ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2007, том 45, № 2, с. 296-315
ОБЗОР
УДК 536.46
ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ НА ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ВОДОРОД-КИСЛОРОДНЫХ СМЕСЕЙ
© 2007 г. Н. А. Попов
НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ, Москва NPopov@mics.msu.su Поступил в редакцию 06.06.2006 г.
При анализе воспламенения горючих смесей в сильно неравновесных условиях обсуждается роль различных радикалов и возбужденных частиц в сокращении периода индукции. В данной работе представлен обзор экспериментально-теоретических исследований по влиянию атомов водорода и кислорода, электронно-возбужденных молекул 02(я1Ая), колебательно-возбужденных молекул Н2 и 02 на времена индукции и смещение пределов воспламенения водород-кислородных смесей.
Добавление в горючую смесь атомов кислорода и водорода может приводить к существенному уменьшению времен индукции и снижению температурного порога воспламенения горючих смесей. Однако последнее проявляется только вблизи порога воспламенения. В зоне относительно низких начальных температур сдвиг порога воспламенения связан в основном с саморазогревом смеси за счет рекомбинации добавляемых атомарных частиц. Неравновесный характер воздействия при этом практически не проявляется.
Молекулы синглетного кислорода (СК) могут участвовать как в реакциях зарождения, так и в реакциях разветвления цепи. Скорости этих процессов существенно увеличиваются с ростом температуры смеси. Но с увеличением температуры возрастает и скорость реакции тушения синглетного кислорода 02(а1Ая) на молекулах водорода. Ускорение дезактивации 02(а1Ая) с ростом температуры, ранее исследователями не учитываемое, резко снижает эффективность влияния СК на времена индукции. В области низких температур, где тушение относительно слабое, влияние 02(а1Ая) на воспламенение Н2 : 02 смесей может быть значительным, если удастся обеспечить достаточно высокий (превышающий 10-2) уровень относительных концентраций СК.
Колебательно-возбужденные молекулы Н2(у) также могут участвовать в реакциях зарождения и разветвления цепи. Имеющиеся результаты позволяют предположить возможность снижения температурного порога воспламенения водород-кислородных смесей при интенсивной накачке колебательных степеней свободы молекул Н2(у). Однако в случае электроразрядного возбуждения (даже в Н2 : 02 смесях, где значительная доля энергии разряда может поступать в колебательную подсистему Н2(у)) добиться высоких уровней колебательного возбуждения (Т^2 > 2000 К) непросто. В стехиометрической смеси Н2 : воздух, когда большая часть энергии разряда расходуется на колебательное возбуждение молекул азота, эта задача становится еще более сложной. PACS: 82.33.Vx
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
1. Влияние атомов водорода и кислорода на воспламенение смесей Н2 : 02.
2. Влияние 02(а1Ая) на воспламенение и скорость волны горения водород-кислородных смесей.
3. Влияние колебательного возбуждения исходных реагентов на времена индукции Н2 : 02 смесей.
4. Приложение. Описание модели и результаты тестовых расчетов.
4.1. Расчеты периода индукции водород-кислородных смесей.
4.2. Расчеты временной динамики основных компонент Н2 : 02 смеси. Заключение.
Список литературы.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время активно обсуждается проблема интенсификации воспламенения горючих смесей, что объясняется возможностью использования полученных результатов как в двигате-лестроении, так и в различных плазмохимических системах. Сейчас в большинстве практически интересных случаев поджиг топливных смесей осуществляется путем повышения температуры до значений, превышающих температурный предел воспламенения. Влияние дополнительного неравновесного возбуждения может приводить: 1) к сокращению периода индукции горючей смеси; 2) к снижению температурного предела воспламенения Т* , т.е. зажиганию смеси при начальных температурах, меньших Т* . Влияние неравновесного возбуждения может быть признано существенным, если температура воспламенения уменьшается на величину, заметно превышающую нагрев газа в результате релаксации энергии возбуждения.
Известно несколько способов неравновесного инициирования процессов горения в газовых потоках. В [1, 2] сообщалось о существенном увеличении скорости волны горения путем прямой ин-жекции в газовую смесь плазмы дугового DC-раз-ряда. Кроме того, исследуются возможности инициирования горения импульсным сильноточным DC-разрядом [3-8], ВЧ- и СВЧ-разрядами [9-13], а также с помощью электронных пучков [14, 15]. Обзор основных работ по электроразрядному воспламенению горючих смесей и стабилизации горения представлен в [3].
Многие из рассматриваемых в настоящий момент электроразрядных систем являются пространственно неоднородными [3] и предназначены для инициирования воспламенения высокоскоростных потоков горючей смеси [6]. В случае пространственной неоднородности разряда поджиг смеси происходит в первую очередь в системе плазменных каналов, т.е. реализуется вариант так называемого "многоточечного" инициирования горения. Формирующиеся в результате волны горения перекрывают затем весь разрядный промежуток. Существенному ускорению волн горения должна способствовать и турбулизация исследуемых потоков горючей смеси.
Анализ кинетических процессов, которые инициируются электрическими разрядами и оказывают воздействие на воспламенение горючих смесей, достаточно сложен, поскольку в результате действия разряда происходит возбуждение различных степеней свободы молекул смеси. По этой же причине оказывается затруднен и сравнительный анализ различных электроразрядных систем. В зависимости от величины приведенного электрического поля Е/Ы, которое реализуется в используемых разрядах, происходит преимущественная нара-
ботка разных видов химически активных частиц. При высоких Е/Ы значительная часть энергии разряда поступает на ионизацию и диссоциацию молекул смеси [16, 17]. В относительно низких полях происходит эффективное возбуждение электронных состояний 02(о1Ая), 02(Ь ) [18, 19] и колебательных степеней свободы молекул [16, 17].
Таким образом, в первую очередь следует, по-видимому, проанализировать влияние различных химически активных частиц на характеристики процесса воспламенения. Только после этого можно будет выделить набор частиц и соотношений между ними, которые оптимальным образом влияют на воспламенение. Лишь затем возможна постановка вопроса об определении характеристик электрических разрядов, позволяющих нарабатывать нужные химически активные частицы в оптимальных соотношениях.
В первой части обзора обсуждаются результаты экспериментально-теоретических исследований влияния атомов водорода и кислорода на времена индукции и смещение пределов воспламенения Н2 : 02 смесей. Как уже отмечалось, воздействие электрических разрядов сводится не только к наработке атомарных частиц и радикалов. Значительная часть энергии разряда может затрачиваться на электронное возбуждение молекул синглетно-
го кислорода 02(ахАя), 02(Ь ) и колебательное возбуждение Н2 и 02. Влияние этого возбуждения на характеристики процесса воспламенения рассматривается в разделах 2 и 3 соответственно.
Для более полного анализа результатов экспериментальных и теоретических работ в ряде случаев проведено сравнение соответствующих данных с результатами расчетов по разработанной нами модели горения водород-кислородных смесей. Описание этой модели, а также результаты тестовых расчетов и их обсуждение вынесены в Приложение.
РАЗДЕЛ 1. ВЛИЯНИЕ
АТОМОВ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА НА ВОСПЛАМЕНЕНИЕ СМЕСЕЙ Н2 : 02
В настоящее время имеется ряд работ, в которых исследуется влияние добавок химически активных радикалов на сдвиг температурных пределов воспламенения [20-26] и времена индукции [14, 15, 27-29] в водородсодержащих и углеводородных смесях. В этих исследованиях для получения начальной концентрации химически активных частиц использовались УФ-излучение, электрический разряд, электронный пучок и др.
В монографии [20] приведен обзор экспериментальных результатов, полученных в 30-40-х годах, по влиянию атомов водорода и кислорода, а также различных добавок (N0*, NHз и др.) на
Длина цепи 14 12 10 8 6 4 2 0
Предел воспламенения
600
620
640
660
680
700 т, К
Рис. 1. Зависимость от начальной температуры газа длины цепи в смеси Н : 02 = 2 : 1 при Р = 20 Тор и токе разряда I = 150 мА: точки - эксперимент [21], кривая - расчет, штриховая прямая - температурный предел автовоспламенения для условий [21].
сдвиг пределов воспламенения горючих смесей. В частности, подробно описаны исследования по влиянию продуктов фотолиза на воспламенение Н2 : 02 смесей. Отмечается возможность существенного увеличения длины цепных химических реакций в результате воздействия УФ-излучения на эти смеси.
В работе [21] были проведены исследования влияния УФ-фотолиза на температуру воспламенения стехиометрической водород-кислородной смеси при давлении Р = 2-30 Тор. Эксперименты проводились в кварцевой трубке диаметром 2.7 см, стенки которой были обработаны плавиковой кислотой. Источником излучения служил DC-раз-ряд в водороде, а интенсивность излучения регулировалась изменением тока разряда I = 0.1-1 А. С помощью кварцевой мембраны выделялась область спектра X < 175 нм, соответствующая континууму Шумана-Рунге поглощения кислорода.
Была показана возможность некоторого снижения температурного порога воспламенения Н2 : 02 смесей АТг. Так, при Р = 20 Тор максимальное значение АТ^ составило 27 К при токе излучающего разряда 1 А. Интенсивность источника УФ-излучения в области X < 175 нм определялась по количеству молекул воды, образующихся в результате фотолиза Н2 : 02 смесей при комнатной температуре. Предполагалось, что при поглощении каждого кванта излучения образуются два атома кислорода, которые со временем конвертируют в Н20.
В [21] также исследовалась эффективность протекания цепных химических реакций в зависимости от начальной температуры газа. Эта эффективность характеризуется длиной цепи ф, которая определялась как отношение скорости на-
работки молекул воды при данной температуре газа к скорости наработки при Т0 = 300 К:
ф = йН2{^2° ]
^ V & )т
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.