Автореферат (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы)

На правах рукописиКОПЫЛ Павел ВладимировичВОСПЛАМЕНЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯУГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ01.04.08 – физика плазмыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорШибков Валерий МихайловичОфициальные оппоненты:Климов Анатолий Иванович,доктор физико-математических наук,Объединенный институт высоких температурРоссийской академии наук,зав.

отделомБережецкая Наталья Константиновна,кандидат физико-математических наук,Институт общей физики имени А.М. ПрохороваРоссийской академии наук,старший научный сотрудникВедущая организация:Московский радиотехнический институтРоссийской Академии НаукЗащита состоится 18 сентября 2014 года в 15-30 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.2,Физический факультет МГУ, ауд. ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В. Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/Автореферат разослан 18 июля 2014 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов2I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В настоящее время в российской и мировой науке всебольшую актуальность приобретают исследования в области сверхзвуковойплазменной аэродинамики, что связано с технологией создания новых видоввысокоскоростных транспортных и космических систем. Для развитиясовременной авиации, предназначенной для высоких скоростей полета, требуетсяпоиск и разработка инновационных фундаментальных методов, позволяющихобеспечивать быстрое объемное воспламенение и управление процессом горенияуглеводородного топлива в условиях сверхзвукового потока.

Однако при такихскоростях трудно реализовать стабилизацию и полное сгорание топлива внутриаэродинамического канала без застойных зон. В прямоточном воздушнореактивном двигателе для решения этой проблемы осуществляют нагрев рабочеготела за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха, но при скоростилетательного аппарата М = 6 температура заторможенного рабочего тела вдвигателе может достигать с учетом трения и скачков уплотнения в реальномпроцессе более 2200 К.

При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счетсжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемыхтермической стойкостью конструкционных материалов двигателя. Поэтому длясверхзвуковых летательных аппаратов, оснащенных прямоточным воздушнореактивным двигателем, скорость полета с числом Маха М = 5 считаетсяпредельной. Одним из новых решений данной проблемы является использованиегазовых разрядов с целью направленного воздействия на поток с помощьюлокального выделения в нем дополнительной энергии, способствующей полномусжиганию топлива в достаточно коротких камерах сгорания длиной L ~ 1 м приумеренных температурах воздушно-углеводородного топлива Т ~ 1000 К.Работа относится к приоритетному для Российской Федерации направлению– авиационно-космические и гиперзвуковые системы, связанному с технологиейсоздания новых видов высокоскоростных транспортных и космических систем.Разработки гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей,ведущиеся уже более тридцати лет, в последнее время вышли на качественноновый уровень – создаются экспериментальные образцы силовых установок, наоснове которых в течение ближайшего десятилетия планируется разработатьперспективные пилотируемые системы, работоспособные в широком диапазонеполетных чисел Маха.

Выполненные в диссертации исследования связаны сразработкой способов повышения эффективности горения высокоскоростныхпотоков воздушно-углеводородного топлива за счет разработки физическихпринципов применения плазменных технологий для целей уменьшения временивоспламенения горючего, увеличения полноты сгорания топлива и стабилизациисверхзвукового горения. В условиях низкотемпературной газоразрядной плазмывозможен режим горения, когда наработка активных частиц практически на всемпротяжении реакции осуществляется электронным ударом.

Методы управлениягорением воздушно-углеводородных потоков, основанные на генерацииэлектрических разрядов, представляются в настоящее время наиболееперспективными [1-13]. Применение комбинированных разрядов [14-15] можетобеспечить необходимую скорость и интенсивность горения.3Диссертация посвящена изучению возможности применения неравновеснойнизкотемпературной плазмы для воспламенения и стабилизации горенияуглеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках.Фундаментальной научной проблемой, на решение которой направленыисследования, является разработка способов повышения эффективности сгораниясверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков, основанных на новейшихфизико-химических принципах применения плазменных технологий для целейуменьшения времени воспламенения горючего, стабилизации горения иувеличения полноты сгорания свободных высокоскоростных потоков воздушноуглеводородного топлива.Целью диссертационной работы является экспериментальное изучениепроцессов, протекающих в условиях инициированного низкотемпературнойгазоразрядной плазмой сверхзвукового горения воздушно-углеводородноготоплива.Для достижения поставленной цели решались следующие основныезадачи:1.

Создание на основе новых и модифицированных стандартных контактных ибесконтактных методов диагностического комплекса, необходимого дляизмерения в масштабах реального времени параметров плазмы и пламени,возникающего при плазменно-стимулированном горении газообразных ижидких углеводородных топлив, а также определения полноты их сгорания вусловиях сверхзвуковых воздушных потоков.2. Разработка основанной на передовых достижениях физики плазмы, газовойдинамики и физической химии инновационной плазменной технологииуправления процессом горения воздушно-углеводородного топлива в условияхсверхзвукового потока.3. Реализация в свободном пространстве и внутри аэродинамического каналастабилизации сверхзвукового горения углеводородного топлива в газообразнойи жидкой (спрей) фазах.4. Изучениепроцессов,протекающихвусловияхинициированногонизкотемпературной газоразрядной плазмой сверхзвукового горения воздушноуглеводородных топлив.5.

Определение полноты сгорания высокоскоростных потоков пропанвоздушного, спирт-воздушного и пропан-спирт-воздушного топлива в условияхнизкотемпературной газоразрядной плазмы.Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись какбесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследованияпроводились с временным и пространственным разрешением с помощьюсозданного диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров испектрографов с цифровой регистрацией спектра; блока зондовой диагностики сцифровой регистрацией вольт-амперных характеристик; датчиков давления;термопар; тензодатчиков; теневой установки; рефракционных лазерных датчиков;накаливаемого потоком пламени электрического зонда; системы измеренияпроводимости пламени; электронных датчиков измерения концентраций пропана,углекислого газа, температуры, абсолютной и относительной влажности; цифровыхфотоаппаратов;высокоскоростнойцифровойвидеокамеры;цифровыхосциллографов; компьютеров.4Научная новизна работы заключается в следующем:- разработан и создан диагностический комплекс, позволяющий в масштабахреального времени проводить измерения пространственно-временнойэволюции характеристик газоразрядной плазмы и пламени, возникающего приплазменно-стимулированном горении воздушно-углеводородного топлива;- впервые в условиях программированного разряда, представляющего собойкомбинацию поверхностного СВЧ-разряда и разряда постоянного тока,реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение спирта,вводимого в капельной (в виде спрея) фазе в дозвуковой (М=0.3-0.9)воздушный поток;- впервые показано, что в процессе перехода от разряда в воздушном потоке кстабилизации плазменно-стимулированного горения жидкого углеводородноготоплива резко изменяются внешний вид и вольтамперная характеристикаразряда, спектр излучения и интегральная интенсивность свечения пламени,тепловой поток, концентрация электронов, интенсивность излучениягидроксила, временные зависимости разрядного тока и особенно напряжения наразрядном промежутке;- впервые показано, что полнота сгорания заранее не активированного жидкогоспирта при стабилизации его горения в условиях комбинированного разряда,создаваемого в высокоскоростных воздушных потах, достигает 80 % и более взависимости от подводимой мощности и скорости потока, причем горениепроисходит при температуре пламени порядка 2000 К.- впервые осуществлена стабилизация плазменно-стимулированного горениямногокомпонентного спирт-пропан-воздушного топлива на поверхностидиэлектрической пластины, обтекаемой дозвуковыми и сверхзвуковымивоздушными потоками и проведено исследование этого явления;- реализована в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмыстабилизация горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутригладкого (без застойных зон) расширяющегося аэродинамического канала;- определеныпространственно-временныераспределенияконцентрацииэлектронов внутри аэродинамического канала, а также температуры пламенивнутри и на выходе расширяющегося гладкого канала, моделирующего камерусгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя;- показано, что без использования застойных зон низкотемпературнаягазоразрядная плазма является стабилизатором горения высокоскоростныххолодных потоков углеводородного топлива.На основе полученных результатов была разработана инновационнаяплазменная технология для ее применения при конструировании новых схемпрямоточных воздушно-реактивных двигателей.

Отличительной особенностью ипреимуществомпроведенныхисследованийявляетсякомплексный,междисциплинарный и инновационный подход к решению проблемы управленияпроцессом сверхзвукового горения воздушно-углеводородного топлива в условиях,приближенных к камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя.Достоверность результатов. Экспериментальные результаты получены наразличных экспериментальных установках.

Достоверность результатов обеспеченаиспользованием широкого спектра различных диагностических методов. Причемполученные различными методами данные находятся в хорошем соответствии5между собой, а также с результатами других групп исследователей. Это позволяетсчитать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты могутслужить основой для понимания и объяснения влияния низкотемпературнойгазоразрядной плазмы на физико-химические процессы, ответственные за быстроевоспламенение и стабилизацию горения сверхзвуковых потоков углеводородноготоплива.