Диссертация (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 7

Имеются проблемы устойчивостипроцесса горения, интенсивности горения и первоначального воспламенения.Для стабилизации пламени и увеличения полноты сгорания топлива31необходимоиспользоватьспециальныеустройства(турбулизаторы).Рассмотрение процесса горения топливно-воздушной смеси в камересгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателяпоказывает, что мы имеем дело со сложным процессом зависимости тягидвигателя от множества факторов, к которым относятся: физико-химическиехарактеристики топлива; характеристики атмосферы, в которой в данныймомент движется летательный аппарат; скорость движения летательногоаппарата; особенности впрыска топлива; процесс смешивания топлива своздухом;поддержаниягоренияиуправлениявпроцессеполета;конструктивные особенности двигателя и их постоянство во время полета; иряд других.

Таким образом, имеется «сложная система», которой необходимоуправлять с учетом: переменных факторов на входе в нее; сложнымипроцессами, происходящими в камере горения; требованиями к выходнымпараметрам.Новым подходом к управлению процессом горения в сверхзвуковомпрямоточном воздушно-реактивном двигателе являетсяиспользованиеразличного рода газовых разрядов для направленного воздействия на поток спомощьюлокальноговыделенияэнергии[9-113].Применениекомбинированных разрядов различного типа может обеспечить необходимуюскорость и интенсивность горения.

Для уменьшения продольного размерасверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя необходимообеспечить быстрое объемное воспламенение сверхзвуковых потоковуглеводородного топлива, а для этого максимально сократить периодиндукции.В лаборатории «Сверхзвуковая плазменная аэродинамика», созданнойна физическом факультете Московского государственного университетаимени М.В.Ломоносова, тестировались различные типы самостоятельныхгазовых разрядов, а именно, свободно локализованный разряд, создаваемыйсфокусированным пучком электромагнитного излучения, и новый тип32разряда – микроволновый разряд, создаваемый поверхностной волной надиэлектрическом теле, обтекаемым сверхзвуковым потоком воздуха, а такжеимпульсные поперечныеипродольные поверхностные иобъемныеэлектродные разряды [9, 10, 61-82].

Так как самостоятельные СВЧ-разрядысуществуют при высоких величинах приведенного электрического поля, то вслучае их применения нарабатывается больше активных частиц, чем в плазмеэлектродного разряда. Это сильно влияет на кинетику процессов с участиемактивных радикалов и, как следствие, уменьшает время индукции, чтоявляется очень перспективным для инициации воспламенения сверхзвуковыхпотоков газообразного топлива. Предложенная и разрабатываемая в нашейлабораториитехнологияиспользуетпринципбыстрогоплазменно-стимулированного воспламенения сверхзвуковых воздушно-углеводородныхпотоков и принцип стабилизации горения с помощью программированногомикроволнового разряда, мощность которого изменяется по напередзаданной программе при изменении внешних условий (высота и скорость)полета гиперзвукового летательного аппарата.Для развития современной авиации требуется поиск и разработкановых эффективных средств, позволяющих управлять характеристикамигазового потока вблизи поверхности летательного аппарата, контролироватьпередачу тепла и массоперенос в пограничном слое, снижать поверхностноетрение, задерживать ламинарно-турбулентный переход, управлять отрывомпотока, уменьшать время воспламенения и управлять процессом горениясверхзвуковых потоков горючего в прямоточном двигателе.

Одним из новыхрешений данных проблем является использование различного типа газовыхразрядов. Поэтому в последнее время интенсивно развивается новоенаправление в физике плазмы, а именно, сверхзвуковая плазменнаяаэродинамика[113].Приэтомдляулучшенияаэродинамическиххарактеристик летательных аппаратов предлагается создавать перед ними ина их несущих поверхностях плазменные образования, а для целей33уменьшения времени воспламенения горючего в прямоточном двигателеиспользовать неравновесную газоразрядную плазму.Механизм окисления углеводородов, а также водорода в газовой фазе кнастоящему времени достаточно хорошо исследован (см., например, [114123]).Вэтихработахосновноевниманиеуделяетсямеханизмамвоспламенения различных газообразных горючих. При этом рассматривалисьмеханизмы, определяющие период индукции смеси при самовоспламенении.Однако в научной литературе уже в течение нескольких десятилетийобсуждается вопрос о поиске возможных способов эффективного управленияпроцессами горения с помощью различных физических воздействий.

Так, в[114, 122] исследовалось расширение границ воспламенения водороднокислородной смеси под действием коротковолнового излучения или примесиатомов кислорода. Было показано, что добавление атомов кислородаприводиткзначительномурасширениюобластисамовоспламенениястехиометрической Н2-О2 смеси. В [123] экспериментально показано, что привоздействии ультрафиолетового излучения на стехиометрическую смеськислорода и водорода полуостров воспламенения расширяется и смещается всторону низкой температуры.

С целью инициирования ион-молекулярных иион-атомарных реакций в [59, 124, 125] было предложено использоватьнизкотемпературную плазму, создаваемую в условиях газового разряда. Вэтих же работах рассмотрена возможность применения для воспламенениясверхзвуковых потоков углеводородных топлив плазменных струй илазерного инициирования горения. В [59] проведен численный анализ иэкспериментальное исследование воспламенения H2-O2, H2-воздух и СH4-O2смесей разбавленных аргоном или гелием в условиях наносекундноговысоковольтного разряда при различных значениях температуры, состава идавления смеси, а также вкладываемой в разряд энергии.

Показано сильноеотличие равновесного и неравновесного возбуждения смесей. В [124]методамичисленногомоделирования34изучалосьвлияниеначальнойконцентрации свободных радикалов (атомов Н и О) и скорости радиолизамолекулярного водорода и кислорода на смещение пределов воспламенениястехиометрической водород-кислородной газовой смеси. В работе [125] былопроведено численное моделирование влияния добавления синглетногокислородаO2(a1g)наувеличениескоростиводородно-кислородногопламени. Было показано, что при добавках вдвое большего количествасинглетного кислорода расчетная скорость распространения пламениувеличивается только на одну треть.

Воспламенение горючих смесей при ихнагреве лазерным излучением или при лазерном пробое рассмотрено в [126127]. Однако этот метод имеет существенный недостаток, связанный сневозможностью инициации воспламенения в большом объеме.Принцип искрового воспламенения известен давно и успешноприменяется в автомобильной промышленности. В последнее времясущественно усилился интерес к интенсификации горения газофазныхсистем с использованием различных форм газового разряда применительно ксверхзвуковойплазменнойнизкотемпературнойаэродинамикегазоразряднойплазмы[13].Впоявляетсяусловияхвозможностьгенерации активных частиц в результате диссоциации молекул электроннымударом,электрон-ионныхиион-молекулярныхреакций,атакжедиссоциативного тушения электронных возбужденных состояний молекул иснижения порога химических реакций при колебательном возбужденииреагентов.Поэтомувозможенпринципиальнонетермическийрежимгорения, когда наработка активных частиц практически на всем протяженииреакции осуществляется электронным ударом.Воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока с помощьюСВЧ-разрядов для различных значений давления газа, длительностивоздействия, СВЧ-мощности, состава смеси и т.д.

было исследовано в рядеработ (смотри [61-82] и цитируемую в этих работах литературу).35В работах [43-60] для воспламенения используется высоковольтныйнаносекундный разряд, развивающийся в виде высокоскоростной волныионизации и создающий сильно возбужденную плазму в разрядномпромежутке на характерных временных масштабах в десятки наносекунд.Данный тип разряда обладает большой скоростью распространения иобеспечивает объемное воспламенение неподвижных горючих смесей.

В [5260] проведено систематическое исследование сдвига воспламенения иинициирования горения при одновременном воздействии на газ ударнойволны и импульсного неравновесного разряда. Оценивается относительныйвклад термического и неравновесного возбуждения газа. Показано, что внеравновесном разряде происходит электронное возбуждение компонентовгаза, приводящее к образованию активных частиц и последующемуускорению процессов, определяющих скорость горения и распространенияпламени.В[43-51]исследуетсявозможностьиспользованиявысоковольтного наносекундного разряда, создаваемого в импульснопериодическом режиме с частотой повторения импульсов до 50 кГц, длявоспламенениядозвуковыхвоздушно-углеводородныхпотоков.Экспериментально показано, что с увеличением скорости дозвукового потокаэффективность горения резко падает, при этом при скорости потока больше70 м/с воспламенения не происходит. Применение застойной зоны в видепрямоугольной каверны, куда вводилось дополнительное количествогорючего, повышает эффективность горения, однако пламя из каверныстационарно не выходит в основной поток, а процесс горения в каналепроисходитотдельнымивспышками.В работах [91 - 95]изучаетсяплазменно-стимулированное горение в до- и сверхзвуковых пропанвоздушныхпотоках.использованиемРассматриваютсягазовоговысокоскоростнымразрядапотокомдлявоздуха.проблемы,связанныеперемешиваниятопливаПродемонстрированссэффектвоспламенения неперемешанного топлива при низкой температуре газа с36помощью неоднородного многоэлектродного разряда.

На основе численногомоделирования продемонстрировано влияние химически активных частиц,нарабатываемыхвоспламенениевозможностивоспламенениявусловияхплазмыуглеводородногопримененияисамостоятельноготоплива.микроволновогостабилизациигоренияВ[31-42]факельногоразряда,наисследуютсяразрядадлявоздушно-углеводородныхдозвуковых потоков.

В [14-23] была продемонстрирована возможностьсоздания аномально долгоживущих плазмоидов в химически активной среде,получены данные об их характеристиках и высказано предположение, чтоподобные плазменные образования будут более эффективно осуществлятьвоспламенение газовых горючих смесей в высокоскоростных потоках за счетдлительного взаимодействия c химически активной средой.

Воспламенениепропан-воздушного потока в условиях подкритического СВЧ-разряда,возбуждаемого с помощью различного типа инициаторов, исследуется в [3142]. Вопросы, связанные с применением газоразрядной плазмы длявоспламенения пропан-воздушных потоков, обсуждаются в [96-102]. Крометого, широко обсуждается в литературе влияние различных активных частицна механизм воспламенения [103-106].Даже этот краткий обзор литературы показывает, что существуетмножество способов воздействия, приводящих к интенсификации цепногомеханизма горения углеводородов.