ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2011, том 49, № 2, с. 163-176
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СВЧ-РАЗРЯДА НА ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПРОПАН-ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ
© 2011 г. В. М. Шибков, Л. В. Шибкова, В. Г. Громов, А. А. Карачев, Р. С. Константиновский
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет
Поступила в редакцию 15.07.2009 г.
Экспериментально исследовано воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда. Показано, что воспламеняются как богатые, так и бедные смеси, при этом интенсивность горения максимальна для стехиометри-ческой смеси. Экспериментально получена зависимость времени воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока от приведенного электрического поля Е/п в условиях неравновесной газоразрядной плазмы. Показано, что период индукции уменьшается от 1 мс до 5 мкс с увеличением Е/п от 40 до 200 Тд. Скорость распространения передней границы области горения, зависящая от эквивалентного отношения смеси и подводимой СВЧ-мощности, максимальна в стехио-метрической смеси и достигает 160 м/с при Е/п = 150 Тд. Температура горения в этих условиях порядка 3000 К.
ВВЕДЕНИЕ
В научной литературе уже в течение нескольких десятилетий обсуждается вопрос о возможных способах эффективного управления процессами горения с помощью различных физических воздействий. Так, еще Н.Н. Семенов в [1, 2] исследовал расширение границ воспламенения во-дородно-кислородной смеси под действием коротковолнового излучения или примеси атомов кислорода. 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. Ежегодно по этому направлению проводятся международные конференции (The International Workshops on Weakly Ionized Gases. American Institute of Aeronautics and Astronautics, USA, Colorado — 1997; Norfolk - 1998, 1999, Anaheim - 2001, Reno -2002 - 2008, Orlando - 2009. The International Workshops on Magneto- and Plasma Aerodynamics for Aerospace Applications. High Temperature Institute of RAS, Russia, Moscow, 1999; 2000, 2001, 2002, 2003, 2005, 2007, 2009. The International Workshops "Thermochemical and Plasma Processes in Aerodynamics". Hypersonic Systems Research Institute, LENINETZ Holding Company, Russia, Saint-Petersburg, 2003, 2004, 2006, 2008). В условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы появляется возможность генерации активных частиц в результате диссоциации молекул электронным уда-
ром, 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. Методы управления горением воздушно-углеводородных потоков, основанные на генерации электрических разрядов, представляются в настоящее время наиболее перспективными [3—34].
Разнообразие типов электрических разрядов позволяет в широких пределах менять соотношение между вкладами различных механизмов. Применение комбинированных разрядов различного типа может обеспечить необходимую скорость и интенсивность горения. Изучение процесса воспламенения и горения углеводородных смесей в условиях низкотемпературной плазмы имеет большое значение как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, так и анализа ряда прикладных аспектов. Одной из практических проблем является разработка физических принципов прямоточного реактивного двигателя. Для уменьшения его продольного размера необходимо обеспечить быстрое объемное сгорание углеводородного топлива в условиях высокоскоростных потоков, а для этого максимально сократить период индукции.
В работах [3—7] для воспламенения используется высоковольтный наносекундный разряд, развивающийся в виде высокоскоростной волны ионизации и создающий сильно возбужденную плазму в разрядном промежутке на характерных временных масштабах в десятки наносекунд. Данный тип разряда обладает большой скоростью распространения и обеспечивает объемное воспламенение неподвижных горючих смесей. В [3— 5] проведено систематическое исследование сдвига воспламенения и инициирования горения при одновременном воздействии на газ ударной волны и импульсного неравновесного разряда. Оценивается относительный вклад термического и неравновесного возбуждения газа. Показано, что в неравновесном разряде происходит электронное возбуждение компонентов газа, приводящее к образованию активных частиц и последующему ускорению процессов, определяющих скорость горения и распространения пламени. В [6, 7] исследуется возможность использования высоковольтного наносекундного разряда, создаваемого в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения импульсов до 50 кГц, для воспламенения дозвуковых воздушно-углеводородных потоков. Экспериментально показано, что с увеличением скорости дозвукового потока эффективность горения резко падает, в то же время при скорости потока больше 70 м/с воспламенения не происходит. Применение застойной зоны в виде прямоугольной каверны, куда вводилось дополнительное количество горючего, повышает эффективность горения, однако пламя из каверны стационарно не выходит в основной поток, а процесс горения в канале происходит отдельными вспышками. В работах [8—10] изучается плазменно-стимулированное горение в до- и сверхзвуковых пропан-воздушных потоках. Рассматриваются проблемы, связанные с использованием газового разряда для перемешивания топлива с высокоскоростным потоком воздуха. Продемонстрирован эффект воспламенения неперемешан-ного топлива при низкой температуре газа с помощью неоднородного многоэлектродного разряда. На основе численного моделирования изучено влияние химически активных частиц, нарабатываемых в условиях плазмы самостоятельного разряда, на воспламенение углеводородного топлива. В [11, 12] рассмотрены возможности применения микроволнового факельного разряда для воспламенения и стабилизации горения воздушно-углеводородных дозвуковых потоков. Воспламенение пропан-воздушного потока в условиях подкрити-ческого СВЧ-разряда, возбуждаемого с помощью различного типа инициаторов, исследуется в [13, 14]. Кроме того, широко обсуждается в литературе влияние различных активных частиц на механизм воспламенения.
Даже этот краткий обзор литературы показывает, что существует множество способов, которые интенсифицируют цепной механизм горения углеводородов. Однако до настоящего времени кинетика воспламенения углеводородного топлива в условиях низкотемпературной плазмы газового разряда, существующей при высоких значениях приведенного электрического поля, остается не до конца выясненной. Поэтому для более глубокого понимания физико-химических процессов, протекающих при инициировании воспламенения газообразного горючего с помощью низкотемпературной плазмы, необходимо наряду с математическим моделированием проводить экспериментальные исследования влияния газового разряда на инициирование горения.
Для этой цели применяются различные типы электродных и безэлектродных, объемных и поверхностных, несамостоятельных и самостоятельных разрядов. Исследуются свойства электродных разрядов постоянного тока, высоковольтных и низковольтных импульсных поперечных и продольных электродных разрядов, высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядов, скользящих, барьерных и поверхностных разрядов, создаваемых в сверхзвуковом потоке. Электродные разряды постоянного тока, а также импульсно-периодические и высокочастотные разряды в сверхзвуковом потоке воздуха приводят к сильной эрозии электродов и поверхности модели и надежно не воспроизводятся в различных экспериментах. Возникла задача поиска оптимальных способов создания неравновесной плазмы в сверхзвуковом потоке газа.
В нашей лаборатории для целей плазменной аэродинамики была предложена новая разновидность сверхвысокочастотного разряда, а именно, микроволновый разряд, который создается поверхностной волной на диэлектрическом теле, обтекаемом сверхзвуковым потоком воздуха [15— 18]. Известно, что при создании СВЧ-разряда внутри заполненной газом трубки с диэлектрическими стенками подводимая к системе электромагнитная энергия трансформируется в поверхностную волну. При этом возникает самосогласованная система, когда для существования поверхностной волны необходима плазменная среда, создаваемая самой поверхностной волной. Волна распространяется в пространстве до тех пор, пока ее энергия достаточна для создания плазмы с концентрацией электронов не меньше, чем критическая концентрация пес = т(ю2 + v2)/(4яe2), где е и т — заряд и масса электрона, ю - круговая частота поля, V - частота столкновений электронов с нейтральными молекулами газа. За границу области пространства, где концентрация электронов уменьшается до значения пес, поверхностная волна не проникает и поверхностный разряд в этих местах не существует. Этот способ достаточно по-
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 — вакуумная камера, 2 — система синхронизации, 3 — магнетрон, 4 — направленный ответвитель, 5 — вакуумные насосы, 6 — нагрузка, 7 — кристаллический детектор, 8 — волновод, 9 — диэлектрическая антенна, 10 — сопло Лаваля, 11 — электромеханический клапан, 12 — ресивер высокого давления воздуха, 13 — ресивер высокого давления пропана, 14 — баллон с пропаном; 15 — вентили, 16 — блок зондовых измерений, 17 — источник питания, 18 — компьютер, 19 — цифровой спектрограф, 20 — видео- и фотоцифровые камеры, 21 — импульсный источник питания, 22 — импульсная лампа вспышки, 23 — линза, 24 — входная диафрагма, 25 — длиннофокусный объектив, 26 — длиннофокусная собирающая линза, 27 — выходная диафрагма, 28 — цифро
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.