Плазменно-стимулированное воспламенение высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда

• Автор: Константиновский, Роман Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с. : ил.

Глава 1. Обзор литературы
Глава 2. Экспериментальная установка и методы диагностики
Глава 3. Воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков в
условиях низкотемпературной плазмы газового разряда
§3.1. Импульсный поперечный электродный разряд
§ 3.2. Каверна как способ стабилизации горения сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях поперечного электродного разряда
постоянного тока
§ 3.3. Воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях
свободно локализованного СВЧ-разряд
§ 3.4. Влияние поверхностного СВЧ-разряда на воспламенение
высокоскоростного пропан-воздушного потока
§ 3.5. Комбинированный СВЧ-разряд в высокоскоростном пропан-воздушном
потоке
Глава 4. Моделирование воспламенения газовых топливных смесей в условиях
поверхностного СВЧ-разряда
§ 4.1. Численное моделирование в случае однородной смеси
§ 4.2. Численное моделирование сверхзвуковых течений с подводом тепла
электрическим разрядом
Глава 5. Результаты численного моделирования и сравнение с экспериментом
§5.1. Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой
пропан-воздушной смеси
§ 5.2. Воспламенение водородно-кислородной смеси
§ 5.3. Воспламенение пропан-воздушной смеси
§ 5.4. Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой
пропан-воздушной смеси
§ 5.5. Применение программированного режима для уменьшения минимально
необходимого удельного энерговклада в воспламеняемую газовую смесь.. 85 § 5.6. Исследование основных механизмов воспламенения пропан-воздушной смеси в присутствии низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда
Выводы
Список литературы
Приложение

Для развития современной авиации требуется поиск и разработка новых эффективных средств, позволяющих управлять характеристиками газового потока вблизи поверхности летательного аппарата, контролировать передачу тепла и массоперенос в пограничном слое, снижать поверхностное трение, задерживать ламинарно-турбулентный переход, управлять отрывом потока, уменьшать время воспламенения и управлять процессом горения сверхзвуковых потоков горючего в прямоточном двигателе. Одним из новых решений данных проблем является использование различного типа газовых разрядов. При этом для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов предлагается создавать перед ними и на их несущих поверхностях плазменные образования, а для целей уменьшения времени воспламенения горючего в гиперзвуковом прямоточном двигателе использовать неравновесную газоразрядную плазму.
В области сверхзвуковой плазменной аэродинамики различными научными группами в различных российских и зарубежных институтах проводятся интенсивные исследования, связанные с использованием газоразрядной плазмы для воспламенения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков. Изучаются разряды постоянного тока, наносекундные высоковольтные, микроволновые, высокочастотные разряды, создаваемые на поверхности диэлектрических тел либо в объеме газа. Интенсивно ведется математическое моделирование изучаемого явления. Возникла задача поиска оптимальных способов создания низкотемпературной плазмы в высокоскоростных потоках газа, изучения влияния газового разряда на газодинамические характеристики потока вблизи обтекаемого тела и выявления механизма быстрого воспламенения углеводородных топлив. Исследование влияния различных типов газовых разрядов на эти процессы актуально с точки зрения необходимости в условиях высокоскоростных потоков обеспечить быстрое объемное воспламенение углеводородного топлива, что актуально для развития современной авиации. Изучение процесса воспламенения и горения углеводородных смесей в условиях низкотемпературной плазмы важно как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, так и с точки зрения оптимизации плазмохимических процессов. Самостоятельные сверхвысокочастотные разряды, существующие при больших значениях приведенного электрического поля, являются одним из перспективных способов создания низкотемпературной плазмы для различных практических приложений, в частности, для решения задач сверхзвуковой

плазменной аэродинамики. СВЧ-разряды, создаваемые в молекулярных газах, приводят к эффективной диссоциации молекул, наработке активных радикалов и нагреву рабочей среды. Эти процессы в разрядах в горючих воздушно-углеводородных смесях могут привести к полному изменению первоначального состава, что связано, в частности, с процессами воспламенения и горения. Для более глубокого понимания физикохимических процессов, протекающих при воспламенении углеводородных смесей в газовой фазе с помощью низкотемпературной плазмы, актуальным является проведение как экспериментальных исследований, так и сопоставление их с расчетами в рамках физических моделей влияния СВЧ-разряда на инициирование горения.
Диссертация посвящена исследованию возможности применения неравновесной низкотемпературной плазмы самостоятельных поверхностного и объемного СВЧ-разрядов, а также импульсного поперечного электродного разряда для инициирования воспламенения сверхзвукового воздушно-углеводородного потока.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование фундаментальной научной проблемы, связанной с изучением физических процессов, протекающих в движущейся неравновесной низкотемпературной плазме, создаваемой в многокомпонентных смесях химически активных молекулярных газов с помощью самостоятельных сверхвысокочастотных и импульсных электродных разрядов.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
• реализация быстрого плазменно-стимулированного воспламенения и горения газообразных углеводородов с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы импульсного поперечного по отношению к газовому потоку электродного разряда, объемного свободно локализованного СВЧ-разряда и поверхностного СВЧ-разряда в высокоскоростных пропан-воздушных потоках;
• определение зависимости времени задержки воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха М= 2 от приведенного электрического поля в условиях нестационарной низкотемпературной газоразрядной плазмы;
• проведение математического моделирования с целью выявления основного механизма, ответственного за воспламенение углеводородного топлива в условиях газоразрядной плазмы поверхностного СВЧ-разряда.
Для решения поставленных задач применялись как бесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследования проводились с временным и пространственным разрешением с помощью диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров и спектрографов с цифровой регистрацией спектра, блока зондовой

ставлен временной ход ионного тока насыщения на двойной зонд для случая поверхностного СВЧ-разряда в сверхзвуковом потоке воздуха (кривая 1) и в сверхзвуковом стехиометрическом пропан-воздушиом потоке (кривая 2).Видно, что в условиях поверхностного СВЧ-разряда в воздухе ионный ток насыщения, фиксируемый двойным зондом, мал и определяется плазмой слабоионизованного ореола, существующего вблизи поверхностного СВЧ-разряда. При воспламенении пропан-воздушного потока концентрация заряженных частиц в области горения резко возрастает. Распространяющийся перпендикулярно поверхности антенны фронт горения проходит через область расположения двойного зонда, что ведет к увеличению зондовош тока насыщения (смотри рис. 32, кривая 2), который на порядок величины превышает интенсивность сигнала, соответствующего поверхностному СВЧ-разряду в сверхзвуковом воздушном потоке.
При воспламенении сверхзвукового стехиометрического нропан-воздушиого потока регистрировался также спектр излучения пламени в процессе горения в условиях импульсно-периодического поверхностного СВЧ-разряда (см. рис. 33). Длительность каждого СВЧ-импульса г= 120 мке, частота их слсдования/= 25 Гц, число импульсов N = 70.
I, отн.ед.
Л, нм
Рис. 33. Спектр излучения пламени в процессе горения сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях импульсно-периодического поверхностного СВЧ-разряда на кварцевой антенне при 55.5 г/с, сіт^сії = 3.6 г/с, Ф= 1, N=70, г=120мкс,
/= 25 Гц, IV =70 кВт.
Показано, что каждый из семидесяти СВЧ-импульсов приводит к воспламенению сверхзвукового пропан-воздушного потока. Спектр регистрировался в течение 2.5 с при усреднении за каждые последующие шесть импульсов. Видно, что в спектре присутству-