Автореферат (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 4

Измерения концентрации ионов проводятсяпо ионному току насыщения. Для этого между зондами подается постоянноесмешение 12 В. Концентрация электронов в области горения измеряется также попоглощениюзондирующегомаломощногомикроволновогоизлучения.Концентрация электронов в плазме СВЧ-разряда, а также в каналахпульсирующего электродного разряда определяется спектроскопическим методомпо регистрации штарковского уширения спектральных линий бальмеровской серииводорода.

Период индукции определяется одновременно несколькими способами, аименно: по минимальной длительности импульсного разряда, приводящего кпоявлению характерного свечения в аэродинамическом канале; по резкомувозрастанию интенсивности свечения молекулярной полосы возбужденногорадикала CH с длиной волны канта 431.5 нм; по времени появления сигнала сдвойного зонда и тока через плоский конденсатор, расположенных на выходеаэродинамического канала; по резкому возрастанию акустического шума итепловых потоков из области воспламенения; по резкому увеличению поглощениязондирующего маломощного микроволнового излучения; по изменению общеговида спектра излучения плазмы и увеличению температуры газа. Полнота сгоранияуглеводородного топлива определялась по измерению концентраций пропана,спирта, углекислого газа, паров воды, по изменению абсолютной и относительнойвлажности воздуха, по повышению давления и температуры воздуха в закрытойбарокамере в процессе реализации горения.

Созданный диагностический комплекспозволяет в масштабах реального времени получать различными методами,подтверждающими друг друга, данные одновременно о нескольких параметрах,характеризующих процесс сверхзвукового горения воздушно-углеводородного12топлива, например, о температуре пламени, степени ионизации, полноте сгорания идр. Это дает нам уверенность в надежности проводимых измерений.В четвертой главе диссертации изучается плазменно-стимулированноегорение газообразных и жидких углеводородов в условиях высокоскоростныхвоздушных потоков, обтекающих диэлектрическую пластину, на поверхностикоторой создается программированный СВЧ-разряд.

Во всех типах реактивныхдвигателей стабильное горение поддерживается с помощью специальныхустройств (застойных зон, каверн и т.п.), служащих для предотвращения срывапламени высокоскоростным потоком. Конструкция этих устройств должнаучитывать баланс между вносимым ими дополнительным сопротивлением потокуи стабилизацией пламени. В свободном сверхзвуковом потоке в принципеневозможно удержать пламя без специальных мер.

Одним из таких способовявляется использование газоразрядной плазмы. В условиях импульсногосамостоятельного разряда сверхзвуковое горение свободных воздушноуглеводородных потоков происходит только в течение длительности импульса, ипламя срывается, как только подвод энергии прекращается. Для стационарногогорения при использовании нестационарной низкотемпературной плазмынеобходимо оптимизировать режим инициации импульсного разряда, т.е. величинувкладываемой в плазму энергии, длительность и частоту следования импульсов.Это может быть осуществлено при создании разряда в режимепрограммированного импульса [14].

В программированном режиме пробой газа исоздание плазмы осуществляется с помощью мощного короткого одиночногоимпульса, или серии коротких мощных импульсов, а поддержание образующейсяплазмы и вклад энергии в плазму происходит в течение длительного маломощногоимпульса, следующего с некоторой временной задержкой после первого импульса,или после серии коротких мощных импульсов. Также возможно создавать разряд впрограммированном режиме, когда маломощный импульс включается в течениевремени, равном длительности серии коротких мощных импульсов, следующих снекоторой частотой повторения. Известно [14, 15], что в неподвижном газеповторный электрический пробой газа облегчен по сравнению с первичнымпробоем.

Это связано с тем фактом, что деионизация разрядного промежуткапроисходит в течение некоторого времени, то есть к моменту подачи второгоимпульса в разрядном промежутке может еще находиться большое количествозаряженных частиц. Наличие в газе долгоживущих возбужденных частиц такжеоблегчает повторный пробой, так как ионизацию газа в этом случае могутпроизводить электроны с малыми энергиями за счет ступенчатых процессов сучастием метастабильных атомов и молекул. Нагрев газа в течение первогоимпульса при высоких давлениях также приводит к снижению поля повторногопробоя из-за уменьшения плотности газа в зоне существования первичногоразряда.

По отношению к воспламенению неподвижной воздушно-углеводороднойсмеси уменьшение периода индукции в течение повторного разряда, и увеличениеполноты сгорания может происходить из-за активации углеводородного горючего(создание заряженных и возбужденных частиц, активных радикалов, а также нагревгорючего) в течение первого импульса. Для воспламенения высокоскоростныхвоздушно-углеводородных потоков режим программированного импульса можетиспользоваться в следующей комбинации. Разряд в течение первого импульсасоздается перед входом в камеру сгорания, где происходит предварительнаяподготовка горючего, тогда как в основной камере сгорания плазма создается в13течение повторного импульса с временной задержкой, определяемой скоростьюсноса реформированного горючего и расстоянием между областьюпредварительного возбуждения горючего и камерой сгорания.Вдиссертацииисследованоплазменно-стимулированноегорениеинжектируемого в дозвуковую воздушную струю жидкого спирта в капельной фазе(в виде спрея) в условиях комбинированного разряда, создаваемого в режимепрограммированного импульса.

Струя истекает со скоростью от 30 до 300 м/с взаполненную воздухом атмосферного давления камеру, На рис. 4 представленаинтегральнаяфотография(времяэкспозиции1 с)общеговидапрограммированного разряда в дозвуковой воздушной струе без инжекции спирта.Слева на фотографии наблюдается свечениеповерхностного СВЧ-разряда, справа – разрядапостоянного тока. Динамика данного разрядаРис. 4. Интегральная (tэксп = 1 с) фотографияизучалась с помощью высокоскоростнойразряда, создаваемого в программированномвидеокамеры.

Разряд создавался в течениережиме в дозвуковом потоке воздухе.одной секунды, за это время фиксировалось5000 кадров. На рис. 5 представлен фрагмент видеограммы. Видно, чтоисследуемый разряд представляет собой тонкий (диаметром менее 1 мм)плазменный канал, вытягиваемый вниз по потоку. Первоначальный пробой газаосуществляется в области наименьшего расстояния между электродами.Образующийся при этом плазменный канал начинает сноситься вниз по потоку,скользя без нарушения контакта по электродам.

При достижении плазменнойперемычки торцов электродов, на которых вдальнейшем фиксируются концы канала,разряд начинается вытягиваться в виде петливниз по потоку. При этом падение напряженияна разрядном промежутке непрерывноувеличивается. Используемый в экспериментеисточник постоянного напряжения не можетРис. 5. Динамика программированного разрядаобеспечить существования разрядной петлив дозвуковом воздушном потоке.

Времяпри достижении ей длины порядка 30 см.экспозиции одного кадра 4 мкс, частота съемки5000 кадров в секунду, временной интервалРазрядная петля ²разрывается² и плазменныймежду кадрами 200 мкс. Поток направленканалисчезает.Одновременномеждуслева направо, время – сверху вниз и слеванаправо. Левый верхний кадр – первый (400-аяэлектродами происходит новый пробой газа, имиллисекунда от начала развития разряда),процесс вытягивания разрядной петли вниз поправый нижний – последний.потокуповторяетсяснова.Тоестьэлектродный разряд в потоке, создаваемый с помощью источника постоянногонапряжения, представляет собой, по существу, нестационарный пульсирующийразряд.

Частота пульсаций в условиях эксперимента изменяется от 0.5 до 2 кГц взависимости от скорости потока. С увеличением скорости потока частотапульсаций возрастает.Пульсирующий характер разряда приводит к сильным осцилляциямнапряжения на разрядном промежутке и разрядного тока. Это ведет к тому, чтовольтамперная характеристика разряда в потоке представляет собой немонотоннуюнеоднозначную зависимость напряжения на разрядном промежутке от тока.Особенно сильно проявляются пульсации напряжения.

Это связано с тем, что привытягивании разрядной петли вниз по потоку падение напряжения на нейизменяется. А так как в потоке длина плазменного канала увеличивается от 1 до14-0.25i, АU, кВ30 см, то и напряжение на разрядном промежутке очень сильно осциллирует,изменяясь от нескольких десятков вольт до трех киловольт. Средняя по объемутемпература газа, измеренная на расстоянии 3 см вниз по потоку от кончиковэлектродов, равна 500-800 К. Температура газа в канале вблизи электродов порядка1500 К.

Концентрация электронов в плазме, измеренная по штарковскомууширению линий бальмеровской серии водорода, порядка 1014 - 1015 см-3.Далее было исследовано влияние низкотемпературной нестационарнойплазмы программированного разряда на эффективность горения жидкого спирта,инжектируемого в капельной фазе в дозвуковую воздушную струю, истекающую вкамеру, заполненную воздухом атмосферного давления. Программированныйразряд создавался в режиме, когда маломощный импульс включается в течениевремени, равном длительности серии коротких мощных СВЧ-импульсов.

Числоимпульсов N в серии можно было изменять от 1 до 100, частота повторения СВЧимпульсов f = 50 Гц. Для этого использовался СВЧ-генератор с параметрами:l = 2.4 см,t1 = 20 мкс,W = 50 кВт,Q = 1000. В качестве маломощногоимпульсаиспользовалсяразрядпостоянного тока. В свободном потокеразрядпостоянноготокабезРис. 6. Интегральная фотография зоны горения спиртав дозвуковом потоке в условиях программированногоповерхностногоСВЧ-разряданеимпульса.существовал.Вэкспериментахдлительность программированного импульса изменялась от 0.8 до 1.5 с, а времязадержки подачи жидкого углеводородного топлива относительно переднегофронта разряда постоянного тока от 0.1 до 0.3 с.

Процесс исследовался вбарокамере при атмосферном давлении воздуха. С помощью программированногоимпульса осуществлена стабилизация горения жидкого спирта на поверхностидиэлектрической пластины длиной 10 см, обтекаемой дозвуковым воздушнымпотоком. На рис. 6 представлен общий4вид процесса горения жидкого спирта,инжектируемого в дозвуковой поток2воздуха.Воздушныйпотокраспространяетсяслеванаправо.t, с0Рассеяниесветаотпламенинакапельках0,00,40,8спирта позволяет визуализировать поток-2горючего (на фотографии слева).