CC BY
84
Том ХЬЇЇЇ
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2012
№ 3
УДК 533.6.071.082:532.526
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ В РЕЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ЗОНЕ ЗА ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫМ МОДУЛЕМ
Б. Г. ЕФИМОВ, В. В. ИВАНОВ, С. И. ИНШАКОВ, А. М. КЛИМОВ, Б. В. ЛАРИН,
А. Ф. РОЖКОВ, И. Н. САМОЙЛОВ, В. В. СКВОРЦОВ, А. А. УСПЕНСКИЙ
Приведены результаты исследований нестационарной структуры течения в рециркуляционной зоне за электроразрядным модулем пилотного пламени в сверхзвуковом потоке при числе М = 2 и статическом давлении ~ 3.47 • 104 Па, полученные с помощью аппаратуры для скоростных измерений. Модуль представлял собой комбинацию скошенного навстречу потока полого экрана, устанавливаемого, например, на стенке камеры сгорания, под который подается топливо, и системы электродов для создания разряда в задней рециркуляционной зоне. С помощью скоростной камеры проведены сравнительные исследования горения разряда в данной зоне при подаче в модуль пропана и керосина. По результатам экспериментов, выполненных для керосина при различных временах экспозиции кадров, оценено время развития плазмохимических процессов в рециркуляционной зоне. По длине треков капель керосина и времени экспозиции кадров оценена скорость движения капель в этой зоне. Для керосина получены данные о распределении интенсивности излучения продуктов плазмохимических реакций в рециркуляционной зоне и изменении этой интенсивности во времени.
ЕФИМОВ Борис Гаврилович
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЦАГИ
РОЖКОВ Александр Федорович
инженер ЦАГИ
ИВАНОВ Владимир Владимирович
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЦАГИ
ИНШАКОВ Сергей Иванович
кандидат технических наук, начальник сектора ЦАГИ
САМОЙЛОВ Иван Николаевич
заместитель начальника отделения ЦАГИ
КЛИМОВ Александр Михайлович
кандидат физикоматематических наук, старший научный сотрудник ИПХФ РАН
ЛАРИН Борис Васильевич
ведущий инженер ЦАГИ
СКВОРЦОВ Владимир Владимирович
доктор технических наук, старший научный сотрудник, начальник сектора ЦАГИ
УСПЕНСКИЙ Александр Александрович
ведущий инженер ЦАГИ
Ключевые слова: сверхзвуковое течение, воспламенение, стабилизация горения, керосин, пропан, неравновесный разряд, рециркуляционная зона, плазмохимические реакции, эмиссионная спектроскопия, нестационарные течения, регистрация быстропротекающих процессов.
Современные задачи физики и химии горения в области воздушно-реактивной техники диктуют необходимость перехода в исследованиях и разработках преимущественно с эмпирического на детальный физический уровень. Основа такого подхода состоит в сочетании физической теории, численного моделирования и лазерно-оптических методов. Применение оптических методов к турбулентным процессам с характерной для них множественностью масштабов длины и времени как поля скорости, так и скалярных полей должно быть увязано с тонкими физическими явлениями реагирующих течений. Особые требования предъявляются к газодинамическим экспериментам, моделирующим условия, близкие к натурным, и, ввиду этого, имеющим ограниченный оптический доступ. Цель выполненной работы состояла в отработке методики совместных исследований нестационарных газодинамической и плазмохимической структур течения и получении конкретных данных об их пространственных и временных особенностях для модуля, предложенного Институтом проблем химической физики РАН, с использованием современных скоростных кинокамер и быстродействующего эмиссионного спектрометра. Эти эксперименты создают задел для внедрения в дальнейшем данных методик на установке Т-131.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗРЯДА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Эксперименты проводились при числе Маха основного потока, равном двум, статическом давлении ~ 3.47 • 104 Па (260 Тор) в аэродинамической трубе Т-42М ЦАГИ, рабочая часть которой имеет прямоугольное поперечное сечение размером 120 х 120 мм и длину 400 мм. Фотография модели показана на рис. 1, а. Вариант реализации модуля, в котором сочетаются традиционный метод интенсификации горения с помощью отрывной зоны и неравновесный разряд, был предложен А. М. Климовым (ИПХФ РАН) [1].
В предложенном модуле для интенсификации плазмохимических процессов в подаваемом в него топливе используется разряд, в котором, в отличие от обычной электрической дуги, где температура электронов Те близка к температуре тяжелых компонент, величина Те находится на уровне 11 000 — 14 000 К и значительно превышает температуру нейтрального газа (~ 1000 К). Электроны высоких энергий переводят молекулы газа в высоковозбужденные состояния, что приводит к интенсификации плазмохимических процессов.
Рис. 1. Фотография модуля в рабочей части аэродинамической трубы (а) и размещения камеры «Видео Спринт»
около окна рабочей части (б):
1 — пластина; 2 — экран; 3 — электрод
Краткий перечень научных центров России, в которых в 1997 — 1998 гг. были начаты и продолжаются исследования возможности применения неравновесных разрядов для воспламенения и стабилизации горения различных видов углеводородного топлива в аэрогазодинамических приложениях можно найти в [2].
Наибольшими значениями средней энергии обладают электроны в т. н. наносекундных, СВЧ и высокочастотных разрядах. Поэтому с точки зрения наиболее эффективного использования электронов эти разряды предпочтительнее в реализации механизмов неравновесного поджига топлива. Однако по технологическим причинам в силу особенностей методик создания таких разрядов они трудно совместимы с реальными камерами сгорания. С технологической точки зрения представляется перспективным использование в камерах сгорания при средних давлениях неравновесных электродных разрядов в различных вариантах их реализации. В частности, они создаются с помощью источников импульсно-периодического напряжения. К ним относятся разряды, являющиеся проводниками переменного тока при синусоидальном напряжении источников питания, а также продольные по потоку разряды и разряды, в которых продольная ветвь переходит в ветвь, пересекающую поток (продольно-поперечные разряды).
Именно последний тип разрядов использовался в проведенных в настоящей работе экспериментах. Основные особенности таких разрядов были исследованы впервые В. И. Алферовым и его коллегами [3 — 5]. Применительно к конкретным условиям результаты аналогичных исследований опубликованы в [6]. Одной из характерных визуально наблюдаемых черт таких разрядов является то, что после пробоя межэлектродного промежутка возникают отходящие от анода и катода каналы разряда, которые начинают сноситься высокоскоростным потоком на большое расстояние вниз по течению. Длина этих каналов зависит от величины статического давления в потоке, напряжения между электродами, величины протекающего тока и ряда других факторов. Диаметр канала составляет 5 — 6 мм. Такие разряды являются нестационарными: по мере удлинения каналов растет их электрическое сопротивление, в результате которого величина тока снижается в пределе вплоть до нулевого значения. После этого напряжение возрастает до пробойного значения и процесс повторяется. В конце зоны распространения ветви разряда замыкаются нестационарной системой токовых шнуров. Изменяя геометрию электродов, можно реализовать только один канал разряда (например, прианодный), а около другого электрода разряд будет реализоваться нестационарной заполняющей значительный объем системой привязок к электроду. Именно такой вариант разряда был использован в исследуемом модуле.
Модуль представлял собой пластину из стали размером 60 х 120 мм с острой передней кромкой с установленным на ней в ее передней части экраном, выполненным в виде усеченного пустотелого скошенного полуцилиндра из кварцевого стекла с наклоном образующей поверхности к пластине ~ 16°. Длина экрана 50 мм, высота — 14 мм.
Конструкция пластины, в которой обеспечивалась подача топлива к поверхности через ряд инжекторов, разработана В. В. Ивановым. В данном случае струя топлива впрыскивалась через один из инжекторов под экран, затем происходило ее взаимодействие (перемешивание) с потоком воздуха, поступавшим через щель в передней части экрана. Расход воздуха через щель был равен примерно 5 г/с. Затем возникавшая смесь попадала в донную область за экраном. Горение в донной области инициировалось и поддерживалось с помощью электрического разряда, питаемого от источника постоянного напряжения. Разряд зажигался между электродом из латуни, концевой участок которого был ориентирован вдоль потока и расположен над верхней кромкой донного среза экрана с зазором 3 — 4 мм, пояском из латуни, охватывающим поверхность экрана у донного среза, и пластиной. Поясок был механически соединен с пластиной и находился с ней под одним потенциалом. Расход топлива (керосина или пропана) был равен ~ 1 г/с. Постоянная составляющая тока разряда поддерживалась равной 1 А. Напряжение на разряде при подаче топлива составляло 1.8 — 1.9 кВ.
Для исследования изменяющейся во времени структуры течения была применена камера скоростной съемки «Видео Спринт» с регулируемыми частотами следования кадров и временем их экспозиции. Размещение камеры около окна рабочей части аэродинамической установки Т-42М показано на рис. 1, б. В составе камеры использовался объектив «Индустар-61Л» с удлинительным кольцом. Камера предназначена для регистрации быстропротекающих процессов с частотой от 500 до 250 000 кадров/с. В зависимости от размера регистрируемого кадра меняется
максимальная частота съемки. Реально представляют интерес частоты съемки до 2000 с 1, так как при больших частотах существенно снижается разрешающая способность камеры. Важным достоинством камеры является возможность работы с широким набором экспозиций: от 2 мкс до 33 мс. Формируемое изображение является монохромным (черно-белым).
В ходе эксперимента регистрировались ток и напряжение разряда, давление подаваемого топлива, давление в форкамере и рабочей части аэродинамической трубы, статическое давление на пластине и в потоке рст, давление за прямым скачком уплотнения перед приемником полного давления . С помощью дифракционных спектрометров анализировались состав и интенсивность излучения продуктов плазмохимического взаимодействия. Для исследования применялись спектрометр, разработанный в Институте спектроскопии РАН (г. Троицк) [1], и спектрометр ИЯ 4000С0 иУ-№Я. Первый из указанных спектрометров позволял регистрировать спектры в диапазоне длин волн от 220 до 980 нм при спектральном разрешении лучше 0.2 нм и времени интегрирования каждого участка спектра ~ 1 с. Небольшой размер измерительного объема в вертикальном направлении (1.5 мм) дал возможность исследовать распределение интенсивности излучения по этому направлению. Регистрация всего спектра производилась за три-четыре пуска АДТ.
Второй спектрометр обеспечивал возможность измерений в диапазоне 200 — 1100 нм при спектральном разрешении 0.02 нм, на порядок более высоком, чем в спектрометре ИСС РАН. Измерительный объем представлял собой цилиндрическую область диаметром примерно 1 мм, ось которой была ориентирована по нормали к оси набегающего потока. Время интегрирования спектра могло варьироваться в диапазоне от 3.8 мс до 10 с. Нижнее и близкое к нему значение времени интегрирования позволяло регистрировать величину относительной интенсивности отдельных линий за время, сравнимое с временем нестационарности течения в рециркуляционной зоне. Особенностью спектрометра являлась высокая скорость передачи данных в персональный компьютер (весь измеряемый спектр пересылался за 18 мс). Это позволяло регистрировать весь спектр на определенной высоте от поверхности пластины за один пуск АДТ.
Оптическое окно, через которое проводилась регистрация, было выполнено из кварца.
Для исследования особенностей обтекания пластины с экраном и характера течения в отрывной области были использованы теневой прибор ИАБ-451, зонды статического и полного давлений. Производилось фотографирование разряда и области горения топлива, а также процесса распространения струи керосина под экраном и в рециркуляционной зоне.
2. НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ОБЛАСТИ
Одной из целей выполненной ранее работы [1] было создание рециркуляционной зоны достаточно большой протяженности при обтекании пластины сверхзвуковым потоком воздуха с установленным на ней экраном, под которым формировалось дозвуковое течение аэрозоля керосина в донную область с тем, чтобы керосин смог испариться и прореагировать при зажигании в ней разряда.
В виде примера на рис. 2, а представлены распределения статического давления и числа М для слоя смешения, определенные по измеренным значениям р0 и рх для сечения х = 40 мм (Уотн = у/Н, где Н — высота экрана, определенная в плоскости его среза). В этом сечении область пониженного давления распространялась вплоть до у = 2Н, а статическое давление находилось на уровне 0.64 — 0.7 от давления в невозмущенном потоке. На границе невязкого течения (у = 1.2Н) число М совпадало с расчетным. По полученным данным была приближенно определена толщина слоя смешения, которая росла с удалением от среза экрана и при х = 40 мм достигала значения ~ 5 мм.
В данной работе были проведены специальные эксперименты, чтобы выяснить насколько существенным оказывалось влияние подачи топлива под экран на газодинамические параметры течения. Для этого, наряду с набегающим на экран сверхзвуковым потоком воздуха, под экран через инжектор подавался углекислый газ. Выбор углекислого газа был обусловлен тем, что он имеет тот же молекулярный вес, что и пропан. Расход СО2 был равен 1 г/с. Некоторые результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 2, б, где дано распределение статического давления за экраном по высоте на расстоянии 33 мм от верхней кромки экрана при отсутствии и при подаче углекислого газа под экран. Из этих данных видно, что подача модельного газа уве-
Р/Р*,
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6
40
у, ММ
30
20
10
0 ___I___I__I___I__I___I__I___I__I___I___I__I
140 145 150 155 160 165 170
б) РстіТ°Р
Рис. 2. Результаты исследований рециркуляционной зоны:
а — распределения статического давления и числа М; б —влияние подачи модельного газа на величину статического давления в рециркуляционной зоне
личивала статическое давление за экраном примерно на 5 — 7 Тор. Также слабым оказалось влияние подачи газа под экран на распределение полного давления за прямым скачком уплотнения р0 .
Для визуализации течения в рециркуляционной области были проведены опыты с подсветкой струи керосина, вводимой в поток воздуха через отверстия в пластине на расстоянии 15, 25 и 35 мм от среза экрана. Эти эксперименты показали, что область рециркуляции имеет в направлении потока протяженность, равную примерно трем калибрам, а от области невязкого течения она отделяется слоем смешения, растущим с увеличением расстояния от среза экрана.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СВОЙСТВ ТЕЧЕНИЯ ЗА ЭКРАНОМ ПРИ НАЛИЧИИ НЕРАВНОВЕСНОГО РАЗРЯДА И ЭКЗОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
На рис. 3, а приведена обычная фотография горения разряда в сверхзвуковом потоке воздуха (М = 2), а на рис. 3, б — в сверхзвуковом потоке при выдуве через полый экран в заднюю отрывную зону пропано-воздушной смеси. Время экспозиции кадра 10 2 с. Эти фотографии дают представление лишь об осредненной картине течения.
С использованием камеры «Видео Спринт» в режиме частоты следования кадров 721 с 1 и времени экспозиции кадра 614 мкс был получен ряд важных неизвестных ранее результатов.
Если при фотографировании разряда и при отсутствии подачи топливовоздушной смеси с помощью обычной цифровой камеры (рис. 3, а) регистрировалось замыкание разряда только на поясок из латуни, охватывающий поверхность экрана у донного среза, то видеокамерой были зафиксированы переключения привязок разряда на пластину. Доля моментов времени, в течение которых это наблюдалось, составляла примерно 6 — 7% от общей выборки кадров.
На рис. 3, в приведены отдельные фотографии, полученные в указанном выше режиме. Слева даны номера кадров с момента начала выборки, справа — результаты пересчета этих номеров
0.4 0 8 12 1.6 2 і: 2.4
У отн
х = 33 мм
в)
Рис. 3. Фотографии разряда, полученные с большим временем экспозиции кадра (а, б) и отдельные выборки
при режиме киноразвертки (в)
на время. Из полученных данных было установлено, что зона горения разряда за экраном представляет собой неоднородную редкую пелену, отражающую турбулентный характер течения за экраном. При этом уже за время 1 мс распределение разряда по задней отрывной зоне существенно изменялось (кадры 75 и 76).
При подаче пропана под экран в области за экраном в присутствии неравновесного разряда возникало нестационарное течение со значительно большим по времени его заполнением свечением, которое, по-видимому, является результатом излучения продуктов плазмохимических реакций. Примеры получаемых в этом случае видеокадров приведены на рис. 4. Параметры разряда: ток разряда 1 А, напряжение на разряде 1.9 кВ; верхний электрод — катод. На основе анализа выборки величиной 600 кадров было установлено, что вероятность возникновения зоны с плазмохимическими реакциями в задней рециркуляционной области равна ~ 46 — 47%, т. е. средняя частота воспламенения топлива в этой области была равна около 340 с 1.
В то же время, в верхней ветви разряда кинокамера не регистрировала срывы горения. Это указывает на то, что заполнение верхней области токовыми каналами происходило с высокой частотой, при которой срывы в свечении разряда не имели пространственного разрешения. Оценка этой частоты может быть сделана по формуле Е ~ Ж/Ь, где Ж — скорость потока, Ь — характерная длина токового канала в верхней ветви. При Ж « 500 м/с, Ь ~ 4 см частота Е была равна примерно 12 кГц.
Исследования при подаче керосина под экран включали: получение информации с помощью скоростной киносъемки об особенностях и структуре течения в рециркуляционной области за экраном при отсутствии разряда и при его создании в режимах прямого фотографирования и
№ кадра 9
26
Г, мс
12.5
79
36.1
129
110
179
33
45.9
598
831
36
50
751
1044
39
54.2
825
1147
Рис. 4. Примеры фотографий разряда, полученные в режиме киноразвертки при подаче пропана под экран
съемки через прибор Теплера. В последнем случае камера «Видео Спринт» устанавливалась на выходе прибора ИАБ-451 и оптически согласовывалась с ним. Расход керосина через форсунку под экран был равен 1.4 г/с.
На рис. 5 приведены кадры прямой скоростной киносъемки течения в указанной области при подаче керосина под экран в отсутствии разряда, полученные при подсвечивании течения навстречу объективу через матовый фильтр, обеспечивавший диффузное рассеяние света. Частота следования кадров равна 721 с 1 и время экспозиции кадра 614 мкс. Выбраны характерные примеры течения. Слева виден срез экрана. Внизу расположено небольшое продольное ребро, которое использовалось в экспериментах с разрядом для более надежной привязки разряда к пластине. На кадре № 7 керосин равномерно заполняет рециркуляционную область (однородное серое поле). Вверху видна граница зоны течения, отделяющая зону смешения от внешнего потока. Из кадра № 16 следует, что с внутренней стороны стенки экрана может срываться пелена керосина (выделена светлым овалом). На кадре № 45 видно, что движение капель керосина в рециркуляционной зоне является вихревым, направленным по часовой стрелке (это также отчетливо видно при просмотре процесса в режиме кино). Приближаясь к пластине, капли объединяются и, ударяясь о пластину, отлетают назад, к срезу экрана и вверх (позиции 1 и 2 внизу кадра № 45). Все эти особенности одновременно прослеживаются на кадре № 227.
По известному времени экспозиции с учетом соотношения длин треков капель керосина и высоты экрана (кадр № 45) была оценена скорость движения капель Ук в рециркуляционной зоне.
7
16
45
2
V
227
Рис. 5. Кадры прямой скоростной киносъемки течения в рециркуляционной области при подаче керосина под экран при отсутствии разряда
Она оказалась порядка 3 — 5 м/с. Если принять, что капли движутся с той же скоростью, что и газ, то характерный период вращения газа в видимой на кадре № 45 области за экраном ~ пН/Ук составлял ~ 1.5 • 10 2 с.
При создании разряда в условиях подачи керосина под экран разряд заполнял значительную часть задней рециркуляционной зоны (рис. 6, а, частота съемки 721 с 1, время экспозиции кадра 300 мкс). В этом эксперименте время экспозиции было уменьшено, так как экспозиция 624 мкс приводила к значительной засветке кадров.
Одна из существенных особенностей горения разряда в задней рециркуляционной зоне при подаче керосина по данным проведенных экспериментов состояла в том, что это горение не прерывалось на временах, больших 10 с, в отличие от случая подачи пропана, хотя и было нестационарным. Это означает, что горение разряда вызывало быстро развивающиеся цепи плазмо-
Рис. 6. Кадры прямой скоростной киносъемки течения в области за экраном при подаче керосина под экран в присутствии разряда и времени экспозиции кадров 300 (а) и 100 мкс (б)
химических реакций в значительной части пространства рециркуляционной зоны. Изменение области плазмохимических реакций по времени происходило преимущественно по периферии. На краю экрана керосин выходил в виде жидкой пелены, которая постепенно испарялась по мере удаления от среза экрана. Она фиксировалась на фотографиях в виде затенения (для примера на кадре № 61 изображение этой пелены выделено пунктирным овалом).
На рис. 6, б приведены три последовательных кадра, полученных при той же частоте их следования, что и на рис. 6, а, но при времени экспозиции 100 мкс. Сравнение этих фотографий с кадром № 26 на рис. 6, а показывает, что простая суперпозиция трех кадров, дающая суммарное время засветки 300 мкс, не может привести к плотности засветки кадра, фиксируемой на рис. 6, а. Такой же вывод может быть получен и из других аналогичных сравнений. Это позволяет предположить, что механизм увеличения интенсивности свечения на кадрах рис. 6, а состоял в существенном развитии плазмохимических реакций за время 200 мкс. Это время дает оценку времени развития данных реакций в керосино-воздушной смеси в условиях эксперимента, т. е. при статическом давлении ~ 200 — 260 Тор и статической температуре ~ 160 К.
Поэтому при низких значениях статической температуры и статического давления в высокоскоростных потоках и использовании искрового разряда с длиной канала ~ 1 см и скорости потока ~ 500 м/с время пребывания газа в канале оказывается на порядок ниже времени развития реакций. При движении потока поперек канала такого разряда, который имеет диаметр около 1 мм [7], время пребывания топливовоздушной смеси внутри канала примерно в 100 раз меньше времени развития реакций.
Рис. 7. Теневые картины течения в потоке воздуха за экраном при отсутствии подачи (а) и при подаче керосина (б) под экран (при отсутствии разряда) и при наличии разряда (в)
В рамках сформулированной задачи были проведены исследования теневых картин течения в рециркуляционной зоне за экраном при числе Мм = 2 с использованием камеры «Видео Спринт», оптически согласованной с прибором ИАБ-451 в трех вариантах: без подачи керосина при отсутствии разряда; при подаче керосина при отсутствии разряда; при подаче керосина и наличии разряда.
Из-за недостаточной яркости излучения осветительной лампы прибора ИАБ-451 съемка при отсутствии разряда проводилась при частоте следования кадров, равной 49 с 1, и времени экспозиции кадра 20 мс. При создании разряда теневая регистрация картины течения была выполнена при частоте следования кадров 49 с 1 и времени экспозиции, равном 20 и 1 мс.
Рис. 7, а дает теневую картину течения в потоке воздуха при отсутствии подачи керосина и без разряда. На рис. 7, б представлена аналогичная картина при подаче керосина при отсутствии разряда. Так как течение при выбранных частоте следования кадров и экспозиции выглядит стационарным, то приведены по одному кадру из массивов фотоснимков. На рис. 7, а можно отметить систему скачков, возникающих около ободка для крепления экрана и обширную неоднородность течения в рециркуляционной зоне. При подаче керосина (рис. 7, б) можно отметить увеличение контрастности этой неоднородности при сохранении геометрии зоны рециркуляции, т. е. туман керосина в среднем заполнял всю зону.
На рис. 7, в приведена случайная выборка теплеровских фотографий при наличии разряда в условиях подачи керосина при времени экспозиции кадров 20 мс. Сравнение рис. 7, б и 7, в показывает, что наличие разряда, если и влияет на структуру течения, то только в области, где имеют место плазмохимические реакции, из-за которых происходит местное увеличение статического давления и некоторое расширение рециркуляционной зоны в вертикальном направлении (обозначено на одном из кадров рис. 7, в пунктиром).
На рис. 8 дан ряд кадров, снятых через прибор Теплера при частоте следования кадров 49 с 1 и времени экспозиции, т. е. осреднении изображения, 1 мс. Видно, что область плазмохимических реакций в рециркуляционной зоне и в этом случае в среднем устойчиво существует, хотя является нестационарной.
Рис. 8. Теневые картины, демонстрирующие устойчивое существование области плазмохимических реакций в рециркуляционной зоне
По предложению И. Н. Самойлова были выполнены эксперименты с последовательным включением в цепь разряда катушки с индуктивностью 4 Гн для уменьшения пульсаций тока разряда. Проведена сравнительная видеосъемка течения в рециркуляционной зоне с использованием видеокамеры «Видео Спринт-С», которая давала цветное изображение. Эти эксперименты показали, что при одних и тех же средних параметрах разряда в случае включения катушки имелась тенденция к увеличению насыщенности изображения области плазмохимических реакций, что, по-видимому, было обусловлено уменьшением интенсивности пульсационных процессов в области плазмохимических реакций.
4. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЗАДНЕЙ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ЗОНЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭМИССИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА ИЯ 4000СС иУ-МЯ
В рамках выполненной программы работ были проведены спектроскопические исследования распределений относительной интенсивности излучения продуктов плазмохимических реакций на ряде длин волн с использованием спектрометра ИЯ 4000С0 иУ-№Я в условиях, приближенных к условиям аэродинамической трубы Т-131.
Спектрометр устанавливался перед окном рабочей части АДТ Т-42М на оптическом столике, который позволяет осуществлять точную настройку на требуемую точку разряда и рециркуляционной зоны. Пример спектра, зарегистрированного в данном эксперименте на расстоянии Ах, равном 10 мм от донного среза экрана и на высоте 7.5 мм от пластины (здесь интенсивность спектров была близка к максимальной), приведен на рис. 9. Эксперименты проводились при подаче керосина с расходом 1.4 г/с под экран. Верхний электрод был анодом, пластина, на которой
1иии К, нм
Рис. 9. Эмиссионный спектр излучения продуктов плазмохимических реакций в рециркуляционной области для смеси керосина с воздухом
Рис. 10. Распределения относительной интенсивности излучения ряда продуктов плазмохимических реакций в задней рециркуляционной области при создании разряда и подаче керосина под экран
устанавливался экран — катодом. Катушка индуктивности отсутствовала. Ток разряда был равен 1 А, напряжение на разряде — примерно 1.77 кВ.
В спектре были зарегистрированы полосы излучения радикалов С2, СК, СИ, атомарных водорода и кислорода. На рис. 10 приведены распределения относительной интенсивности излучения перечисленных компонент (для радикала С2 взято излучение на длине волны 516.5 нм) по высоте в задней рециркуляционной области на различных расстояниях х от верхней точки среза экрана. Время экспозиции составляло 0.1 с. Анализ этих результатов показал, что наиболее высокая интенсивность излучения для всех компонент регистрировалась на расстоянии х = 15 мм от среза экрана и в этом сечении — на высоте у « 8 — 9 мм. Кроме того, с удалением от среза экрана область с наибольшей интенсивностью излучения (и, по-видимому, реакций) перемещалась по высоте, и при х = 20 мм максимум интенсивности излучения компонент лежал в зоне перехода от рециркуляционной области к невозмущенному течению.
Спектрометр НЯ 4000 позволил получить последовательность спектров во времени с временем осреднения 15 мс. Измерения выполнены в точке за срезом экрана с координатами х = 15 мм от верхней кромки экрана и у = 9 мм от поверхности пластины. Анализ полученных последовательностей выполнялся на промежутке времени 100 мс, значительно большем, чем время прямого пролета топлива через рециркуляционную зону (~ 10 4 с) и время вращения капель керосина в этой области (~ 1.5 • 10 2 с). Было установлено, что на указанном промежутке изменение интенсивности спектров не превышало 10 — 20%, т. е. область в окрестности данной точки представляла собой устойчиво работающий плазмохимический реактор.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполнены газодинамические и оптические исследования течения за электроразрядным модулем пилотного пламени. Проведенные газодинамические исследования структуры зоны показали, что ее длина равна примерно трем значениям высоты модуля в сечении его донного среза. Установлено, что при подаче модельного топлива (СО2) под экран с тем же расходом, что и расход топлива (пропан), увеличение статического давления в рециркуляционной зоне составляет примерно 3 — 4%. Также незначительно изменяется давление р0 .
С помощью скоростной камеры «Видео Спринт» проведены сравнительные исследования горения разряда в рециркуляционной зоне при подаче в модуль пропана и керосина. Показано, что при отсутствии топлива относительное время существования разряда в этой зоне составляет 6 — 7%, при подаче пропана — около 50%, а при подаче керосина — близко к 100%. По результатам экспериментов, выполненных при различных временах экспозиции кадров, оценено время развития плазмохимических процессов в рециркуляционной зоне. В случае керосина оно оказалось равным ~ 2 • 10 4 с. При диаметре канала разряда 5 — 6 мм и скорости потока ~ 500 м/с это время оказывается на один-два порядка больше времени пребывания газа в канале, если послед-
ний сформирован поперек высокоскоростного потока, что необходимо учитывать при выборе геометрии электродов.
По длине треков капель керосина в ближней к срезу экрана части рециркуляционной зоны и времени экспозиции кадров установлено, что скорость капель и движения газа в этой зоне была равна около 3 — 5 м/с. С помощью быстродействующего эмиссионного спектрометра установлено, что в некотором объеме данной зоны при подаче керосина и создании неравновесного разряда реализовался устойчиво работающий газодинамический плазмохимический реактор.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы ЦАГИ — РАН.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ефимов Б. Г., Иншаков С. И., Климов А. М., Скворцов В. В. Исследование структуры зоны плазмохимических реакций за экраном в сверхзвуковом потоке при инжекции керосина и пропана под экран в присутствии неравновесного разряда // ТВТ. 2010.
Т. 48, № 2, с. 169 — 174.
2. Скворцов В. В. Экспериментальные исследования ряда схем неравновесных электродных разрядов для воспламенения и стабилизации горения в сверхзвуковых потоках //
Ученые записки ЦАГИ. 2011. Т. 42, № 3, с. 3 — 24.
3. Алферов В. И., Бушмин А. С. Электрический разряд в сверхзвуковом потоке воздуха // ЖЭТФ. 1963. Т. 44, вып. 6, с. 1775.
4. Алферов В. И., Бушмин А. С., Калачев Б. В. Экспериментальные исследования электрического разряда в потоке воздуха // ЖЭТФ. 1966. Т. 51, вып. 5, с. 1281 — 1287.
5. Алферов В. И. Исследование структуры разряда большой мощности в высокоскоростном потоке воздуха // Изв. РАН. МЖГ. 2004. № 6, с. 163 — 175.
6. Иванов В. В., Скворцов В. В., Ефимов Б. Г., Пындык А. М., Киреев А. Ю., Крашенинников В. Н., Шиленков С. В. Спектроскопические исследования продольного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха при инжекции пропана в зону разряда //
ТВТ. 2008. Т. 46, № 1, с. 7 — 14.
7. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1971, 591 с.
Рукопись поступила 28/У!2011 г.
