Диссертация (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИКопыл Павел ВладимировичВОСПЛАМЕНЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯУГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫспециальность 01.04.08 - физика плазмыдиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор В.М. ШибковМосква – 2014ОглавлениеСтр.ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………....4ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………….272ЛАВА 2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ……………..42§ 2.1. Экспериментальная установка для изучения внешнегогорения жидкого углеводородного топлива,инжектируемого в дозвуковой воздушный поток………….42§ 2.2. Аэродинамические каналы, используемые дляисследования внутреннего горения сверхзвуковых пропанвоздушных потоков…………………………………………..55ГЛАВА 3.

Методы диагностики параметров пламени в условияхплазменно-стимулированного горениявысокоскоростных потоков воздушно-углеводородноготоплива………………………………………………….……62§ 3.1. Диагностический комплекс.…………………….……..…….62§ 3.2. Спектроскопический метод измерения температуры газа поразрешенной вращательной структуре молекулярныхполос.………………..…………………………………………74§ 3.3.

Метод определения колебательной температурымолекулярной плазмы………………………………………..79§ 3.4. Метод определение температуры газа по неразрешеннойвращательной структуре молекулярных полос……….……81§ 3.5. Определение температуры пламени по току насыщения надвойной накаленный зонд……………………………..…….96§ 3.6. Определение температуры пламени по сплошномуспектру, испускаемому накаленным вольфрамовымстержнем………………………………………………………100§ 3.7. Определение концентрации электронов по штарковскомууширению спектральных линий бальмеровской серииводорода………………………………………………………1072§ 3.8.

Определение полноты сгорания в условиях плазменностимулированного горения воздушно-углеводородныхтоплив………………………………………………………….109ГЛАВА 4. Стабилизация с помощью программированногосверхвысокочастотного разряда горения жидкогоспирта, инжектируемого в капельной фазе вдозвуковой воздушный поток……………………………...115§ 4.1.

Динамика разряда в высокоскоростном воздушном потоке.115§ 4.2. Стабилизация горения жидкого спирта в трансзвуковомпотоке воздуха в условиях программированного СВЧразряда…………………………………………………………122§ 4.3. Параметры пламени при горении жидкого спирта вусловиях программированного разряда ввысокоскоростном воздушном потоке…………………..…..128§ 4.4. Плазменно-стимулированное горение многокомпонентноготоплива…………………..….....................................................

133ГЛАВА 5. Стабилизация сверхзвукового горения пропанвоздушного топлива внутри аэродинамического каналав условиях низкотемпературной плазмы……………...…144§ 5.1. Плазменно-стимулированное сверхзвуковое горениепропан-воздушного топлива внутри аэродинамическогоканала ………………………………………………………….144§ 5.2. Параметры плазмы электродного разряда, создаваемого ввысокоскоростном воздушном и пропан-воздушномпотоках внутри аэродинамического канала…………..……..147§ 5.3. Параметры сверхзвукового горения пропан-воздушноготоплива внутри аэродинамического канала…………..……..156§ 5.4.

Пространственно-временное распределение температурыпламени в аэродинамическом канале в условияхсверхзвукового горения пропан-воздушного топлива.……..162§ 5.5. Сила тяги, возникающая при сверхзвуковом горениипропан-воздушного топлива в аэродинамическом канале сприсоединенным воздуховодом………………..…………….170ВЫВОДЫ……………………………………………………………………172СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………… 1753ВведениеАктуальность темы.

В настоящее время в российской и мировойнауке все большую актуальность приобретают исследования в областисверхзвуковой плазменной аэродинамики, что связано с технологиейсоздания новых видов высокоскоростных транспортных и космическихсистем. Для развития современной авиации, предназначенной для высокихскоростейполета,требуетсяпоискиразработкаинновационныхфундаментальных методов, позволяющих обеспечивать быстрое объемноевоспламенение и управление процессом горения углеводородного топлива вкамересгораниягиперзвуковогопрямоточноговоздушно-реактивногодвигателя [1-8].

Для его эффективного функционирования необходимо,чтобы скорость потока рабочего тела в камере сгорания превышаласверхзвуковую. Однако при таких скоростях невозможно осуществитьстабилизацию и полное сгорание топлива внутри камеры сгорания. Длярешения этой проблемы осуществляют нагрев рабочего тела за счеткинетической энергии набегающего потока воздуха, но при скоростилетательного аппарата М = 6 температура заторможенного рабочего тела вдвигателе достигает 2200 К, а с учетом трения и скачков уплотнения вреальном процессе – еще выше. При этом дальнейший нагрев рабочего телаза счет сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений,накладываемых термической стойкостью конструкционных материаловдвигателя.Длясверхзвуковыхлетательныхаппаратов,оснащенныхпрямоточным воздушно-реактивным двигателем, скорость полета с числомМаха М = 5 считается предельной.

Одним из новых решений даннойпроблемы является использование газовых разрядов с целью направленноговоздействиянапотокспомощьюлокальноговыделениявнемдополнительной энергии, способствующей полному сжиганию топлива вдостаточно коротких камерах сгорания длиной L ~ 0.5 м при умеренныхтемпературах воздушно-углеводородного топлива Т ~ 1000 К.4Работа относится к приоритетному для Российской Федерациинаправлению–авиационно-космическиеигиперзвуковыесистемы,связанному с технологией создания новых видов высокоскоростныхтранспортныхикосмическихсистем.Разработкигиперзвуковыхпрямоточных воздушно-реактивных двигателей, ведущиеся уже болеетридцати лет, в последнее время вышли на качественно новый уровень –создаются экспериментальные образцы силовых установок, на основекоторых в течение ближайшего десятилетия планируется разработатьперспективные пилотируемые системы, работоспособные в широкомдиапазоне полетных чисел Маха. Проблема, на решение которой направленыисследования,связанаснахождениемновыхспособовповышенияэффективности сверхзвукового горения воздушно-углеводородного топливаза счет разработки физических принципов применения новых плазменныхтехнологий для целей уменьшения времени воспламенения горючего,увеличения полноты сгорания и стабилизации сверхзвукового горения.

Вусловиях низкотемпературной газоразрядной плазмы возможен режимгорения, когда наработка активных частиц практически на всем протяженииреакции осуществляется электронным ударом. Методы управления горениемвоздушно-углеводородных потоков, основанные на генерации электрическихразрядов, представляются в настоящее время наиболее перспективными[9, 10]. Применение комбинированных разрядов [11, 12] может обеспечитьнеобходимую скорость и интенсивность горения.Диссертациянеравновеснойстабилизациипосвященаизучениюнизкотемпературнойгорениявозможностиплазмыуглеводородногодлятопливаприменениявоспламенениявивысокоскоростныхвоздушных потоках.Фундаментальнойнаправленынаучнойисследования,проблемой,являетсяразработканарешениеспособовкоторойповышенияэффективности сгорания сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков,5основанных на новейших физико-химических принципах примененияплазменных технологий для целей уменьшения времени воспламенениягорючего, стабилизации горения и увеличения полноты сгорания свободныхвысокоскоростных потоков воздушно-углеводородного топлива.Цельюизучениедиссертационнойпроцессов,низкотемпературнойработыпротекающихгазоразряднойявляетсявусловияхплазмойэкспериментальноеинициированногосверхзвуковогогорениявоздушно-углеводородного топлива.Длядостиженияпоставленнойцелирешалисьследующиеосновные задачи:1.

Создание на основе новых и модифицированных стандартных контактныхи бесконтактных методов диагностического комплекса, необходимого дляизмерения в масштабах реального времени параметров плазмы ипламени,возникающегоприплазменно-стимулированномгорениигазообразных и жидких углеводородных топлив, а также определенияполноты их сгорания в условиях сверхзвуковых воздушных потоков.2. Разработка основанной на передовых достижениях физики плазмы,газовой динамики и физической химии инновационной плазменнойтехнологии управления процессом горения воздушно-углеводородноготоплива в условиях сверхзвукового потока.3. Реализация в свободном пространстве и внутри аэродинамическогоканала стабилизации сверхзвукового горения углеводородного топлива вгазообразной и жидкой (спрей) фазах.4.

Изучениепроцессов,протекающихвусловияхинициированногонизкотемпературной газоразрядной плазмой сверхзвукового горениявоздушно-углеводородных топлив.5. Определение полноты сгорания высокоскоростных потоков пропанвоздушного, спирт-воздушного и пропан-спирт-воздушного топлива вусловиях низкотемпературной газоразрядной плазмы.6Методы исследования. Для решения поставленных задач применялиськак бесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследованияпроводились с временным и пространственным разрешением с помощьюсозданного диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров испектрографовсцифровойрегистрациейспектра;блоказондовойдиагностики с цифровой регистрацией вольт-амперных характеристик;датчиковдавления;термопар;тензодатчиков;теневойустановки;рефракционных лазерных датчиков; накаливаемого потоком пламениэлектрическогозонда;системыизмеренияпроводимостипламени;электронных датчиков измерения концентраций пропана, углекислого газа,температуры,фотоаппаратов;абсолютнойиотносительнойвысокоскоростнойцифровойвлажности;цифровыхвидеокамеры;цифровыхосциллографов; компьютеров.Научная новизна работы заключается в следующем: разработан и создан диагностический комплекс, позволяющий вмасштабах реального времени проводить измерения пространственновременной эволюции характеристик газоразрядной плазмы и пламени,возникающего при плазменно-стимулированном горении воздушноуглеводородного топлива; впервые в условиях программированного разряда, представляющегособой комбинацию поверхностного СВЧ-разряда и разряда постоянноготока, реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенениеспирта, вводимого в капельной (в виде спрея) фазе в дозвуковой (М=0.30.9) воздушный поток; впервые показано, что в процессе перехода от разряда в воздушномпотоке к стабилизации горения жидкого углеводородного топлива резкоизменяются внешний вид и вольтамперная характеристика разряда,спектр излучения и интегральная интенсивность свечения пламени,тепловой поток, концентрация электронов, интенсивность излучения7гидроксила, временные зависимости разрядного тока и особеннонапряжения на разрядном промежутке; впервые показано, что полнота сгорания заранее не активированногожидкогоспиртакомбинированногопристабилизацииразряда,егосоздаваемогогоренияввусловияхвысокоскоростныхвоздушных потах, достигает 80 % и более в зависимости от подводимоймощности искорости потока, причем горение происходит притемпературе пламени порядка 2000 К. впервыеосуществленастабилизацияплазменно-стимулированногогорения многокомпонентного спирт-пропан-воздушного топлива наповерхности диэлектрической пластины, обтекаемой дозвуковыми исверхзвуковыми воздушными потоками и проведено исследование этогоявления; реализована в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмыстабилизация горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутригладкого (без застойных зон) расширяющегося аэродинамическогоканала; определены пространственно-временные распределения концентрацииэлектронов внутри аэродинамического канала, а также температурыпламени внутри и на выходе расширяющегося гладкого канала,моделирующего камеру сгорания прямоточного воздушно-реактивногодвигателя; показано, что без использования застойных зон низкотемпературнаягазоразряднаяплазмаявляетсястабилизаторомгорениявысокоскоростных холодных потоков углеводородного топлива.На основе полученных результатов была разработана инновационнаяплазменная технология для ее применения при конструировании новых схемпрямоточныхвоздушно-реактивныхдвигателей.Отличительнойособенностью и преимуществом проведенных исследований является8комплексный, междисциплинарный и инновационный подход к решениюпроблемыуправленияпроцессомсверхзвуковогогорениявоздушно-углеводородного топлива в условиях, приближенных к камере сгоранияпрямоточного воздушно-реактивного двигателя.Достоверностьрезультатов.Экспериментальныерезультатыполучены на различных экспериментальных установках.