МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА <5 • 2008
УДК 533.6.011.5:533.9.08
© 2008 г. Б. Г. ЕФИМОВ, В. В. ИВАНОВ, В. В. СКВОРЦОВ
ИНИЦИИРОВАНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ ПРИ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРЕ С ПОМОЩЬЮ НЕРАВНОВЕСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
Исследована картина сверхзвукового течения (М = 2) около поверхности пластины, через которую в ряде точек по нормали к потоку воздуха инжектировались струи пропана. Для инициирования и интенсификации химических реакций использован неравновесный разряд, который создавался между расположенным вдоль потока анодом, поверхностью пластины и установленным на ней интерцептором из металла. Приведены результаты теплеровской визуализации возникавших течений. Спектроскопические исследования показали, что распределение продуктов плазмохими-ческих реакций имело ряд принципиальных различий по сравнению со случаем инжекции пропана вдоль поверхности пластины.
Сравнительный анализ для идентичных газодинамических условий эксперимента важен для тестирования расчетных моделей течений реагирующих смесей в сверхзвуковых потоках, в которых для инициирования и стабилизации горения используются электрические разряды.
Ключевые слова: сверхзвуковое течение, пластина, интерцептор, воспламенение, стабилизация горения, пропан, неравновесный разряд, плазмохимические реакции, эмиссионная спектроскопия.
Применение традиционных газодинамических методов инициирования и стабилизации горения топлива в сверхзвуковом потоке воздуха, связанных с созданием дозвуковых рециркуляционных зон (течений в нишах, за уступом стенки канала, за системой пилонов) не дают положительного эффекта при низких статических температурах и давлениях. Ввиду этого исследуются возможности управления течениями, в которых газодинамические методы стабилизации горения сочетаются с локальным подводом энергии в поток с помощью различных видов электрических разрядов.
С этой целью исследовались течения [1-6] в пристеночной области, в которых комбинировались инжекция газообразного топлива по нормали к потоку и выбрасываемая поперек основного течения плазменная струя, создаваемая электродуговым источником. Отмечалось [6], что используемые плазменные струи, создаваемые дуговыми источниками, не обладали интенсивностью, достаточной для самостоятельного проникновения в область основного течения. Кроме того, характерная особенность для дуг - термическая ионизация, близость температур электронов и ионов.
Многие плазмохимические процессы идут более эффективно, если возбуждаются высоко расположенные колебательные уровни молекул [7, 8], способствующие возникновению цепных реакций [9]. Возбуждение таких колебательных уровней молекул может осуществляться либо при значительной температуре газа, либо при наличии высокоэнергетических электронов. В электрических разрядах энергия электронов увеличивается с ростом длины их пробега, т.е. с уменьшением давления. Ввиду этого при высоких статических давлениях превалирует термический механизм возбуждения, а при низких давлениях эффективность достигается за счет разгона электронов между более редкими их столкновениями с молекулами, что возможно и при низких температурах газа (неравновесный разряд). Применение неравновесных разрядов с характерной температурой около 1 эВ [7, 8] может оказаться перспективным в условиях, когда традицион-
Фиг. 1. Схема создания разряда при поперечной инжекции пропана около пластины
ные методы инициирования и поддержания процессов тепловыделения в топливо-воздушных смесях не дают желаемых результатов. В аэродинамике это низкие статические температуры и давления.
С момента выхода данных [10], в которых при низком статическом давлении (260 торр) создавались большие по длине и длительности горения разрядные каналы при инжекции топлива, исследовались течение и распределение продуктов плазмохимических реакций для варианта инжекции пропана вдоль поверхности пластины, были опубликованы результаты [11-14] по рассматриваемой проблеме. Геометрия эксперимента и варианты инжекции топлива существенно отличаются от рассмотренных в [10] и в данной работе. Они не были направлены на исследование течений реагирующей топливо-воздушной смеси вдоль поверхности пластины.
Представляемая работа и проводимый в ней сравнительный анализ с результатами, полученными в [10], при одинаковых начальных условиях обтекания пластины позволяют тестировать разрабатываемые расчетные модели течения реагирующих смесей, в которых используются электрические разряды.
1. Методика эксперимента. Эксперименты выполнены в аэродинамической трубе, рабочая часть которой имеет прямоугольное поперечное сечение размером 120 х 120 мм и длину 400 мм. Достаточно большие размеры рабочей части гарантировали отсутствие теплового запирания при проведении экспериментов с подводом энергии в поток газа. Эксперименты проводились при числе М^ = 2 и статическом давлении рл = 250-260 торр. При этом единичное число Рейнольдса было равно примерно 3 ■ 107 1/м.
Модель представляла собой пластину из стали размером 60 на 120 мм. В нее заподлицо с поверхностью были вмонтированы шесть инжекторов для вдува пропана и дренаж для отбора давления. Модель располагалась в плоскости симметрии рабочей части. Разряд создавался между электродом, выполненным из меди или латуни, концевой участок которого был ориентирован вдоль потока (фиг. 1), пластиной и установленным на ее конце интерцептором из латуни. Последний имел угол скоса 40° относительно плоскости пластины и высоту 6 мм. Ток разряда поддерживался равным 1 А. Напряжение на разряде зависело от расстояния между электродом и пластиной и в меньшей степени от того, отсутствовала или имела место подача пропана. Характерное напряжение на разряде составляло 1.3-1.8 кВ. При подаче пропана, расход которого был равен около 0.8 г/с, напряжение на разряде уменьшалось примерно на 200 В.
В ходе эксперимента проводилась теплеровская визуализация потока, измерялось распределение статического давления на пластине, анализировались состав и интенсив-
Фиг. 2. Теневые картины течения около пластины при инжекции пропана в отсутствии (а) и при наличии разряда (•)
ность излучения продуктов плазмохимического взаимодействия. Спектрометр позволял регистрировать данные в диапазоне длин волн от 220 до 980 нм при спектральном разрешении меньше 0.2 нм и времени интегрирования каждого участка спектра менее 1 с. Небольшой размер измерительного объема в вертикальном направлении (1.5 мм) дал возможность исследовать распределение интенсивности по этому направлению. Аэродинамическое окно, через которое проводилась регистрация, было выполнено из кварца.
2. Результаты визуализации и измерений влияния энергоподвода в поток на статическое давление на пластине. Теплеровская визуализация потока вблизи поверхности пластины в отсутствие и при создании разряда в топливо-воздушной смеси показала существенное отличие картины возникающего течения по сравнению со случаем продольной инжекции пропана [10]. На фотографии фиг. 2, а, полученной без разряда (щель прибора ориентирована вертикально) при расстоянии между анодом и интерцептором 58 мм, видны локальные скачки уплотнения, вызванные вдувом в сверхзвуковой поток струй пропана через инжекторы 11-У1. Теплеровская фотография при таком же варианте подачи пропана и зажженном в потоке разряде (фиг. 2, б) иллюстрирует геометрию области экзоэнергетических реакций над пластиной: ее передняя граница практически совпадает с местом ввода первой струи пропана (в отличие от варианта продольной подачи пропана, в котором процессу развития реакций предшествовала значительная зона индукции), а задняя - приблизительно с началом отрывной зоны перед интерцептором. С удалением от передней границы вниз по потоку размер области по высоте увеличивается, и затем она смыкается с областью разряда. Однако в отличие от варианта продольной подачи пропана интенсивное свечение над и за интерцептором (второй зоны реакций) не наблюдалось, хотя, как показывают результаты спектроскопических исследований, продукты плазмохимических реакций здесь присутствовали. Такая же картина наблюдалась при расположении интерцептора на расстоянии 29 мм от анода.
Проведенные измерения статического давления в различных точках пластины при обтекании ее потоком воздуха и потоком при зажженном разряде и вдуве струй пропана
Y 5
4
3
2
10 102 103 I 10 102 103 I
Фиг. 3. Распределение интенсивности излучения I (усл. ед.) продуктов плазмохими-ческого взаимодействия по высоте Y (мм) над поверхностью пластины при подаче пропана через третий (а) и третий - четвертый инжекторы (•): I - X = 16.5 мм, II - X = 23.5 мм от среза анода
дали осредненные значения Ap/pst примерно 10.5-11% для разных комбинаций включения инжекторов при максимальном значении приблизительно 20%. Особенностью полученных распределений величин Ap при подаче пропана было то, что их максимальные значения лежали на некотором удалении от оси симметрии пластины, т.е. от линии, вдоль которой располагались инжекторы. Полученный результат, по-видимому, обусловлен тем, что на оси течения образовывалась излишне богатая смесь, что затрудняло развитие реакций. Другая особенность состояла в том, что замена интерцептора на продольно расположенную металлическую пластинку приводила к уменьшению величин Ap примерно на 28%, что связано с сужением области разряда.
3. Результаты спектроскопических исследований. Спектроскопические измерения были выполнены для варианта модели, когда интерцептор располагался на расстоянии 29 мм от среза анода, а вдув пропана осуществлялся через инжекторы III и IV либо только через инжектор III. Расстояние от анода до инжектора III было равно 11.5 мм, до исследуемых сечений - 16.5 и 23.5 мм.
Анализировались длины волн:
Продукт реакций H O C2 CH CN O
< линии на фиг. 3, 4 1 1 2 3 4 5
X, нм 656.28 777.53 516.5 431.5 410-420 844.6
Ограничение сигнала спектрометра происходило при уровне сигнала (в единицах шкалы спектрометра) 4000.
Обработка спектров показала, что как по составу, так и по распределению интенсивности излучения компонент по высоте над пластиной (фиг. 3) область плазмохими
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.