Диссертация (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 3

Длясоздания комбинированного разряда наряду с мощным СВЧ-генераторомиспользуется источник питания постоянного тока с выходным напряжениемU = 2.5-5.5 кВ, обеспечивающий разрядный ток i = 1-15 A при длительности13импульса = 0.1-2 с.Параметрыисточникапозволяютсоздаватьэлектродный разряд постоянного тока в сверхзвуковом потоке приподводимой мощности до 10 кВт. Система синхронизации позволяет вводитьвоздух, жидкое углеводородное топливо, пропан или пропан-воздушнуюсмесь в аэродинамический канал с фиксированными задержками поотношению друг к другу, а также позволяет создавать поверхностный СВЧразряд в режиме одиночного импульса, в импульсно-периодическом режимеили в программированном режиме.

При этом возможно изменять в широкомдиапазоне длительность, число и частоту следования импульсов.В первых экспериментах по использованию газоразрядной плазмы длястабилизации внутреннего горения высокоскоростного пропан-воздушногопотока при атмосферном давлении окружающего воздуха использовалсякороткий аэродинамический канал, продольный размер которого меньше10 см.

Экспериментально показано, что топливо не успевает полностьюсгореть внутри этого канала, а полнота сгорания не превышает 30 %. Длятого чтобы повысить эффективность горения, необходимо было увеличитьвремя нахождения топлива внутри камеры сгорания, т.е. либо уменьшитьскорость потока, что для нас неприемлемо, либо увеличить продольныеразмеры канала.

Были разработаны и изготовлены новые гладкие (беззастойных зон) аэродинамические каналы прямоугольного сечения. Чтобыизбежать их запирания при плазменно-стимулированном горении воздушноуглеводородного топлива в высокоскоростном потоке каналы были спеременным сечением, причем отношение выходного сечения к входномуS2/S1 = 5, 8 и 12. Продольная длина каналов соответственно 70, 60 и 50 см.В третьей главе диссертации представлено описание разработанного исозданного на базе современного оборудования автоматизированногодиагностического комплекса, позволяющего в масштабах реального временипроводить как бесконтактными, так и контактными методами измеренияпространственно-временнойэволюции14характеристикнетолькогазоразрядной плазмы, но и пламени, возникающего при плазменностимулированном горении воздушно-углеводородного топлива. Комплексвключает в себя широкий набор методов исследования, как стандартных,применяемых в различных лабораториях при исследовании свойствгазоразрядной плазмы, так и разработанных в нашей лаборатории длядиагностики плазменных систем, создаваемых в высокоскоростных потокахвоздуха и в воздушно-углеводородных смесях.

Процесс плазменностимулированного воспламенения и горения углеводородов фиксируется сиспользованием цифрового фотоаппарата D50, цифровой видеокамеры«Nokia» и цифровой видеокамеры «ВидеоСпринт» с электронно-оптическимнаносекундным затвором. При последующем воспроизведении изображенийна мониторе компьютера можно измерять размеры области горения,фиксировать момент начала воспламенения и определять пространственновременную эволюцию процесса горения. Спектр излучения пламенификсируется с помощью цифрового двухканального спектрографа «AvaSpec2048-2-DT». Температура газа определяется из сравнения экспериментальноизмеренных и синтезированных молекулярных полос N2, CN и CH.

Привоспламенении и горении воздушно-углеводородных топлив температурапламени на выходе их зоны горения определяется по току термоэлектроннойэмиссии, возникающему при разогреве двойного вольфрамового зонда,помещенного в горячий поток, а также по сплошному спектру, испускаемомунакаленным вольфрамовым стержнем. Для визуализации ударных волн игазодинамическихвозмущений,возникающихпривоспламененииуглеводородного горючего, используется импульсная теневая установка.Динамика воспламенения углеводородов изучается также с помощьюоптических рефракционных датчиков и коллимированных фотоэлектронныхумножителей.Изменениетепловыхпространства,всоздаетсякоторойпотоков,идущихпрограммированныйотобластиСВЧ-разряд,приводящий к воспламенению углеводородного топлива, регистрируется с15помощью термопар.

В экспериментах факт воспламенения и стабилизациигорения высокоскоростного потока углеводородного топлива определяетсяпо резкому изменению интенсивности свечения гидроксила ОН и полос CN,по изменению общего вида разряда, по изменению временного ходаимпульса разрядного тока и особенно импульса напряжения на разрядномпромежутке. При стабилизации горения резко уменьшаются колебаниянапряжения на разрядном промежутке, а после прекращения подачигорючего сильные колебания напряжения восстанавливаются.

Концентрациязаряженных частиц в областях пространства, расположенных вниз по потокуна различных расстояниях от области горения, измеряется с помощьюсимметричных двойных зондов, а также по поглощению зондирующегомаломощного микроволнового излучения. Концентрация электронов вплазмеповерхностногоэлектродногоразрядаСВЧ-разрядаопределяетсяивканалахпульсирующегоспектроскопическимметодомпорегистрации штарковского уширения спектральных линий бальмеровскойсерии водорода. Полнота сгорания углеводородного топлива определяласьпо измерению концентраций пропана, спирта, углекислого газа, паров воды,по изменению абсолютной и относительной влажности воздуха, поповышению давления и температуры воздуха в закрытой барокамере послереализации горения.Созданныйреальногодиагностическийвремениполучатьподтверждающимидругхарактеризующихпроцесскомплексодновременнодруга,данныеосверхзвуковогопозволяетвмасштабахразличнымиметодами,несколькихпараметрах,горениявоздушно-углеводородного топлива, например, о температуре пламени, степениионизации, полноте сгорания и др.

Это дает уверенность в надежностипроводимых измерений.Вчетвертойглаведиссертацииизучаетсяплазменно-стимулированное горение газообразных и жидких углеводородов в условиях16высокоскоростных воздушных потоков, обтекающих диэлектрическуюпластину, на поверхности которой создается программированный СВЧразряд.В условиях импульсного самостоятельного разряда сверхзвуковоегорение свободных воздушно-углеводородных потоков происходит только втечение длительности импульса, и пламя срывается, как только подводэнергии прекращается. Для стационарного горения при использованиинестационарной низкотемпературной плазмы необходимо оптимизироватьрежим инициации импульсного разряда, т.е.

величину вкладываемой вплазму энергии, длительность и частоту следования импульсов. Это можетбыть осуществлено при создании разряда в режиме программированногоимпульса [11]. В программированном режиме пробой газа и создание плазмыосуществляется с помощью мощного короткого одиночного импульса, илисерии коротких мощных импульсов, а поддержание образующейся плазмы ивклад энергии в плазму происходит в течение длительного маломощногоимпульса, следующего с некоторой временной задержкой после первогоимпульса, или после серии коротких мощных импульсов.В условиях программированного разряда, представляющего собойкомбинацию поверхностного СВЧ-разряда и разряда постоянного тока,реализована стабилизация плазменно-стимулированного горения спирта,вводимого в дозвуковой (М=0.3-0.9) воздушный поток в капельной (в видеспрея) фазе.

Показано, что в процессе перехода от разряда в воздушномпотоке к стабилизации горения жидкого углеводородного топлива резкоизменяются внешний вид и вольтамперная характеристика разряда, спектризлучения и интегральная интенсивность свечения пламени, тепловой поток,концентрация электронов, интенсивность излучения гидроксила, временныезависимости разрядного тока и особенно напряжения на разрядномпромежутке. Полнота сгорания жидкого спирта при стабилизации горениядостигает 80 % и более в зависимости от подводимой мощности, причем17горение происходит при температуре пламени порядка 2000 К.Показано, что исследуемый разряд в воздухе представляет собойтонкий (диаметром порядка 1 мм) плазменный канал, вытягиваемый вниз попотоку.