Автореферат (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 6

16. Вначале, пока зонд не нагрет,20регистрируемыйтокопределяетсяконцентрациейзаряженныхчастиц в10потоке пламени, а ток термоэмиссии с0его поверхности равен нулю. По мере0,00,40,81,21,6нагревания зонда в пламени токt, сРис. 16. Временной ход тока насыщения натермоэлектронной эмиссии растет, идвойной зонд, помещенный в область горенияспустя время t = 1.0-1.5 с после началавысокоскоростного пропан-воздушного потока.горения ток выходит на установившеесязначение, т.е. температура поверхностного слоя зонда к этому времени принимаетстационарное значение.

В эксперименте термоэмиссионный ток за вычетом токапроводимости в пламени достигает 40 мкА. Этому соответствует температурапламени на выходе из канала Т = 1800-1850 К. Полученная с помощью накаленного19d, %зонда температура пламени с хорошей точностью совпадает с температурой,измеренной спектральным методом (см. рис. 13).Для измерения полноты сгорания углеводородного топлива (см. рис. 17)использовались несколько методик.

Во100первых, в эксперименте измеряласьтемпературапламенивусловиях80высокоскоростногогорения.Знаясекундный массовый расход воздуха и60пропана можно определить, сколько40топлива должно сгореть, чтобы нагретьструюпламенидоизмеренной20температуры. Во-вторых, измерялась0температура газа в закрытой камере0100200300400500сразу же после пуска. Зная массу воздухаu, м/св камере можно определить, какоеРис. 17. Зависимость доли сгоревшего пропана отскорости пропан-воздушного потока.количество теплоты должно выделиться,чтобы нагреть всю газообразную среду в камере до измеренной температуры, и,соответственно, сколько топлива должно при этом сгореть. В-третьих, долясгоревшего пропана измерялась по изменению давления в закрытой камере впроцессе пуска воздуха без разряда, с разрядом без горения и в результате горенияуглеводородного топлива. В-четвертых, проводилась регистрация концентрациипаров воды в камере после сгорания пропана. Зная количество пропана, вводимогов поток, можно рассчитать концентрацию паров воды, которая должнаобразоваться при полном сгорании пропана.

Сравнивая эту величину с измереннойконцентрацией паров воды, образовавшейся в эксперименте, можно рассчитатьполноту сгорания пропана. Так, например, при скорости потока 450 м/с при полномсгорании пропана должно было бы появиться 14.2 г паров воды, аэкспериментально измеренное количество образовавшейся в камере воды равно13.8 г. Этому соответствует полнота сгорания 97 %. Полнота сгоранияопределялась также с помощью датчика пропана, расположенного внутри закрытойкамеры. Из рис.

17 видно, что в условиях комбинированного разряда в дозвуковомпотоке происходит полное сгорание углеводородного топлива, а в сверхзвуковыхпотоках полнота сгорания достигает 95 %. Полученные результаты подтверждаютэффективность использования комбинированного разряда в плазменнойаэродинамике.Пятая глава посвящена описанию экспериментов по стабилизациисверхзвукового горения пропана внутри гладких (без застойных зон)аэродинамических каналов с помощьюнизкотемпературнойгазоразряднойплазмы.Присгораниивоздушноуглеводородногопотокавнутриаэродинамического канала на выходе изнего образуется факел, продольныеРис.

18. Общий вид выходной области аэродинаразмеры которого не превышают 20-25 см.мического канала при плазменно-стимулированномВ качестве примера на рис. 18 представленгорении пропан-воздушного топлива.общийвидвыходнойобластиаэродинамического канала при плазменно-стимулированном горении в немпропан-воздушного топлива.

В спектре, излучаемом пламенем на выходе из канала,20FТ, НTflame, Kнаблюдаются в основном полоса (0;0) радикала CH с длиной волны канта 431.5 нм.Горение воздушно-углеводородного топлива в длинном канале (L = 50 см) резкоотличается от плазменно-стимулированного горения в коротком канале длинойL = 10 см (смотри рис. 2). Такойкороткий факел голубого пламени при2100сверхзвуковомплазменностимулированном горении пропана в1800длинном канале указывает на тот факт,что топливо полностью сгорает внутри1500канала, при этом не образуется сажа.Аксиальноераспределение1200температуры пламени внутри канала нарасстоянии больше 10 см от электродов,9000 10 20 30 40 50 60 70где отсутствует электрическое поле иz, смвращательнаяиколебательнаяРис.

19. Распределение температуры пламени вдольтемпературыравнытемпературегаза,аэродинамического канала и на выходе из него.измерялось спектральным методом поотносительным интенсивностям полос (0;0) и (1;1) циана. На рис. 19 приведенааксиальная зависимость температуры пламени внутри аэродинамического канала(z = 20-50 см). Видно, что температура повышается от 1400 К вблизи электродов до1900 К на выходе из аэродинамического канала. Это связано с тем, что в областисуществования газоразрядной плазмы, генерируемой в области z = 10-20 см отвходного сечения канала, нет полного сгорания пропана. По мере сноса воздушноуглеводородного потока происходит догорание топлива, и температураповышается до 1900 К. На выходе из аэродинамического канала продольноераспределение температуры пламени определялось с помощью накаленногодвойного зонда.

При помещении в горячий поток пламени вольфрамового зондапроисходит постепенный разогрев его поверхностного слоя до температуры 18002000 К. По регистрируемой через 1.5 с после начала горения величинетермоэмиссионноготокабылаопределена стационарная температура50поверхностизонда,котораяотождествлялась в этот момент времени40стемпературойпламени.Для30подтверждения этого результата вработе был использован также метод20регистрации температуры пламени на10выходе из аэродинамического канала посплошному спектру,испускаемому00,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1нагретымвольфрамовымстержнемaC Hдиаметром d = 1-1.5 мм. ПолученнаяРис.

20. Зависимость тяги, возникающей придвумя этими методами температурасверхзвуковом сгорании внутри расширяющегосяаэродинамическогоканала пропан-воздушногохорошо согласуется с температуройтоплива, от состава смеси. dmair/dt = 100 г/с.пламени, определенной спектральнымметодом по измерению относительныхинтенсивностей колебательных полос циана. Суммарная зависимость температурыгаза от продольной координаты, определенная различными методами,представлена на рис. 19.

Из рис. 19 видно, что сверхзвуковое плазменно3821Fт, Нстимулированное горение происходит при достаточно низкой температуре(Tпл = 1400-2000 К).Проведены исследования возможности применения разрабатываемойтехнологии для сверхзвукового сжигания в аэродинамическом канале бедных поотношению к пропану воздушно-углеводородных топлив.

На рис. 20 представленыданные о зависимости фиксируемой с помощью тензовесов тяги, возникающей приплазменно-стимулированномгорениипропан-воздушноготопливаврасширяющемся (не снабженным выходным соплом) аэродинамическом канале сприсоединенным воздуховодом, от эквивалентного отношения пропана припостоянном секундном массовом расходе воздуха 100 г/с и различных секундныхмассовых расходах пропана. Пунктирная прямая соответствует стехиометрическойпропан-воздушной смеси.

Видно, что100при сжигании бедных смесей тягалинейнорастетсувеличением80секундного массового расхода пропана.60При dmC3H8/dt = 5 г/с, что соответствуетэквивалентномуотношениюдля40пропана0.75,тягадостигает20максимальнойвеличины,апридальнейшемувеличениирасхода00,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5пропана незначительно уменьшается.t, сЭтот результат является важным с точкиРис. 21. Временной ход силы тяги, возникающей призренияпрактическогопримененияплазменно-стимулированном горении сверхзвуковогопотока пропан-воздушного топлива.плазменной технологии.Временной ход силы тяги, возникающей при плазменно-стимулированномгорении холодного сверхзвукового пропан-воздушного потока в аэродинамическомканале, снабженного выходным соплом, приведен на рис.

21 (dmair/dt = 105 г/с;dmC3H8/dt = 4.9 г/с; эквивалентное отношение для пропана a = 0.75 (бедная смесь);tair = 3 с; tC3H8 = 2 с; tDC = 2 с).Оценка силы тяги по формулеæ m& C HöFт = M& п (u2 - u1) = M& п ç 2 3 8 qC3 H 8 + u12 - 2с p (T2 - T1) - u1 ÷ ,ç÷M& пèøгде u1 и u2, Т1 и Т2 – скорости потока и температуры газа на входе и выходе изаэродинамического канала, M& п [кг/с] – секундный массовый расход воздушно& C3 H 8 [кг/с] – секундный массовый расход пропана,углеводородного топлива, mqC3 H 8 [Дж/кг] – удельная теплота сгорания пропана, дает значение Fт = 60 Н, чтохорошо согласуется с экспериментально измеренной величиной (смотри рис.