научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОНФИГУРАЦИИ КОРОННОГО РАЗРЯДА НА ПРОЦЕСС ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОНФИГУРАЦИИ КОРОННОГО РАЗРЯДА НА ПРОЦЕСС ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2008, том 27, № 12, с. 33-39

ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ

УДК 533.9

ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОНФИГУРАЦИИ КОРОННОГО РАЗРЯДА НА ПРОЦЕСС ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ

В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

© 2008 г. Г. М. Коновалов1, Д. Д. Медведев1, С. Ä. Зайцев1, И. Ä. Заев1, И. Ä. Кириллов1, Ä. Ä. Борисов2, Д. Ä. Сапунов1, Р. В. Смирнов1, В. К. Животов1, С. В. Коробцев1,

М. Ф. Кротов1, Б. В. Потапкин1

Российский научный центр "Курчатовский институт" Институт водородной энергетики и плазменных технологий, Москва 2Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук, Москва

E-mail: mioga@list.ru Поступила в редакцию 26.03.2008

Исследовано влияние пространственной конфигурации плазмы коронного разряда на процессы инициирования детонации в ударной трубе. Сняты зависимости скорости распространения волны реакции горения смесей (пропан-бутан)-кислород-азот при различных стехиометрических соотношениях от величины добавки азота. Определена оптимальная конфигурация электродов. Разработана модель процесса и проведено сравнение полученных экспериментальных данных с расчетными. Установлено, что эффект от импульсного коронного разряда сводится к созданию локальных перегретых точек.

ВВЕДЕНИЕ

Среди вопросов, связанных с горением углеводородных смесей, переход горения в детонацию представляется одним из наиболее интересных и практически важных. К сожалению, процесс перехода зависит от многих факторов, поэтому теоретических подходов, позволяющих заранее предсказать его количественные характеристики при заданных начальных условиях, фактически не существует до сих пор.

Одним из приложений, использующих быстрое горение и переходные процессы, является создание новых типов двигателей. Существует и разрабатывается ряд двигателей, функционирование которых зависит от большого по сравнению со временем протекания реакции горения времени индукции: компрессионный двигатель, сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, пульсирующий детонационный двигатель и др. [1-3]. Однако одним из наиболее существенных факторов, сдерживающих их применение, является то, что прямое инициирование детонации в топливо-воздушных смесях требует импульсных источников энергии, мощность которых слишком высока для практических устройств. Основные усилия исследователей в настоящее время сосредоточены на разработке подходов к сокращению преддетонационных расстояний, суть которых сводится к интенсификации турбулентности в ходе распространения пламени (за счет препятствий, организации струйного истечения) или фокуси-

ровке ударных волн. В других подходах использовалось повышение реакционной способности смеси либо добавкой небольших количеств легко реагирующих веществ, либо предварительной обработкой смеси с целью получения в ней достаточно высокой концентрации промежуточных продуктов, которые способствуют уменьшению времени индукции воспламенения, более быстрому развитию цепной реакции и возникновению детонационного режима горения [4-7].

Данная работа является продолжением работы авторов [8], в которой идея предварительной подготовки смеси реализуется с помощью импульсного коронного разряда, организуемого в определенной части смеси. Используется комбинация двух стадий зажигания горючей смеси: коронного разряда и искры. В этом случае на первой стадии достигается эффективная модификация горючей смеси коронным разрядом и затем на второй стадии происходит зажигание этой модифицированной смеси обычным искровым способом. Система зажигания на базе коронного разряда включает обе эти стадии с регулируемым вложением энергии в каждой из них.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследования влияния импульсного коронного разряда на детонационные процессы была разработана и изготовлена ударная труба (рис. 1). Ударная труба представляет собой две цилиндрические секции внутренним диаметром 70 мм -

1 2

Рис. 1. Ударная труба: 1 - разрядная секция, 2 - детонационная секция, 3 - электроды, 4 - фотодатчики.

разрядную 1 и детонационную 2. Внутренний диаметр трубы выбран из соображений удобства при установке блока электродов. Кроме того, как показывают многочисленные экспериментальные результаты, предельные условия для инициирования и распространения детонации в трубах слабо зависят от их диаметра, если его величина превышает 50-70 мм. Толщина стенки составляет 2 мм, что по оценкам дает приблизительно 5-кратный запас прочности в случае детонации в трубе при начальном атмосферном давлении.

Длина разрядной секции трубы составляет 450 мм. Длина детонационной секции была выбрана равной 2000 мм, что является максимальной величиной для длины камеры сгорания подавляющего большинства практических устройств.

Для диагностики процессов в конструкции трубы предусмотрены фотодатчики 4, воспринимающие свет из сечений трубы шириной 10 мм. Датчики располагались вдоль оси трубы на расстояниях 35, 205, 1020, 1125, 1450, 1550, 1875, 1975, 2350 и 2460 мм от начала трубы, т.е. от фланца с электродной системой.

Для реализации коронного разряда и искры были разработаны и изготовлены импульсный источник питания высокого напряжения и электродная система коронного разряда цилиндрической геометрии 3. Вдоль оси трубы установлен заземленный нержавеющий стержень диаметром 5 мм и варьируемой в пределах от 100 до 300 мм длиной. Высоковольтная часть электродной системы состоит из нескольких стержней из нержавеющей стали (параллельных оси трубы), которые установлены в середине зазора между центральным заземленным стержнем и заземленной стенкой трубы. На высоковольтных стержнях, на одинаковых расстояниях друг от друга, установлены шайбы. Коронный разряд возникает в зазоре между шайбами и заземленными элементами -центральным стержнем и стенкой трубы. В разрядном промежутке электродной системы специально сделан регулируемый зауженный зазор вблизи торца разрядной камеры для стимулирования образования искры после коронного разряда. Конструкция системы электродов позволяет

менять количество и длину высоковольтных стержней, размер и количество шайб на них и расстояние между шайбами.

Конструкция источника питания подробно описана в [8]. Отметим, что в данной системе суммарный энерговклад составлял 500 мДж, а соотношение между энергиями, вложенными в коронный разряд и в искру, равнялось 1:1.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Эксперимент проводился следующим образом. Сначала детонационная труба заполнялась рабочей смесью. Компонентами смеси являлись кислород, азот и углеводородное топливо. В качестве топлива в экспериментах использовались метан и пропан-бутановая смесь (метан - 0.2%, этан - 0.7%, пропан - 79.5%, бутан - 19.6%. Здесь и далее концентрации компонентов газовых смесей указаны в об. %). Компоненты смеси через калиброванные ротаметры и систему дросселей подавались через смеситель в подводящий трубопровод. С помощью ротаметров устанавливалось необходимое соотношение между компонентами. Затем смесь продувалась через детонационную трубу. Продолжительность продува определялась временем прокачки через трубу порядка десяти ее объемов. Это позволяло утверждать, что труба равномерно заполнена рабочим газом. Затем напускной и выходной краны на трубе закрывались и выдерживался небольшой (порядка 0.5-1 мин) промежуток времени для затухания движения газа, связанного с втекающим в объем трубы потоком.

Далее производился разряд. Возникающий импульс тока через трансформаторную развязку подавался также в качестве сигнала запуска на осциллографы, работающие в однократном запоминающем режиме. На входы осциллографов поступали показания датчиков, фиксировавших излучение света или давление в плоскости, расположенной перпендикулярно центральной оси трубы напротив соответствующих диагностических вводов.

В экспериментах основными определяемыми величинами являлись средняя скорость распространения фронта реакции и время выхода реакции. Под временем выхода в данной работе понимается время, прошедшее с момента подачи напряжения на электроды до прихода сигнала на датчик, расположенный на расстояние 205 мм от начала трубы. Обе эти величины рассчитывали по записям сигналов с оптических датчиков и датчиков давления.

Скорость волны определялась по сигналам с оптических датчиков, установленных равномерно по всей длине трубы. Одновременно можно было регистрировать до 6 сигналов. В процессе

х, м

влияние пространственной конфигурации

V, м/с

2500 2000 1500 1000 500

35

2 3 4 5 6 7

8 9 г, мс

60 70

Ы2, об. %

Рис. 2. х-Г-Диаграммы распространения фронта реакции для различных режимов: 1 - режим детонации; 2, 3 - переходные режимы; 4 - режим горения. Использовалась стехиометрическая смесь (пропан-бу-тан)-кислород с разными добавками азота: 1 - 10, 2 - 40, 3 - 50, 4 - 60 об. % %

Рис. 3. Сравнение средней скорости распространения фронта реакции в случае искрового (1) и комбинированного (2) инициирования. Коэффициент избытка топлива равен 1.1. Кривая 3 соответствует расчетной скорости детонации Чепмена-Жуге для данной смеси.

0

1

экспериментов можно было варьировать соотношение компонентов в горючей смеси и регулировать тип разряда (только искра, коронный разряд с искрой) и конфигурацию коронирующих электродов. В случае только искры ее энергия составляла 500 мДж. При использовании коронного разряда без искры горючая смесь не воспламенялась.

На рис. 2 приведены характерные х-Г-диаграм-мы, полученные с датчиков, для различных режимов. Из х-Г-диаграмм можно понять, в каком режиме распространялось пламя - в режиме горения или детонации.

Мгновенную скорость распространения фронта реакции можно определить из х-Г-диаграммы по наклону кривой.

Записи свечения позволяют судить также, на каком из датчиков процесс распространяется в детонационном режиме (см. [8]). Время задержки (время индукции) реакции определялось как промежуток времени, прошедший с момента подачи напряжения на электроды до момента максимальной скорости нарастания сигнала на первом датчике, расположенном на расстоянии 35 мм от места возникновения поджигающей искры.

На рис. 3 представлена зависимость средней скорости распространения фронта реакции от величины доба

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