Диссертация (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 12

рис. 15).12 345678Рис. 15. Схема теневой установки. 1  импульсная лампа вспышки, 2  линза, 3  входнаядиафрагма, 4  длиннофокусный объектив, 5  неоднородный исследуемый объект, 6 длиннофокусная собирающая линза, 7  выходная диафрагма, 8  фотокамера.В качестве источника света для теневой установки использоваласьимпульсная лампа вспышки с длительностью импульса  = 4 мкс, чтопозволялополучатьтеневуюфотографиюисследуемогопроцесса свременным разрешением. Излучение лампы (1) с помощью собирающейлинзы (2) фокусировалось на входную диафрагму (3). Использоваласькруглаядиафрагмасплощадьюотверстия1 мм2.Собирающаядлиннофокусная линза (4) с фокусным расстоянием 150 см помещалась сдругой стороны диафрагмы так, что диафрагма располагалась в фокальнойплоскости линзы. При этом на выходе этой оптической системыформировался параллельный пучок света диаметром 150 мм с однороднымраспределением интенсивности света по сечению пучка.

Параллельныйпучок света, проходя через изучаемый неоднородный объект (5), попадал навыходную длиннофокусную линзу (6). В фокальной плоскости линзы (6)66располагалась диафрагма (7) с круглым отверстием диаметром 1 мм2.Теневая картина регистрировалась фотокамерой (8).Динамика воспламенения углеводородов изучается также с помощьюоптических рефракционных датчиков и коллимированных фотоэлектронныхумножителей.

Оптические рефракционные датчики включают в себя газовыеHe-Ne лазеры (2), (3), систему формирования и перемещения в пространствелазерных лучей (4)-(6), фотоэлектронные умножители (8)-(9) с входнымирегулируемыми щелями (7). Блок-схема установки приведена на рис. 16.687912101112543Рис. 16. Блок-схема измерений скорости распространения светящейся области и области спониженной плотностью газа, возникающих при воспламенении жидких углеводородов спомощью поверхностного СВЧ разряда. 1 – исследуемый объект (вид сбоку); 2, 3 – He-Neлазеры; 4 – блок выходных диафрагм; 5, 6, 12 – зеркала; 7 – блок входных диафрагм; 8, 9,10 – фотоэлектронные умножители; 11 – коллиматор.Работа оптического рефракционного датчика основана на принципеотклонения лазерного луча на скачках плотности нейтрального газа.

Приюстировке рефракционного датчика предварительно задавалось положениелазерноголучавтомместепространства,67гденеобходимобылозарегистрировать соответствующие газодинамические возмущения. В случаерегистрации фронта ударной волны входная щель фотоэлектронногоумножителя настраивалась в таком положении, чтобы лазерный луч припрохождении в невозмущенном воздухе не фиксировался ФЭУ, однакопроходящий через данное место пространства скачок плотности газаотклонял бы лазерный луч так, чтобы он попадал через входную щель накатод фотоэлектронного умножителя. При регистрации каверны, датчикнастраивался так, чтобы, проходя через невозмущенное пространство,лазерный луч попадал на фотокатод.

При прохождении каверны лучотклонялся от первоначального положения и сигнал на выходе датчикауменьшался. Коллимированный фотоэлектронный умножитель (10)-(11)регистрировал излучение из заранее заданной малой (порядка 1-2 mm)области пространства. Зеркало (12) могло перемещаться, что позволялопроводить измерения на различных расстояниях от поверхности антенны.Изменение тепловых потоков, идущих от области пространства, вкоторойсоздаетсяпрограммированныйСВЧ-разряд,приводящийквоспламенению углеводородного топлива, регистрируется с помощьютермопар.

Термопары располагались в различных местах барокамеры, атакже монтировались на пластине заподлицо с ее поверхностью приисследовании внешнего горения воздушно-углеводородного топлива, и настенках аэродинамического канала, внутри которого изучался процессплазменно-стимулированного воспламенения и стабилизации сверхзвуковогогорения пропан-воздушного топлива.Тепловые потоки, идущие от антенны, на которой создаетсяимпульсный поверхностный СВЧ-разряд длительностью порядка 100 мкс,приводящийкрегистрировалисьвоспламенениюспомощьюуглеводородноготермопары.топлива,Однакотакжеполучитьсмикросекундным разрешением с помощью стандартной термопары ее откликнаимпульсноетепловоевоздействие68длительностью100 мкснепредставляется возможным. Предварительно была проведена калибровкатермопары на импульсное включение теплового источника, длительностькоторого могла изменяться от 1 до 10 с.

Оказалось, что выходной сигналтермопары нарастает до стационарного установившегося значения в течениенесколько секунд от начала включения теплового источника, а после еговыключения медленно в течение несколько десятков секунд возвращается висходное состояние. Исходя из этого, был выбран режим работы СВЧгенератора, оптимальный для измерения с помощью термопары, а именно,использовался импульсно-периодический режим воздействия с частотойследования СВЧ-импульсов 10 Гц. В этом случае за время 0.1 с паузы междуимпульсами тепловое состояние термопары существенно не изменяется, акаждый следующий СВЧ-импульс приводит к возрастанию выходногосигнала от термопары.Регистрация факта воспламенения воздушно-углеводородных смесей иоценка величины степени ионизации газа проводились при измерениипроводимости пламени. С этой целью плоский конденсатор располагался ввыходном сечении аэродинамического канала на пути распространенияпламени (см. рис.

17).i2R1UoфРис. 17. Блок-схема устройства для измерения проводимости пламени. 1  плоскийконденсатор, 2  движущаяся область горения углеводорода.В условиях эксперимента измерялась временная задержка междумоментомвключенияимпульсногоразряда,которыйинициировалвоспламенение топлива, и моментом появления электрического сигнала наизмерительном сопротивлении R, включенном в цепь, состоящую из69источника питания и плоского конденсатора. По этим измерениямопределялся факт воспламенения, а также минимальная длительность СВЧимпульса,необходимаядлявоспламененияспирта,искоростьраспространения пламени в перпендикулярном поверхности антеннынаправлении.

Величина тока i, протекающего через сопротивление R, когда впространство между пластинами конденсатора попадало пламя, позволялаоценить степень ионизации газа в пламени. Если плоский конденсаторполностью заполнялся ионизованным в области горения газом, то величинатока i в цепи определяется выражением i  enedrS , где e  заряд электрона,ne  концентрация электронов, S  площадь пластин плоского конденсатора,d  расстояние между пластинами конденсатора, U0 – разность потенциаловмежду пластинами конденсатора, dr – дрейфовая скорость электронов,dr  e E , где e  подвижность электронов, E = U0/d  напряженностьэлектрическогополявпространствемеждупластинамиплоскогоконденсатора. В экспериментальных условиях конденсатор имел следующиеразмеры: d = 1 см, S = 1х2 см2.

Напряжение на пластинах конденсатораU0 = 20 В. При этом средняя электронная концентрацияne [см-3] вэксперименте определялась по формуле: ne  1.1 1011i , где i  ток в мА черезконденсатор. Несмотря на то, что точность определения электроннойплотности с помощью этого метода недостаточно хорошая, этот метод все жеявляетсянадежнымипростымспособомисследованияпроцессавоспламенения и горения углеводородного топлива.Концентрациязаряженныхчастицвобластяхпространства,расположенных вниз по потоку на различных расстояниях от областигорения, измеряется с помощью двойного зонда [128, 129].

Использовалисьсимметричные зонды с диаметром зондов 1 мм, длиной рабочей части 10 мми расстоянием между центрами зондов 5 мм. Измерения концентрации ионовпроводились по ионному току насыщения, для этого между зондами70подавалось постоянное смешение 36 В. Последовательно с источникомпитания включалось измерительное сопротивление. Сигнал с измерительногосопротивления, пропорциональный зондовому току, подавался на входцифрового запоминающего осциллографа TDS-210.

Запуск осциллографабыл синхронизован с моментом включения разряда, поэтому измеренияпроводились не только с пространственным, но и временным разрешением.Для измерения ВАХ двойного зонда в условиях горения воздушноуглеводородных топлив вместо постоянного смещения включался генераторсинусоидального напряжения. Амплитуда синусоидального напряженияU = 30 В была выбрана исходя из достижения на ВАХ ионного токанасыщения.

В эксперименте период T синусоидального напряжения могизменяться от 10 мкс до 1 мс. С одной стороны, концентрация в течениеимпульсадлительностью = 100 мксменяется,поэтомужелательнопроведение измерений с длительностью много меньшей . С другой,уменьшение T приводит к нарастанию паразитного тока смещения. С цельюуменьшения этих наводок измерительное сопротивление располагалосьнепосредственно сразу за зондом.

Сигнал с этого сопротивления поэкранированному кабелю с заземленным экраном поступал на один изканалов осциллографа TDS-2014 (аналогичным образом на двойной зондподавалосьнапряжениесмещенияотгенераторасинусоидальногонапряжения).Концентрация электронов в области горения измеряется также попоглощению зондирующего маломощного микроволнового излучения. Дляэтого использовался милливаттный СВЧ-генератор с перестраиваемойдлинойволнывдиапазоне = 4-8 мм,двухпроводнаялинияикристаллический СВЧ-детектор, регистрирующий уровень прошедшего черездвухпроводную линию сигнала.