Диссертация (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 13

Использование двухпроводной линиипозволяло проводить измерения с достаточно хорошим (порядка 2-3 мм)пространственным разрешением в плазменном объекте размером несколько71сантиметров.ТаккакмощностьзондирующегоСВЧ-излучениянепревышала 100 мВт, то оно не оказывало существенного влияния напараметры исследуемого объекта.

При этом имелась возможность оценитьконцентрацию электронов с помощью измерения степени поглощениязондирующего излучения при его прохождении через плазменный объект.Обычно,дляизмерениястепенипоглощениямикроволновогоизлучения в плазменных образованиях большого размера, существеннопревышающего длину волны зондирующего излучения, диагностирующееизлучение фокусируется с помощью различных антенн. Однако в нашемслучае, когда плазменное образование имеет сантиметровые размеры, дляулучшения пространственного разрешения мы использовали специальноразработанную для этих целей двухпроводную линию.

Блок схема установкипредставлена на рис. 18.2343516Рис. 18. Блок-схема экспериментальной установки для измерения поглощениязондирующего СВЧ излучения в области горения спирта в условиях поверхностного СВЧразряда. 1 – маломощный перестраиваемый СВЧ генератор; 2 – волновод; 3 –двухпроводная линия; 4 – исследуемый плазменный объект; 5 – кристаллическийдетектор; 6 – цифровой осциллограф.Она состоит из задающего микроволнового генератора (1), имеющеговолноводный выход (2). Волноводная секция, снабженная специальнымсогласующимкаскадом,переходитвдвухпроводнуюлинию(3).Двухпроводная линия через согласующий каскад соединялась с секциейкристаллического детектора (5).

С выхода кристаллического детекторасигналпоступалнацифровойосциллограф(6).Вэкспериментедвухпроводная линия могла перемещаться в пространстве, что позволяло72проводить измерения на различных расстояниях от поверхности антенны.Следует отметить, что величина поглощения зондирующего микроволновогоизлучения пропорциональна не концентрации электронов ne, а величине(neL), равной произведению концентрации электронов ne на размер Lплазменного образования. При этом для локальных измерений необходимознать закон изменения концентрации электронов в пространстве.При отсутствии пламени в зоне двухпроводной линии на осциллограферегистрировался сигнал с кристаллического детектора амплитудой 140 мВ.При попадании ионизованной области в зону двухпроводной линии сигнал скристаллическогодетекторауменьшался.Приэтомполнаяотсечка(отсутствие сигнала на выходе кристаллического детектора) соответствуетвеличине (neL)cut off ~ 1013 см-3.

При малых поглощениях концентрацияэлектронов прямо пропорциональна величине поглощения [130].Концентрация электронов в плазме СВЧ-разряда, а также в каналахпульсирующего электродного разряда определяется спектроскопическимметодом по регистрации штарковского уширения спектральных линийбальмеровской серии водорода H с длиной волны  = 486.1 нм и H с длинойволны  = 656.3 нм.Период индукции определяется одновременно несколькими способами,а именно: по минимальной длительности СВЧ-импульса, приводящего кпоявлению характерного свечения в аэродинамическом канале; по резкомувозрастанию интенсивности свечения молекулярной полосы возбужденногорадикала CH с длиной волны канта 431.5 нм; по времени появления сигнала сдвойного зонда и тока через плоский конденсатор, расположенных на выходеаэродинамического канала; по резкому возрастанию акустического шума итепловых потоков из области воспламенения; по резкому увеличениюпоглощения зондирующего маломощного микроволнового излучения; поизменению общего вида спектра излучения плазмы и увеличениютемпературы газа.73Полнотасгоранияуглеводородноготопливаопределяласьпоизмерению концентраций пропана, спирта, углекислого газа, паров воды, поизменению абсолютной и относительной влажности воздуха, по повышениюдавления и температуры воздуха в закрытой барокамере после реализациигорения.В экспериментах факт воспламенения и стабилизации горениявысокоскоростного потока углеводородного топлива определяется порезкому изменению интенсивности свечения гидроксила ОН и полосы CN, поизменению общего вида разряда, по изменению временного хода импульсаразрядного тока и особенно импульса напряжения на разрядном промежутке.При стабилизации горения резко уменьшаются колебания напряжения наразрядном промежутке, а после прекращения подачи горючего сильныеколебания напряжения восстанавливаются.Созданныйдиагностическийкомплекспозволяетвмасштабахреального времени получать различными методами, подтверждающими другдруга, данные одновременно о нескольких параметрах, характеризующихпроцесссверхзвуковогогорениявоздушно-углеводородноготоплива,например, о температуре пламени, степени ионизации, полноте сгорания идр.

Это дает нам уверенность в надежности проводимых измерений.§ 3.2. Спектроскопический метод измерения температуры газа поразрешенной вращательной структуре молекулярных полосПри изучении плазмы на первый план выдвигается проблемадостаточно углубленной бесконтактной (дистанционной) ее диагностики.Разработка средств диагностики неизбежно сталкивается с изучениемэлементарных процессов в плазме и выбором адекватных моделей,обосновывающих эти методы. Одна из фундаментальных характеристикслабоионизованной плазмы - температура нейтрального газа.

Температура74газа прямо или косвенно влияет практически на все процессы, протекающиев плазме. При этом слабоионизованная молекулярная плазма представляетсобой довольно сложный в этом отношении случай. Так, измерениятемператур по доплеровскому уширению спектральных линий затрудненыкак малостью ширин, так и наличием аномальных эффектов (уширениелинийзасчетвнешнихИнтерферометрическиеилиивнутреннихманометрическиеплазменныхметоды,полей).использующиеизмерения плотности частиц, также не обеспечивают удовлетворительныхточности как из-за малости температур, так и из-за изменений состава газапод действием разряда. Определение температуры контактным методом спомощью термопары также нельзя реализовать в условиях импульсногоразряда в сверхзвуковом потоке газа.

Наиболее распространеннымиметодамидиагностики плазмыспектральныеметоды.Сихдо сих пор являются классическиепомощьюисследуютсяхимическиеиэлектрические свойства плазмы, физическая кинетика и элементарныепроцессы. Для определения температуры газа широко используется методотносительных интенсивностей вращательных линий какой-либо выделеннойэлектронно-колебательнойполосымолекулярногоспектра.Однаковусловиях неравновесной низкотемпературной плазмы этот метод нуждается ванализе.

Для его применимости необходимо, чтобы распределение молекулпо вращательным уровням возбужденного электронного состояния былобольцмановским с вращательной температурой, равной температуре газа.Таким образом, чтобы проводить корректные измерения температуры газа поотносительным интенсивностям во вращательной структуре, необходимдетальный анализ условий, имеющихся в плазме, и каналов заселения ирасселения излучающих электронных состояний.

В противном случаерезультаты измерений могут не нести информации о газовой температуре иприводить к противоречиям. Поэтому актуальным является проведениеизмерений поступательной температуры частиц в различных молекулярных75газах в широком диапазоне изменения давления газа от низких значенийр = 0.1-10 Тор, когда правомерность применяемых спектральных методов невызываетсомнений,таккаквплазмевыполняютсяусловия,соответствующие корональной модели, до высоких, вплоть до атмосферного,давлений,когдасостояниеплазмыприближаетсяклокальномутермодинамическому равновесию.

При этом все температуры (температуравозбуждения, распределения, колебательная, вращательная, электронная,газовая) становятся равными друг другу и существуют достаточноапробированныеметодыизмерениятемпературыплазмы.Особенносложным для экспериментального изучения является промежуточныйдиапазон давлений 50-400 Тор, когда уже не выполняются условиякорональной модели, но плазма остается еще в неравновесном состоянии.В наиболее простых условиях, когда в исследуемой молекулярнойплазмеимеетместотермодинамическоеравновесие,температуранейтрального газа отождествляется с измеренными посредством регистрацииизлучения молекулярных спектров вращательной TR и колебательной Tvтемпературами [11, 131, 132].

Величины TR и Tv являются параметрами,характеризующимибольцмановскиераспределениямолекулповращательным и колебательным энергетическим уровням.ТемпературугазаTgможноопределить,вообщеговоря,повращательной структуре молекулярных спектров и в неизотермическойплазме. Одна из трудностей определения температуры нейтрального газа вэлектрическом разряде по молекулярным полосам состоит в том, чтораспределение молекул по вращательным состояниям, соответствующеетемпературе нейтрального газа, заранее может быть констатировано толькодлястабильныхмолекул.Особенностьвозбуждениятакихмолекулэлектронным ударом состоит в том, что из-за малой вероятности измененияэнергии вращения при возбуждении некоторого электронного состояния76распределение молекул по вращательным уровням этого состояния подобнораспределению по вращательным уровням основного состояния.Однако, в отсутствие термодинамического равновесия возможнысущественные погрешности в определении Tg, обусловленные следующимипричинами.