Автореферат (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 5

Справаот зоны горения (область яркого белого-4свечениявцентре)наблюдаетсяРис. 7. Временной ход напряжения и тока в условияхслабосветящаясязонакрасногопрограммированного разряда в воздушном потоке безсвечения.Нарис.7представленыинжекции спирта (t = 0-0.3 с) и при инжекции в потокжидкого спирта в процессе его воспламененияосциллограммынапряженияна(t = 0.3-0.45 с) и стабилизации горения (t = 0.45-0.8 с).разрядномпромежутке(вверху)иp = 1 атм, секундный расход спирта dm2/dt = 0.5 г/с,tDC = 0.8 с, длительность инжекции спирта t2 = 0.5 с,импульса тока.

Инжекция спирта ввремя задержки инжекции спирта t2 = 0.3 с.дозвуковой поток начинается спустя0.3 с после включения разряда. До этого времени наблюдаются сильныеосцилляции величины падения напряжения на разряде. После начала инжекцииспирта в течение приблизительно 0.15 с сильные колебания напряжениясохраняются, а затем они резко уменьшаются и остаются на низком уровне вплоть15IФЭУ, отн.ед.UТп, отн.ед.до окончания горения. Что касается импульса разрядного тока (см.

рис. 7), то после0.45 с его величина несколько возрастает, а пульсации сглаживаются.Сразу после начала инжекции спирта сигнал с фотоэлектронногоумножителя, регистрирующий интенсивность интегрального свечения, испытываетрезкий скачок (рис. 8, нижняя осциллограмма). Это связано с началом процессавоспламенения спирта. Однако, так жекак и при разряде в воздухе в этот1,02периодинтенсивностьсвечениянестабильна.Послетого,как10,5осцилляции напряжения на разрядномпромежуткерезкоуменьшаются,0,00,00,40,8 t, ссглаживаетсяисигналсфотоэлектронного умножителя (3). На-0,53рис. 8 также приведен временной ходсигнала с термопары без инжекции (1) и-1,0с инжекцией (2) спирта. Видно, чтоспустя время 0.3 с после началаРис. 8.

Временной ход интегрального по спектруразрядного тока происходит резкийсвечения и сигнала от термопары, установленной внизпо потоку на расстоянии 10 см от области горения.излом на сигнале, регистрируемомУсловия те же, что на рис.7.термопарой. Именно в это времяначинается инжекция в поток жидкого спирта. Скорость нарастания сигнала резковозрастает, что свидетельствует о том, что при горении происходитдополнительное выделение тепловой энергии в результате химических реакций вобласти сгорания спирта. Зная мощность, выделяемую в разряде, и изменениесигнала от термопары в результате горения спирта, можно рассчитать, какаядополнительная энергия выделяется вусловиях эксперимента. При известныхсекундном расходе спирта и удельнойтеплоте его сгорания была оцененаполнота сгорания спирта, которая вусловиях программированного разряда вдозвуковой воздушной струе изменяетсяв пределах 60-80 %.На рис.

9 представлена динамикаразвитияпрограммированного разряда вРис. 9. Динамика развития процесса воспламенения игорения спирта в дозвуковой воздушной струе вдозвуковойвоздушнойструеприусловиях программированного импульса.давлении р = 1 атм неподвижного воздухав камере. Длительности импульсов воздушного потока, инжекции спирта иразрядного тока составляли 1.5 с, 0.5 с и 0.8 с, средняя мощность разряда – 11 кВт.Длительность СВЧ-импульсов t = 20 мкс, частота их следования f = 50 Гц, числоимпульсов в серии N = 40, импульсная СВЧ-мощность 100 кВт, при этом средняяСВЧ-мощность 100 Вт.

Время задержки начала инжекции спирта по отношению кмоменту старта воздушной струи равно 0.3 с. Режим работы высокоскоростнойвидеокамеры – время экспозиции одного кадра 4 мкс, частота съемки 5000 кадров всекунду, временной интервал между кадрами 200 мкс. Регистрируемый процессследующим образом представлен на рис. 9: слева (56 мс от начала разряда) – видразряда в воздушном потоке, посредине (320 мс) – переходный процессвоспламенения, справа (760 мс) – стабилизация горения дозвукового воздушно16T g, KФЭУ, мВiprobe, мкА+I(N2 )/I(CN)спиртового потока. Видно, что после начала стабилизации процесса горенияжидкого спирта, инжектируемого вдозвуковуювоздушнуюструю,1,02100канальная структура разряда исчезает,область горения фиксируется на0,821500поверхностипластинывблизи0,6электродов.

Затем происходят только0,4незначительные изменения в общем900виде процесса горения. Следует0,21отметить, что если инжекция спирта в0,0300поток прекращается до момента0,00,20,40,60,8окончания импульса разрядного тока,t, cто разряд переходит в пульсирующийРис. 10. Временной ход отношения интенсивности свеченияполосы (0,0) молекулярного иона азота к интенсивностирежим, а колебания напряжения насвечения полосы (0,0) циана (кривая 1) и температуры газаразрядном промежутке снова резко(кривая 2) в условиях перехода от программированногоразряда в воздушном потоке к воспламенению и горениювозрастают.спирта, инжектируемого в дозвуковой поток воздуха.Температура газа в условияхпрограммированного разряда без инжекции50спирта порядка 800 К (рис. 10), тогда как при40горении спирта температура пламени резковозрастает до T = 1800-2000 К.

Следует30отметить, что фиксируемая в области разряда20безинжекцииспиртаинтенсивностьсвеченияполосы(0,0)молекулярногоиона10азота соизмерима с интенсивностью свечения00,000,250,500,751,00полосы (0,0) циана, тогда как при горенииt, сжидкогоуглеводородаинтенсивностьРис. 11. Временной ход ионного тока насыщениясвеченияполосциананапорядкивеличиныдвойного зонда, расположенного вниз по потокупревышает интенсивность свечения полосына расстоянии z = 10 см от электродов.первойотрицательнойсистемымолекулярногоионаазота.0Концентрация заряженных частиц впламени при горении жидких углеводородов-200в условиях программированного разрядаизмерялась на расстоянии z = 10 см от-400электродов с помощью двойного зонда поионному току насыщения (см. рис.

11).Концентрацияэлектроновнатаком-600050010001500расстоянииотобластигоренияпорядкаt, мсne ~ 109 см-3. Следует отметить, что хотяРис. 12. Временной ход свечения гидроксилаОН. t = 0-200 мс – без инжекции спирта, t = 200точностьизмеренияконцентрации370 мс – в процессе воспламенения и t = 370электронов зондовым методом в условиях1200 мс – стабилизации горения при инжекции впоток жидкого спирта. Давление воздуха вэксперимента довольно низкая, тем не менеекамере p = 1 атм, расход спирта 1.6 мл/с,на осциллограмме отчетливо виден процессдлительность программированного разряда 1.2 с,длительность инжекции спирта 1 с, времявоспламенения спирта.задержки инжекции спирта 0.2 с.Факт воспламенения и стабилизациигорения высокоскоростного потока жидкого спирта определялся также (рис. 12) порезкому изменению интенсивности свечения гидроксила ОН, который является17UТп, отн.ед.T, Kактивным веществом, способствующим развитию цепного механизма, иэффективно нарабатывается в процессе горения.

Из рис. 12 следует, что в случаесоздания разряда в потоке воздуха регистрируется слабое свечение ОН, котороепри воспламенении топлива резко возрастает, на фоне сильных осцилляцийсвечения, почти полностью исчезающих при стабилизации горения.Исследовано также влияние плазмы комбинированного разряда,создаваемого в режиме программированного импульса, на эффективность горениямногокомпонентного (жидкого и газообразного) углеводородного топлива,инжектируемого в дозвуковой (число Маха потока M < 1) и сверхзвуковой (M > 1)воздушные потоки. С помощью комбинированного разряда осуществленастабилизациявнешнегогоренияжидкого спирта, газообразного пропана,а также их смесей на поверхности2700диэлектрической пластины длиной210010 см, обтекаемой высокоскоростнойвоздушной струей. Без инжекции1500пропана в высокоскоростную струю,или при вкладываемой в разряд900электрической мощности меньше 4 кВт,а также в случае бедных (эквивалентное3000200400600800 1000отношение пропана a < 0.3) илиt, мсбогатых (a > 2) топливных смесейРис.

13. Температура пламени при горенииплазменно-стимулированноегорениевысокоскоростного пропан-воздушного потока нарасстоянии z = 12 см от кончиков электродов.высокоскоростныхвоздушноуглеводородных потоков в условияхэксперимента не реализуется. Спектр, излучаемый из области плазменностимулированного сверхзвукового горения пропан-воздушного топлива, состоиттолько из полос CN, тогда как на больших расстояниях (z = 15-25 см) от разряднойобласти спектр излучения пламенисодержит в основном полосы радикала1,0CH. Температура газа Tg определялась изсравненияэкспериментально0,5измеренныхисинтезированныхмолекулярных полос (0;0) и (1;1) циана сt, сдлинами волн кантов l = 388.3 нм и0,00,00,30,60,91,21,5l = 387.1 нм.

Получено, что в области12существования разряда z = 0-10 см от34торцов электродов температура газаизменяется от 2500 до 2000 К, тогда какРис. 14.Временнаязависимостьсигнала,регистрируемого термопарой, расположеннойвне разряда на расстоянии z = 15 смвниз по потоку на расстоянии z = 15 см оттемпературапламениравнаэлектродов. 1 – старт воздушного потока; 2 –момент включения разряда постоянного тока; 3 –приблизительно 1800 К, постепенноначало инжекции спирта; 4 – инжекция пропана.уменьшаясь вниз по потоку. На рис.

13представлен временной ход температуры пламени, измеренный на расстоянииz = 12 см. Видно, что средняя за время горения пропана температура пламенипорядка 1850 К, причем спустя 200 мс после воспламенения осуществляетсястабилизация плазменно-стимулированного горения.18ne, см-3Экспериментально реализована стабилизация на поверхности пластинывнешнего горения дозвукового спирт-пропан-воздушного потока. Показано, что вдозвуковом потоке при горении спирта в условиях комбинированного разрядатепловой поток возрастает приблизительно в 7 раз, а при горении пропана в 15 разпо сравнению с потоком тепла от разряда в воздушном потоке без инжекциитоплива(рис. 14).Концентрацияэлектронов, измеренная на расстоянии121015 см от электродов вниз по потоку спомощью двухпроводной линии по311210поглощениюзондирующегомаломощного 8 мм микроволнового1010излучения, представлена рис. 15. Видно,что концентрация электронов при9101создании разряда в воздушном потокебезинжекцииуглеводородовне89-310превышаетвеличины10см.При0,00,51,01,5t, сгоренииспиртаконцентрацияРис.

15. Временной ход концентрации электронов,измеренный на расстоянии z = 15 см от электродов. 1 –электронов в области пламени достигаетразряд постоянного тока в потоке воздуха; 2 – горениевеличины 2×1011 см-3, а при горенииспирта; 3 – горение пропана.пропана равна 3×1011 см-3.Температура пламени при горении углеводородного топлива измеряласьтакже с помощью накаленного зонда. Расчет плотности тока насыщениянадвойной накаленный зонд проводился по формуле:ì ej üje = A T 2 expí- 0 ý , где A = A0 (1 - r ) ; A0 = 4pek 2 me / h3 = 120.4 А/см2 К 2 ; ej 0 –î kT þi, мкАработа выхода электрона.

В расчете принималось, что усредненный по энергиямкоэффициент отражения электронов от поверхности эмиттера r = 0.3 - 0.7 . Вэксперименте двойной зонд помещался на выходе из канала, в которомосуществлялось воспламенение и стабилизация горения высокоскоростногопропан-воздушного потока. Параметры двойного зонда: материал – вольфрамоваяпроволока диаметром 1 мм и длиной2 см; расстояние между зондами – 2 мм;50напряжение между ними – 15 В. После40воспламенения двойной зонд начинаетнагреваться, что хорошо видно на30рис.