CC BY
21
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ФИЗИКА ПЛАЗМЫ УДК 533.95: 537.52
ВОСПЛАМЕНЕНИЕ СВЕРХЗВУКОВОГО ПОТОКА ПРОПАН-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ
А. Ф. Александров, А. П. Ершов, А. А. Логунов, О. С. Сурконт, В. А. Черников, В. М. Шибков
(.кафедра физической электроники) E-mail: ershov@ph-elec.phys.msu.su
Экспериментально исследовано воспламенение сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси электродным разрядом при варьировании способа подачи пропана в сверхзвуковой поток, конфигурации электродов относительно потока и длительности энерговклада.
Еще в 1960-е годы в ЦАГИ был проведен цикл исследований электрических разрядов в сверхзвуковых потоках воздуха с целью нагрева последнего (см. обзор [1]). Сейчас разряды в сверхзвуковых потоках составляют обширный раздел плазменной аэродинамики, охватывая частотный диапазон от разрядов постоянного тока (РИТ) до сверхвысокочастотных (СВЧ) разрядов, причем не только в потоках воздуха, но и в топливно-воздушных смесях. Накопленный опыт позволяет утверждать, что применение газоразрядной плазмы является наиболее перспективным для воспламенения таких потоков. Однако выбор оптимальных условий воспламенения, т.е. способов организации разряда и его характеристик, далеко не закончен.
В настоящей работе изучались возможности воспламенения сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси электродным разрядом при варьировании способа подачи пропана в сверхзвуковой поток, конфигурации электродов относительно потока и длительности разрядного тока. В экспериментах использовалась баллонно-вакуумная аэродинамическая труба кратковременного (приблизительно 3 с) действия с соплом Лаваля, рассчитанным на число Маха М = 2, сверхзвуковой канал которой содержал рабочую секцию с зоной внезапного расширения, предотвращающую возможное запирание канала после воспламенения смеси [2]. В этой зоне зажигался тот или иной вид электродного разряда. Эксперименты были выполнены в диапазоне начальных давлений в системе подачи воздуха Po = 1 атм, давлений в барокамере р = 50-300 Topp и постоянном начальном давлении пропана Р\ =5 атм.
Были выполнено две серии экспериментов. В первой серии с помощью специального смесителя происходило предварительное (до сопла Лаваля) перемешивание воздуха с пропаном до соотношения, близкого к стехиометрическому. Секция, в которой
происходило воспламенение и проводились измерения, была выполнена из кварцевой трубы диаметром 50 мм и длиной 0.5 м.
Электрический разряд создавался как поперек, так и вдоль потока. Источником питания служил импульсный модулятор с регулируемым напряжением до 24 кВ, током до 40 А, длительностью импульсов г = 2-1000 мкс и частотой повторения импульсов / = 1-10 Гц. Модулятор также мог работать в режиме одиночных импульсов. Основные эксперименты были проведены с поперечным к потоку размещением электродов.
Для определения факта воспламенения потока использовались два независимых метода. В первом проводилась регистрация излучения радикала СН, во втором — регистрация заряженных частиц (электронов, ионов) с помощью электрического зонда [3]. Измерения проводились на большом (существенно превышающем протяженность разряда) расстоянии от электродов вниз по потоку.
Во второй серии экспериментов использовался аэродинамический канал, рабочая секция которого имела прямоугольное сечение с зоной внезапного расширения 25 х 40 мм (представляющей собой обратный уступ) и была снабжена кварцевыми окнами. За рабочей секцией размещались две измерительные секции того же сечения. Пропан вводился через топливораздаточные фланцы как непосредственно в сверхзвуковой тракт, так и в область за уступом. Для регистрации факта воспламенения использовались датчики давления, размещенные во всех секциях рабочего канала. Воспламенение потока осуществлялось продольно-поперечным разрядом (ПИР) постоянного тока, для создания которого использовался источник питания с выходным напряжением до 5 кВ и максимальным током до 20 А, величина которого регулировалась набором балластных сопротивлений.
а
б
Рис. 1. Воспламенение сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси: а — поперечным импульс-но-периодическим разрядом, = 2 атм, р = 200 Topp, т = 200 мкс, / = 10 Гц, I = 20 А; б — продольно-поперечным разрядом, т = 1 с, / = 18 А: без потока, р = 50 Topp (/); в потоке: Р$ = 2 атм, р = 50 Topp (2 — воздуха; 3 — пропан-воздушной смеси)
Интегральная картина разряда и воспламенения потока регистрировалась цифровым фотоаппаратом, скоростная съемка осуществлялась цифровой CCD камерой. Типичная картина воспламенения потока разрядом в двух описанных выше сериях экспериментов показана на рис. 1. Поток направлен сверху вниз для импульсного разряда и слева направо в случае ППР.
Измеренные осциллограммы напряжения разряда позволили аналогично [4] оценить среднее (по пространству и времени) значение электрического поля в разрядном канале. Сравнение значений электрического поля в импульсном поперечном разряде (ИПР), РПТ и ППР в сверхзвуковых потоках воздуха и при наличии добавки пропана, которая во всех экспериментах не превышала 30%, показано на рис. 2. Видно, что значение электрического поля в плазме определяется разрядным током и давлением в ресивере. Длительность импульса, конфигурация электродов относительно потока и добавка пропана практически не влияют на величину поля — отличие лежит в пределах ошибки измерений.
В экспериментах с воспламенением предварительно перемешанного потока импульсным разрядом определялась величина минимальной длительности импульса, необходимой для воспламенения, в зависимости от разрядного тока. Для этого использовался режим одиночного импульса; при данной величине тока длительность импульса уменьшалась до момента исчезновения сигналов излучения СН и зонда. Порог воспламенения определялся путем изменения тока при максимальной длительности импульса (« 1000 мкс).
В экспериментах с многоточечной подачей пропана в канал сначала находились оптимальные условия для воспламенения путем варьирования
Е, В/см
300
200
100
о •
▼
■D ^
т •
▼
J_I_I_I_I_I_I_I_
10
15
20 /, А 25
Рис. 2. Напряженность электрического поля в плазме электродных разрядов в сверхзвуковых потоках газа: 1 — = 1 атм, воздух, поперечный разряд: ■ - ИПР [4], □ - РПТ; 2 - Р0 = 4 атм: • — ИПР, воздух [4]; ▼ — ППР, воздух; о — ИПР, воздух с пропаном
отношения поступающих масс пропана и воздуха и положения электродов разряда. На рис. 3, а показана вероятность воспламенения пропан-воздушной смеси плазмой ППР в зависимости от массового соотношения пропана и воздуха (а = т\/т2, где гп\ и Ш2 — соответственно массы пропана и воздуха, поступающие в сверхзвуковой канал). Видно, что наилучшее воспламенение наблюдается при соотношении масс пропана и воздуха а £¿0.08. Далее вариацией тока определялся порог воспламенения.
Результаты этих экспериментов показаны на рис. 3, б. Измеренные зависимости электрического поля от разрядного тока позволяют представить полученные данные в энергетической переменной — удельной электрической мощности, вкладываемой в разряд, в зависимости от длительности импульса.
IE, кВт/см 2.5
0.16 а
500 х, мкс
Рис. 3. Относительная вероятность воспламенения смеси ППР от массового соотношения пропана и воздуха: Ро = 6 атм, р = 25 Тор, / = 18 А (а); пороги воспламенения сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси (б): 1 — ИПР для предварительно перемешанного потока стехиометрического состава; 2 — ППР при подаче в канал оптимальной доли пропана; 3 — ИПР для предварительно перемешанного потока в режиме генерации УВ, Ро = 4 атм, р = 200 Topp, М = 2
Видно, что с уменьшением тока минимальная длительность импульса, обеспечивающая воспламенение предварительно перемешанной смеси, увеличивается, при этом наблюдается порог по мощности на единицу длины разрядного канала £7 «0.5 кВт/см. Для ППР и оптимальной доли пропана, инжектируемой в канал, порог воспламенения выше и составляет £7 и 0.8 кВт/см. По-видимому, это связано с неполным перемешиванием пропана с воздухом. Наконец, при высоких энерговкладах наблюдается воспламенение с генерацией ударной волны, порог этого эффекта приблизительно в три раза превышает порог обычного воспламенения.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы фундаментальных исследований президиума РАН № П-09 «Исследование вещества в экстремальных условиях>>, подпрограмма 2 «Фунда-
ментальные проблемы магнитоплазменной аэродинамики».
Литература
1. Алферов В.И. // Известия РАН. МЖГ. 2004. № 6. С. 163.
2. Ершов А.П., Сурконт О.С., Тимофеев И. Б. и др. // Нелинейный мир. 2005. 3, № 1-2. С. 54.
3. Ardelyan N.V., Ershov А.Р., Chuvashev S.N. et al. 11 A2nd AIAA Aerospace sciences meeting and exhibit. Reno (USA), 2004. AIAA 2004-1016.
4. Ершов А.П., Сурконт О.С., Тимофеев И.Б. и др. // ТВТ. 2004. 42, № 4. С. 516.
Поступила в редакцию 06.07.07
