Диссертация (1102387), страница 18
Текст из файла (страница 18)
32приведенырассчитанные(3.19)калибровочныекривыезависимости концентрации электронов от полуширины спектральныхбальмеровских линий Hα и Hβ водорода.108§ 3.8. Определение полноты сгорания в условиях плазменностимулированного горения воздушно-углеводородных топливДляизмеренияполнотысгоранияуглеводородноготопливаиспользовались несколько методик.
Во-первых, в эксперименте измеряласьтемпературапламенивусловияхвысокоскоростногогорения.Знаясекундный массовый расход воздуха и пропана можно определить, сколькоуглеводородного топлива должно сгореть, чтобы нагреть струю пламени доизмеренной температуры.Во-вторых, измерялась температура газа в закрытой камере сразу жепосле пуска. Зная начальную температуру и массу воздуха в камере,секундные массовые расходы воздуха и пропана можно определить, какоеколичество теплоты должно выделиться, чтобы нагреть всю газообразнуюсреду до измеренной температуры, и, соответственно, сколько топливадолжно при этом сгореть. На рис. 33 представлена рассчитанная без учетапотерь на стенки зависимость температуры, до которой должна нагретьсясреда в закрытой барокамере объемом 2.61 м3, от массы сгоревшего пропанасразу же после окончания горения.Например, если начальная температура воздуха в барокамере tн = 180С,а горение происходило в течение 1 с, при этом конечная температура газовойсреды сразу же после реализации горения достигла tк = 800С, то массасгоревшего пропана равна 4.7 г.
При секундном массовом расходе пропана4.9 г/сполнотасгоранияуглеводородноготопливаравна96 %.Вэкспериментах регистрируемая сразу же после окончания горения величинаконечной температуры среды в барокамере варьировалась от 25 до 1500С взависимости от секундных массовых расходов воздуха и пропана,длительности процесса горения, эффективности сверхзвукового плазменностимулированного горения.10910638mC H , г842002550750t, C100125150Рис. 33.
Зависимость температуры воздуха в закрытой барокамере при атмосферномдавлении сразу же после окончания горения от массы сгоревшего пропана.70026501р, Тор6005505004500,00,51,01,52,02,5t, сРис. 34. Сравнение экспериментально измеренного (кривая 1) давления в закрытойбарокамере с рассчитанной зависимостью (пунктирная кривая 2) давления в условияхплазменно-стимулированного сверхзвукового горения пропан-воздушного топлива внутриаэродинамического канала.В-третьих, долю сгоревшего пропана можно определить по изменениюдавления в закрытой барокамере в процессе пуска воздуха без разряда, сразрядом без горения и в результате горения углеводородного топлива.
Нарис. 34 приведено сравнение экспериментально измеренного (кривая 1)110временного хода давления в закрытой барокамере с рассчитаннойзависимостью (пунктирная кривая 2) давления в условиях плазменностимулированного сверхзвукового горения пропан-воздушного топливавнутри аэродинамического канала. Условия эксперимента: начальноедавление воздуха в барокамере 450 Тор, сверхзвуковой поток воздухазапускается в течение времени t = 0-2 с, с задержкой в 1 с включается разрядпостоянного тока длительностью 1 с, а еще через 0.2 с начинается инжекцияпропана длительностью 0.8 с.Видно, что в условиях эксперимента по плазменно-стимулированномугорению внутри аэродинамического канала измеренный временной ходдавления в барокамере хорошо согласуется с рассчитанной зависимостью впредположении о полном сгорании топлива. Некоторое рассогласованиенаблюдается на поздних стадиях горения. Это связано с тем, что привычислении не учитывались потери тепла на стенки металлическойбарокамеры диаметром 1 м и длиной 3 м.
Экспериментально измереннаяпостоянная времени, связанная с потерями тепла на стенки барокамеры,равна 18 с, что на порядок величины больше времени релаксации в активнойфазе горения. Если учесть потери тепла, то хорошее согласие междуэкспериментом и расчетом будет наблюдаться в течение всего пуска.В-четвертых, для определения полноты сгорания пропан-воздушноготоплива в условиях сверхзвукового потока воздуха проводилась регистрацияконцентрации паров воды в закрытой камере после сгорания пропана.
Знаяколичество пропана, вводимого в поток, можно рассчитать концентрациюпаров воды, которая должна образоваться при полном сгорании пропана.Сравнивая эту величину с измеренной концентрацией паров воды,образовавшейся в эксперименте, можно рассчитать полноту сгоранияпропана. Так, например, при скорости потока 450 м/с при полном сгораниипропана должно было образоваться 14.2 г воды, а экспериментальноизмеренное по изменению абсолютной влажности в камере количество111образовавшейся воды получилось 13.8 г. Этому соответствует полнотасгорания 97 %.Полнота сгорания определялась также с помощью датчика пропана,расположенного внутри закрытой барокамеры при атмосферном давлениивоздуха.
При этом вначале проводился пуск без включения разрядапостоянного тока, после чего регистрировался сигнал с датчика пропана U1.Затем камера откачивалась до давления р = 10 Тор. Проводился новыйнапуск воздуха до атмосферного давления и эксперимент повторялся ещеодинразпритехжеусловиях,носреализациейплазменно-стимулированного горения.
После пуска снова регистрировался сигнал сдатчика пропана U2. Зная разность регистрируемых сигналов U1-U2 с датчикапропана в первом и втором случаях можно определить полноту сгорания поформуле (U1-U2)/U1.Кинетика сгорания углеводородов идет таким образом, что врезультате полного сгорания топлива образуется углекислый газ и вода. Такполноесгораниестехиометрическойпропан-воздушнойсмеси(здесьпредполагается состав воздуха O2-N2 = 1-4) идет по схеме:C3H8 5 O2 20 N2 3 CO2 4 H2O 20 N2 .(3.20)В этом случае в спектре свечения пламени наблюдается в основномполоса (0;0) радикала CH с длиной волны канта 331.5 нм.
Если сгораниенеполное, то вместо углекислого газа образуется СО и нарабатывается многосажи. Частички сажи в горячем потоке нагреваются и наряду с полосами CNи CH в спектре в области длин волн = 500-600 нм регистрируютсяинтенсивные полосы Свана.В эксперименте известны секундные массовые расходы пропана ивоздуха, т.е. начальный состав пропан-воздушной смеси. Измеряя в закрытойбарокамерепослеплазменно-стимулированного112сгораниятопливаконцентрацию углекислого газа, можно рассчитать массу образовавшегосяуглекислого газа, а отсюда определить степень сгорания пропана.Эффективность сверхзвукового горения воздушно-углеводородноготоплива в экспериментах оценивалась по величине силы тяги, возникающейприреализацииплазменно-стимулированногогорениявнутрирасширяющегося аэродинамического канала снабженного выходным соплом.Дляфиксациитягиканалбылснабженприсоединеннымгибкимвоздухопроводом и смонтирован на весах.
Использовались механическиевесы на основе закона Гука и тензовесы.В первом случае канал подвешивался в вертикальной позиции врастяжку на восьми лентах из плотной вакуумной резины. Каждая лента быладлиной 400 мм, шириной 12 мм и толщиной 6 мм. При этом четыререзиновые ленты крепились сверху и четыре ленты снизу, полностьюкомпенсируявесканала.Предварительнопроводиласькалибровкамеханических весов. Полученная калибровочная прямая представлена нарис.
35. Видно, что линейность выполняется при изменении деформации вдиапазоне от -4 см до +4 см.6040Fт, Н200-40-200-202040x, мм-40-60Рис. 35. Зависимость силы тяги от величины деформации.113При реализации горения в канале возникает вертикально направленнаясила тяги, которая поднимает его на некоторое расстояние вверх. Процессфиксируется стационарной скоростной видеокамерой с частотой съемки 100кадроввсекунду.Припоследующемпокадровомвоспроизведениивидеофильма измерялось вертикальное смещение канала от положенияравновесия, а с помощью калибровочной прямой определялась сила тяги,действующая на канал в данный момент времени.Во втором случае аэродинамический канал с присоединеннымвоздухопроводом жестко крепился к тензовесам.
Калибровка тензовесовпроводилась с использованием электронного динамометра. Был полученкалибровочный коэффициент k[мВ/Н]. Линейность системы проверяласьвплоть до 200 Н, что много больше величины силы тяги, которую возможнореализовать в условиях нашего эксперимента. В эксперименте сигнал стензовесов регистрировался в милливольтах на цифровом осциллографе,после чего передавался в базу данных на персональный компьютер, гдеполученныесигналыобрабатывалисьсучетомкалибровочногокоэффициента.
На выходе из системы обработки фиксировался временнойход силы тяги (в Ньютонах), возникающей при плазменно-стимулированномгорениихолодногосверхзвуковогопропан-воздушногопотокаваэродинамическом канале. Теоретически возможная сила тяги оценивалась поформуле [2] mC HFТ M (2 1) M 2 3 8 qC3H8 12 2с p (T2 T1) 1 .M(3.21)Сравнивая экспериментально измеренную величину силы тяги смаксимально возможной величиной (3.21) можно оценить эффективностьплазменно-стимулированного горения.114Глава 4СТАБИЛИЗАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММИРОВАННОГОСВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА ГОРЕНИЯ ЖИДКОГОСПИРТА, ИНЖЕКТИРУЕМОГО В КАПЕЛЬНОЙ ФАЗЕ ВДОЗВУКОВОЙ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК§ 4.1. Динамика разряда в высокоскоростном воздушном потокеДля развития современной авиации и космических технологий,предназначенных для высоких скоростей полета, требуется поиск иразработка новых фундаментальных методов, позволяющих управлятьхарактеристикамигазовогопотокавблизиповерхностилетательногоаппарата, а также обеспечивать быстрое объемное воспламенение иуправление процессом горения углеводородного топлива в условияхвысокоскоростного потока.
Ввиду неэффективности классических способоввоспламенения необходимо развивать нетрадиционные методы, при этомодним из новых решений данных проблем является использованиеразличного типа газовых разрядов с целью направленного воздействия напоток с помощью локального выделения энергии. При этом для целейуменьшения времени воспламенения горючего и увеличения эффективностигоренияиполнотысгораниятопливапредлагаетсяиспользоватьнеравновесную газоразрядную плазму. В условиях низкотемпературнойгазоразрядной плазмы возможен принципиально нетермический режимгорения, когда наработка активных частиц практически на всем протяженииреакции осуществляется электронным ударом [9].
Методы управлениягорением воздушно-углеводородных потоков, основанные на генерацииэлектрических разрядов, представляются в настоящее время наиболееперспективными. Разнообразие типов электрических разрядов позволяет в115широких пределах менять соотношение между вкладами различныхмеханизмов. Применение комбинированных разрядов различного типа можетобеспечить необходимую скорость и интенсивность горения.Вовсехтипахреактивныхдвигателейстабильноегорениеподдерживается с помощью специальных устройств (застойных зон, каверн ит.п.), служащих для предотвращения срыва пламени высокоскоростнымпотоком.
Конструкция этих устройств должна учитывать баланс междувносимым ими дополнительным сопротивлением потоку и стабилизациейпламени. В свободном сверхзвуковом потоке в принципе невозможноудержать пламя без специальных мер. Одним из таких способов являетсяиспользованиегазоразряднойплазмы.Вусловияхимпульсногосамостоятельного разряда сверхзвуковое горение свободных воздушноуглеводородных потоков происходит только в течение длительностиимпульса, и пламя срывается, как только подвод энергии прекращается. Длястационарногогоренияприиспользованиинестационарнойнизкотемпературной плазмы необходимо оптимизировать режим инициацииимпульсного разряда, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
