Воспламенение и стабилизация горения углеводородного топлива в высокоскоростных воздушных потоках в условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы

• Автор: Копыл, Павел Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 184 с. : ил.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2ЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

§ 2.1. Экспериментальная установка для изучения внешнего

горения жидкого углеводородного топлива, инжектируемого в дозвуковой воздушный поток

§ 2.2. Аэродинамические каналы, используемые для

исследования внутреннего горения сверхзвуковых пропан-воздушных потоков

ГЛАВА 3. Методы диагностики параметров пламени в условиях

плазменно-стимулированного горения высокоскоростных потоков воздушно-углеводородного топлива
§3.1. Диагностический комплекс
§ 3.2. Спектроскопический метод измерения температуры газа по
разрешенной вращательной структуре молекулярных полос
§ 3.3. Метод определения колебательной температуры
молекулярной плазмы
§ 3.4. Метод определение температуры газа по неразрешенной
вращательной структуре молекулярных полос
§ 3.5. Определение температуры пламени по току насыщения на
двойной накаленный зонд
§ 3.6. Определение температуры пламени по сплошному
спектру, испускаемому накаленным вольфрамовым стержнем
§ 3.7. Определение концентрации электронов по штарковскому
уширению спектральных линий бальмеровской серии водорода

§ 3.8. Определение полноты сгорания в условиях плазменно-стимулированного горения воздушно-углеводородных топлив
ГЛАВА 4. Стабилизация с помощью программированного сверхвысокочастотного разряда горения жидкого спирта, инжектируемого в капельной фазе в дозвуковой воздушный поток
§4.1. Динамика разряда в высокоскоростном воздушном потоке.
§ 4.2. Стабилизация горения жидкого спирта в трансзвуковом
потоке воздуха в условиях программированного СВЧ разряда
§ 4.3. Параметры пламени при горении жидкого спирта в
условиях программированного разряда в
высокоскоростном воздушном потоке
§ 4.4. Плазменно-стимулированное горение многокомпонентного
топлива
ГЛАВА 5. Стабилизация сверхзвукового горения пропан-
воздушного топлива внутри аэродинамического канала в условиях низкотемпературной плазмы
§ 5.1. Плазменно-стимулированное сверхзвуковое горение
пропан-воздушного топлива внутри аэродинамического канала
§ 5.2. Параметры плазмы электродного разряда, создаваемого в
высокоскоростном воздушном и пропан-воздушном потоках внутри аэродинамического канала
§ 5.3. Параметры сверхзвукового горения пропан-воздушного
топлива внутри аэродинамического канала
§ 5.4. Пространственно-временное распределение температуры
пламени в аэродинамическом канале в условиях сверхзвукового горения пропан-воздушного топлива
§ 5.5. Сила тяги, возникающая при сверхзвуковом горении
пропан-воздушного топлива в аэродинамическом канале с присоединенным воздуховодом
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
Актуальность темы. В настоящее время в российской и мировой науке все большую актуальность приобретают исследования в области сверхзвуковой плазменной аэродинамики, что связано с технологией создания новых видов высокоскоростных транспортных и космических систем. Для развития современной авиации, предназначенной для высоких скоростей полета, требуется поиск и разработка инновационных фундаментальных методов, позволяющих обеспечивать быстрое объемное воспламенение и управление процессом горения углеводородного топлива в камере сгорания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя [1-8]. Для его эффективного функционирования необходимо, чтобы скорость потока рабочего тела в камере сгорания превышала сверхзвуковую. Однако при таких скоростях невозможно осуществить стабилизацию и полное сгорание топлива внутри камеры сгорания. Для решения этой проблемы осуществляют нагрев рабочего тела за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха, но при скорости летательного аппарата М-6 температура заторможенного рабочего тела в двигателе достигает 2200 К, а с учетом трения и скачков уплотнения в реальном процессе - еще выше. При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счет сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемых термической стойкостью конструкционных материалов двигателя. Для сверхзвуковых летательных аппаратов, оснащенных прямоточным воздушно-реактивным двигателем, скорость полета с числом Маха М= 5 считается предельной. Одним из новых решений данной проблемы является использование газовых разрядов с целью направленного воздействия на поток с помощью локального выделения в нем дополнительной энергии, способствующей полному сжиганию топлива в достаточно коротких камерах сгорания длиной Ь ~ 0.5 м при умеренных температурах воздушно-углеводородного топлива Т~ 1 ООО К.

концентрации свободных радикалов (атомов Н и О) и скорости радиолиза молекулярного водорода и кислорода на смещение пределов воспламенения стехиометрической водород-кислородной газовой смеси. В работе [125] было проведено численное моделирование влияния добавления синглетного кислорода 02(а’Д8) на увеличение скорости водородно-кислородного пламени. Было показано, что при добавках вдвое большего количества синглетного кислорода расчетная скорость распространения пламени увеличивается только на одну треть. Воспламенение горючих смесей при их нагреве лазерным излучением или при лазерном пробое рассмотрено в [126-127]. Однако этот метод имеет существенный недостаток, связанный с невозможностью инициации воспламенения в большом объеме.
Принцип искрового воспламенения известен давно и успешно применяется в автомобильной промышленности. В последнее время существенно усилился интерес к интенсификации горения газофазных систем с использованием различных форм газового разряда применительно к сверхзвуковой плазменной аэродинамике [13]. В условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы появляется возможность генерации активных частиц в результате диссоциации молекул электронным ударом, электрон-ионных и ион-молекулярных реакций, а также диссоциативного тушения электронных возбужденных состояний молекул и снижения порога химических реакций при колебательном возбуждении реагентов. Поэтому возможен принципиально нетермический режим горения, когда наработка активных частиц практически на всем протяжении реакции осуществляется электронным ударом.
Воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока с помощью СВЧ-разрядов для различных значений давления газа, длительности воздействия, СВЧ-мощности, состава смеси и т.д. было исследовано в ряде работ (смотри [61-82] и цитируемую в этих работах литературу).