Автореферат (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 2

Результаты диссертации представляют не только академический интерес,но и являются научной базой для выработки рекомендаций по использованиюгазоразрядной плазмы при создании летательных аппаратов нового поколения, вчастности, для быстрого воспламенения и стабилизации горения сверхзвуковыхпотоков воздушно-углеводородного топлива. Практическая реализация ивнедрение быстрого плазменно-стимулированного воспламенения сверхзвуковыхвоздушно-углеводородных потоков и оптимизация режима горения топливапозволит существенно уменьшить продольные размеры камеры сгоранияпрямоточного воздушно-реактивного двигателя, снизить вес двигателя, увеличитьэффективность его работы, и, соответственно, увеличить долю массы полезнойнагрузки, что снизит стоимость эксплуатации летательных аппаратов.Основные положения диссертации, выносимые на защиту.1.

Разработанный и экспериментально апробированный диагностическийкомплекс измерения в масштабах реального времени пространственновременных параметров пламени, возникающего в условиях плазменностимулированногогорениявысокоскоростныхпотоковвоздушноуглеводородных топлив.2. Экспериментальная реализация стабилизации плазменно-стимулированногогорения многокомпонентных (воздух-спирт, воздух-пропан, воздух-спиртпропан) топлив на поверхности диэлектрической пластины, обтекаемойдозвуковыми и сверхзвуковыми воздушными потоками.3. Стабилизация с помощью низкотемпературной газоразрядной плазмы горениясверхзвукового пропан-воздушного потока внутри гладкого (без застойныхзон) расширяющегося аэродинамического канала.4.

Полученный с использованием созданного диагностического комплекса наборпространственно-временных распределений параметров плазмы и пламени,возникающего при сверхзвуковом горении воздушно-углеводородного топлива.5. Реализованная в условиях комбинированного разряда полнота сгоранияпропана, достигающая 95-100 % в дозвуковом воздушном потоке, и 90-95% вусловиях сверхзвуковых потоков, а также полнота сгорания заранее неактивированного спирта, равная 80 %.6.

Близкое к максимально возможной величине значение тяги, зафиксированноепри сжигании пропан-воздушного топлива внутри снабженного выходнымсоплом расширяющегося аэродинамического канала с присоединеннымвоздуховодом при атмосферном давлении окружающего воздуха.7. Комплексэкспериментальныхрезультатов,свидетельствующийобэффективности предложенного плазменного метода для реализации сжиганиятоплива внутри аэродинамического канала, моделирующего условия в камересгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя.Личный вклад автора. В диссертации приведены результаты, полученныенепосредственно автором или при его активном участии. Диссертант лично6проводил как экспериментальные измерения, так и обработку полученных данных.Совместно с соавторами непосредственно участвовал в написании научных статей,а также в подготовке и представлении устных и стендовых докладов на научныхконференциях.

Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшиев диссертацию, является определяющим. Автором проведены экспериментальныеисследования влияния плазменных эффектов на процесс стабилизации горения вусловиях плазмы поперечного по отношению к потоку электродного разряда, атакже комбинированного СВЧ-разряда. Квалификационная ценность исследованийпризнана российским и международным научными сообществами.

Результаты,полученные автором и вошедшие в диссертацию, являлись базовыми для отчетовпо грантам РФФИ (№ 08-02-01251-а, № 11-02-01091-а), по Программефундаментальных исследований Президиума РАН (Р-09) «Исследование веществав экстремальных условиях» и гранту CRDF (№ RUP-1514-MO-06).Апробация результатов.

Основные результаты диссертационной работыдокладывались лично автором на 15 российских и международных конференциях:на 13 th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, 2014, Moscow,Russia; на XLI Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы иУТС, 2014, Звенигород, Россия; на научной конференции «Ломоносовские чтения».Секция физики. МГУ, физический факультет, 2014, Москва, Россия; на 51 st AIAAAerospace Sciences Meeting, 2013, Grapewine, Texas, USA; на 12th InternationalWorkshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, 2013, Moscow, Russia; на научнойконференции «Ломоносовские чтения». Секция физики. МГУ, физическийфакультет, 2013, Москва, Россия; на 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2012,Nashville, Tennessee, USA; на 11th International Workshop on Magneto-PlasmaAerodynamics, 2012, Moscow, Russia; на VIII International Workshop MicrowaveDischarges: Fundamentals and Applications (MD-8), 2012, Zvenigorod, Russia; нанаучной конференции «Ломоносовские чтения».

Секция физики. МГУ, физическийфакультет, 2012, Москва, Россия; на 10th International Workshop on Magneto-PlasmaAerodynamics, 2011, Moscow, Russia; на научной конференции «Ломоносовскиечтения». Секция физики. МГУ, физический факультет, 2011, Москва, Россия; на 8thInternational Workshop «Strong Microwaves and Terahertz Waves Sources andApplications», 2011, Nizhny Novgorod, Russia; на XXXVIII Международной(Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2011, Звенигород,Россия; на XXXV Международной (Звенигородской) конференции по физикеплазмы и УТС, 2008, Звенигород, Россия.Публикации. Основные результаты, включенные в диссертацию,представлены в 27 научных публикациях, в том числе: в 5 статьях в реферируемыхнаучных журналах из перечня ВАК РФ, в 12 статьях в книгах, научных сборниках,материалах международных и российских конференций, а также в 10 тезисахдокладов.

Список публикаций приведен в конце автореферата.Объем и структура диссертации. Основное содержание диссертацииизложено на 184 страницах машинописного текста, включая 84 рисунка и 9таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, в которомсформулированы основные выводы. Список цитируемой литературы содержит 148наименований.7II.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированыцели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимостьработы, достоверность полученных результатов и личный вклад автора, а такжеприведены сведения об апробации работы и публикациях. Приведено краткоеописание работы.В первой главе диссертации кратко анализируются работы, посвященныеэкспериментальному изучению влияния низкотемпературной газоразряднойплазмы на воспламенение воздушно-углеводородных топлив в высокоскоростныхпотоках, а также математическому моделированию плазменно-стимулированногогорения различных углеводородов.Во второй главе диссертации описываются экспериментальные стенды, накоторых проводились исследования. На первой установке изучался процессвоспламененияистабилизацииплазменно-стимулированногогоренияуглеводородного топлива с помощью комбинированного разряда на внешнейповерхностидиэлектрическойпластины,обтекаемойдозвуковымиисверхзвуковыми воздушными потоками.

Установка состоит из вакуумной камеры,системы для создания сверхзвукового воздушного потока, ресивера высокогодавления воздуха, ресивера высокого давления пропана, системы для смешиванияпропана с воздухом, системы инжекции жидкого углеводородного топлива,магнетронного генератора, системы для ввода СВЧ-энергии в камеру,аэродинамического канала прямоугольного сечения, высоковольтного источникапитания для создания разряда постоянного тока, системы синхронизации идиагностической аппаратуры. Основой экспериментальной установки являетсяоткачиваемая металлическая цилиндрическая барокамера, которая одновременнослужит как для обеспечения необходимого давления при исследовании свойствгазоразрядной плазмы в неподвижном воздухе, так и для создания сверхзвуковогопотока, а также в роли резервуара для выхлопных газов и продуктов горения.Внутренний диаметр вакуумной камеры равен 1 м, ее длина равна 3 м.

Вакуумнаясистема позволяет проводить исследования в широком диапазоне давлений р = 10760 Тор. Сверхзвуковой поток создается при заполнении барокамеры воздухомчерез профилированное сопло Лаваля, установленное на выходной трубкеэлектромеханического клапана.Система хранения воздуха высокого давления состоит из газгольдераобъемом 0.562 м3 с компрессором, поднимающим давление воздуха в ресивере довеличины р = 1-5 атм; клапана высокого давления; детектора для измерениядинамического давления; электромагнитного клапана с временем срабатыванияt ~ 0.05 с, обеспечивающего длительность пуска t = 0.5-3.0 с.

Секундный массовыйрасход воздуха в эксперименте мог изменяться от 25 г/с до 150 г/с. Системанакопления и хранения газообразного горючего состоит из стандартного баллонаобъемом 0.04 м3, который содержит жидкий пропан. Через запорный клапан иредуктор уже газообразное топливо поступает в ресивер объемом 0.012 м3. Воздухи пропан первоначально поступают в смеситель, установленный в дозвуковойчасти канала. Смешение происходит в основном до критического сечениясверхзвукового сопла Лаваля.

Секундный массовый расход пропана вэксперименте мог изменяться от 1 г/с до 6 г/с. Эквивалентное отношение a для8пропана, равное отношению доли пропана в топливе к его доли в стехиометрическойсмеси, изменялось от 0.5 до 2. Система инжекции жидкого углеводородноготоплива в высокоскоростной воздушный поток состоит из металлического баллона,заполненного жидким углеводородным топливом. Баллон соединен черезгерметически впаянную в верхнюю крышку металлическую трубку и гибкий шлангс инжектором.

Металлическая трубка была герметически впаяна в один изиллюминаторов барокамеры. Это позволяет в целях безопасности проводитьэксперименты с вынесенным за пределы разрядной камеры запасом жидкоготоплива. Инжекция спирта осуществляется или непрерывно в течениеопределенного времени, или в импульсно-периодическом режиме срегулируемыми длительностями импульсов и частотой их следования.