научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВОЛН ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ ВОДОРОДО-КИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ В ОПТИЧЕСКОМ И ТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНАХ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВОЛН ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ ВОДОРОДО-КИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ В ОПТИЧЕСКОМ И ТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНАХ»

УДК 533.2

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВОЛН ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ ВОДОРОДО-КИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ В ОПТИЧЕСКОМ И ТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНАХ

© 2015 г. А. А. Васильев1, 4, Е. И. Пальчиков1, 4, В. В. Кубарев2, 4, Е. Н. Чесноков3, П. В. Кошляков3, А. В. Долгих1, 4, И. Ю. Красников1,4

E-mail: palchikov@hydro.nsc.ru; palchicov@academ.org

В работе применены новые методики регистрации пламени с использованием терагерцевого излучения Новосибирского лазера на свободных электронах (НЛСЭ), позволяющие исследовать кинетику нестационарных волн горения и детонации в газовых смесях. Приводятся схемы экспериментов и результаты по регистрации распространяющегося фронта горения водородно-кислородной смеси. Проведены эксперименты в диапазоне с длинами волн от 115 до 200 мкм. Исследования проводились на линиях поглощения воды и радикала OH, а также при отстройке от этих линий. Одновременно регистрация велась в оптическом диапазоне длин волн от 0.4 до 0.9 мкм. Исследованы волны горения стехиометрической смеси 2H2 + O2 при начальном атмосферном давлении в канале диаметром 40 мм, измеренные скорости волн горения лежат в диапазоне от 10 до 1500 м • с-1.

DOI: 10.7868/S0367676515010354

МОТИВАЦИЯ

Совместная система уравнений газодинамики и химической кинетики, описывающая распространение волн в химически активных средах, неустойчива. Реализуемые волны горения и детонации и их структуры являются существенно неодномерными [1].

Пространственная неоднородность фронта значительно усложняет корректные исследования кинетики химических реакций в условиях движущихся волн горения и детонации и поиск ответа на вопросы: каков контур зоны реакции в такой структуре; какие концентрации и каких веществ существуют в различных областях зоны реакции и на разных стадиях процесса? Знание детальной динамики химических процессов в волнах горения и детонации позволяет создавать более качественные модели для их описания и точнее моделировать (рассчитывать) нестационарные процессы перехода от дозвукового горения к детонации.

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики имени М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.

3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.

4 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет".

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Обычные оптические методы регистрации быст-ропротекающих процессов в газах ограничены длинами волн от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона [2—4]. Основные ограничения спектральных характеристик и быстродействия связаны с мощностью источника излучения, скоростью вращения зеркал, количеством каналов ЭОП, ПЗС, и других элементов системы. Расширение спектрального диапазона открывает новые возможные постановки и проведения экспериментальных исследований.

В данной работе сделана попытка преодоления существующих трудностей в регистрации детальной динамики реакций за фронтом дозвукового пламени в водородно-кислородной газовой смеси с помощью НЛСЭ [5].

В терагерцовом диапазоне длин волн от 115 до 200 микрон находятся большое число линий поглощения полярных молекул воды и радикалов ОН. Большинство исходных компонентов смеси могут быть неполярными молекулами и являются прозрачными (например О2, Н2).

Лазер на свободных электронах, имеет рекордную мощность и может быть настроен на любую из линий поглощения излучения в данном диапазоне, что позволяет раздельно, по компонентам реакции исследовать кинетику волн горения и детонации в газовых смесях.

Таким образом, с помощью лазера в терагерце-вом диапазоне могут быть созданы уникальные методики измерения.

Осциллограф

Рис. 1. Схема динамического эксперимента с детектором на диоде Шоттки.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ С РАСПРОСТРАНЯЮЩИМСЯ ПЛАМЕНЕМ

Для скоростной съемки детонационных процессов идеальной регистрирующей системой была бы быстрая терагерцевая видеокамера. Однако в настоящее время созданы только медленные те-рагерцевые камеры с частотой кадров до 50 Гц [6].

Выбор одноканальных терагерцевых быстрых детекторов, работающих при комнатной температуре, тоже невелик — это либо пироэлектрические детекторы, либо детекторы на диодах с барьером Шоттки. При использовании пироэлектрических детекторов в наших измерениях требуется дополнительная обработка сигналов из-за того, что исходные терагерцевые сигналы содержат как высокочастотные, так и низкочастотные гармоники, которые искажаются детектором этого типа.

Поэтому мы выбрали для этих измерений быстродействующий терагерцевый детектор на основе диода с барьером Шоттки [7], который показывает сигнал мощности без искажений. Быстродействие детектора позволяло разрешать отдельные импульсы НЛСЭ, следующие с частотой 5.6 МГц и, соответственно, использовать синхронное детектирование по этим импульсам. Постоянная времени интегрирования при синхроде-тектировании составляла 0.2 мс.

Одновременно с терагерцевым сигналом регистрировалась оптическая вспышка в диапазоне длин волн X = 0.4—0.9 мкм, для чего использовался кремниевый фотодиодный детектор.

На рис. 1 показана схема проведения динамических экспериментов с распространяющимся пламенем.

В эксперименте использовался герметичный дюралюминиевый цилиндрический канал диаметром 40 мм и длиной 1 м (рис. 2), закрытый с одного конца разрушаемой мембраной, который заполнялся из электролизера стехиометрической смесью 2Н2 + 02 через осушитель. Заполнение через входное и дренажное отверстия происходило при атмосферном давлении с помощью перемещаемого поршня.

В канале имеется вставка с полипропиленовыми окнами, прозрачными для терагерцевого излучения и видимого света, что позволило рассматривать процессы, происходящие в трубе на расстоянии 300 или 700 мм от места поджига. Воспламенение смеси осуществлялось электрической искрой в верхней части сосуда. Система с подвижным поршнем полностью исключает попадание воздуха в объем при заполнении смесью. Конструкция канала позволяет осуществлять инициирование горения и детонации с различными граничными условиями (открытые или закрытые мембранами или пробками торцы трубы), при этом возможно формировать и исследовать как низкоскоростные процессы горения (ламинарное и турбулентное), так и ускоряющиеся пламена, вплоть до перехода горения в детонацию.

ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЛИНИИ ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЫ

На рис. 3 показан один из результатов серии экспериментов на линии поглощения Н20 при длине волны 130 мкм.

Из анализа осциллограммы ослабления терагер-цовего излучения (рис. 3) видно, что времени задержки ~1.9 мс между инициированием и приходом фронта волны горения к оптическому окну на расстоянии 0.3 м соответствует скорость ~160 м • с-1, что на порядок больше скорости горения водоро-до-кислородной смеси при атмосферном давлении (~10 м • с-1), и на порядок меньше скорости детонации (~2800 м • с-1). При этом максимум поглощения фиксируется через 30 мс. Это означает, что существуют структурные элементы волны горения, распространяющиеся со скоростью от 10 до 160 м • с-1, а продукты реакции остаются горячими и не успевают остыть за фронтом горения за времена порядка 30 мс.

На поглощение влияет не только концентрация паров воды, но и температура, которая меняется при горении смеси от 300 до 3800°К, причем имеется неоднозначная зависимость поглощения от температуры. Поэтому полученный результат требует дополнительного изучения и проведения исследований с параллельным привлечением других каналов регистрации, например, оптических датчиков и датчиков давления.

Более подробно о причинах выбора конкретных линий поглощения воды, на которых проводились эксперименты можно ознакомиться в [8-11].

ДИНАМИКА ФРОНТА ГОРЕНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ

Чтобы согласовать результаты терагерцевых опытов по динамическому поведению волн горения с физическими процессами в оптическом диапазоне, была исследована динамика фронта в прозрач-

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВОЛН ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ

1353

Дренаж Поршень 30 кВ

Поджиг

Оптическое окно

Полипропиленовая вставка

Подача

2Н2 + О2

Мембрана

Поворотное зеркало

Оптическое окно

Выхлоп

Канал подвода терагерцевого излучения

Поджиг (30 кВ)

Детектор

Подача 2Н2 + О2

Рис. 2. а — схема и внешний вид канала диаметром 40 мм и длиной 1 м, который заполнялся смесью 2Н2 + О2; б — положение трубы в установке в оптическом тракте на выходе терагерцового лазера.

ной трубе из полиметилпентена (ТРХ) с таким же диаметром (40 мм) и длиной 280 мм с наглухо закрытым торцом (с противоположного конца от места поджига, на рисунке 4 — вверху).

На кинограмме (рис. 4) можно выделить характерные стадии распространения пламени вдоль трубы: воспламенение смеси и развитие фронта горения, распространяющегося со скоростью 200 м • с-1; его остановка, турбулизация и возвратное движение вдоль трубы (0.6-1 мс) после прихода отраженной ударной волны от закрытого торца; переход горения в детонацию и свечение продуктов по всей длине трубы (1.2-1.4 мс), причем более яркая область сначала образуется в верхней части трубы и затем движется вниз, с последующим догоранием и остыванием продуктов детонации (1.6 мс и далее, за пределами снятой кинограммы).

ВЫБОР ЛИНИЙ РАДИКАЛА ОН ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛН ГОРЕНИЯ

В область перестройки НЛСЭ далеко от линий поглощения воды попадают две линии поглощения радикала ОН, лежащие на 163.37 мкм (61.21 см-1) и 119.34 мкм (83.79 см-1), положение которых было взято из базы данных [12] (рис. 5).

Нами была выбрана линия 119.3 мкм (83.8 см -1) как линия, расположенная в области минимального поглощения воды в относительно широкой области даже при высокой температуре.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФРОНТА ГОРЕНИЯ НА ЛСЭ

Осциллограф синхронизовался по напряжению поджига, подаваемому на искровой промежуток (нулевой момент времени на

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.

Показать целиком