CC BY
46
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ФИЗИКА ПЛАЗМЫ
Внешнее горение высокоскоростных многокомпонентных воздушно-углеводородных потоков в условиях низкотемпературной плазмы
А. Ю. Бауров, Л. В. Шибкова, В. М. Шибковa, П. В. Копыл, О. С. Сурконт
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра физической электроники. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
E-mail: a shibkov@phys.msu.ru
Статья поступила 04.02.2013, подписана в печать 12.04.2013.
Экспериментально реализована стабилизация внешнего (на поверхности пластины) горения высокоскоростных многокомпонентных (воздух, спирт, пропан) потоков. Показано, что при сгорании спирта тепловые потоки возрастают приблизительно в 7 раз, а при горении пропана — в 15 раз по сравнению с тепловыми потоками от разряда, создаваемого в высокоскоростном воздушном потоке. Концентрация электронов, измеренная на расстоянии 10 см вниз по потоку от кончиков электродов, равна приблизительно 109 см-3 при создании разряда в потоке воздуха, тогда как при горении спирта достигает 2 • 1011 см-3, а при горении пропана равна 3 • 1011 см-3. Температура пламени в области существования разряда изменяется от 2000 до 2500 К, а вне разряда на расстоянии z = 20 см от электродов равна 1800 К, постепенно уменьшаясь вниз по потоку. Показано, что в условиях комбинированного разряда в дозвуковом потоке реализуется полное сгорание жидких и газообразных углеводородов. В условиях сверхзвуковых потоков полнота сгорания в зависимости от скорости потока достигает 95%.
Ключевые слова: низкотемпературная плазма, высокоскоростной воздушный поток, сверхзвуковая плазменная аэродинамика, горение.
УДК: 533.9. PACS: 52.80.-s, 82.33.Vx, 52.70.-m, 82.33.Xj.
Для развития современной авиации и космических технологий, предназначенных для высоких скоростей полета, требуется поиск и разработка новых фундаментальных методов, позволяющих обеспечивать быстрое объемное воспламенение и управление процессом горения углеводородного топлива в условиях высокоскоростного потока. Одним из новых решений проблемы уменьшения времени воспламенения горючего и увеличения эффективности горения и полноты сгорания топлива является использование газового разряда. В условиях неравновесной низкотемпературной плазмы возможен режим горения, когда наработка активных частиц практически на всем протяжении реакции осуществляется электронным ударом [1]. Методы управления горением воздушно-углеводородных потоков, основанные на генерации электрических разрядов, представляются в настоящее время наиболее перспективными [1-20]. 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.
Во всех типах реактивных двигателей стабильное горение поддерживается с помощью специальных устройств (застойных зон, каверн и т.п.), служащих для предотвращения срыва пламени высокоскоростным потоком. Конструкция этих устройств должна учитывать баланс между вносимым ими дополнительным сопротивлением потоку и стабилизацией пламени. В свободном сверхзвуковом потоке в принципе невозможно удержать пламя без специальных мер. Одним из таких способов является использование газоразрядной плаз-
мы. В условиях импульсного самостоятельного разряда сверхзвуковое горение свободных воздушно-углеводородных потоков происходит только в течение длительности импульса, и пламя срывается, как только подвод энергии прекращается.
Для стационарного горения при использовании нестационарной низкотемпературной плазмы необходимо оптимизировать режим инициации импульсного разряда, т. е. величину вкладываемой в плазму энергии, длительность и частоту следования импульсов. Это может быть осуществлено с помощью комбинированного разряда, создаваемого в режиме программированного импульса [21], когда повторный электрический пробой газа облегчен по сравнению с первичным (смотри, например, [21, 22]). В программированном режиме пробой газа, поддержание плазмы и вклад энергии в заданную область пространства осуществляются с помощью разряда, мощность которого изменяется по наперед заданной программе.
В настоящей работе исследовано влияние низкотемпературной плазмы комбинированного разряда, создаваемого в программированном режиме, на эффективность горения жидкого и газообразного углеводородного топлива, инжектируемого в дозвуковой (число Маха потока M < 1) и сверхзвуковой (M > 1) воздушные потоки. Такой разряд представляет собой комбинацию самостоятельного импульсно-периодического сверхвысокочастотного и несамостоятельного поперечного электродного разрядов, создаваемых на поверхности диэлектрической пластины. Поверхностный самостоятельный разряд служит для создания плазмы и инициации разряда постоянного тока, а также для
генерации активных частиц и радикалов. Разряд постоянного тока служит для накачки энергии в плазму и стабилизации горения углеводородного топлива.
Для исследования возможности осуществления с помощью комбинированного разряда стабилизации горения многокомпонентных углеводородных смесей, инжектируемых в высокоскоростную воздушную струю, истекающую в затопленное пространство, использовалась экспериментальная установка, подробно описанная в [18] и включающая в себя вакуумную камеру, ресивер высокого давления воздуха, электромеханический клапан, систему для создания высокоскоростного потока с секундным массовым расходом воздуха (1ш1/М = 10-100 г/с, систему для инжекции пропана йш2/Л = 2-10 г/с, систему инжекции в высокоскоростной воздушный поток жидкого углеводородного топлива с секундным массовым расходом йш3/Л = 0.5-3 г/с, прямоугольный аэродинамический канал, магнетрон-ный генератор, систему для ввода СВЧ-энергии в камеру, высоковольтный источник питания, систему синхронизации и диагностическую аппаратуру. Прямоугольный аэродинамический канал из-за технических особенностей установки располагался так, чтобы сверхзвуковой поток был направлен вдоль оси цилиндрической камеры под углом 15° к плоскости пластины, на которой создавался исследуемый разряд. В условиях экспериментов электромеханический клапан мог открываться на т1 = 0.2-3 с. Система синхронизации позволяет вводить воздух, пропан и жидкие углеводороды в аэродинамический канал с фиксированными задержками по отношению друг к другу. В данной работе комбинированный разряд создавался в режиме, когда маломощный импульс включается в течение времени, равного длительности пачки коротких мощных импульсов. Число импульсов N в пачке можно было изменять от 1 до 100, частота повторения импульсов [ = 50 Гц. В качестве маломощного импульса накачки использовался электродный разряд постоянного тока, который создавался с помощью источника постоянного тока с выходным напряжением 5 кВ. Разрядный ток мог изменяться от 1 до 20 А. Длительность т программированного импульса изменялась от 0.8 до 1.5 с.
В экспериментах использовался автоматизированный диагностический комплекс, состоящий из оптических рефракционных датчиков, фотоэлектронных умножителей, импульсной теневой установки, системы для измерения проводимости пламени, электрических зондов, термопар, датчиков давления, датчиков измерения абсолютной и относительной влажности, датчиков измерения концентрации пропана, датчиков измерения концентрации углекислого газа, двухпроводной линии, цифровых монохроматоров, спектрографов, осциллографов, фото и видеокамер.
В работе с помощью комбинированного разряда осуществлена стабилизация внешнего горения жидкого спирта, газообразного пропана, а также их смесей на поверхности диэлектрической пластины длиной 10 см, обтекаемой высокоскоростной воздушной струей.
Для примера на рис. 1 представлен общий вид без временного разрешения внешнего горения пропан-воз-
сан
Рис. 1. Стабилизация внешнего горения дозвукового
пропан-воздушного потока в условиях комбинированного разряда
душного потока. При фотографировании специально была закрыта экраном ярко светящаяся зона горения высокоскоростного пропан-воздушного потока в области существования комбинированного разряда. Поэтому на фотографии виден только самый край этой ярко светящейся области и голубое свечение пламени вниз по потоку. Без инжекции пропана в высокоскоростную струю, или при вкладываемой в разряд электрической мощности меньше 4 кВт, а также в случае бедных (эквивалентное отношение пропана а <0.3) или богатых (а >2) топливных смесей плазменно-стимулиро-ванное горение высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков в условиях нашего эксперимента не реализуется.
Для измерения продольного (вдоль потока) распределения температуры газа регистрировался спектр излучения пламени на различных расстояниях от кончиков электродов. Спектр фиксировался с помощью цифрового двухканального спектрографа АуаБрес-2048-2-ЭТ фирмы АуаП^. Температура газа Тё определялась из сравнения экспериментально измеренных и синтезированных молекулярных полос (0; 0) и (1; 1) циана с длинами волн кантов А = 388.3 нм и А = 387.1 нм. При моделировании спектра распределение по вращательным и колебательным уровням предполагалось больцмановским. Использовались разработанные нами программы для расчета спектров и отдельно для расчета факторов Хенля-Лондона. Расчеты производились в среде Ма^аЬ по программе, позволяющей накладывать заранее заданное уширение на вращательные переходы полученного при расчете молекулярного спектра. На рис. 2 представлены экспериментально полученные спектры излучения пламени при горении пропан-воздушного потока. Видно, что в области разряда вблизи электродов спектр состоит только из полос СЫ, тогда как на больших расстояниях (г = 15-25 см) от разрядной области спектр излучения пламени содержит в основном полосы радикала СН. Получено, что в области существования разряда г = 0-10 см от кончиков электродов температура газа изменяется от 2500 до 2000 К, тогда как вне разряда на расстоянии г = 15 см температура пламени равна приблизительно 1800 К, постепенно уменьшаясь вниз по потоку.
В эксперименте инжекция пропана производилась в течение 1 с в высокоскоростной поток воздуха (длительность потока 2 с) с временной задержкой 0.5 с относительно старта воздушного потока. В течение времени инжекции пропана на внешней поверхности пластины создавался разряд. Система спектральных измерений позволяла регистрировать с экспозицией 20 мс сорок спектров за одну секунду. На рис. 3 представлен временной ход температуры пламени, измеренный
/, отн. ед. 15000
10000
5000
/, отн. ед 15000
10000
5000
350 370 390 410 430 X, нм
350 370 390 410 430 X, нм
350
370
390
410 430 X, нм
350
370
390
410 430 X, нм
Рис. 2. Спектр пламени при горении пропан-воздушного потока на различных расстояниях от концов
электродов г, см: 6 (1); 8 (2); 15 (3); 25 (4)
С/тс, отн. ед. 1.0
и МС
Рис. 3. Температура пламени при горении высокоскоростного пропан-воздушного потока на расстоянии г = 12 см от концов электродов
на расстоянии г = 12 см. Видно, что средняя за время горения пропана температура пламени порядка 1850 К, причем спустя 200 мс после воспламенения осуществляется стабилизация плазменно-стимули-рованного горения.
Экспериментально реализована стабилизация внешнего (на поверхности пластины) горения дозвукового спирт-пропан-воздушного потока. Показано, что в дозвуковом потоке при горении спирта в условиях комбинированного разряда тепловой поток возрастает приблизительно в 7 раз, а при горении пропана в 15 раз по сравнению с потоком тепла от разряда в воздушном потоке без инжекции топлива (рис. 4).
Определение степени ионизации газа при горении спирт-пропан-воздушного потока проводилось методом измерения поглощения зондирующего маломощного (100 мВт) микроволнового излучения. Для этого применялась двухпроводная линия. В качестве источника
Рис. 4. Временная зависимость сигнала, регистрируемого термопарой, расположенной вниз по потоку на расстоянии г = 15 см от электродов: 1 — старт высокоскоростного воздушного потока; 2 — момент включения разряда постоянного тока; 3 — начало инжекции спирта; 4 — инжекция пропана
микроволнового излучения был выбран СВЧ-генератор, работающий на длине волны 8 мм. Вначале использовалась двухпроводная линия, изготовленная из молибденовых проволочек толщиной 0.3 мм, расстояние между которыми было 4 мм. Такая конструкция позволяет локализовать в малой области зондирующее излучение и избежать рефракции на высокоскоростном потоке пламени, что невозможно предотвратить в стандартных методах подвода диагностического микроволнового излучения. Двухпроводная линия располагалась перпендикулярно потоку на расстоянии 15 см от кончиков электродов. Это предотвращало замыкание разряда на двухпроводную линию. Было получено, что концентра-
ция электронов при создании разряда в воздушном потоке без инжекции пропана и спирта не превышала 109 см-3. Первые же пуски с инжекцией газообразного или жидкого углеводорода привели к тому, что проволочки, находящиеся в зоне пламени, расплавлялись в течение 200-300 мс после начала горения. Этот факт был зафиксирован с помощью высокоскоростной видеокамеры. После этого была проведена модификация двухпроводной линии. Проволочки были заменены на пластины толщиной 1 мм и шириной 3 мм. Такая конструкция выдерживала тепловые нагрузки без расплавления в течение двух секунд.
Концентрация электронов, измеренная на расстоянии 15 см от электродов вниз по потоку с помощью модифицированной двухпроводной линии по поглощению зондирующего маломощного микроволнового излучения, представлена рис. 5. Видно, что концентрация электронов при создании разряда в воздушном потоке без инжекции углеводородов не превы-
шает величины
109
см -
'. При горении спирта кон-
центрация электронов в области пламени достигает величины 2 • 1011 см-3, а при горении пропана равна
3 • 1011 см-3
Рис. 5. Временной ход концентрации электронов, измеренный с помощью двухпроводной линии, помещенной на расстоянии г = 15 см от электродов: 1 — разряд постоянного тока в потоке воздуха; 2 — горение спирта; 3 — горение пропана
Температура пламени при горении углеводородного топлива измерялась также с помощью накаленного зонда. Расчет для плотности тока насыщения на двойной накаленный зонд проводился по формуле
И
/0 = АТ2 ехр
где А = А)(1 - г), А0 = 4п^2ше/Н = 120.4 А/(см2• К2), И — работа выхода электрона, в расчете принималось, что усредненный по энергиям коэффициент отражения электронов от поверхности эмиттера г = 0.3-0.7.
На рис. 6 представлена рассчитанная калибровочная зависимость тока насыщения на двойной вольфрамовый накаленный зонд от температуры. В эксперименте двойной зонд помещался на выходе из канала, в котором осуществлялось воспламенение и стабилизация горения высокоскоростного пропан-воздушного потока. Параметры двойного зонда: материал — вольфрамовая
1600
1700
1800
1900
Т, К
Рис. 6. Зависимость тока насыщения на двойной вольфрамовый накаленный зонд от температуры при г = 0.3 (1); 0.5 (2); 0.7 (3)
Рис. 7. Временной ход тока насыщения на двойной зонд, помещенный в область горения высокоскоростного пропан-воздушного потока
проволока диаметром 1 мм и длиной 2 см; расстояние между зондами 2 мм; напряжение между зондами 15 В. После воспламенения пропан-воздушного потока двойной зонд начинает нагреваться, что хорошо видно на рис. 7, где представлен временной ход тока насыщения на двойной зонд, помещенный в область горения высокоскоростного пропан-воздушного потока. Вначале, пока зонд не нагрет и термоэмиссионный ток с его поверхности равен нулю, регистрируемый ток определяется концентрацией заряженных частиц в потоке пламени. По мере нагревания зонда горячим потоком ток термоэлектронной эмиссии растет и спустя время приблизительно 1 с после начала горения он выходит на установившееся значение, т. е. температура зонда к этому времени принимает стационарное значение. Температура пламени на выходе из канала была определена по графику зависимости тока насыщения на двойной зонд от температуры (см. рис. 6) в предположении, что в установившемся режиме температура зонда равна температуре потока. В эксперименте ток термоэлектронной эмиссии за вычетом тока проводимости ионизованного газа (пламени) достигает 40 мкА. Этому соответствует температура пламени на выходе из канала Т = 1800-1850 К. Полученная с помощью наколенного зонда температура пламени с хорошей точностью совпадает с температурой, измеренной спектральным методом (см. рис. 3).
Для измерения полноты сгорания углеводородного топлива использовались несколько методик. Во-первых, в эксперименте измерялась температура пламени в условиях высокоскоростного горения. Зная секундный массовый расход воздуха и пропана, можно определить, сколько углеводородного топлива должно сгореть, чтобы нагреть струю пламени до измеренной температуры. Во-вторых, измерялась температура газа в закрытой камере сразу же после пуска. Зная массу воздуха в камере, можно определить, какое количество теплоты должно выделиться, чтобы нагреть всю газообразную среду до измеренной температуры, и соответственно сколько топлива должно при этом сгореть. В-третьих, проводилось измерение давления в закрытой камере в процессе пуска воздуха без разряда, с разрядом без горения и в результате горения углеводородного топлива. Отсюда также можно определить долю сгоревшего пропана. В-четвертых, проводилась регистрация концентрации паров воды в камере после сгорания пропана. Зная количество пропана, вводимого в поток, можно рассчитать концентрацию паров воды, которая должна образоваться при полном сгорании пропана. Сравнивая эту величину с измеренной концентрацией паров воды, образовавшейся в эксперименте, можно рассчитать полноту сгорания пропана. Так, например, при скорости потока 450 м/с при полном сгорании пропана должно было образоваться 14.2 г воды, а экспериментально измеренное по изменению абсолютной влажности в камере количество образовавшейся воды получилось 13.8 г. Этому соответствует полнота сгорания 97 %. Полнота сгорания определялась также с помощью датчика пропана, расположенного внутри закрытой камеры. Полученные таким образом результаты представлены на рис. 8. Видно, что в условиях комбинированного разряда в дозвуковом потоке происходит полное сгорание углеводородного топлива, а в сверхзвуковых потоках полнота сгорания достигает 95 %.
8,% 100
80
60
40
20
О 100 200 300 400 V, м/с
Рис. 8. Зависимость доли сгоревшего пропана от скорости пропан-воздушного потока
Полученные результаты подтверждают эффективность использования комбинированного разряда в плазменной аэродинамике.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 11-02-01091-а).
Список литературы
1. Константиновский Р.С., Шибков В.М., Шибкова Л.В. // Кинетика и катализ, 2005. 46, № 6. С. 821
2. Adamovich I.V., Lempert W.R., Nishihara M. et al. // J. Propulsion and Power. 2008. 24, N 6. P. 1198.
3. Starikovskaya S.M. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. 39. P. R265.
4. Shibkov V.M., Aleksandrov A.F., Chernikov V.A, et al. // Journal of Propulsion and Power. 2009. 25. N 1. P. 123.
5. Dutta A., Choi I., Uddi M.et.al. // Proc. 47th Aerospace Sci. Meeting and Exhibit. 5-8 January 2009. Orlando, USA. AIAA-2009-0821.
6. Starikovskii A.Y., Anikin N.B., Kosarev I.N. et al. // J. Propulsion and Power. 2008. 24, N 6. P. 1182.
7. Bityurin V.A. // Proc. 39th Aerospace Sci. Meeting and Exhibit. 2001. Reno, NV, USA, AIAA-2001-2874.
8. Шибкова Л.В. Физические процессы в движущейся плазме многокомпонентных инертных и химически активных смесей: Дисс. ... доктора физ.-мат. наук. М., 2007.
9. Vinogradov V.A., Shikhman Y.M., Kossiy I.A. et al. // Proc. 47th Aerospace Sci. Meeting and Exhibit. 5-8 January 2009. Orlando, USA. AIAA-2009-494.
10. Esakov I., Grachev L., Khodataev K., Van.Wie D. // Proc. 42nd Aerospace Sci. Meeting and Exhibit. 2004. Reno, USA. AIAA-2004-0840.
11. Шибкова Л.В. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2007. № 5. С. 62.
12. Александров А.Ф., Шибков В.М., Шибкова Л.В. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2008. № 5. С. 68.
13. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Громов В.Г. и др. // ТВТ. 2011. 49. № 2. С. 163.
14. Александров А.Ф., Шибков В.М., Шибкова Л.В. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2008. № 6. С. 65.
15. Шибков В.М., Шибкова Л.В. // ЖТФ. 2009. 79, № 10. С. 65.
16. Шибков В.М., Шибкова Л.В. // ЖТФ. 2010. 80, № 1. С. 59.
17. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Карачев А.А., Константиновский Р.С. // ТВТ. 2010. 48, № 1 (доп.). С. 23.
18. Копыл П.В., Сурконт О.С., Шибков В.М., Шибкова Л.В. // Физика плазмы. 2012. 38, № 6. С. 551.
19. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Карачев А.А. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2012. № 1. С. 141.
20. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Копыл П.В., Сурконт О.С. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2012. № 3. С. 68.
21. Зарин А.С., Кузовников А.А., Шибков В.М. Свободно локализованный СВЧ-разряд в воздухе. М., 1996.
22. Шибкова Л.В., Шибков В.М. Разряд в смесях инертных газов. М., 2005.
External combustion of high-speed multicomponent air-hydrocarbon streams under conditions of low-temperature plasma
A.Yu. Baurov, L.V. Shibkova, V.M. Shibkova, P.V. Kopyl, O.S. Surkont
Department of Physical Electronics, Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia. E-mail: a shibkov@phys.msu.ru.
Experimentally implemented an external (to the plate surface) combustion of high-speed multicomponent streams. It is shown that the heat flux from the combustion of alcohol increases about 7 times, and the combustion of propane gas 15 times compared to the heat flow from the discharge generated in a high speed air stream. The electron density, measured at 10 cm downstream from the tips of the electrodes, is about 109 cm-3 to create a discharge in a stream of air, while the combustion of alcohol is 2 • 1011 cm-3 , and the combustion of propane is 3 • 1011 см-3. Flame temperature varies from 2000 to 2500 K in the existence of the discharge area, and at a distance z = 20 cm from the electrodes is equal to 1800 K, gradually decreasing downstream. It is shown that complete combustion of liquid and gaseous hydrocarbons is realized under condition of a combined discharge in subsonic flow. In the supersonic flow combustion efficiency varies from 90 to 100% depending on the flow rate.
Keywords: low temperature plasma, high speed air flow, supersonic plasma aerodynamic, combustion. PACS: 52.80.-s, 82.33.Vx, 52.70.-m, 82.33.Xj. Received 4 February 2013.
English version: Moscow University Physics Bulletin 4(2013).
Сведения об авторах
1. Бауров Александр Юрьевич — аспирант; тел.: (495) 939-13-37, e-mail: abaurov@sk.ru.
2. Шибкова Лидия Владимировна — докт. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (495) 939-13-37, e-mail: shibkov@ph-elec.phys.msu.ru.
3. Шибков Валерий Михайлович — докт. физ.-мат. наук, профессор; тел.: (495) 939-13-37, (495) 939-25-47, e-mail: shibkov@phys.msu.ru.
4. Копыл Павел Владимирович — аспирант; тел.: (495) 939-13-37, e-mail: pavelkoyl@gmail.com.
5. Сурконт Олег Стефанович — мл. науч. сотрудник; тел.: (495) 939-13-37, e-mail: sur_oleg@mail.ru.
