-730.

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

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

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

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

15. Шибков В.М., Громов В.Г., Ершов А.П., Константиновский Р.С., Черни ков В.А., Шибкова Л.В., Злобин В.В. Нетепловое воспламенение сверх звукового потока углеводородного топлива в условиях неравновесной га зоразрядной плазмы. //Доклад на 4-ой научной школе-конференции ”Ак туальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики”, г.Алушта, Крым, 18-24 сентября 2006г., с.1- 16. Shibkov V.M., Alexandrov A.F., Chernikov V.A., Ershov A.P., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Zlobin V.V. Freely localized and sur face microwave discharges in high-speed flows. //VI International Workshop Microwave discharges: Fundamentals and applications, September 11-15, 2006, Zvenigorod, Russia. Proceedings. Edited by Yu.A.Lebedev. Yanus-K, Moscow, 2006, p. 95-100.

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

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

19. V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, R.S.Konstantinovskij. Ignition of Thin Films of Liquid Hydrocarbons under Conditions of a Surface Microwave Discharge.

//47th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 5-8 January 2009. Orlando. Florida.

American Institute of Aeronautics and Astronautics. AIAA-2009-492.

20. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Карачев А.А., Константиновский Р.С. Па раметры плазмы поверхностного СВЧ разряда в воздухе и воздушно углеводородных смесях. //Научная конференция Ломоносовские чтения.

МГУ, апрель 2009, Подсекция «Газодинамика, термодинамика, ударные волны», с. 239-243.

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

22. Константиновский Р.С., В.М.Шибков, Шибкова Л.В. Плазменно стимулированное воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного по тока в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда.

//Научная конференция Ломоносовские чтения. МГУ, апрель 2010, Под секция «Газодинамика, термодинамика, ударные волны», с. 207-211.

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



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.