Диссертация (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 10

Инжекция спирта осуществлялась илинепрерывновтечениеопределенноговремени,иливимпульсно-периодическом режиме с регулируемыми длительностями импульсов ичастотой их следования. Генерируемые системой синхронизации импульсыпоступали на блок питания, напряжение с которого подводилось к50инжектору, что обеспечивало ввод горючего в высокоскоростной воздушныйпоток в заранее установленном режиме. Воздух высокого давления поступалнасоса в баллон с топливом через гибкий шланг и запорный клапан.dVспирт/dt, мл/с2,01,51,00,50,00,51,01,52,02,5p0, атмРис. 8.

Калибровочный график секундного расхода спирта.На рис. 8 приведен калибровочный график секундного расхода спиртав зависимости от давления воздуха в баллоне, содержащем спирт. Используяэтот график можно было определить, какой расход жидкого углеводородаиспользовался в эксперименте.ИсточникомСВЧ-излученияслужитимпульсныймагнетронныйгенератор сантиметрового диапазона длин волн. Магнетронный генераторимеет следующие характеристики: длина волны  = 2.4 см; импульсная СВЧмощность W < 75 кВт; длительность импульса  = 5150 мкс; скважностьQ = 1000, при этом средняя СВЧ-мощность не превышала 100 Вт. Дляпитания магнетрона использовался импульсный модулятор с частичнымразрядом накопительной емкости. Микроволновая мощность подводится кразрядной камере с помощью волноводного тракта прямоугольного сечения519.5x19 мм2.

Для измерения СВЧ-мощности, поступающей в разряднуюкамеру, в волноводный тракт введен направленный ответвитель, которыйответвляетчасть СВЧ-энергиив измерительное плечо,содержащееаттенюатор и секцию с кристаллическим детектором. Огибающая СВЧимпульса с выхода детектора регистрируется на цифровом осциллографе.Форма огибающей близка к прямоугольной. Этот же сигнал поступает навходимпульсногоцифровоговольтметра,попоказаниямкоторогоопределяется амплитуда микроволнового импульса, для чего предварительнопроизводилась калибровка вольтметра с помощью калориметрическогоизмерителя мощности, который во время калибровки подключался к выходуосновного плеча направленного ответвителя.300250Wим, кВт200150100500120130140150160170180U, ВРис.

9. Калибровочная кривая зависимости импульсной СВЧ-мощности от показанийвольтметра, пропорциональных напряжению на магнетроне.Нарис. 9генерируемойконтрольногопредставленмагнетрономвольтметра.калибровочныйимпульснойВакуумнаяграфикмощностисистемазависимостиотпоказанияпозволяетпроводитьэксперименты в диапазоне давлений воздуха от 101 до 103 Тор.52Система хранения воздуха высокого давления состоит из газгольдераобъемом 0.561 м3 с компрессором, поднимающим давление воздуха домаксимальной величины р = 12 атм; клапана высокого давления; запорногоклапана и электромагнитного клапана с временем срабатывания t ~ 50 мс.Система накопления и хранения газообразного горючего состоит изстандартного баллона объемом 0.04 м3, который содержит жидкий пропан.Через запорный клапан и редуктор уже газообразное топливо поступает вресивер.

Ресивер представляет собой баллон объемом 0.012 м3. Расходгазообразного горючего в течение эксперимента можно было измерять повеличине изменения давления в ресивере, или датчиком динамическогодавления, установленным прямо за электромагнитным клапаном системыподачи горючего. Воздух и пропан первоначально поступают в смеситель,установленный в дозвуковой части канала. Смешение происходит восновном до критического сечения сверхзвукового сопла. Проходнойдиаметр смесителя равен 64 мм. Он определялся из условий эффективнойработы смесителя. Прямо за смесителем установлено сверхзвуковое соплоЛаваля.В первых экспериментах использовался стандартный заводскойсмеситель,закрученныесоздающийпотокивдозвуковойвоздухаичастипропана.Вканалатангенциальнодальнейшемвработеиспользовался смеситель, представляющий собой цилиндр, по оси котороговставлена запаянная с одного конца трубка диаметром 10 мм и длиной100 мм, по боковой поверхности котороймонтируется система изшестнадцати тонких трубочек диаметром 2.5 мм, наклоненных под углом 45ок направлению потока.

Пропан, проходя через эти трубочки, создавал междуцилиндром и внутренней трубкой радиальные потоки газа. В это жепространство поступал дозвуковой поток воздуха. Смешение пропана своздухом происходило в дозвуковой части канала. Эксперименты показали,что при исследовании воспламенения пропан-воздушной смеси в условиях53газоразрядной плазмы (использовались различные импульсные разряды:электродныйпоперечныйразряд,свободнолокализованныйиповерхностный СВЧ-разряды) нет существенного влияния типа смесителя нарезультаты. В дальнейших экспериментах применялся смеситель второготипа.

Качество смешения пропана с воздухом не контролировалось.150dmair/dt, г/с10050012p0, атм34Рис. 10. Зависимость секундного расхода воздуха от давления в воздушном резервуаревысокого давления.64338dmC H /dt, г/с52101234567p0, атмРис. 11. Зависимость секундного расхода пропана от давления в резервуаре высокогодавления пропана.54Была проведена калибровка массового секундного расхода воздуха ипропана.

С этой целью измерялись начальные и конечные давления вбарокамере и в ресиверах высокого давления воздуха и пропана. Зная времяпуска и отношение объемов разрядной камеры (V = 2.61 м3), ресиверавысокого давления воздуха (Vair = 0.561 м3) и ресивера газообразного пропана(Vgas = 0.012 м3) возможно измерить секундные массовые расходы воздуха ипропана в зависимости от начального давления воздуха и пропана. На рис.

10и рис. 11 приведены зависимости секундного расхода воздуха и пропана отдавления в воздушном ресивере и ресивере с пропаном. Расход воздуха вэксперименте мог изменяться от 25 г/с до 150 г/с, а расход пропана – от 1 г/сдо 6 г/с.Скорость воздушного потока в эксперименте могла регулироваться впределах от 100 до 520 м/с, соответственно число Маха потока М = 0.3-2.§ 2.2. Аэродинамические каналы, используемые для исследованиявнутреннего горения сверхзвуковых пропан-воздушных потоковИзучение процесса воспламенения и горения водородсодержащихсмесей в условиях низкотемпературной плазмы важно как с точки зренияфундаментальныхисследованиймеханизмовикинетикиатомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, таки с точки зрения оптимизации плазмохимических процессов и рядаприкладных аспектов.

Одной из таких проблем является разработка методаподдержания стационарного горения и увеличения эффективности сгораниятоплива в условиях высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков. Влаборатории для инициации воспламенения используются объемные иповерхностные сверхвысокочастотные разряды, а также различного типапоперечные и продольные (по отношению к сверхзвуковому потоку) разрядыпостоянного тока и импульсно-периодические разряды.55В условиях импульсного самостоятельного разряда сверхзвуковоегорениесвободных(безиспользованиязастойныхзон)воздушно-углеводородных потоков происходит только в течение длительностиимпульса, и пламя срывается, как только подвод энергии прекращается.

Длястационарногогоренияприиспользованиинестационарнойнизкотемпературной плазмы необходимо оптимизировать режим инициацииимпульсного разряда, т.е. величину вкладываемой в плазму энергии,длительностьичастотуследованияимпульсов.Этоможетбытьосуществлено при создании разряда в режиме программированного импульса[11]. В программированном режиме пробой газа и создание плазмыосуществляется с помощью короткого импульса, или пачки короткихимпульсов, а поддержание образующейся плазмы и вклад энергии в плазмупроисходит в течение длительного маломощного импульса, следующего снекоторой временной задержкой зад после первого импульса, или послепачки коротких импульсов.Известно, что в неподвижном газе повторный электрический пробойгаза облегчен по сравнению с первичным пробоем (смотри, например, [11,12]).

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 большоеколичество заряженных частиц.Наличие в газе долгоживущих возбужденных частиц также облегчаетповторный пробой, так как ионизацию газа в этом случае могут производитьэлектроны с малыми энергиями за счет ступенчатых процессов с участиемметастабильных атомов и молекул. Нагрев газа в течение первого импульсапри высоких давлениях также приводит к снижению повторного пробоя из-заснижения плотности газа в зоне существования первичного разряда.Поотношениюквоспламенениюнеподвижнойвоздушно-углеводородной смеси уменьшение периода индукции в течение повторного56разряда, и увеличение полноты сгорания может происходить из-зареформирования воздушно-углеводородной смеси (создание заряженных ивозбужденных частиц, активных радикалов, а также нагрев горючего) втечение первого импульса.Чтокасаетсявоспламенениявысокоскоростныхвоздушно-углеводородных потоков, то режим программированного импульса можетиспользоватьсявтакойкомбинации,когдадляпредварительногореформирования углеводородной смеси разряд в течение первого импульсасоздается перед входом в область, где предполагается основное сгораниесмеси, тогда как низкотемпературная плазма в течение повторного импульсасоздаетсявосновнойобластисгораниясвременнойзадержкой,определяемой скоростью сноса реформированной углеводородной смеси ирасстоянием между областью предварительного возбуждения и областьюсгорания.

В данном параграфе приведено описание экспериментов поисследованию влияние комбинированного СВЧ-разряда, создаваемого взастойной зоне аэродинамического канала, на воспламенение и горениевысокоскоростного потока пропан-воздушного топлива.Комбинированный разряд предложен с целью уменьшения периодаиндукции и увеличения интенсификации горения высокоскоростного потокауглеводородноготоплива.импульсно-периодическогоРазрядпредставляетповерхностногособойСВЧ-разрядакомбинациюиразрядапостоянного тока, создаваемых в рециркуляционной зоне аэродинамическогоканала.

При этом поверхностный СВЧ-разряд служит для нескольких целей.Во-первых, он способствует инициации разряда постоянного тока. Вовторых, в условиях СВЧ-разряда имеет место эффективный вклад энергии вплазму. Это ведет к эффективному созданию активных радикалов,возбужденных и заряженных частиц, а также к интенсивному объемномуоблучению газового потока ультрафиолетовым излучением. Эти факторымогут приводить к быстрому воспламенению газообразного топлива. Разряд57постоянного тока служит для вклада тепловой энергии в газ, и стабилизациигорения высокоскоростного потока углеводородного топлива.С целью проверки эффективности комбинированного разряда для егоприменения в плазменной аэродинамике в [81, 82] была разработана иизготовлена лабораторная модель аэродинамического канала с различнымизастойными зонами, позволяющая проводить исследования процесса горенияуглеводородного топлива.