Диссертация (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы), страница 8

Однако к настоящему времени кинетикавоспламенения даже такой достаточно простой модельной водородкислородной смеси в условиях низкотемпературной плазмы газового разряда,существующей при высоких значениях приведенного электрического поля,остается не до конца ясной. Поэтому для более глубокого понимания физикохимических процессов, протекающих при инициировании воспламенениягазообразного горючего с помощью низкотемпературной плазмы необходимонаряду с экспериментальными исследованиями проводить математическоемоделирование влияния газового разряда на инициирование горения.37Различная степень ионизации газа достигается для различных разрядовпри одинаковой вкладываемой удельной мощности.

При этом подводимаяэлектрическая энергия различным образом распределяется по внутреннимстепеням свободы молекулярного газа. Это распределение сильно зависит отприведенного электрического поля, которое, в свою очередь, определяетсяэлектродинамикой разряда. Эксперименты показали [81, 82], что импульснопериодический электродный разряд приводил к поджигу только придлительности импульса, больше чем 150 мкс. Поджиг сверхзвуковой пропанвоздушной смеси с помощью свободно локализованного СВЧ-разрядаосуществлялся уже при длительности импульса 25 мкс, а воспламенение спомощью поверхностного СВЧ-разряда происходило практически беззадержки сразу же после включения микроволновой энергии.

Известно [11,81], что при высоких значениях приведенного электрического поляE/n1015 В∙см2 значительная часть (более 50 %) вкладываемой в разрядмощности идет на возбуждение, диссоциацию и ионизацию молекулэлектронным ударом с последующей генерацией химически активныхрадикалов. Так как самостоятельный СВЧ-разряд существует при высокихвеличинах приведенного электрического поля [10, 11, 81], то в этом случаедолжно нарабатываться больше активных частиц, чем в плазме электродногоразряда, что должно оказывать сильное влияние на кинетику процессов сучастием активных радикалов и, вследствие чего, приводить к уменьшениювремени индукции. Полученные в [10, 11, 81, 82] результаты наглядноподтверждают тот факт, что в плазме СВЧ-разряда при высоких величинахприведенного электрического поля наблюдается быстрый нагрев газа соскоростью dTg/dt=107-108 К/с и высокая степень диссоциации молекул~50 %, что в конечном итоге способствует быстрому воспламенениюгорючего.

Поэтому необходимо детальное исследование влияния заряженныхи активных частиц, которые очень быстро формируются в разряде, науменьшение времени задержки воспламенения и увеличение полноты38сгорания углеводородных смесей.В [9, 10, 81, 82] разработана кинетическая модель воспламененияводородно-кислородной смеси в условиях неравновесной плазмы газовогоразряда при учете влияния электрического поля на процессы диссоциациимолекул и наработку активных радикалов, возбужденных и заряженных(электронов,положительныхиотрицательныхионов)частиц.Математическое моделирование проведено на примере неподвижнойводородно-кислородной смеси. Для определения влияния различных каналовна воспламенение горючей смеси была разработана кинетическая модель,включающая в себя 29 компонентов и 241 прямых и обратных реакций.Такие компоненты, как нейтральные невозбужденные частицы H2, O2, H, O,OH, HO2, H2O2, H2O, O3, электронно-возбужденные молекулы кислородаO2(a), O2(b), положительные ионы O+, O2+, O4+, H+, H2+, H3+, H5+, OH+, H2O+,H3O+, О3H2+, отрицательные ионы O-, O2-, O3-, O4-, H-, OH- и электроны eпринимались во внимание при моделировании.В основу модели воспламенения водородно-кислородной смеси былаположена система уравнений, описывающая процессы окисления в такойсмеси и включающая в себя уравнение энергии, уравнение измененияплотности (концентрации) частиц, уравнение состояния:TH  N   i h0i T0    CPidT  ,i 1 T0Gi M2 iq iqq 1NM1d i Gi   i  Gk ,dtk 1M1dH 0,dtRq Rq ,nq jqRq  kq  N n jq j 1,M1dN N Gk ,dtk 1здесь  i - мольные доли соответствующих компонент, N [моль/см3] суммарная концентрация, CPi - молярная теплоемкость i-го компонента припостоянном давлении, h0i[T0] - энтальпия образования i-го компонента смеси39при T0=298 K, M1 - полное число компонент, kq - константа реакции сучастием i-го компонента, M2 - полное число таких реакций, iqи iq-стехиометрические коэффициенты.Воспламенениеводородно-кислороднойсмесивусловияхнизкотемпературной плазмы газового разряда при высоких величинахприведенного электрического поля вычислялось по модели, учитывающейдиссоциацию молекул и создание активных радикалов и заряженных частиц.При моделировании считалось, что при включении электрического полятемпература газа мгновенно увеличивается до некоторого начальногозначения Т0.

Расчеты проводились без учета потерь энергии и диффузииактивных частиц в окружающее пространство. Вычисления были выполненыпри начальном давлении р0 = 0.1 МПа для Н2-О2 смеси при варьированииначальной температуры газа в пределах Т0 = 800-1200 К и температурыэлектронов Тe = 0.1-1.6 эВ.Показано [9], что задержка воспламенения в условиях неравновеснойплазмы при низких температурах газовой смеси уменьшается на несколькопорядковвеличиныприувеличениитемпературыэлектронов.Приувеличении процентного содержания водорода в смеси с кислородом газовыйразряд приводит к большему снижению времени задержки воспламенения,посравнениюсостехиометрическойсмесью,тогдакаквлияниенизкотемпературной плазмы на воспламенение бедных смесей значительнониже. Этот результат косвенно указывает на то, что при воспламенении Н2О2 смеси в условиях газоразрядной плазмы электроны на начальном этапевозникают в основном за счет ионизации молекул водорода.

В дальнейшемпроисходит возбуждение, диссоциация и ионизация компонентов смеси пристолкновении с электронами. Одновременно с этим протекают процессы,связанные с прилипанием и отлипанием электронов, перезарядочнымистолкновениями, а также рекомбинацией заряженных частиц. Все эти40столкновения приводят также к неравновесной наработке активных частиц(атомов О и Н, радикала ОН), которые, участвуя в разветвленно-цепныхреакциях, приводят к интенсификации цепного механизма горения водорода.Математическое моделирование процесса инициирования нетепловоговоспламенения водородно-кислородной смеси при учете влияния активныхрадикалов, возбужденных и заряженных частиц, образующихся в условияхнеравновесной плазмы газового разряда показало сильное влияние величиныприведенного электрического поля, т.е.

электронной температуры, на периодиндукции [81, 82]. Эффект нетеплового влияния разряда на воспламенениепроявляется наиболее отчетливо при низких температурах газа, когда времясамовоспламенения велико.41Глава 2ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ§ 2.1. Экспериментальная установка для изучения внешнего горенияжидкого углеводородного топлива, инжектируемого в дозвуковойвоздушный потокДля исследования быстрого воспламенения и стабилизации горения спомощью комбинированного разряда высокоскоростного потока воздушноуглеводородноготопливанавнешнейповерхностидиэлектрическойпластины вначале использовалась экспериментальная установка, блок-схемакоторой представлена на рис. 1.

Установка включает в себя вакуумнуюкамеру, ресивер высокого давления воздуха, ресивер высокого давленияпропана, систему для смешивания пропана с воздухом, систему для созданиясверхзвукового потока, магнетронный генератор, систему для ввода СВЧэнергии в камеру, прямоугольный аэродинамический канал, высоковольтныйисточник питания, систему синхронизации и диагностическую аппаратуру.Основойэкспериментальнойустановкиявляетсяоткачиваемаяметаллическая цилиндрическая барокамера, которая одновременно служиткак для обеспечения необходимого давления при исследовании свойствповерхностного СВЧ-разряда в неподвижном газе, так и для созданиясверхзвукового потока, а также в роли резервуара для выхлопных газов ипродуктов горения. Внутренний диаметр вакуумной камеры равен 1 м, еедлина равна 3 м.

Вакуумная камера состоит из двух секций  большой ималой. Большая секция камеры, смонтированная на тележке, может спомощью специального запорного устройства отсоединяться от малойсекции и откатываться по рельсам, что обеспечивает легкий доступ внутрькамеры для размещения в ней необходимых экспериментальных объектов и42для других технологических целей. По боковой поверхности камерырасположено более двадцати диагностических окон различного диаметраd=1050 см и ряд герметических электрических разъемов, что позволяетпроводить наблюдения за процессами внутри камеры, и обеспечивает подачунеобходимыхэлектрическихнапряженийидругихуправляющихивспомогательных сигналов внутрь камеры без нарушения ее герметичности.282726R16171823061598123111015131157142919252024232122Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 – вакуумная камера, 2 – системасинхронизации, 3 – магнетрон, 4 – направленный ответвитель, 6 – нагрузка, 7 –кристаллический детектор, 8 – волновод, 9 – диэлектрическая антенна, 10 – сопло Лаваля,11 – электромеханический клапан, 12 – ресивер высокого давления воздуха, 13 – ресивервысокого давления пропана, 14 – баллон с пропаном; 15 – вентили, 16 – блок зондовыхизмерений, 17 – источник питания, 18 – компьютер, 19 – цифровой спектрограф, 20 –видео и фото цифровые камеры, 21 – импульсный источник питания, 22 – импульснаялампа вспышки, 23 – линза, 24  входная диафрагма, 25 – длиннофокусный объектив, 26 –длиннофокусная собирающая линза, 27 – выходная диафрагма, 28 – цифровая фотокамера,29 – цифровой осциллограф, 30 – вакуумные насосы.Для изучения процесса горения углеводородных топлив в условияхкомбинированногоразряда,генерируемого43навнешнейповерхностидиэлектрическойантенны,обтекаемойвысокоскоростнымвоздушнымпотоком, используется источник питания с выходным напряжением U = 2.55.5 кВ, обеспечивающий разрядный ток i = 1-15 A при длительностиимпульса от 0.1 до 2 с.