CC BY
75
УДК 536.46; 537.29
В.В. АФАНАСЬЕВ, С В. ИЛЬИН, А.В. ЛАПИН
ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ РАЗРЯДОВ НА ПРЕДДЕТОНАЦИОННОЕ УСКОРЕНИЕ ПЛАМЕНИ*
Задача управления переходными процессами при инициировании детонации является важной как с точки зрения решения ряда технических задач, так и исследования комплекса фундаментальных проблем, связанных с турбулентным горением. В технических приложениях с этой задачей сталкиваются при создании перспективных высокоэффективных пульсирующих двигателей детонационного горения, при решении ряда вопросов, связанных с разработкой безопасных методов работы в детонационных устройствах. Фундаментальная проблематика данной задачи заключается в том, что до сих пор нет полной ясности в понимании природы и свойств турбулентного горения, влияния на него внешних воздействий, закономерностей его перехода в детонацию.
В работах [1, 2] было показано, что с помощью электрических разрядов можно управлять устойчивостью горения в модельных камерах сгорания. Так, диффузный электрический разряд, стабилизированный по току и локализованный в зоне горения, подавляет акустические неустойчивости, и, наоборот, разряд, стабилизированный по напряжению, раскачивает и усиливает эти неустойчивости.
Дальнейшее развитие этого подхода показало [3], что с помощью электрических разрядов можно управлять турбулентной скоростью горения в полузакрытых трубах. Это позволяет использовать электрические разряды для активного управления длиной переходного участка при инициировании детонации в трубах. Решение этой технической задачи является актуальным в связи с созданием двигателей пульсирующего горения. Для реальных двигателей пульсирующего горения необходимо инициировать детонацию в смесях углеводородных топлив с воздухом в достаточно коротких трубах (порядка 1м).
Анализ экспериментальных данных, приведенных в [3] для случая стабилизированного по напряжению разряда с постоянным током, показывает, что полоса пропускания цепи обратной связи блока питания разряда существенно влияет на спектр турбулентных пульсаций скорости горения. Очевидно, что флуктуация тока пропорциональна изменению электрической проводимости фронта горения, которая, в свою очередь, связана с площадью поверхности пламени. Известно [4], что увеличение площади поверхности пламени за счет её турбулизации сопровождается ускорением фронта пламени и увеличением турбулентной скорости горения. Поэтому чем более высокочастотные составляющие присутствуют в спектре пульсаций тока, тем мелко-
* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (проект №05-03-32900а).
масштабнее турбулентность и тем выше турбулентная скорость горения. Это подтверждают осциллограммы напряжения и тока разряда при распространении фронта горения в прямоугольной трубе в пропановоздушных смесях, обогащенных кислородом, при наложении на зону горения стабилизированного по напряжению разряда постоянного тока (рис.1). Видно, что длительности бросков тока разряда имеют порядок т< 1мс, что соответствует характерной частоте порядка 1 кГц. Блок питания разряда постоянного тока, использованный в этом эксперименте, имеет верхнюю границу частоты. Полосы пропускания цепи обратной связи порядка 1 кГц. Поэтому для более высокочастотных составляющих пульсаций тока данный блок питания не позволял поддерживать условия стабилизации разряда по напряжению.
0 Б 10 1Б 20 25 30
Време (мс)
Рис. 1. Осциллограммы тока и напряжения для разряда постоянного тока стабилизированного по напряжению. Объемная концентрация 30%02+ 6%С3Н8+64%К2
Данные результаты позволяют сделать предположение, что чем выше частота полосы пропускания цепи обратной связи блока питания, тем более высокочастотная турбулетность раскачивается в зоне горения при наложении стабилизированного по напряжению разряда. Результаты экспериментов, приведенные в [3], показывают, что скорости распространения порядка 1000 м/с и выше в коротких гладких трубах достигаются только с обогащением воздуха кислородом. Однако в области ракетодвигателестроения практический интерес представляют эксперименты, подтверждающие возможность получения детонации в коротких трубах в углеводородовоздушных смесях без обогащения воздуха кислородом и при минимальных энергиях инициирования начального очага воспламенения. На наш взгляд, это может быть достигнуто при совместном использовании известных способов интенсификации скорости горения - установкой турбулизаторов в трубе, форкамерного воспламенения и воздействия на зону горения стабилизированным по напряже-
нию высокочастотным разрядом. Первые два способа достаточно подробно изучены и описаны в литературе. Необходимость применения высокочастотного разряда обусловлена его преимуществами перед разрядом постоянного тока. Он имеет более устойчивую область существования диффузного разряда при широком изменении внешних параметров, низкое напряжение горения и большие значения токов шнурования. В самом деле, эксперименты на горелке Бунзена показали, что при использовании высокочастотного разряда с несущей частотой 5 МГц значения токов шнурования возрастают в 3-4 раза. В этом случае отсутствует также гидродинамический механизм влияния электрического поля на процессы горения [6].
□ 0 5 1 15 2
Время (мс)
Рис. 2. Типичные осцилограммы светимости
Целью данной работы является исследование влияния высокочастотного стабилизированного по амплитуде напряжения разряда на переход медленного горения в детонаицю.
Эксперименты по управлению преддетонационным распространением фронта пламени проводились в полуоткрытой круглой металлической трубе с внутренним диаметром 56 мм, длиной 1250 мм и толщиной стенок 9 мм. В центре трубы устанавливался изолированный коаксиальный электрод диаметром 8 мм. Другим электродом служили стенки самой трубы. Высокочастотный блок питания разряда изготавливался на основе задающего генератора с несущей частотой 3 МГц и усилителя мощностью 200 Вт. Амплитуда высокочастотного напряжения поддерживалась постоянной с помощью цепи обратной связи. Методика измерения скорости фронта горения, разрядного тока, напряжения, подаваемых на электроды, приведена в работе [3].
Типичные осциллограммы излучения радикала СН на длине волны 0,43 мкм при наложении на зону горения стабилизированного по амплитуде напряжения высокочастотного разряда (а) и без разряда (б) приведены на рис. 2,
на котором видно, что наложение разряда существенно уменьшает время распространения фронта горения и, соответственно, увеличивает турбулентную скорость распространения фронта горения в трубе.
а
1000
% С3 Нд (Обьемная концонтрация) б
Рис. 3. Влияние стабилизированного по напряжению разряда на распределение значения скоростей распространения фронта пламени по длине трубы для стехиометрической и пропановоздушной смеси (а) и скорости распространения пламени на выходе из трубы в зависимости от состава смеси (б) : 1 - с разрядом; 2 - без разряда
На рис. 3, а показаны распределения локальных скоростей горения по длине трубы. Высокочастотный разряд, стабилизированный по амплитуде напряжения, увеличивает скорость распространения фронта горения на выходе из трубы почти в полтора раза при прочих равных условиях. Влияние разряда на скорость распространения пламени на выходе из трубы в зависимости от процентного содержания пропана в воздухе приведено на рис. 3, а. Наибольшее увеличение скорости наблюдается в стехиометрических и бедных смесях.
Экспериментальное исследование эффектов увеличения нормальной скорости горения в допробойных высокочастотных электрических полях
проводилось в работе [7]. Показано, что при наложении высокочастотного разряда на стационарный фронт пламени при эффективных напряженностях ВЧ-полей порядка 400 В/см и несущей частоте 5 МГц нормальная скорость горения для стехиометрических смесей увеличивается на величину порядка 10-15% . В нашем случае повышение скорости горения превосходит эту величину. Известно, что преддетонационные процессы характеризуются турбу-лизацией волны горения. Согласно [8] ускорение пламени сильно зависит от движения газа перед фронтом пламени. В результате трения газа о стенки трубы возникает турбулизация газа в свежей смеси, сопровождающаяся неравномерным распределением профиля скоростей. Набегающий турбулентный поток турбулизирует фронт горения и вызывает увеличение его скорости. Последнее позволяет сделать предположение, что разряд, стабилизированный по напряжению, дополнительно турбулизирует фронт горения и поэтому скорость распространения фронта горения увеличивается.
Рассмотрим качественный механизм влияния стабилизированного по току или напряжению разряда на устойчивость плоского фронта пламени к случайным пространственным возмущениям в рамках диффузионнотепловой теории горения с бесконечно узкой зоной химических реакций. Схему изменения во времени плоского фронта пламени с пространственными возмущениями при воздействии разряда представим по аналогии с диффузионно-тепловой неустойчивостью пламени (рис.4).
На рис. 4 тепловой поток показан темными стрелками, а диффузионный -светлыми.
Заметим, что если пламя плоское, то соотношение между двумя процессами - диффузии и теплопроводности - не приводит к изменению формы пламени. Согласно [7], если на поверхности пламени появляются возмущения, то на выпуклых участках (зона Б) диффузионный поток становится сходящимся, а на вогнутых (зона А) - расходящимся. Это приводит к тому, что скорость горения на выпуклых участках увеличивается, а на вогнутых участках - уменьшается по сравнению с плоским пламенем, т.е. процесс диффузии недостающего реагента, смещающего состав смеси в сторону стехиометрии, дестабилизирует пламя.
Тепловой поток, наоборот, на выпуклых участках расходится, а на вогнутых - сходится. Поэтому свежая смесь в зоне А прогревается и сгорает быстрее, а в зоне Б - медленнее, чем на плоских участках, т.е. теплопроводность оказывает стабилизирующее действие на пламя.
В случае наложения электрического разряда на зону горения будем полагать, что кроме теплового потока (в результате джоулева тепловыделения) дополнительного изменения диффузионного потока недостающего реагента не происходит.
Пусть произошло случайное искривление произвольно конечного малого участка фронта пламени. Если разряд локализован в волне горения (где максимальная неравновесная концентрация электронов), то в случае стабилизированного по напряжению разряда к зоне химической реакции будет подводиться
дополнительно джоулево тепло 5Q=(AU)25o. В этом выражении Ди - падение напряжения на участке фронта пламени, 5а - проводимость участка. Для стабилизированного по току разряда 5Q=I25R (I - ток, проходящий через поперечное сечение фронта пламени, 5R - сопротивление данного участка пламени). При этом чем больше амплитуда искривления этого участка фронта пламени, тем больше его электрическое сопротивление и, соответственно, меньше проводимость. Подводимое к участку пламени тепло уменьшается при стабилизации разряда по напряжению и наоборот, увеличивается при стабилизации по току. Поскольку вогнутые участки фронта пламени (зона А) в тепловом отношении оказываются в более благоприятном положении, чем выпуклые (зона Б), то тепло аккумулируется в вогнутом участке и рассеивается в выпуклом. Поэтому стабилизированный по току разряд при увеличении амплитуды пространственных возмущений увеличивает нормальную скорость горения за счет увеличения температуры, а стабилизированный по напряжению разряд, наоборот, приводит к ее уменьшению. В результате этого при наложении стабилизированного по напряжению разряда искривленность фронта пламени должна увеличиваться, а при наложении стабилизированного по току разряда - уменьшаться. За счет этих эффектов, как мы предполагаем, и происходит увеличение интенсивности турбулизации фронта горения при наложении стабилизированного по напряжению разряда. Однако последнее требует дополнительных исследований с применением оптических методов визуализации.
Рис. 4. Схема диффузионно-тепловой неустойчивости пламени Таким образом, экспериментально показано, что стабилизированный по напряжению высокочастотный разряд увеличивает турбулентную скорость распространения фронта пламени более чем в 1,5 раза. Предложено качественное объяснение влияния разрядов на турбулизацию волны горения.
Литература
1. Afanasyev V. V., Ilin S.V., Kidin N. I. Active control of Combustion Instabilities by Electric Discharges Tenth ONR Propulsion Meeting. NPS. Monterey, 1997. P. 118-119.
2. Афанасьев В.В. Активное управление устойчивостью горения электрическими разрядами // Физика горения и взрыва. 1999. Т. 35, №3. С. 43-52.
3. Афанасьев В.В., Ильин С.В., Кидин Н.И. Управление преддетонационным ускорением пламени в полуоткрытых каналах с помощью электрического разряда // Химическая физика. 2001. Т. 20, №5. С. 3-9.
4. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 478 с.
5. ВелиховЕ.П. Физические явления в газоразрядной плазме. М.: Наука, 1987. 187 с.
6. Махвиладзе Г.М., Мышенков В.И. Тепловой механизм увеличения нормальной скорости распространения пламени в допробойном электрическом поле // ПМТФ. 1977. №2. С. 29-38.
7. Jaggers H.C., Engel A., von. The effect of electric fields on the burning velocity of various flames. 1971. Vol. 16, №3. P. 275-281.
8. Щелкин К.И. Влияние шероховатости трубы на возникновение и распространение детонации в газах // ЖЭТФ. 1940. Т.10. С. 823-827.
АФАНАСЬЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ родился в 1952 г. Окончил Чувашский государственный университет. Доктор технических наук, проректор по научно-инновационной работе Чувашского университета. Автор более 150 научных работ, в том числе 8 свидетельств и патентов на изобретения в области диагностики и управления процессами горения.
ИЛЬИН СТАНИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ родился в 1955 г. Окончил Казанский государственный университет. Старший научный сотрудник кафедры теплоэнергетических установок Чувашского государственного университета. Автор более 70 научных работ в области физики горения.
ЛАПИН АЛЕКСЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ родился 1972 г. Окончил Чувашский государственный университет. Заведующий лабораториями кафедры теплоэнергетических установок Чувашского университета. Автор 7 научных работ в области управления процессами горения.
