CC BY
36
The Use of Subcritical Streamer Microwave Discharge for Multipoint Ignition of the Fuel Mixture Flow in Microturbine Combustion Chamber
Prodan N.V.1'2 , Chernyshov P.S.1, Ilina E.E.2, Lavrov P.V.3
1 Baltic State Technical University VOENMEH, Saint-Petersburg, Russian Federation 2 Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (ITMO University), Saint-Petersburg, Russian Federation, 3Moscow Radio Engineering Institute of the Russian Academy of Sciences,
Moscow, Russian Federation
Abstract. The work focuses on improving fuel economy and efficiency of combustion processes in gas turbine power plants. The use of multipoint plasma ignition of the fuel mixture in the cylindrical combustion chamber is considered. The aim of the study is to increase the efficiency of ignition of the fuel mixture. The goal is achieved both through theoretical studies carried out using numerical methods, and experimentally, in an experimental device. The propagation time of the flame front is compared at 1, 4, 8 ignition centers created by automobile candles and subcritical microwave discharges. In the calculation of combustion, a quasi-global model of chemical kinetics is used, which includes 12 components. To calculate microwave discharges, we use the system of equations of gas dynamics and Maxwell equations for a thermodynamically nonequilibrium plasma in a three-dimensional formulation. A model of absorption of microwave radiation by a streamer discharge is used, as a result of which it is heated. The most significant scientific result is that a multi-point streamer microwave discharge can be ignited inside a metal combustion chamber and its effectiveness as an arsonist is much higher than the efficiency of spark candles. The significance for practice lies in the fact that the rate of increase in pressure with multipoint microwave ignition is one third higher than with multi-point spark ignition and three times higher than with standard ignition, but the input energy is almost 30 times less. This allows you to significantly increase the specific indicators of both internal combustion engines and constant volume engines.
Keywords: microturbine, plasma-assisted ignition and combustion, low-emission combustion chamber, microwave discharge, streamer discharge, nonequilibrium plasma. DOI: 10.5281/zenodo.3562189
Utilizarea unei descarcari de microunde streamer subcritic pentru aprinderea in mai multe puncte a fluxului amestecului de combustibil in camera de ardere a microturbinei Prodan N.V.12, Cernisov P.S. 1, Ilyina E.E.2, Lavrov P.V.3,
1 Universitatea Tehnica a Statului Baltic „VOENMEH", Sankt Petersburg, Federatia Rusa, 2 Universitatea Nationala de Cercetari a Tehnologiilor Informational, Mecanica si Optica din Sankt Petersburg
(Universitatea ItMo), Sankt Petersburg, Federatia Rusa 3 Institutul de Inginerie Radio din Moscova al Academiei de Stiinte din Risia, Moscova, Federatia Rusa
Rezumat. Lucrarea este dedicata problemei cresterii eficientei utilizarii combustibilului si a eficientei proceselor de ardere in centralele cu turbine cu gaz. Se are in vedere utilizarea aprinderii cu plasma in multe puncte a amestecului de combustibil intr-o camera cilindrica de ardere. Scopul studiului este de a creste eficienta aprinderii amestecului de combustibil. Obiectivul este atins atat prin studii teoretice realizate prin metode numerice, cat si experimental, intr-o configuratie experimental. Timpul de propagare a frontului cu flacara este comparat, precum si viteza de crestere a presiunii in camera de ardere la 1, 4, 8 locuri de aprindere create de bugiile pentru automobile si descarcarile subcritice cu microunde. in calculul combustiei, este utilizat un model cvasi-global de cinetica chimica, care include 12 componente. Rezultatul stiintific cel mai semnificativ consta in aceea, ca o descarcare de difuzare cu microunde in mai multe puncte poate fi aprinsa in interiorul unei camere de ardere metalica, iar eficienta sa ca pocedeu de aprindere este mult mai mare decat aprinderea cu scanteie in puncte si in mai multe puncte. Semnificatia pentru practica consta in faptul ca rata de crestere a presiunii cu aprindere cu microunde cu mai multe puncte este cu o treime mai mare decat cu scanteia cu mai multe puncte si de trei ori mai mare decat cea standard, iar energia de intrare este de aproape 30 de ori mai mica. Acest lucru permite majorarea semnificativa a indicatorilor specifici atat pentru motoarele cu ardere interna, cat si pentru motoarele cu volum constant. Cuvinte-cheie: microturbina, combustie plasmatica, camera de ardere cu emisii scazute, descarcare de microunde, descarcare in flux, plasma fara echilibru.
© Продан Н.В., Ильина Е.Е., Лавров П.В. Чернышов П.С. 2019
Применение подкритического стримерного СВЧ разряда для многоточечного поджигания потока топливной смеси в камере сгорания микротурбины Продан Н.В.1,2, , Чернышов П.С.1, Ильина Е.Е.2, Лавров П.В.3
балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ», Санкт-Петербург, Российская
Федерация,
2Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики (Университет ИТМО), Санкт-Петербург, Российская Федерация 3Московский радиотехнический институт российской академии наук, Москва, Российская Федерация Аннотация. Работа посвящена проблеме повышения топливной экономичности и эффективности процессов горения в газотурбинных энергетических установках. Рассматривается использование многоточечного плазменного зажигания топливной смеси в цилиндрической камере сгорания. Целью исследования является повышение эффективности зажигания топливной смеси. Поставленная цель достигается как при помощи теоретических исследований, выполненных с применением численных методов, так и экспериментально, на экспериментальной установке. Сравнивается время распространения фронта пламени, а также скорости роста давления в камере сгорания при 1, 4, 8 очагах воспламенения, создаваемых автомобильными свечами и подкритическими СВЧ разрядам. СВЧ разряды инициируются при помощи полуволнового резонатора. Используется генератор с длиной волны электромагнитного излучения Х=0,123 м. Начальное давление топливной смеси изменяется от 0,5-105 до 2,5-105 Па. Коэффициент избытка горючего П изменяется от 0,5 до 2,1. При расчете горения используется квазиглобальная модель химической кинетики, включающая 12 компонентов. Для расчета СВЧ разрядов используется система уравнений газовой динамики и уравнений Максвелла для термодинамически неравновесной плазмы в трехмерной постановке. Используется модель поглощения СВЧ излучения стримерным разрядом, в результате чего происходит его разогрев. Наиболее существенным научным результатом является тот факт, что многоточечный стримерный СВЧ разряд удается зажечь внутри металлической камеры сгорания и его эффективность в качестве зажигания гораздо выше как точечного, так и многоточечного искрового зажигания. Значимость для практики состоит в том, что скорость нарастания давления при многоточечном СВЧ зажигании на треть выше, чем при многоточечном искровом и в три раза выше, чем при стандартном, а затраты подводимой энергии почти в 30 раз меньше. Это позволяет существенно поднять удельные показатели как двигателей внутреннего сгорания, так и двигателей постоянного объема.
Ключевые слова: микротурбина, плазменное горение, малоэмиссионная камера сгорания, СВЧ-разряд, стримерный разряд, неравновесная плазма.
ВВЕДЕНИЕ
Целью исследования является изучение возможности повышения эффективности сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных двигателях, работающих по циклу Брайтона, а также перспективных двигателях, использующих термодинамический цикл Хамфри горения при постоянном объеме.
В исследовании сравнивается процесс воспламенения и горения в замкнутом цилиндре постоянного объема при искровом зажигании и многоточечном зажигании стримерным разрядом [1].
Результаты исследования показали, что цель - повышение эффективности - вполне достижима, т.к. многоточечное зажигание стри-мерным разрядом позволило в разы увеличить скорость сжигания топлива и давление в камере сгорания по сравнению со стандартным искровым зажиганием.
Выигрыш достигается за счет объемного многоточечного характера воспламенения.
Пределы совершенствования традиционных двигателей практически достигнуты. Одним из дальнейших путей повышения эффективности является переход к сжиганию топлива при постоянном объеме. Разновидностью такого двигателя является детонационный двигатель [2], в котором воспламенение топлива происходит во фронте детонационной волны [3], представляющей собой газодинамический разрыв - ударную волну и следующую за ней область горения.
Наиболее «продвинутой» в практическом плане концепцией является ротационный детонационный двигатель (КОЕ) [4, 5], в котором ударно-волновая структура, содержащая детонационную волну, вращается в кольцевом зазоре камеры сгорания с постоянной скоростью, равной скорости Чепмена - Жуге.
Ротационные двигатели относятся к классу двигателей с непрерывной детонацией. В настоящее время разработаны и испытаны полномасштабные воздушно-реактивные двигатели с непрерывной детонацией [6], газотурбинные с ротационно-детонационной камерой сгорания [7], ракетные [8]. Малое время, большой градиент давления, при котором происходит сгорание в детонационной волне, снижают выбросы окислов азота [9] и позволяют сжигать экстремально бедные топливные смеси [10, 11, 12]. Существуют проблемы с получением гарантированного направления вращения детонационной волны при инициировании детонации [13]. Попытки её решить привели к оригинальной концепции с двумя детонационными волнами противоположного вращения [14].
Экспериментальные и численные исследования показывают, что при потенциально высокой термодинамической эффективности КОЕ [15], на практике КОЕ пока уступают традиционным газотурбинным и ракетным двигателям. Причина, видимо, заключается в том, что в кольцевом зазоре инициированная детонационная волна претерпевает трансформации с образованием нескольких разрывов, которые в процессе интерференции [16] между собой, образуют несколько тройных конфигураций ударных волн [17]. Каждая из таких конфигураций состоит из двух косых скачков и одного прямого. Детонация происходит только на прямом скачке. Чем больше размер прямых ударных волн, тем ближе реальная картина детонации к идеальной модели. При скорости детонационной волны Чемпена-Жуге, характерной для установившейся детонации, прямые скачки, наоборот, имеют минимальный размер.
Чтобы увеличивать область детонации, необходимо использовать пересжатую детонацию, но она не является самоподдерживающейся. Данное техническое противоречие является трудно разрешимым, поэтому в последнее время предпринимаются попытки объединить газовую турбину с импульсно-де-тонационным двигателем (РОЕ) [18]. Традиционно, РОЕ выполняются с механическими или газодинамическими клапанами [19] и, в этом отношении, они подобны двигателям внутреннего сгорания.
Подобные конструкции свободны от описанной выше проблемы КОЕ, теоретических ограничений на увеличение КПД нет [20]. Но имеются технические проблемы с подачей
топливной смеси и удалением продуктов сгорания. Причина состоит в том, что в классическом РОЕ значительное время уходит на процесс перехода обычного горения в детонацию. Соответственно, РОЕ имеют детонационные трубы значительной длины, порядка 20 калибров.
Попытки собрать множество детонационные труб в пакет и совместить из с конструкцией турбины привели к достаточно перспективной концепции волнового диска [21]. В таких дисках используются профилированные каналы, в которых волны сжатия распространяются в радиальном направлении. За счет применения специальных профилей можно добиться того, чтобы волны сжатия были центрированными [22], что в разы сокращает путь сжатия. Время образования детонационной волны зависит от характера зажигания, это характерно как для КОЕ [23], так и для РБЕ [24], [25]. В целом, как показали, исследования [26], увеличение объема единовременно воспламеняемой топливной смеси или многоточечное воспламенение существенно сокращают время перехода к детонации.
В настоящей работе изучается воспламенение в цилиндре постоянного объема предварительно перемешанной топливной смеси пропана с воздухом при помощи многоточечного искрового зажигания и многоточечного зажигания примерными СВЧ разрядами.
Последний тип зажигания не следует путать с различными типами плазменного горения, такими как горение в среде коронного разряда или наносекундного разряда [27]. Метод ближе к лазерному способу создания плазменного очага горения [28].
Преимуществом исследуемого типа зажигания по сравнению с современными работами является увеличение скорости сгорания топлива при постоянном объеме от 20-30% до нескольких раз, при уменьшении затрат энергии на зажигание примерно в 30 раз.
1.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Проведены эксперименты по изучению воспламенения и горения при постоянном объёме пропан-воздушной смеси в экспериментальной камере сгорания. Экспериментальная установка изображена на рис.1.
Установка имеет два смотровых окна (фронтальное и боковое), через которые можно было производить видеосъемку процесса воспламенения на скоростную камеру №соп Б1, 400 кадров в секунду. Благодаря
этим видеозаписям, можно оценить скорость распространения фронта пламени и время горения пламени.
В экспериментах измерялось давление с помощью двух дифференциальных электронных датчиков давления.
Рис.1. Экспериментальная установка. 1
Установка позволяла поджигать топливную смесь 1, 4, 8 искровыми автомобильными свечами или 8 стримерными СВЧ разрядами. СВЧ разряды зажигались на инициаторах (№-Сг проволока диаметром 0,5 мм), оптимальная (резонансная) длина которых рассчитывалась и определялась экспериментально (рис.2).
СВЧ излучение с длиной волны ^=0,123 м подавалось в камеру сгорания через рупор от магнетрона СВЧ генератора
ВИТС.468766.001 РЭ, разработанного и изготовленного в АО «МРТИ РАН».
Технические характеристики генератора:
- марка СВЧ магнетрона - МИ-456А;
- частота следования импульсов - 1-800 Гц
или однократные импульсы;
- Длительность импульсов: 2-10"6 -6-10"6 с;
- Мощность импульса: 50-103 - 600403 Вт.
В рабочую камеру сгорания было установлено 8 инициаторов с шагом 0,04 м.
Кварцевая трубка устанавливалась в центре камеры по оси трубы на специальных подставках, изготовленных из радиопрозрачного теплозащитного материала с диэлектрической проницаемостью близкой к единице.
ts
С ^
rS
о 2
« 2
о 3
Ю и
о ^
и ^
<u <u
я сш
« is
m о
8 .23
Ч чз
2,4
1,8
1,2
0,6
0,
/ ) \
\
/ \ о4 \
о/ ъ
0,045
0,050
0,055
0,060
длина инициатора, м initiator lenght, m
Рис.2. Определение резонансной длины инициатора СВЧ разряда - зависимость давления
СВЧ пробоя газа от длины инициатора.2
Для зажигания искровых свечей использовалась электронная схема с высоковольтным накопительным конденсатором С2, коммутируемым через ограничительные резисторы R2=Ri + R^ на необходимое количество свечей зажигания. Главное преимущество примененной в работе схемы поджига свечей -это возможность выделения большой энергии за малый промежуток времени, что необходимо для обеспечения устойчивого искрооб-разования и сравнительной простоты получения искры практически любой мощности и энергии. Добиться этого с обычной транзисторной или тиристорной схемой оказалось весьма затруднительно. Длительность разряда составляла 8,5 •Ю-3 с, из которых первые 4-10"3 с вызывали воспламенение, а в течение следующих 4,5•Ю-3 с происходило падение силы тока и напряжения. Количество энергии, которое выделала свеча, равнялось 0,5 Дж, 4 свечи - 2 Дж, 8 - 4 Дж.
В ходе экспериментов варьировались следующие параметры:
1) изменялось количество поджигающих разрядов - 1, 4, 8 шт.;
2) изменялось начальное давление смеси -0,5^ 105 Па; 1,5105 Па; 2-105 Па; 2,5-105 Па;
3) изменялся состав смеси (соотношение пропана к воздуху).
Были проведены эксперименты при коэффициентах избытка п пропана в смеси относительно стехиометрического соотношения в интервале от 0,6 до 2,0.
При других значениях п смесь не воспламенялась. Эти значения п близки к верхнему
и нижнему концентрационному пределу воспламенения пропан-воздушной смеси.
При проведении экспериментов ставились следующие цели:
1) сравнение скорости нарастания давления и сравнение максимальных давлений в камере сгорания при различном количестве искровых свечей;
2) сравнение скорости нарастания давления и сравнение максимальных давлений в камере сгорания при зажигании 8 искровыми свечами и 8 стримерными разрядами;
3) выяснение - позволяет ли стримерный разряд в камере сгорания зажигать топливную смесь за пределами воспламенения в нормальных условиях;
4) определение оптимального п при многоточечном искровом и стримерном зажигании, обеспечивающем наибольшее максимальное давление и наибольшую скорость нарастания давления в камере сгорания.
Для проверки и выявления влияния разных физических факторов на результаты был выполнен вычислительный эксперимент. В расчетах исследовалось развитие пламени при зажигании смеси 1,4,8 искровыми свечами и 1 и 8 СВЧ разрядами.
В процессе расчетов при стримерном зажигании использовалась модель стримерного разряда, начальные и граничные условия, численный метод и его связь с физикой пространственно развитого стримерного разряда, ранее рассмотренные в работе [29]. Продолжительность СВЧ разряда полагалась равной 6-10-6 с, а подведенная к плазме энергия - 1,6 Дж. При расчете искрового зажигания использовалась стандартная модель искры с продолжительностью разряда 4-10-3 с и количеством выделяемой одной свечой энергии -0,5 Дж. Мощность выделения энергии менялась по линейному закону - от максимальной в начальный момент времени до 0,5 максимальной в момент времени 4-10-3 с. При расчете горения используется квазиглобальная модель химической кинетики, включающая 12 компонентов.
П.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 3 - 5 приведены кинограммы развития фронтов горения при искровом и стри-мерном зажигании. На рис.3 показано развитие горения при искровом зажигании, начиная от момента зажигания икры, до момента, когда горение охватывает весь объем камеры.
Пламя имеет голубой цвет, что характеризуется одностадийным ламинарным горением газового топлива.
Рис. 3. Фото пламени при искровом зажигании смеси с п = 1, при ро = 2^105 Па: а - поджиг, б -3/400 с, в - 6/400 с, г - 9/400.3
На рис.4 показан момент зажигания стри-мерного разряда. Видно, что его размеры существенно превышают размеры искры и имеют пространственно развитую структуру.
Рис.4 Фото стримерных СВЧ разрядов в камере, заполненной воздухом.4
г)
Рис. 5. Фото пламени при стримерном СВЧ зажигании смеси с п = 1, при р0 = 2^105 Па: а -поджиг, б - 1/400 с, в - 2/400 с, г - 3/400 с.5
На рис.5 показано развитие горения при стримерном зажигании, начиная от момента
зажигания разряда, до момента, когда горение охватывает весь объем камеры. Фронт горения пламени, похож на таковой при искровом зажигании.
Скорость развития горения практически в три раза выше. На рис.6 развитие горения показано через боковое стекло. Очень хорошо видно, что воспламенение происходит сразу в значительном объеме, т.е. как при объемном взрыве. Если пламя при искровом зажигании от момента образования искры (рис.3-а) до момента времени 3/400 с, показанного на рис.3-б, плавно увеличивается в размере от нуля, то при стримерном образовании в момент 1/400 с вспышка топливной смеси сразу имеет размер, показанный на рис.5-б, 6-б.
Для сравнения с натурным экспериментом были выполнены численные расчеты искрового и СВЧ зажигания.
Результаты с искровым зажиганием не приводятся, т.к. они совпали с результатами натурного эксперимента.
На рис.7 представлена картина течения при поджигании смеси одним стримерным разрядом, расположенным на боковой поверхности у одного из днищ. При постановке начальных условий производился расчет стримерного разряда, характерной длины стримера и размера разряда.
4 0
А
* Ф
^Щ! 1
Рис. 6. Фото пламени через боковое окно при стримерном СВЧ зажигании смеси с п = 1, при ро = 2^105 Па, шаг по времени - 1/400 с.6
Форма разряда полагалась сферической, равномерно покрытой по объему сеткой стримеров. Энергия, подводимая к разряду, выделялась на стримерах. Упрощенно, считалось, что основная энергия, выделяется в узлах стримера, в сферических образованиях, диаметр которых составляет примерно 3 диаметра стримера.
г)
Рис. 7. Результаты численного исследования трансформации фронта горения при искровом зажигании (температура), ро=Ы05 Па, коэффициент избытка горючего п =1: а - 0,053 с, б -0,056 с, в - 0,059 с, г - 0,063 с.7
Расчеты показали, что выделяемая на стримерах энергия приводит к образованию ударных волн достаточно большой интенсивности. Но они быстро затухают, т.к. начальный диаметр плазменного образования имеет порядок 0,001 м. Нагрев ударными волнами, и
термодиффузия приводят к постепенному нагреву топливной смеси до температуры около 1000К (рис.7-а). В этот момент происходит вспышка, в которой средняя температура составляет уже 2000 К. По области воспламенения пробегают детонационные волны (оранжевый цвет на рис.6-б), которые поджигают смесь сразу в значительном объеме.
Г 3220
§ \ \
2490
1760
^ 1030
^ 300 [К]
а)
-3410
2634
1857
£ 1060
™ 303 [К]
б)
щ 3696 2849
2003
1156
г)
Рис. 8. Результаты численного исследования трансформации фронта горения при стример-ном СВЧ зажигании (температура), _ро=1^105 Па, коэффициент избытка горючего п =1: а -разряд, б - 1/400 с, в - 2/400 с, г - 3/400 с.8
Далее фронт горения распространяется как при поджигании газа в трубе в объеме у одного из днищ, при этом скорость пламени существенно выше, чем при искровом зажигании.
Далее были выполнены численные расчеты поджигания смеси в канале при помощи восьми стримерных разрядов (рис.8).
г)
Рис. 9. Сравнение результатов экспериментов с исковым поджиганием смеси (верхнее фото) с результатами расчета стримерного зажигания (средний компьютерный рисунок) и эксперимента со стримерным зажиганием (нижнее фото), 8 центров зажигания (показана половина трубы): а - разряд, б - 3/400 с, в- 6/400 с, г -9/400 с.9
Методика не отличалась от примененной при расчете единичного разряда. Качественно характер воспламенения не отличался от такового при использовании одного разряда.
Сравнение расчета с экспериментом приведено на рис.9. На каждом фрагменте вверху показано развитие горения искрового зажигании, в середине - результаты расчета горения при стримерном зажигании, внизу - результаты эксперимента при стримерном зажига-нии.Видно, что результаты расчетов и экспериментов в части скорости развития горения при стримерном зажигании совпадают очень хорошо.
При примерно в 30 раз меньших затратах энергии, СВЧ зажигание обеспечило преимущество в скорости роста давления в цилиндре и скорости сгорания топливной смеси примерно на 25-30%, по сравнению с зажиганием 8 автомобильными свечами.КПД СВЧ зажигания составило 11%. Непосредственно к топливной смеси искрами 8 автомобильных свечей подводилось в 4 раза больше энергии, чем 8 стримерными СВЧ разрядами.
В одном из опытов, при начальном давлении в камере _ро=2,5-105 Па, удалось получить прямую детонацию топливной смеси при подведении к ней стримерным разрядом всего 1,6 Дж. В аналогичных условиях для прямой детонации пропано-воздушной топливной смеси необходимо от 1 до 3 гр тротила, что соответствует примерно 4-103 Дж.
Выполненные эксперименты и расчеты при различном коэффициенте избытка горючего п показали, что оптимальной для СВЧ зажигания с точки зрения скорости нарастания давления в камере сгорания, как и для искрового зажигания, являются умеренно богатые топливные смеси п =1-1,1. Это позволяет сделать вывод, что основным фактором, влияющим на характер воспламенения при стример-ном зажигании, является его объемный характер и основной механизм воспламенения -термический. Расширение диапазона зажигания топливной смеси по коэффициенту избытка горючего п при СВЧ зажигании, по сравнению с искровым зажиганием, не наблюдается.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе выполнено исследование методов повышения топливной экономичности и эффективности процесса горения в энергетических установках, в ходе которого было осуществлено сравнение результатов расчетов и экспериментов с зажиганием топливной про-пано-воздушной смеси 1, 4, 8 искровыми автомобильным свечами и 8 стримерными под-критическими СВЧ разрядами в замкнутом
цилиндре. Влияние ультрафиолета не учитывалось.
Основным результатом является то, что внутри металлического цилиндра удалось зажечь стримерный разряд, а также поджечь им топливную смесь.
Детальное рассмотрение кадров съемки скоростной камерой процесса воспламенения и воспроизведение процесса зажигания в ходе вычислительного эксперимента позволило сделать вывод, что преимущество в скорости сгорания и роста давления получены за счет объемного характера зажигания стримерным СВЧ разрядом с развитой пространственной структурой.
Наиболее существенным научным результатом является то, что эффективность зажигания СВЧ разрядами гораздо выше как точечного, так и многоточечного искрового зажигания.
Практически значимо то, что скорость нарастания давления при многоточечном СВЧ зажигании на треть выше, чем при многоточечном искровом, и в три раза выше, чем при стандартном, а затраты подводимой энергии почти в 30 раз меньше. Это позволяет существенно поднять удельные показатели как двигателей внутреннего сгорания, так и двигателей постоянного объема.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, Соглашение No 14.577.21.0277 (ЭБ 07515-2019-9 15), уникальный идентификатор прикладных научных исследований -RFMEFI57717X0277.
APPENDIX 1 (ПРИЛОЖЕНИЕ 1) 1Fig.1. The experimental setup. 2Fig.2. Determination of the resonant length of the initiator of a microwave discharge - the dependence of the microwave gas breakdown pressure on the initiator length. 3Fig.3. Photo of the flame during spark ignition of the mixture with п = 1, at p0 = 2-105 Pa: a -ignition, b - 3/400 s, c - 6/400 s, g - 9/400 s. 4Fig.4. Photo of streamer microwave discharges. 5Fig.5. Photo of the flame during streamer microwave ignition of the mixture with п = 1, at p0 = 2-105 Pa: a - ignition, b - 1/400 s, c - 2/400 s, g -3/400 s.
6Fig.6. Photo of the flame through the end window during streamer microwave ignition of the mixture with п = 1, at p0 = 2-105 Pa, time step -1/400 s.
7Fig.7. The results of a numerical study of the transformation of the combustion front during spark ignition (temperature), p0 = 1-105 Pa, the fuel surplus ratio п = 1: a - 0,053 s, b - 0,056 s, c - 0,059 s, g - 0,063 s.
8Fig.8. The results of a numerical study of the transformation of the combustion front during streamer microwave ignition (temperature), p0 = 1-105 Pa, the fuel ratio п = 1: a - discharge, b -1/400 s, c - 2/400 s, g - 3/400 s. 9Fig.9. Comparison of the results of experiments with ignition of the mixture (upper photo) with the results of calculating streamer ignition (middle computer figure) and experiment with streamer ignition (bottom photo), 8 centers of ignition (half pipe is shown): a - discharge, b -3/400 s , c - 6/400 s, g - 9/400 s.
ЛИТЕРАТУРА (REFERENCES)
1. Khodataev K.V. The Ignition of the Combustion and Detonation by the Undercritical Microwave Discharge. AIAA Plasmadynamics and Laser Conference, 32nd, and Weakly Ionized Gases Workshop, 4th, Anaheim, CA. Jun 11-14, 2001. AIAA Paper 2001-2941.
2. Viktorovich, B.P. About the detonation engine. American Journal of Applied Sciences, 2014. 11(8), с. 1357-1364.
3. Uskov, V.N., Bulat, P.V. Shock and detonation wave in terms of view of the theory of interaction gasdynamic discontinuities. Life Science Journal, 2014. 11(SPEC. ISSUE 8), с. 307-310.
4. Brent A. Rankin, Matthew L. Fotia, Andrew G. Naples, Christopher A. Stevens, John L. Hoke, Thomas A. Kaemming, Scott W. Theuerkauf, Frederick R. Schauer. Overview of Performance, Application, and Analysis of Rotating Detonation Engine Technologies. JOURNAL OF PROPULSION AND POWER. DOI: 10.2514/1.B36303.
5. Xie Q., Wang B., Wen H., Wolanski P., Enhancement of continuously rotating detonation in hydrogen and oxygen-enriched air, Proc. Combust. Inst. 37 (2019) 3425-3432.
6. Frolov S.M., Aksenov V.S., Ivanov V.S., Sham-shin I.O., Large-scale hydrogen-air continuous detonation combustor, Int. J. Hydrogen Energy. 40 (2015). 1616-1623. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.11.112.
7. Zhao, N.B.; Zheng, H.T.; Wen, X.Y.; Zhao, N.B.; Zheng, H.T.; Wen, X.Y.; Xiao, D.M. Thermody-namic performance enhancement of marine gas turbine by using detonation combustion. In Proceedings of the ASME Turbo Expo 2017: Tur-bomachinery Technical Conference and Exposition, ASME, Oslo, Norway, 11- 15 June, 2018; GT2018-75493, 2018.
8. Wolanski, P. Detonative propulsion. Proc. Combust. Inst. 2013, 34, 125-158.
9. Liu, Y.; Sun, X.; Sethi, V.; Nalianda, D.; Li, Y.G.; Wang, L. Review of modern low emissions combustion technologies for aero gas turbine engines. Prog. Aerosp. Sci. 2017, 94, 12-45.
10. Q. Xie, H. Wen, W. Li, Z. Ji, B. Wang, P. Wolanski, Analysis of operating diagram for H2/Air rotating detonation combustors under lean fuel condition, Energy. 151 (2018) 408-419.
11. Bulat P.V., Esakov I.I., Grachev L.P., Denissenko P.V., Bulat M.P., Volobuev I.A. Modeling and simulation of combustion and detonation by sub-critical streamer discharge. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2017, vol. 17, no. 4, pp. 569592 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-201717-4-569-592
12. Bulat M.P., Bulat P.V., Denissenko P.V., Esakov I.I., Grachev L.P., Volkov K.N., Volobuev I.A. Ignition of lean and stoichiometric air-propane mixture with a subcritical microwave streamer discharge. Acta Astronautica. 2018. Vol. 150. P. 153-161. DOI: 10.1016/j.actaastro.2017.11.030.
13. M.L. Fotia, J. Hoke, F. Schauer, Study of the ignition process in a laboratory scale rotating detonation engine, Exp. Thermal Fluid Sci. 94 (2017) 345-354.
14. R. Bluemner, M.D. Bohon, C.O. Paschereit, E.J. Gutmark, Single and counter-rotating wave modes in an RDC, 2018 AIAA Aerospace Science Meeting, American Institute of Aeronautics and Astronautics (2018).
15. Sousa, J.; Paniagua, G.; Morata, E.C. Thermodynamic analysis of a gas turbine engine with a rotating detonation combustor. Appl. Energy 2017, 195, 247-256.
16. Uskov, V.N., Bulat, P.V., Arkhipova, L.P. Classification of gas-dynamic discontinuities and their interference problems. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 2014, 8(22), c. 2248-2254.
17. Bulat, P.V., Chernyshev, M.V. Existence regions of shock wave triple configurations. International Journal of Environmental and Science Education, 2016, 11(11), c. 4844-4854.
18. Gray, J.; Vinkeloe, J.; Moeck, J.; Paschereit, C.O. Thermodynamic evaluation of pulse detonation combustion for gas turbine power cycles. In Proceedings of the Turbomachinery Technical Conference and Exposition, ASME Turbo Expo, Seoul, Korea, 13-17 June 2016.
19. Lisanti, J.C.; Roberts, W.L. Design of an actively valved and acoustically resonant pulse combustor for pressure-gain combustion applications. In Proceedings of the 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, San Diego, CA, USA, 4-8 January 2016.
20. Xisto, C.; Ali, F.; Petit, O.; Gronstedt, T.; Rolt, A.; Lundbladh, A. Analytical model for the performance estimation of pre-cooled pulse detona-
tion turbofan engines. In Proceedings of the Tur- 25. bomachinery Technical Conference and Exposition. American Society of Mechanical Engineers, ASME Turbo Expo 2017, Charlotte, NC, USA, 26-30 June 2017.
21. Chan, S.; Liu, H. Mass-based design and optimization of wave rotors for gas turbine engine enhancement. Shock Waves 2017, 27, 313-324. 26.
22. Bulat, M.P., Bulat, P.V. The analysis centric isen-tropic compression waves. World Applied Sciences Journal, 2013, 27(8), c. 1023-1026.
23. Lei Peng, Dong Wang Xiaosong Wu, Hu Ma, Chenglong Yang. Ignition experiment with auto- 27. motive spark on rotating detonation engine. International Journal of Hydrogen Energy. Volume 40,
Issue 26, 13 July 2015, Pages 8465-8474. 28. https://doi.org/10.10167i. ijhydene.2015.04.126.
24. P. Denissenko, M.P. Bulat, I.I. Esakov, L.P. Grachev, K.N. Volkov, I. A.Volobuev, V.V. Upyrev, P.V. Bulat. Ignition of premixed air/fuel mixtures
by microwave streamer discharge. Combustion 29. and Flame 202 (2019) 417^22. https://doi.org/10.1016/ixombustflame.2019.01. 029.
Bulat M.P., Bulat P.V., Denissenko P.V., Esakov I.I., Grachev L.P., VolkovK.N., Volobuev I.A. Ignition and combustion of air/fuel mixture in a long tube induced by microwave subcritical streamer discharge. Acta Astronautica. Volume 150, September 2018, Pages 153-161. https://doi.org/10.1016/i.actaastro.2017.11.030. Bulat M., Bulat P., Denissenko P., Esakov I., Grachev L., Volkov K., Volobuev I. Experimental study of microwave streamer discharge ignition of premixed air/fuel mixtures. IEEE Transactions on Plasma Science. 47(1),8493512, c. 57-61. Starikovskiy A., Aleksandrov N. Plasma-assisted ignition and combustion. Progress in Energy and Combustion Science, 2013, vol. 39., pp. 331-368. Bulat P.V., Minin O.P., Volkov K.N. Numerical simulation of optical breakdown in a liquid droplet induced by a laser pulse. Acta Astronautica. Volume 150, September 2018, Pages 162-171. https://doi.org/10.1016/i.actaastro.2017.11.029. Bulat, M., Bulat, P., Denissenko, P., Volkov, K., Volobuev, I. Numerical simulation of ignition of premixed air/fuel mixtures by microwave streamer discharge. IEEE Transactions on Plasma Science. 47(1),8479354, c. 62-68.
Сведения об авторах.
Лавров Павел Борисович.
Кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории физики плазмы АО «МРТИ РАН». Область научных интересов: физика плазмы, СВЧ разряды.
E-mail: [email protected]
Продан Николай Васильевич.
Кандидат физико-математических наук. Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Область научных интересов: газовая динамика.
E-mail: [email protected]
Ильина Екатерина Евгеньевна. Научный сотрудник Университета ИТМО. Область научных интересов: газовая динамика.
E-mail: [email protected]
Чернышов Павел Сергеевич.
Студент магистратуры Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Область научных интересов: вычислительная газовая динамика.
E-mail: [email protected]
