Автореферат (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 3

Секундныймассовый расход спирта в эксперименте мог изменяться от 0.5 г/с до 2.5 г/с.СВЧ-разряд используется для предварительного создания плазмы ибыстрого воспламенения. Источником СВЧ-излучения служит импульсныймагнетронный генератор сантиметрового диапазона длин волн, имеющийследующие характеристики: длина волны l = 2.4 см; импульсная СВЧ-мощностьW < 75 кВт; длительность импульсов t = 5-150 мкс; скважность Q = 1000, при этомсредняя СВЧ-мощность не превышает 100 Вт.

Для изучения процесса горенияуглеводородных топлив в условиях комбинированного разряда, генерируемого навнешней поверхности диэлектрической антенны, обтекаемой высокоскоростнымвоздушным потоком, используется источник питания с выходным напряжениемU = 2.5-5.5 кВ, обеспечивающий разрядный ток i = 1-15 A при длительностиимпульса от 0.1 до 2 с. Параметры источника позволяют создавать электродныйразряд постоянного тока в сверхзвуковом потоке при подводимой мощности до10 кВт. Ввод СВЧ-излучения в вакуумную камеру осуществляется черезгерметизированный блок, расположенный на одном из иллюминаторов. СВЧэнергия с помощью волновода подводилась к диэлектрической антенне,выполненной из кварца. Антенна представляет собой диэлектрический стерженьпрямоугольного сечения размером 9х18 мм и длинной 11 см с клинообразнойторцевой частью с углом 25 0 при вершине клина.

Она устанавливалась по осисимметрии сверхзвукового сопла. Направление сверхзвукового потока былопротивоположно распространению поверхностного СВЧ-разряда.В этой конфигурации разряд постоянного тока, возникая междуэлектродами, сносится вниз по потоку и замыкается на заземленныйметаллический волновод, подводящий микроволновую энергию к кварцевойантенне. После этого разряд переходит в форму поперечно-продольного разряда исуществует между высоковольтным электродом и заземленным волноводом.

Ввоздушном потоке конец разрядного канала, касающийся металлическоговолновода, начинает скользить по волноводу. Длина канала увеличивается, падениенапряжения на нем растет до тех пор, пока источник питания может обеспечитьнапряжение, необходимое для поддержания растущего канала. При достижениимаксимально возможной длины для данных условий эксперимента разрядпрекращается. При этом происходит новый пробой газа по кратчайшемурасстоянию или между электродами, или между высоковольтным электродом изаземленным волноводом, и процесс повторяется далее периодически.Для предотвращения замыкания разрядного канала на заземленныйволновод, была изменена конфигурация создания комбинированного разряда.

Приэтом микроволновая энергия и высокоскоростной воздушный поток9распространяются в одном направлении. Разряд постоянного тока создается натефлоновой пластине, в которую заподлицо с ее поверхностью вставлены дваэлектрода специальной конфигурации. В эту же пластину монтируется кварцеваяантенна так, что ее поверхность располагается на одном уровне с поверхностьюпластины, а ее передний торец располагается на расстоянии приблизительно 0.5 смот электродов.

Это было сделано для того, чтобы не происходил пробой междувысоковольтным электродом и заземленным волноводом через плазмуповерхностного СВЧ-разряда. Блок-схема установки представлена на рис. 1. Вэкспериментах измерения проводились с использованием прямоугольного сопла,рассчитанного для потока с43числомМахаM = 2.Электромеханическийклапан321222324R252613(14) установлен на фланце14иллюминатора камеры, при15918 192027этом подводящий воздуховод1628121711(15), сопло Лаваля (16) и6229510прямоугольный канал (17)3031располагались так, чтобы13435367сверхзвуковой поток был45направлен под углом 150 к8444132 3342373839плоскостипластины.Это40связаностем,чтоиз-за4техническихособенностейРис. 1.Блок-схемамодернизированнойэкспериментальнойотдельных узлов установки неустановки: 1 – вакуумная камера, 2 – магнетрон, 3, 4 – системапредставлялосьвозможнымсинхронизации, 5 – металлический волновод, 6 – направленныйответвитель, 7 – кристаллический детектор, 8 – импульсныйполностьюсовместитьвольтметр, 9 – нагрузка, 10 – диэлектрическая антенна, 11 –направления распространенияэлектроды для создания разряда постоянного тока, 12 –программированный СВЧ разряд, 13 – ресивер высокого давленияСВЧ-энергии и воздушноговоздуха, 14 – электромеханический клапан, 15 – подводящий шланг,потока.Система16 – сопло Лаваля, 17 – прямоугольный аэродинамический канал, 18 –синхронизациипозволяетдатчик давления, 19 – термопара, 20 – инжектор, 21, 22 – усилители,23 – блок питания инжектора, 24 – источник питания двойного зонда,вводитьвоздух,жидкоеR – измерительное сопротивление, 25 – цифровой осциллограф, 26 –углеводородноетопливо,усилитель сигнала от термопары, 27 – двойной зонд, 28 – термопара,29 – насадок для измерения статического давления и давленияпропанилипропанторможения, 30, 31 – датчики давления, 32 – цифровойвоздушнуюсмесьвмногоканальный спектрограф, 33 – монохроматор, 34, 35, 36 –световоды, 37 – фотоэлектронный умножитель, 38, 39 – усилители, 40аэродинамический канал с- видео и фото цифровые камеры, 41 – импульсная теневая установка,фиксированными задержками42, 43 – компьютеры, 44 – вакуумные насосы, 45 – вентиль.по отношению друг к другу, атакже позволяет создавать поверхностный СВЧ-разряд в режиме одиночногоимпульса, в импульсно-периодическом режиме или в программированном режиме.При этом возможно изменять в широком диапазоне длительность импульсов, числои частоту следования импульсов.Без использования застойных зон в условиях импульсного самостоятельногоразряда сверхзвуковое горение свободных воздушно-углеводородных потоковпроисходит только в течение длительности импульса, и пламя срывается послепрекращения подвода энергии.

Для стационарного плазменно-стимулированногогорения необходимо оптимизировать режим инициации разряда, что может бытьосуществлено при создании разряда в режиме программированного импульса.10В первом эксперименте по использованию газоразрядной плазмы длястабилизации внутреннего горения высокоскоростного пропан-воздушного потокапри атмосферном давлении окружающего воздухаиспользовался короткий аэродинамический канал,продольный размер которого меньше 10 см. Нарис. 2представленафотографияплазменностимулированного горения в коротком канале.Топливо не успевает полностью сгореть внутриэтого канала. В условиях эксперимента полнотаРис. 2.

Плазменно-стимулированноесгорания порядка 30 %. Для того чтобы повыситьгорение высокоскоростного (М ~ 1)пропан-воздушного потока. р = 1 атм,эффективность горения, необходимо было увеличитьдлительность разряда t = 1 с, времявремя нахождения топлива внутри камеры сгорания,экспозиции tэкс = 20 мс.т.е. либо уменьшить скорость потока, что для наснеприемлемо, либо увеличить продольные размеры канала. Были разработаны иизготовлены новые гладкие (без застойных зон) аэродинамические каналыпрямоугольного сечения. Чтобы избежать ихзапирания при плазменно-стимулированномгорении воздушно-углеводородного топлива ввысокоскоростном потоке каналы были спеременным сечением, причем отношениевыходного сечения к входному S 2/S1 = 5, 8 и 12.Продольная длина каналов соответственно 70,60 и 50 см.

Общий вид аэродинамическогоРис. 3. Общий вид аэродинамического канала.канала длиной 50 см с S2/S1 = 12, помещенноговнутрь барокамеры, можно видеть на фотографии (рис. 3).В третьей главе диссертации представлено описание разработанного исозданного на базе современного оборудования диагностического комплекса,позволяющего в масштабах реального времени проводить как бесконтактными, таки контактными методами измерения пространственно-временной эволюциихарактеристик не только газоразрядной плазмы, но и пламени, возникающего приплазменно-стимулированном горении воздушно-углеводородноготоплива.Комплекс включает в себя широкий набор методов исследования, как стандартных,применяемых в различных лабораториях при исследовании свойств газоразряднойплазмы, так и разработанных в нашей лаборатории для диагностики плазменныхсистем, создаваемых в высокоскоростных потоках воздуха и в воздушноуглеводородных смесях. Процесс плазменно-стимулированного воспламенения игорения углеводородов фиксируется с использованием цифрового фотоаппаратаD50, цифровой видеокамеры «Nokia» и цифровой видеокамеры «ВидеоСпринт» сэлектронно-оптическимнаносекунднымзатвором.Припоследующемвоспроизведении изображений на мониторе компьютера можно измерять размерыобласти горения, фиксировать момент начала воспламенения и определятьпространственно-временную эволюцию процесса горения.

Спектр излученияпламени фиксируется с помощью цифрового двухканального спектрографа«AvaSpec-2048-2-DT».Температурагазаопределяетсяизсравненияэкспериментально измеренных и синтезированных молекулярных полос N2, CN иCH. При моделировании распределение по вращательным и колебательнымуровням предполагается больцмановским. Используются разработанные намипрограммы для расчета спектров и отдельно для расчета факторов Хенля-Лондона.11Расчеты производятся по программе, позволяющей накладывать заранее заданноеуширение на вращательные переходы синтезированного молекулярного спектра.При воспламенении и горении воздушно-углеводородных топлив температурапламени на выходе их зоны горения определяется по току термоэлектроннойэмиссии, возникающему при разогреве двойного вольфрамового зонда,помещенного в горячий поток, а также по сплошному спектру, испускаемомунакаленным вольфрамовым стержнем.

Для визуализации ударных волн игазодинамическихвозмущений,возникающихпривоспламененииуглеводородного горючего, используется импульсная теневая установка. Динамикавоспламенения углеводородов изучается также с помощью оптическихрефракционных датчиков и коллимированных фотоэлектронных умножителей.Изменение тепловых потоков, идущих от области пространства, в которойсоздаетсякомбинированныйразряд,приводящийквоспламенениюуглеводородного топлива, регистрируется с помощью термопар. В экспериментахфакт воспламенения и стабилизации горения высокоскоростного потокауглеводородного топлива определяется по резкому изменению интенсивностисвечения гидроксила ОН и полосы CN, по изменению общего вида разряда, поизменению временного хода импульса разрядного тока и особенно импульсанапряжения на разрядном промежутке. При стабилизации горения резкоуменьшаются колебания напряжения на разрядном промежутке, а послепрекращения подачи горючего сильные колебания напряжения восстанавливаются.Концентрация заряженных частиц в областях пространства, расположенных внизпо потоку на различных расстояниях от зоны горения, измеряется с помощьюсимметричных двойных зондов диаметром 1 мм, длиной рабочей части 10 мм ирасстоянием между их центрами 5 мм.