Диссертация (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 4

Первоначальный пробой газа осуществляется в области наименьшегорасстояния между электродами. Образующийся при этом плазменный каналначинает сноситься вниз по потоку, скользя без нарушения контакта поэлектродам. При достижении плазменной перемычки концов электродов, накоторых в дальнейшем и фиксируется плазменный канал, разряд начинаетсявытягиваться в виде петли вниз по потоку. При этом падение напряжения наразрядномпромежуткенепрерывноувеличивается.Используемыйвэксперименте источник постоянного напряжения не может обеспечитьсуществования разрядной петли при достижении ей длины порядка 30 см.Разрядная петля разрывается и плазменный канал исчезает. Одновременномежду электродами происходит новый пробой газа, и процесс вытягиванияразрядной петли вниз по потоку повторяется снова. То есть электродныйразрядвпотоке,напряжения,создаваемыйпредставляетссобой,помощьюпоисточникасуществу,постоянногонестационарныйпульсирующий разряд.

Частота пульсаций в условиях экспериментаизменяется от 0.5 до 2 кГц в зависимости от скорости потока. С увеличениемскорости потока частота пульсаций возрастает.Пульсирующий характер разряда приводит к сильной осцилляциинапряжения на разрядном промежутке и разрядного тока, а это ведет к тому,что вольтамперная характеристика разряда в потоке представляет собойнемонотонную неоднозначную зависимость напряжения на разрядномпромежутке от тока. Особенно сильно проявляются пульсации напряжения.Средняя по объему температура газа, измеренная на расстоянии 3 см вниз попотоку от концов электродов, равна 500-800 К.

Температура газа в каналевблизи электродов порядка 1500 К. Концентрация электронов в канальной18плазме, измеренная по штарковскому уширению линий бальмеровской серииводорода, порядка 1015 см-3.Спомощьюпрограммированногоимпульсаосуществленастабилизация горения жидкого спирта на поверхности диэлектрическойпластины длиной 10 см, обтекаемой дозвуковым воздушным потоком. Домомента инжекции спирта наблюдаются сильные осцилляции величиныпадения напряжения на разряде. После начала инжекции спирта в течениеприблизительно 0.15 с сильные колебания напряжения сохраняются, а затемони резко уменьшаются и остаются на низком уровне вплоть до окончаниягорения.

Что касается импульса разрядного тока, то при стабилизациигорения его величина несколько возрастает, а пульсации сглаживаются.Сразу после начала инжекции спирта испытывает резкий скачок сигнал сфотоэлектронногоумножителя,регистрирующийинтенсивностьинтегрального свечения. Это связано с началом процесса воспламененияспирта. Однако, так же как и при разряде в воздухе в этот периодинтенсивностьсвечениянестабильна.Послетого,какосцилляциинапряжения на разрядном промежутке резко уменьшаются, сглаживается исигнал с фотоэлектронного умножителя. Показано также, что при инжекциив поток жидкого спирта скорость нарастания сигнала, регистрируемоготермопарой, резко возрастает, что свидетельствует о том, что при горениипроисходит дополнительное выделение тепловой энергии в результатехимических реакций в области сгорания спирта.

Зная мощность, выделяемуюв разряде, и изменение сигнала от термопары в результате горения спирта,было рассчитано, какая дополнительная энергия выделяется в условияхэксперимента. При известных секундном массовом расходе спирта иудельной теплоте его сгорания была оценена полнота сгорания спирта,которая в условиях программированного разряда в дозвуковой воздушнойструе изменяется в пределах 60-80 %.19Изучена динамика развития программированного разряда в дозвуковойвоздушной струе при давлении р = 1 атм неподвижного воздуха в камере.Показано, что после начала стабилизации процесса горения жидкого спирта,инжектируемого в дозвуковую воздушную струю, канальная структураразряда исчезает, область горения фиксируется на поверхности пластинывблизи электродов.

Затем по мере развития процесса горения происходятнезначительные изменения в общем виде процесса горения. Следуетотметить, что если инжекция спирта в поток прекращается до моментаокончания импульса разрядного тока, то разряд переходит в пульсирующийрежим, а колебания напряжения на разрядном промежутке снова резковозрастают.Температура газа в условиях программированного разряда безинжекции спирта порядка 800 К, тогда как при горении спирта температурапламени резко возрастает до T = 1800-2000 К.

Следует отметить, чтофиксируемая в области разряда без инжекции спирта интенсивность свеченияполосы (0,0) молекулярного иона азота соизмерима с интенсивностьюсвечения полосы (0,0) циана, тогда как при горении жидкого углеводородаинтенсивность свечения полос циана на порядки величины превышаетинтенсивностьсвеченияполосыпервойотрицательнойсистемымолекулярного иона азота.

Концентрация электронов на расстоянии z = 10 смвниз по потоку от области горения порядка ne ~ 109 см-3.Исследовано также влияние плазмы комбинированного разряда,создаваемого в режиме программированного импульса, на эффективностьгорения многокомпонентного (жидкого и газообразного) углеводородноготоплива, инжектируемого в дозвуковой (число Маха потока M < 1) исверхзвуковой (M > 1) воздушный поток.

С помощью комбинированногоразряда осуществлена стабилизация внешнего горения жидкого спирта,газообразного пропана, а также их смесей на поверхности диэлектрическойпластины длиной 10 см, обтекаемой высокоскоростной воздушной струей.20Без инжекции пропана в высокоскоростную струю, или при вкладываемой вразряд электрической мощности меньше 4 кВт, а также в случае бедных(эквивалентное отношение пропана  < 0.3) или богатых ( > 2) топливныхсмесей плазменно-стимулированное горение высокоскоростных воздушноуглеводородных потоков в условиях эксперимента не реализуется. Получено,что в области существования разряда z = 0-10 см от кончиков электродовтемпература газа изменяется от 2500 до 2000 К, тогда как вне разряда нарасстоянии z = 15 см температура пламени равна приблизительно 1800 К,постепенно уменьшаясь вниз по потоку.

Средняя за время горения пропанатемпература пламени порядка 1850 К, причем спустя 200 мс послевоспламенения осуществляется стабилизация плазменно-стимулированногогорения.Экспериментально реализована стабилизация на поверхности пластинывнешнего горения дозвукового спирт-пропан-воздушного потока. Показано,что в дозвуковом потоке при горении спирта в условиях комбинированногоразряда тепловой поток возрастает приблизительно в 7 раз, а при горениипропана в 15 раз по сравнению с потоком тепла от разряда в воздушномпотоке без инжекции топлив.

Концентрация электронов при созданииразряда в воздушном потоке без инжекции углеводородов не превышаетвеличины 109 см-3. При горении спирта концентрация электронов в областипламени достигает величины 21011 см-3, а при горении пропана равна31011 см-3. Температура пламени при горении углеводородного топливаизмерялась также с помощью накаленного зонда. В эксперименте токтермоэлектронной эмиссии за вычетом тока проводимости ионизованногогаза (пламени) достигает 40 мкА. Этому соответствует температура пламенина выходе из канала Т = 1800-1850 К. Полученная с помощью накаленногозонда температура пламени с хорошей точностью совпадает с температурой,измереннойспектральнымметодом.Показано,чтовусловияхкомбинированного разряда в дозвуковом потоке происходит полное сгорание21углеводородного топлива, а в сверхзвуковых потоках полнота сгораниядостигает 95 %.Пятая глава посвящена описанию экспериментов по стабилизации спомощьюнизкотемпературнойгазоразряднойплазмысверхзвуковогогорения пропана внутри гладких (без застойных зон) аэродинамическихканалов.

Горение воздушно-углеводородного топлива в длинном канале(L = 50 см) резко отличается от плазменно-стимулированного горения вкоротком канале длиной L = 10 см. При сгорании воздушно-углеводородногопотока внутри длинного аэродинамического канала на выходе из негообразуется факел, продольные размеры которого не превышают 20-25 см.

Вспектре, излучаемом пламенем на выходе из канала, наблюдаются восновном полоса (0;0) радикала CH с длиной волны канта 331.5 нм. Короткийфакел голубого пламени при сверхзвуковом плазменно-стимулированномгорении пропана в длинном канале указывает на тот факт, что топливополностью сгорает внутри канала, при этом не образуется сажа.Аксиальное распределение температуры пламени внутри канала нарасстоянии больше 10 см от электродов, где отсутствует электрическое полеи вращательная и колебательная температуры равны температуре газа,измерялось спектральным методом по относительным интенсивностям полос(0;0) и (1;1) циана.

Показано, что температура повышается от 1400 К вблизиэлектродов до 1900 К на выходе из аэродинамического канала. Это связано стем, что в области существования газоразрядной плазмы, генерируемой вобласти z = 10-20 см от входного сечения канала, не происходит полноесгорание пропана. По мере сноса воздушно-углеводородного потока идальнейшего догорания топлива происходит повышение температуры до1900 К. На выходе из аэродинамического канала распределение температурыпламени определялось с помощью накаленного двойного зонда по величинетермоэлектронной эмиссии, а также по сплошному спектру, испускаемомунагретым вольфрамовым стержнем. Получено, что при помещении в горячий22сверхзвуковойпотокпламенивольфрамовогостержняпроисходитпостепенный (в течение приблизительно 1 с) разогрев его поверхностногослоя до температуры 1800-2000 К.

Эта температура хорошо согласуется стемпературой пламени, полученной спектральным методом по измерениюотносительных интенсивностей колебательных полос циана. Показано, чтосверхзвуковоеплазменно-стимулированноегорениепроисходитпридостаточно низкой температуре (Tпл = 1400-2000 К), что очень важно сэкологической точки зрения.Проведены исследования по определению возможности примененияразрабатываемойтехнологиидлясверхзвуковогосжиганияваэродинамическом канале бедных по отношению к пропану воздушноуглеводородных топлив. Была измерена зависимость тяги, фиксируемой спомощьютензовесов,возникающейприплазменно-стимулированномгорении пропан-воздушного топлива в расширяющемся (не снабженнымвыходным устройством) аэродинамическом канале с присоединеннымвоздухопроводом, от эквивалентного отношения пропана при постоянномсекундном массовом расходе воздуха 100 г/с и различных секундныхмассовых расходах пропана.