Диссертация (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 26

Временной ход температуры пламени, зарегистрированный на расстоянииz = 22 см от электродов. Температура измерялась по полосам циана в течение пускадлительностью 1.6 с. Разрядный ток i = 10 А. dmair/dt = 105 г/с, 1 =480 м/с, М1 = 1.8.21001800Tпл, K1500120090060030005001000150020002500t, мсРис. 77. Временной ход температуры пламени, зарегистрированный на расстоянии z=42 смот электродов. Температура измерялась по полосам циана в течение пуска длительностью2.5 с. Разрядный ток i = 10 А. dmair/dt = 105 г/с, 1 =480 м/с, М1 = 1.8.На рис. 76 представлен временной ход температуры пламени,зарегистрированный на расстоянии z = 22 см от электродов (длительность163разряда постоянного тока и инжекции в воздушный поток пропана равнаРПТ = 1.6 с),анарис.

77временнойходтемпературыпламени,зарегистрированный на расстоянии z = 42 см (РПТ = 2.5 с).Из представленныхрезультатов видно, что, во-первых, температура горения в течение пуска влюбом сечение аэродинамического канала остается практически постояннойво времени, а, во-вторых, температура нарастает при движении пламени поаэродинамическому каналу вниз по потоку.На рис. 78 приведена аксиальная зависимость температуры пламенивнутри аэродинамического канала. Видно, что температура повышается от1400 К вблизи электродов до 1950 К на выходе из аэродинамического канала.Это связано с тем, что в области существования газоразрядной плазмы,генерируемой в области z = 10-20 см от входного сечения канала, непроисходитполноесгораниепропана.Помересносавоздушно-углеводородного потока и дальнейшего догорания топлива происходитповышение температуры до 1950 К.2100Tпл, K1800150012009000102030405060z, смРис.

78. Зависимость температуры газа от продольной координаты. Измеренияпроводились на расстояниях 10 – 40 см от электродов. Разрядный ток i = 10 А. М1 = 1.8.Дляподтвержденияполученногорезультатавработеиспользовано еще два метода регистрации температуры пламени.164былоВо-первых, аксиальное распределение температуру пламени на выходеиз аэродинамического канала измерялось с помощью накаленного двойногозонда. Зонд помещался в фиксированную область пространства, происходилзапуск системы, обеспечивающей плазменно-стимулированное сжиганиесверхзвукового потока углеводородного топлива. При сгорании воздушноуглеводородного потока внутри аэродинамического канала на выходе из негообразуется горячий факел, продольные размеры которого не превышают 2025 см. Происходил постепенный разогрев вольфрамовых поверхностейдвойного зонда до температуры 1800-2000 К.

Хорошо известно, чтовольфрам тугоплавкий материал, который выдерживает без разрушениятемпературу окружающей среды до 3300 К. Однако, если нагретая средахимически активна, как в нашем случае, происходят сильные абляционныепотери и вольфрам не может длительное время находиться даже при болеенизких температурах, как в нашем случае.

Происходит абляционный уносатомов с поверхности стержней. Этот эффект хорошо наблюдается в нашихэкспериментах.t = 0 с;0.3 с;0.6 с;0.9 с;1.2 с;1.5 с;1.8 с;2.1 с;2.4 с.Рис. 79. Динамика нагрева вольфрамового стержня, помещенного на выходеаэродинамического канала, в процессе горения пропан-воздушного топлива и медленноеостывание стержня после прекращения горения (последовательность кадров слеванаправо). dmair/dt = 105 г/с, 1 =480 м/с, М1 = 1.8.165На рис. 79 представлены несколько фотографий, зарегистрированных вразличные моменты времени, общего вида вольфрамового стержня,помещенного на выходе аэродинамического канала. Видна динамика нагреваметаллического стержня в процессе горения пропан-воздушного топлива иего медленное остывание после выключения разряда.Вначальныемоментывремени,покаповерхностныеслоиметаллического зонда не нагреты, ток на зонд определяется толькоионизованным потоком пламени.

По мере разогрева до температуры 18002000 К зонда начинал имитировать все больше и больше электронов со своейповерхности и регистрируемый им ток постепенно увеличивался и выходилнастационарноезначение.Используякалибровочнуюкривую,представленную на рис. 24, можно определить стационарную температуруповерхностивольфрамовогодвойногозонда.Полученныеданныепредставлены на рис. 80.

Определенная по току термоэлектронной эмиссиитемпература хорошо согласуется с температурой пламени, полученнойспектральным методом по измерению относительных интенсивностейколебательных полос циана.21001800Т, К15001200900600300048z, см121620Рис. 80.

Зависимость температуры пламени от расстояния до выходного сеченияаэродинамического канала. Измерения проводились с использованием накаленногодвойного зонда. dmair/dt = 105 г/с, 1 =480 м/с, М1 = 1.8.166Во-вторых, аксиальное распределение температуры пламени на выходеиз аэродинамического канала измерялось с помощью регистрации излучениясплошного спектра нагретым в пламени вольфрамовым стержнем диаметромd = 1-1.5 см.ВэтомслучаеизмеряетсяяркостнаятемператураTяповерхностных слоев вольфрамового стержня спустя две секунды посленачала горения.

Зная яркостную температуру Tя и используя уравнение (3.17)можно определить истинную температуру вольфрама Т, которая для позднихt  1.5 cмоментоввремениотначалагоренияотождествляетсястемпературой пламени.На рис. 81 представлено сравнение экспериментально измереннойяркостиизлучениявольфрамовогостержня(сплошнаякривая)срассчитанными (пунктирные кривые) зависимостями от длины волны притрех температурах 1600, 1700 и 1800 К. Все кривые нормированы на единицупри  = 792 нм. Значение температуры приведено около соответствующихкривых. Измерения проводились через 2 с от начала горения.b,T/b792нм,Т, отн.ед.100-1101800-21017001600-310450 500 550 600 650 700 750 800, нмРис.

81. Сравнение экспериментально измеренной (сплошная кривая) с рассчитанными(пунктирные кривые) зависимостями яркости излучения вольфрамового стержня от длиныволны при различных температурах.167Из рис. 81 следует, что при данных условиях эксперимента яркостнаятемпературавольфрамовогостержняТяр = 1700 К.Знаяяркостнуютемпературу Tя и используя уравнение (3.17) можно определить истиннуютемпературу вольфрама Т, которая через две секунды после начала горения вусловиях данного эксперимента равна 1800 К, что хорошо согласуется стемпературой пламени, полученной другими методами.На рис. 82 представлена полученная таким образом временнаязависимость температуры поверхности вольфрамового стержня.

Из рис. 82видно, что поверхность стержня в горячем потоке постепенно нагревается, ичерез 1.5 с выходит на стационарное значение порядка 1800 К. Этутемпературу мы отождествляем со средней температурой пламени в данномместе пространства в этот момент времени. Полученная температура хорошосогласуется с температурой пламени, полученной спектральным методом поизмерению относительных интенсивностей колебательных полос циана.21001800TW, K150012009006003000,00,51,01,52,02,53,03,5t, сРис.

82. Зависимость температуры поверхности вольфрамового стержня, определенная пораспределению по длинам волн интенсивности свечения сплошного спектра,испускаемого нагретым в потоке пламени вольфрамовым стержнем.Согласно закону Стефана–Больцмана полная плотность равновесногоизлучения пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.Измеряявременнойходинтенсивности168излучениянагреваемоговвысокоскоростномпотокепламенивольфрамовогостержня,можноопределить временной ход температуры его поверхности по формуле T ~ I0.25.Проводя нормировку максимального значения температуры поверхностивольфрамового стержня на величину 1800 К, получаем временной ходтемпературы поверхности стержня, помещенного в горячее пламени.Следует еще раз подчеркнуть, что на рис.

82 представлен временнойход температуры поверхности вольфрамового стержня, а не временной ходтемпературы пламени. Однако когда температура поверхности стержнявыходит на стационарное значение, она равна температуре потока.Суммарная зависимость температуры газа от продольной координаты,определенная различными методами, представлена на рис. 83.2100Tпл, K18001500120090001020304050607080z, смРис.

83. Распределение температуры пламени вдоль аэродинамического канала и навыходе из него. dmair/dt = 105 г/с, 1 =480 м/с, М1 = 1.8.Из рис. 83 видно, что сверхзвуковое плазменно-стимулированноегорение происходит при достаточно низкой температуре (Tпл = 1400-2000 К).169§ 5.5. Сила тяги, возникающая при сверхзвуковом горении пропанвоздушного топлива в аэродинамическом канале с присоединеннымвоздуховодомВременнойходсилытяги,возникающейприплазменно-стимулированном горении сверхзвукового холодного пропан-воздушногопотока в аэродинамическом канале с выходным соплом, приведен на рис. 84.Секундный массовый расход воздуха dm/dtair = 105 г/с; секундныймассовый расход пропана dmC3H8/dt = 4.9 г/с; эквивалентное отношениедля пропана  = 0.75 (бедная смесь).

air = 3 с, C3H8 = 2 с, РПТ = 2 с,1 =480 м/с, М1 = 1.8.10080Fт, Н60402000,00,51,01,5t, с2,02,53,03,5Рис. 84. Временной ход силы тяги, возникающей при плазменно-стимулированномгорении сверхзвукового холодного пропан-воздушного потока. dmair/dt = 105 г/с,dmC3H8/dt = 4.9 г/с, 1 =480 м/с, М1 = 1.8.Оценка силы тяги по формуле [2] mC HFт  M п (2  1)  M п  2 3 8 qC3H8  12  2с p (T2  T1)  1  ,Mп170где 1 и 2 – скорости потока на входе и выходе из аэродинамического п [кг/с] – секундный массовый расход воздушно-углеводородногоканала, M C3H8 [кг/с] – секундный массовый расход пропана, qC3H8 [Дж/кг] –топлива, mудельная теплота сгорания пропана, дает значение Fт = 60 Н, что хорошосогласуется с экспериментально измеренной величиной (смотри рис.

84).171Выводы1.На основе разработанных в диссертации новых и модифицированныхстандартныхконтактныхибесконтактныхметодовсоздандиагностический комплекс измерения полноты сгорания, степениионизацииитемпературыпламени,возникающеговусловияхплазменно-стимулированногогорениягазообразногоижидкогоуглеводородного топлива в дозвуковых и сверхзвуковых воздушныхпотоках в свободном пространстве (на поверхности диэлектрическойпластины)ивнутриразличнойконфигурациигладкихаэродинамических каналов.

Показано, что при изменении в широкомдиапазоне компонентного состава топлива, секундных массовыхрасходов воздуха, пропана и спирта, а также вкладываемой в разрядэлектрической мощности параметры пламени, измеренные различнымидополняющими друг друга методами, хорошо согласуются между собой.2.Впервые в условиях высокоскоростных воздушных потоков реализованастабилизация внешнего горения многокомпонентных (воздух-спиртпропан) топлив на поверхности диэлектрической пластины. Показано,что при сгорании спирта тепловые потоки возрастают приблизительно в7 раз, а при горении пропана – в 15 раз по сравнению с тепловымипотоками от разряда, создаваемого в высокоскоростном воздушномпотоке без инжекции топлива.