Развитие импульсного наносекундного разряда и его применение в задачах плазменно-управляемой аэродинамики и плазменно-стимулированного горения

• Автор: Никипелов, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 154 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление
Оглавление
1 ВВЕДЕНИЕ

1.1 Постановка задачи

1.2 Научная новизна

1.3 Основные положения, выносимые на защиту

1.4 Структура работы

2 Обзор литературы

2.1 Разряды атмосферного давления и пробой

2.1.1 История изучения дуговых разрядов при атмосферном давлении
2.1.2 Отрыв температуры электронов в неравновесной плазме
2.1.3 Каналы вложения энергии в неравновесной воздушной плазме
2.1.4 Электрический пробой в плотных газах
2.2 Применение плазмы в задачах плазменно-управляемой аэродинамики
2.2.1 Баллистические эксперименты
2.2.2 Ударно-волновые эксперименты
2.2.3 Взаимодействие поверхностных разрядов с потоком
2.2.4 Плазменные актуаторы с барьерным разрядом для контроля дозвукового
обтекания крыла
2.3 Применение плазмы в задачах плазменно-стимулированного горения и воспламенения
2.3.1 Механизмы воздействия плазмы на процессы горения
2.3.2 Разряды, используемые в задачах плазменно-стимулированного горения . .
2.3.3 Плазменно-стимулированное горение
2.3.4 Производство N0 в пламенах и в послесвечении неравновесного разряда . .
2.3.5 Наработка атомарных кислорода и азота и электронно-возбужденного азота
в неравновесном разряде
3 Газодинамические процессы, инициированные быстрой термализацией плазмы высоковольтного наносекундного скользящего разряда
3.1 Энергетический и импульсный подходы в задачах плазменно-управляемой
аэродинамики
3.2 Высоковольный наносекундный скользящий разряд
3.2.1 Параметры разрядного промежутка
3.2.2 Геометрия плазменного слоя и однородность разряда
3.3 Физика актуатора с питанием наносекундными высоковольтными импульсами . .
3.3.1 Ускорение газа в поверхностном барьерном наносекундном разряде
3.3.2 Измерение давления в плазме поверхностного разряда
ОГЛАВЛЕНИЕ
3.3.3 Газодинамические возмущения в потоке
3.3.4 Вихревое возмущение, порожденное взаимодействием ударной волны от слоя
термализующейся плазмы и сдвигового слоя отрывного течения
3.3.5 Термализация плазмы поверхностного наносекупдного разряда в атомарных
и молекулярных газах
4 Исследование динамики стабилизации пламен различного состава
неравновесным разрядом
4.1 Особенности ЛИФ измерений ОН
4.1.1 Связь ЛИФ и абсорбционной спектроскопии
4.1.2 Выбор длины волны возбуждения флюоресценции
4.1.3 Возбуждение вращательных переходов
4.1.4 Возбуждение колебательных переходов
4.1.5 Выбор спектрального диапазона для наблюдения флуоресценции
4.1.6 Допплеровское уширение
4.1.7 Столкновительное уширение
4.1.8 Тушение
4.1.9 Линейный и насыщенный режимы ЛИФ
4.2 Изучение динамики концентрации ОН в послесвечении наносекундного барьерного разряда
4.2.1 Описание экспериментальной установки
4.2.2 Исследование динамики наносекундного барьерного разряда с
наносекундным разрешением, влияние полярности высоковольтного импульса на наработку ОН в послесвечении разряда
4.2.3 Измерение динамики абсолютной концентрации ОН в послесвечении
наносекундного барьерного разряда в предварительно перемешанном подогретом метано-воздушном потоке
4.3 Интенсификация горения с помощью импульсно-периодического наносекупдного барьерного разряда
4.3.1 Описание экспериментальной установки
4.3.2 Описание диагностического комплекса лазерно-индуцированной
флюоресценции
4.3.3 Абсолютная калибровка ЛИФ
4.3.4 Определение локального состава пламени с помощью ИК-Фурье спектрометра
4.4 Результаты измерении распределения ОН в пламени и его изменение под действием наносекундного барьерного разряда
4.4.1 Зависимость скорости срыва пламени от частоты следования и амплитуды
высоковольтных импульсов
4.4.2 Результаты измерений распределения ОН в пламени методом
ненасыщенного ЛИФ
4.4.3 Результаты измерений распределения ОН в пламени методом насыщенного

5 Плазменный реформинг углеводородных топлив в сингаз
5.1 Плазменные методы стабилизации горения как альтернатива каталитическим . . .
5.2 Методы плазменно-стимулированного реформинга метана с углекислым газом . .
5.2.1 Коронный разряд постоянного тока
5.2.2 Диэлектрический барьерный разряд
ОГЛАВЛЕНИЕ

5.2.3 Микроволновой разряд
5.2.4 Тлеющий разряд атмосферного давления
5.2.5 Скользящий дуговой разряд
5.2.6 Эффективность реформинга метана с углекислым газом в неравновесной плазме
5.3 Некаталитический реформинг, реакторы частичного окисления
5-4 Применение неравновесного наносекундного разряда в реформинге частичного
окисления жидких углеводородов
5.5 Реформер с внутренней рекуперацией тепла и поздним смешением
5.6 Реформер полного смешения с разрядом, инициирующим первую фазу реформинга
5.6.1 Описание экспериментальной установки
5.6.2 Наносекундный высоковольтный разряд в форме распределенной неравновесной искры
5.6.3 Делокализация наносекундной искры в осесимметричном плазматроне при увеличении удельной мощности
5.6.4 Влияние остаточной ионизации, самофокусировка последовательных стримеров и гидродинамическое разрушение канала стримера
5.6.5 Наносекундный высоковольтный разряд для стабилизации бедных и сверхбедных пламен
5.6.6 Реформинг пара дизельного топлива в сингаз
6 Заключение
6.1 Выводы
Библиография
3.2. Высоковольный наносекундный скользящий разряд

при скоростях потока до нескольких десятков метров в секунду. Так, в работе [71] с помощью скользящего поверхностного разряда присоединяли поток к аэродинамическому профилю при скоростях потока 10-25 м/с и числе Рейнольдса до 500 ООО. В [72] наблюдали увеличение подъемной силы до 25% при включении разряда, при скорости потока 25 м/с. То есть применение актуаторов с переменным напряжением позволяет управлять потоками до 50 м/с, в то время как авиационная отрасль требует больших скоростей - 100 - 250 м/с, что соответствует скорости при взлете и крейсерской скорости гражданского самолета. В поисках новых источников питания традиционных актуаторов в 2005 году в [73] было предложено использовать генератор высоковольтных наносекундпых импульсов. Их преимущество заключалось в создании приведенных полей, в несколько раз превышающих пробойное напряжение, что недостижимо для актуаторов с питанием переменным синусоидальным напряжением с частотой в десятки килогерц (технологическое ограничение на текущий .момент). Уже первые эксперименты продемонстрировали уверенный контроль отрыва пограничного слоя при скоростях потока до 75 м/с. Позднее влияние импульсного поверхностного разряда на отрыв было исследовано в [74]. Были достигнуты скорости потока до 110 м/с, при этом основным механизмом считалась турбулизация пограничного слоя, а не ускорение потока разрядом. Также была найдена резонансная частота, при которой влияние разряда было наибольшим, она составляла порядка /01Й = и0/Ь, где С/0 - скорость потока, а Ь -расстояние от точки приложения разряда до точки отрыва потока. Эксперименты по контролю отрыва потока были выполнены в ]75] в диапазоне скоростей М=0.3 - М=0.75, что продемонстрировало возможность управления потоком на крейсерской скорости. Масштабируемость эффекта была проверена в [76]: были проведены эксперименты с аэродинамическим профилем размером 0.5 х 1 метра; как и в [74] была обнаружена выраженная зависимость от частоты следования импульсов напряжения.
Таким образом, актуаторы с наносекундным питанием продемонстрировали очень высокую эффективность в управлении потоками в широком диапазоне скоростей (М=0.03-0.75) и чисел Рейнольдса (11е=104 — 2 • 10°). Дальнейшее развитие потребовало более глубокого понимания принципа работы подобных актуаторов, а также разницы .между актуаторами с разным питанием и объяснения значительного отличия в их эффективности.
3.2 Высоковольпый наносекундный скользящий разряд
Перенос энергии разряда в поток является сложным многоступенчатым процессом [14]. Благодаря маленькой массе и большим длинам свободного пробега электроны набирают энергию в электрическом поле. Низкая скорость энергообмена с тяжелыми частицами - молекулами или атомами приводит к значительной разнице между средней энергией электронов и энергией поступательных степеней свободы тяжелых частиц. В зависимости