Автореферат (1102386)
Текст из файла
На правах рукописиКОПЫЛ Павел ВладимировичВОСПЛАМЕНЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯУГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ01.04.08 – физика плазмыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорШибков Валерий МихайловичОфициальные оппоненты:Климов Анатолий Иванович,доктор физико-математических наук,Объединенный институт высоких температурРоссийской академии наук,зав.
отделомБережецкая Наталья Константиновна,кандидат физико-математических наук,Институт общей физики имени А.М. ПрохороваРоссийской академии наук,старший научный сотрудникВедущая организация:Московский радиотехнический институтРоссийской Академии НаукЗащита состоится 18 сентября 2014 года в 15-30 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.2,Физический факультет МГУ, ауд. ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В. Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/Автореферат разослан 18 июля 2014 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов2I.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В настоящее время в российской и мировой науке всебольшую актуальность приобретают исследования в области сверхзвуковойплазменной аэродинамики, что связано с технологией создания новых видоввысокоскоростных транспортных и космических систем. Для развитиясовременной авиации, предназначенной для высоких скоростей полета, требуетсяпоиск и разработка инновационных фундаментальных методов, позволяющихобеспечивать быстрое объемное воспламенение и управление процессом горенияуглеводородного топлива в условиях сверхзвукового потока.
Однако при такихскоростях трудно реализовать стабилизацию и полное сгорание топлива внутриаэродинамического канала без застойных зон. В прямоточном воздушнореактивном двигателе для решения этой проблемы осуществляют нагрев рабочеготела за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха, но при скоростилетательного аппарата М = 6 температура заторможенного рабочего тела вдвигателе может достигать с учетом трения и скачков уплотнения в реальномпроцессе более 2200 К.
При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счетсжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемыхтермической стойкостью конструкционных материалов двигателя. Поэтому длясверхзвуковых летательных аппаратов, оснащенных прямоточным воздушнореактивным двигателем, скорость полета с числом Маха М = 5 считаетсяпредельной. Одним из новых решений данной проблемы является использованиегазовых разрядов с целью направленного воздействия на поток с помощьюлокального выделения в нем дополнительной энергии, способствующей полномусжиганию топлива в достаточно коротких камерах сгорания длиной L ~ 1 м приумеренных температурах воздушно-углеводородного топлива Т ~ 1000 К.Работа относится к приоритетному для Российской Федерации направлению– авиационно-космические и гиперзвуковые системы, связанному с технологиейсоздания новых видов высокоскоростных транспортных и космических систем.Разработки гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей,ведущиеся уже более тридцати лет, в последнее время вышли на качественноновый уровень – создаются экспериментальные образцы силовых установок, наоснове которых в течение ближайшего десятилетия планируется разработатьперспективные пилотируемые системы, работоспособные в широком диапазонеполетных чисел Маха.
Выполненные в диссертации исследования связаны сразработкой способов повышения эффективности горения высокоскоростныхпотоков воздушно-углеводородного топлива за счет разработки физическихпринципов применения плазменных технологий для целей уменьшения временивоспламенения горючего, увеличения полноты сгорания топлива и стабилизациисверхзвукового горения. В условиях низкотемпературной газоразрядной плазмывозможен режим горения, когда наработка активных частиц практически на всемпротяжении реакции осуществляется электронным ударом.
Методы управлениягорением воздушно-углеводородных потоков, основанные на генерацииэлектрических разрядов, представляются в настоящее время наиболееперспективными [1-13]. Применение комбинированных разрядов [14-15] можетобеспечить необходимую скорость и интенсивность горения.3Диссертация посвящена изучению возможности применения неравновеснойнизкотемпературной плазмы для воспламенения и стабилизации горенияуглеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках.Фундаментальной научной проблемой, на решение которой направленыисследования, является разработка способов повышения эффективности сгораниясверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков, основанных на новейшихфизико-химических принципах применения плазменных технологий для целейуменьшения времени воспламенения горючего, стабилизации горения иувеличения полноты сгорания свободных высокоскоростных потоков воздушноуглеводородного топлива.Целью диссертационной работы является экспериментальное изучениепроцессов, протекающих в условиях инициированного низкотемпературнойгазоразрядной плазмой сверхзвукового горения воздушно-углеводородноготоплива.Для достижения поставленной цели решались следующие основныезадачи:1.
Создание на основе новых и модифицированных стандартных контактных ибесконтактных методов диагностического комплекса, необходимого дляизмерения в масштабах реального времени параметров плазмы и пламени,возникающего при плазменно-стимулированном горении газообразных ижидких углеводородных топлив, а также определения полноты их сгорания вусловиях сверхзвуковых воздушных потоков.2. Разработка основанной на передовых достижениях физики плазмы, газовойдинамики и физической химии инновационной плазменной технологииуправления процессом горения воздушно-углеводородного топлива в условияхсверхзвукового потока.3. Реализация в свободном пространстве и внутри аэродинамического каналастабилизации сверхзвукового горения углеводородного топлива в газообразнойи жидкой (спрей) фазах.4. Изучениепроцессов,протекающихвусловияхинициированногонизкотемпературной газоразрядной плазмой сверхзвукового горения воздушноуглеводородных топлив.5.
Определение полноты сгорания высокоскоростных потоков пропанвоздушного, спирт-воздушного и пропан-спирт-воздушного топлива в условияхнизкотемпературной газоразрядной плазмы.Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись какбесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследованияпроводились с временным и пространственным разрешением с помощьюсозданного диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров испектрографов с цифровой регистрацией спектра; блока зондовой диагностики сцифровой регистрацией вольт-амперных характеристик; датчиков давления;термопар; тензодатчиков; теневой установки; рефракционных лазерных датчиков;накаливаемого потоком пламени электрического зонда; системы измеренияпроводимости пламени; электронных датчиков измерения концентраций пропана,углекислого газа, температуры, абсолютной и относительной влажности; цифровыхфотоаппаратов;высокоскоростнойцифровойвидеокамеры;цифровыхосциллографов; компьютеров.4Научная новизна работы заключается в следующем:- разработан и создан диагностический комплекс, позволяющий в масштабахреального времени проводить измерения пространственно-временнойэволюции характеристик газоразрядной плазмы и пламени, возникающего приплазменно-стимулированном горении воздушно-углеводородного топлива;- впервые в условиях программированного разряда, представляющего собойкомбинацию поверхностного СВЧ-разряда и разряда постоянного тока,реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение спирта,вводимого в капельной (в виде спрея) фазе в дозвуковой (М=0.3-0.9)воздушный поток;- впервые показано, что в процессе перехода от разряда в воздушном потоке кстабилизации плазменно-стимулированного горения жидкого углеводородноготоплива резко изменяются внешний вид и вольтамперная характеристикаразряда, спектр излучения и интегральная интенсивность свечения пламени,тепловой поток, концентрация электронов, интенсивность излучениягидроксила, временные зависимости разрядного тока и особенно напряжения наразрядном промежутке;- впервые показано, что полнота сгорания заранее не активированного жидкогоспирта при стабилизации его горения в условиях комбинированного разряда,создаваемого в высокоскоростных воздушных потах, достигает 80 % и более взависимости от подводимой мощности и скорости потока, причем горениепроисходит при температуре пламени порядка 2000 К.- впервые осуществлена стабилизация плазменно-стимулированного горениямногокомпонентного спирт-пропан-воздушного топлива на поверхностидиэлектрической пластины, обтекаемой дозвуковыми и сверхзвуковымивоздушными потоками и проведено исследование этого явления;- реализована в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмыстабилизация горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутригладкого (без застойных зон) расширяющегося аэродинамического канала;- определеныпространственно-временныераспределенияконцентрацииэлектронов внутри аэродинамического канала, а также температуры пламенивнутри и на выходе расширяющегося гладкого канала, моделирующего камерусгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя;- показано, что без использования застойных зон низкотемпературнаягазоразрядная плазма является стабилизатором горения высокоскоростныххолодных потоков углеводородного топлива.На основе полученных результатов была разработана инновационнаяплазменная технология для ее применения при конструировании новых схемпрямоточных воздушно-реактивных двигателей.
Отличительной особенностью ипреимуществомпроведенныхисследованийявляетсякомплексный,междисциплинарный и инновационный подход к решению проблемы управленияпроцессом сверхзвукового горения воздушно-углеводородного топлива в условиях,приближенных к камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя.Достоверность результатов. Экспериментальные результаты получены наразличных экспериментальных установках.
Достоверность результатов обеспеченаиспользованием широкого спектра различных диагностических методов. Причемполученные различными методами данные находятся в хорошем соответствии5между собой, а также с результатами других групп исследователей. Это позволяетсчитать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты могутслужить основой для понимания и объяснения влияния низкотемпературнойгазоразрядной плазмы на физико-химические процессы, ответственные за быстроевоспламенение и стабилизацию горения сверхзвуковых потоков углеводородноготоплива.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
