отзыв оппонента Бережецкой (Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы)

отзыв официального оппонента на диссертацию Копыла Павла Владимировича «Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы», представленной на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.08 — физика плазмы Диссертационная работа Копыла П.В. посвящена экспериментальному исследованию воспламенения и стабилизации горения углеводородного топлива в условиях высокоскоростных воздушных потоков в системе, моделирующей прямоточный двигатель. Известно, что в прямоточном двигателе трудно осуществить стабилизацию и полное сгорание топлива без специальных мер, таких как предварительный нагрев горючей смеси и создания специальных застойных зон.

В данной работе предлагается и исследуется новый инновационный метод инициации и реализации эффективного сгорания углеводородных горючих смесей (без предварительного подогрева) в системе, моделирующей прямоточный двигатель, комбинированным плазменным разрядом. Проблема инициации горения и эффективного сгорания топлива в высокоскоростных потоках в настоящее время является актуальной как в мировой так российской науке, что связано с разработкой новых технологий для создания новых видов сверхскоростных летательных аппаратов. Создание новых способов оптимизации горения в сверхзвуковых воздушно — углеводородных потоках, основанных на новейших представлениях о физико-химических, плазмохимических, газодинамических процессах, протекающих при горении в сверхзвуковых потоках, является фундаментальной научной задачей.

Рассматриваемая проблема относится к приоритетному для России направлению — авиационно-космические и гиперзвуковые системы, связанному с технологией создания новых видов высокоскоростных транспортных и космических систем. Представленный диссертантом экспериментальный материал несомненно лежит в русле этих направлений, а полученные результаты вносят существенный вклад как в технику, так и физику горения высокоскоростных потоков горючих смесей.. Характеризуя диссертационную работу, необходимо сказать, что представленный в работе обширный экспериментальный материал, в целом, можно рассматривать как законченное, чрезвычайно информативное, актуальное исследование, выполненное на, несомненно, высоком уровне.

Отметим основные достижения автора. К ним следует отнести: - Разработан и реализован комбинированный тип низкотемпературного разряда, представляющий собой «аналог» микроволнового разряда с профилированным импульсом, где роль короткого мощного поджигающего межэлектродный разряд импульса играет микроволновой разряд, а дальнейшее поддержание межэлектродного разряда осуществляется маломощным постоянным напряжением, приложенным к электродам. Исследованы параметры и динамика межэлектродного разряда.

Показано, что в воздушном потоке разряд носит нестационарный пульсирующий характер, частота пульсаций которого лежит в диапазоне 0,5 — 2 кГц в зависимости от скорости газового потока. Температура газа в разряде составляет 1500'К, а концентрация плазмы - 10"4- 10'5 см з Реализованы инициация и стабилизация горения воздушно углеводородных смесей в дозвуковых, звуковых и сверхзвуковых потоках без предварительного подогрева газа. Исследования проведены, с использованием различных многокомпонентных топлив, таких как газообразной воздух — пропан смеси, воздушно-жидкостной воздух-спирт смеси. Впервые осуществлена инициация и стабилизация горения многокомпонентной воздух-спирт-пропан смеси в сверхзвуковом потоке. Режим инициации и стабилизации горения регистрируется и демонстрируется во всех стадиях развития при помощи высокоскоростной цифровой техники.

Кроме того различными методами проведены измерения пространственно-временных характеристик пламени- спектральный состав и его температура, подтверждающие инициацию и стабилизацию горения. Следует отметить, что горение протекает при сравнительно низких температурах - 2000' К. Исследована эффективность сгорания воздух - пропан смеси в зависимости от скорости газового потока.

Эффективность сгорания топлива определялась путем расчет доли сгоревшего топлива по изменению параметров газа в камере после протекания процесса горения. Результаты, полученные по изменению давления, температуры, абсолютной влажности, а также остаточного количества пропана в камере согласуются между собой и дают высокое значение степени сгорания топлива Показано, что эффективность сгорания воздух - пропан смеси, инициируемой и стабилизируемой комбинированным разрядом, меняется от 100 до 95 процентов при переходе от звуковых к сверхзвуковым скоростям газового потока.

Эффективность сгорания воздушно-спиртовой смеси составляет 80%. Высокая эффективность сгорания топлива подтверждается и измерениями тяги. Для воздух — пропан смеси при эквивалентном содержании пропана а = 0.75 экспериментально получено значение тяги 50-55 Н, что близко к максимально возможному значении 60 Н. Полученное значение тяги соответствует 97 процентному сгорания топлива., что находится в согласии с измерениями по различным расчетам Особого внимания заслуживают впервые проведенные измерения тяги сверхзвукового горения воздух — пропан смеси, стимулированного комбинированным разрядом. При постоянных значениях секундного массового расхода воздуха и вкладываемой в разряд мощности измерена зависимость величины тяги от эквивалентного содержания пропана и.

Показано, что максимальное значение тяги достигается при а = 0.75 (бедная смесь), спадая как при уменьшении, так и при увеличении содержания пропана в смеси. Полученный результат является важным с точки зрения практического применения плазменной технологии. К несомненному достоинству данной работы следует отнести создание диагностического комплекса на базе современного оборудования, позволяющего в режиме реального времени проводить измерение параметров исследуемого процесса. Комплекс оснащен широким спектром контактных и бесконтактных методик, как традиционных, так и модифицированных под данную задачу. Комплекс оснащен современной скоростной цифровой техникой, позволяющей исследовать динамику процесса в течении одного импульса, что обеспечивает надежность полученных результатов.

Богатый арсенал диагностик позволил определять характеристики разряда и горения разными методами. Приведенные в диссертации результаты, полученные с использованием независимых, дополняющих друг друга методик находятся в хорошем согласии друг с другом Полученные автором результаты можно оценить как значительный шаг вперед в проблеме разработки новых инновационных методов, обеспечивающих быстрое объемное воспламенение, эффективное сгорание и управлением горением топлив в сверхзвуковых потоках, Исследования выполнены на высоком современном уровне.

Достоверность полученных результатов не вызывает сомнения. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в пяти рецензируемых журналах, доложены и обсуждены на более чем двадцати международных и российских конференциях, Большая часть, представленных в диссертации результатов получена, впервые и соответствует высокому мировому уровню. К числу такого рода результатов следует отнести: Предложенный инновационный метод поджига и стабилизации горения воздушно — углеводородных топлив в сверхбыстрых потоках при помощи комбинированного плазменного разряда.

Исследование условий поджига и стабилизации горения углеводородных топлив (без предварительного подогрева) в дозвуковых, звуковых и сверхзвуковых потоках Определение эффективности сгорания топлива. Определение тяги, реализуемой при сгорании топлива в сверхэкуковом потоке в зависимости от эквивалентного содержания пропана в топливе. Диссертация полностью удовлетворяет «Положению о порядке присуждения ученых степеней». Работа представляет собой хорошо оформленный полностью завершенный труд.

Автор является одним из ведущих соисполнителем двадцати семи научных работ, которые вошли в диссертацию. Не умоляя достоинств диссертационной работы Копыла П.В., представляющее собой комплексное исследование процесса горения углеводородных топлив в высокоскоростных потоках стимулируемого комбинированным низкотемпературным плазменным разрядом сделать ряд замечаний: 1. В диссертации приведено большое количество измерений концентрации плазмы различными методами, в том числе и по поглощению микроволнового излучения в двухпроводной линии.

В настоящее время этот метод является одним из самых надежных в условиях высоких давлений и в химически активных средах. Однако„и в этом случае необходимо помнить, что изменение состава газа при горении углеводородов идет с образованием углекислого газа и воды существенно (почти на два порядка) повышающим частоту электрон нейтральных столкновений. Для определения концентрации в работе используется частота электрон — нейтральных столкновений для воздуха и не обсуждается сколь закономерно это использование. 2, Используемый в работе разряд представляет собой комбинацию мощного микроволнового разряда с разрядом постоянного тока, причем первый используется для поджига постоянного разряда. Известно, что мощная микроволновая техника, даже при ее современном состоянии, достаточно громоздкая и не всегда обладает высоком коэффициентом полезного действия.

Из работы не ясно является ли использование микроволнового разряда принципиальным или его можно заменить другим, например последовательностью мощных коротких электрических импульсов. 3. Одним из важных параметров, характеризующих способ инициации горения, является соотношение энергии необходимой для поддержания горения к энергии, выделенной при горении, что в диссертации не обсуждается. Более того, хотелось бы иметь данные по изменению энерговклада в разряд при различных скоростях газового потока с возможностью экстрополяции их на более высокие скорости.