Диссертация (1102387), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Общий вид аэродинамического канала с разряднойсекцией для создания комбинированного поверхностного СВЧ-разряда иразряда постоянного тока показан на рис. 12. Использовались различныезастойные зоны: обратная ступенька; прямоугольная каверна с различнымивысотами передней и задней стенок; прямоугольная каверна с наклоннойпередней стенкой; прямоугольная каверна.Диэлектрическая антеннаВолновод ЭлектродыВид сверхуГлавный потокОбратная ступенькаСопло ЛаваляВид сбокуРис. 12. Общий вид аэродинамического канала с застойной зоной (обратная ступенька),используемого для воспламенения и горения высокоскоростного потока пропанвоздушного потока с помощью комбинированного СВЧ-разряда и разряда постоянноготока [81, 82].СВЧ-энергия вводилась в канал через диэлектрическую антеннупрямоугольного сечения, при этом на ее внешней поверхности создавалсяимпульсно-периодическийповерхностныйСВЧ-разряд.СВЧ-мощность,длительность импульса и частота повторения импульсов могли изменяться в58широком диапазоне.
В экспериментах длительность импульса разрядапостоянного тока не превышала 2.0 с, что определялось конструктивнымиособенностями экспериментальной установки. Напряжение на разрядномпромежутке и разрядный ток также изменялись в широком диапазоне.Система синхронизации позволяла вводить воздух, пропан или пропанвоздушную смесь в аэродинамический канал с фиксированными задержкамипо отношению друг к другу. Разработанная система синхронизации такжепозволяет создавать разряд практически в режиме постоянного тока = 1-2 с.При открытии электромеханических клапанов воздух и пропан поступали всмеситель и через переходную камеру пропан-воздушная смесь поступала навход прямоугольного сопла Лаваля, где формировался сверхзвуковой потокпропан-воздушной смеси с числом Маха потока М = 2.
Выходное сечениесоплаs = 12.5x23 мм2равновходномусечениюпрямоугольногоаэродинамического канала.Процессинициированиявоспламенениясверхзвуковогопропан-воздушного потока с помощью неравновесной газоразрядной плазмыизучался при различных составах горючей смеси. Величина эквивалентногоотношения = (2/1)/(2/1)st есть отношение доли (2/1) пропана в смеси кдоле пропана (2/1)st в стехиометрической смеси. С целью измененияэквивалентного отношения в эксперименте изменялось давление вресиверах высокого давления воздуха p1 и пропана p2. Давление р0неподвижного воздуха в вакуумной камере составляло 760 Тор.В первом эксперименте по использованию газоразрядной плазмы длястабилизации внутреннего горения высокоскоростного пропан-воздушногопотока при атмосферном давлении окружающего воздуха использовалсякороткий аэродинамический канал длиной 10 см, который применялся влаборатории также при изучении стабилизации горения при низкихр < 100 Тор давлениях воздуха.
На рис. 13 представлена интегральная59фотография плазменно-стимулированного горения в короткой камересгорания при атмосферном давлении окружающего воздуха.Рис. 13. Плазменно-стимулированное горение высокоскоростного (М ~ 1) пропан-спиртвоздушного потока. р = 1 атм, длительность разряда 1 с, экспозиция 20 мс.Видно, что топливо не успевает полностью сгореть внутри короткогоканала. Об этом также свидетельствуют показания датчика пропана. Вусловиях этого эксперимента полнота сгорания порядка 30 %.Для того чтобы повысить эффективность горения, необходимо былоповысить время нахождения топлива внутри камеры сгорания, т.е.
либоуменьшить скорость потока, что для нас неприемлемо, либо увеличить еепродольные размеры.Были разработаны и изготовлены новые гладкие (без застойных зон)аэродинамические каналы прямоугольного сечения с присоединеннымвоздухопроводом,оснащенныесистемойсозданиявысокоскоростноговоздушного потока, системой синхронизации и управления проведениемэксперимента, системой инжекции пропана, системой воспламенения иподдержания горения, блоками питания, тензовесами, четырьмя датчикамидавления,двумятермопарами,двойнымэлектрическимзондом,двухпроводной микроволновой диагностической линией, датчиком пропана.Чтобы избежать их запирания при плазменно-стимулированномгорении воздушно-углеводородного топлива в высокоскоростном потокеканалы были переменного сечения, причем отношение выходного сечения к60входному S2/S1 = 5, 8 и 12. Продольная длина каналов соответственно 70, 60 и50 см.
Общий вид аэродинамического канала длиной 50 см с S2/S1 = 12,помещенноговнутрьбарокамеры,можновидетьнафотографии,представленной на рис. 14.Рис. 14. Общий вид аэродинамического канала.Слева виден гибкий воздуховод, далее металлическое сопло Лаваля сприсоединенным к нему аэродинамическим каналом, оснащенным системойсозданиягазоразряднойплазмы,системойинжекциижидкогоуглеводородного топлива, датчиками давления, термопарами, тензовесами.61Глава 3МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ§ 3.1. Диагностический комплексВ этом разделе представлено описание разработанного и созданного набазесовременногооборудованиядиагностическогокомплекса,позволяющего в масштабах реального времени измерять пространственновременные распределения не только основных параметров газоразряднойплазмы, но и пламени, возникающего при плазменно-стимулированномгорении газообразных и жидких углеводородных топлив, а также определятьполноту их сгорания в условиях сверхзвуковых воздушных потоков.
Онвключает в себя широкий набор стандартных контактных и бесконтактныхметодов, широко применяемых в различных лабораториях при исследованиисвойств газоразрядной плазмы, и новых методов, разработанных в нашейлабораториидлядиагностикиплазменныхсистем,создаваемыхввысокоскоростных потоках воздуха и в воздушно-углеводородных смесях,.Диагностическийспектрографовскомплексцифровойсостоитрегистрациейизмонохроматоровспектра;блокаизондовойдиагностики с цифровой регистрацией вольтамперных характеристик;датчиковдавления;термопар;тензодатчиков;теневойустановки;рефракционных лазерных датчиков; накаливаемого потоком пламениэлектрическогозонда;системыизмеренияпроводимостипламени;двухпроводной линии для измерения поглощения 8-мм микроволновогозондирующего излучения в пламени, электронных датчиков измеренияконцентраций пропана, углекислого газа, температуры, абсолютной иотносительной влажности; цифровых фотоаппаратов; высокоскоростной62цифровой видеокамеры; цифровых осциллографов; компьютеров, кварцевыхсветоводов, линз, зеркал и др.Процессплазменно-стимулированноговоспламененияигоренияуглеводородов регистрируется с использованием цифрового фотоаппаратаD50,цифровойвидеокамеры«Nokia»ицифровойвидеокамеры«ВидеоСпринт» с электронно-оптическим наносекундным затвором.
Припоследующем воспроизведении видео и фотоизображений на мониторекомпьютераможнофиксироватьмоментраспространенияизмерятьразмерыначаларазрядаиплазмывоспламенения,фронтагорения,иобластиопределятьагорения,скоростьтакжеизучатьпространственно-временную эволюцию исследуемого явления.Спектр излучения газоразрядной плазмы и пламени фиксируется спомощью цифрового двухканального спектрографа AvaSpec-2048-2-DTфирмы Avantes, цифрового шестиканального спектрографа OceanOptics,спектрографа СТЭ-1 (с переменной обратной линейнойдисперсией(0.31.0) нм/мм), а также монохроматоров ДФС-12 и МДР-23 (обратныелинейные дисперсии 0.5 нм/мм и 1.3 нм/мм, соответственно). Излучениегазоразрядной плазмы или пламени, возникающего при воспламененииуглеводородов, при помощи системы линз и световодов проецировалось навходные щели спектральных приборов. Перемещая световоды можно былорегистрировать пространственно-временное распределение интенсивностиизлучения различных спектральных линий и молекулярных полос исоответственно получать пространственное распределение температуры газаи концентрации различных возбужденных атомарных и молекулярных газов.Температура газа определяется из сравнения экспериментальноизмеренных и синтезированных молекулярных полос N2, CN и CH.
Примоделировании распределение по вращательным и колебательным уровнямпредполагаетсябольцмановским.Используютсяразработанныенамипрограммы для расчета спектров и отдельно для расчета факторов Хенля63Лондона. Расчеты производятся по программе, позволяющей накладыватьзаранее заданное уширение на вращательные переходы синтезированногомолекулярного спектра.В разряде в воздухе при давлении р < 100 Тор температура газаопределялась спектроскопическим методом, основанным на регистрациираспределенияинтенсивностейлинийвращательнойструктурымолекулярной полосы (0;2) с длиной волны канта = 380.5 нм второйположительной системы азота.
В пламени, а также в разряде в воздухе привысоких давлениях, когда интенсивность этой полосы недостаточна дляизмерения Tg, температура определялась по относительной интенсивностиполос (0;0) с длиной волны канта = 388.3 нм и (1;1) с длиной волны канта = 387.1 нм циана. В экспериментах по плазменно-стимулированномувоспламенению жидких углеводородов с помощью импульсных разрядов сдлительностьюпорядка5-100 мксизмерениятемпературыпламенипроводились по полосам (0;0) с длиной волны канта = 516.52 нм, (1;1) = 512.93 нм и (2;2) = 509.77 нм системы Свана молекулярного углерода,возникающей при неполном сгорании жидких углеводородов.При измерении временного хода (в микросекундном масштабевремени)температурыгазаиспользовалисьдвамонохроматорасфотоэлектронными умножителями в качестве приемников излучения,расположенных за выходными щелями монохроматоров.
Перед проведениемизмеренийпроводиласькалибровкачувствительностиизмерительныхтрактов. Для этого монохроматоры настраивались на одну и ту жеспектральную линию, излучаемую импульсным разрядом, и, изменяянапряженияпитаниянафотоэлектронныхумножителях,добивалисьидентичности формы и амплитуды выходных сигналов. После этого,монохроматоры настраивались на заранее выбранные вращательные линииполосы (0;2) второй положительной системы азота. При этом на64осциллографе TDS-2014 одновременно регистрируется временной ходинтенсивности свечения двух вращательных линий исследуемой полосы.
Этопозволяло определять временной ход температуры газа при однократнойреализации разряда.При измерении средней (в миллисекундном масштабе времени)температуры газа на выходе спектрографа СТЭ-1 в качестве приемногоустройства излучения размещалась ПЗС линейка диодный блок, состоящийиз большого числа светочувствительных элементов, расположенных наоднойлинии.Пространственноеразрешениесистемырегистрацииопределялось числом светочувствительных элементов и их размерами.
Виспользуемой системе число элементов было 3650, а размер каждогоэлемента был 88 микрон. Видеосигналы с приемного устройства, прямопропорциональные интенсивности излучения в спектральной области длинволн = 300-900 нм, кодировались программно-считывающим согласующимустройством,котороепредставлялособойаналого-цифровойпреобразователь, расположенный на интерфейсной карте, и затем подавалисьна вход персонального компьютера, в памяти которого формировался массивданных. Спектр разряда мог быть выведен либо на монитор компьютера,либо на принтер для печати, для чего использовались специальныепрограммные коды. Последующая обработка полученного спектра позволялаполучить среднюю за импульс температуру газа.Температура пламени на выходе их зоны горения воздушноуглеводородных топлив определялась тремя методами: по неразрешеннойвращательной структуре колебательных полос (0;0) и (1;1) циана; потермоэмиссионномутоку,возникающемуприразогреведвойноговольфрамового зонда, помещенного в горячий поток, и по распределению подлинам волн сплошного спектра, испускаемому раскаленным в потокепламени вольфрамовым стержнем с учетом излучательной способностивольфрама при разных температурах и длинах волн.65С помощью теневой картины изучался процесс воспламененияуглеводородноготоплива,определялисьположениеискоростьраспространения ударных волн, возникающих при создании импульсныхразрядов в воздухе, скорость распространения фронта горения, а такжеположение, размеры и скорость распространения областей с пониженнойплотностью газа.Для визуализации ударных волн и газодинамических возмущений,возникающих при воспламенении углеводородного горючего, используетсяимпульсная теневая установка (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
