Использование СВЧ-разряда для воспламенения топливовоздушной смеси при высоких скоростях потока
Опубликовано: 07.12.2023
Авторы: Комратов Д.В., Чирков А.Ю.
Опубликовано в выпуске: #12(144)/2023
DOI: 10.18698/2308-6033-2023-12-2321
Раздел: Механика | Рубрика: Механика жидкости, газа и плазмы
Рассмотрен процесс взаимодействия СВЧ-разряда со сверхзвуковым потоком топливной смеси при числе Маха 1,6. Приведен обзор применения разрядов для воспламенения топлива в различных условиях по давлению, скорости потока и подводимой энергии в разрядах. Представлены экспериментальные результаты исследования зажигания гомогенной пропан-воздушной смеси по температуре и давлению на выходе из канала диаметром 14 мм при варьировании коэффициента избытка окислителя от 1,3 до 0,75 и давления от 0,15 до 0,1 атм. Анализ экспериментальных результатов выполнен на основе моделирования и одномерных оценок. Основанные на балансе энергии, оценки по экспериментальным данным позволили показать различие энергии в зависимости от реализации химических превращений, что качественно свидетельствует о протекании этих процессов. Реализация воспламенения в данных условиях при статическом давлении около 0,1 атм и полной температуре 290K другими способами затруднительна, тогда как применение СВЧ-разряда позволяет инициировать горение.
Литература
[1] Aleksandrov A., Bychkov V., Chernikov V., Dvinin S., Ershov A., Shibkov V.M. Arc discharge as a means for ignition and combustion of propane-air mixture supersonic flow. In: Proc. of the 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, USA, 2006. https://doi.org/10.2514/6.2006-1462
[2] Alexandrov A.F., Timofeev A.F., Esakov I.I., Vinogradov V.A. The effect of plasma Formations on Ignition and Combustion. AIAA Paper, 2004, pp. 11089–11100.
[3] Esakov I., Grachev L., Khodataev K., Vingradov V.A., Van Wie D.M. Propane-air mixture combustion efficiency in deeply undercritical MW discharge area in Cold High-Speed Airflow. In: 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, USA, 2006. https://doi.org/10.2514/6.2006-1212
[4] Esakov I.I., Grachev L.P., Khodataev K.V., Vinogradov V.A., Van Wie D.M. Propane-air mixture combustion assisted by MW discharge in a speedy airflow. IEEE Transactions on Plasma Science, 2006, vol. 34, no. 6, pp. 2497–2506. https://doi.org/10.1109/TPS.2006.886090
[5] Vinogradov V., Shikhman Y., Kossiy I., Gritsinin S., Davidov A. Effect of energy level supplied to magnetron on perfomance of surface discharge MW generator. In: 47th Aerospace Sciences Conference. Orlando, USA, 2009. https://doi.org/10.2514/6.2009-494
[6] Davydov A.M., Gritsinin S.I., Kossyi I.A., Shikhman Y.M., Vinogradov V.A. Application of MW plasma generator for ignition of kerosene. air mixture. IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, vol. 36, no. 6, pp. 2909–2917, https://doi.org/10.1109/TPS.2008.2006977
[7] Alexandrov K., Alfeev E., Grachev L., Esakov I., Khomenko I., Khodataev K., Vinogradov V. Experimental investigation of surface discharge in a focused beam of microwave radiation at wavelengths of 2.5 cm and 8.9 cm. In: 47th Aerospace Sciences Conference. Orlando, USA, 2009. https://doi.org/10.2514/6.2009-845
[8] Esakov I., Grachev L., Khodataev K., Vinogradov V., Van Wie D. A System of deeply subcritical microwave discharges in a supersonic air stream. In: 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Orlando, USA, 2010. https://doi.org/10.2514/6.2010-1197
[9] Булат П.В., Есаков И.И., Волобуев И.А., Грачев Л.П. О возможности ускорения горения в камерах сгорания перспективных реактивных двигателей при помощи глубоко подкритического СВЧ-разряда. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, т. 16, № 2, с. 382–385.
[10] Алферов В.И., Бумшин А.С. Электрический разряд в сверхзвуковом потоке воздуха. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1963, т. 44, № 6, с. 1771–1775.
[11] Алферов В.И., Бумшин А.С., Калачев Б.В. Экспериментальные исследования свойств электрического разряда в потоке воздуха. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1966, т. 51, № 5, с. 1281–1287.
[12] Александров А.Ф., Ершов А.П., Логунов А.А., Сурконт О.С., Черников В.А., Шибков В.М. Воспламенение сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси электрическим разрядом. Вестник московского университета. Сер. 3: Физика. Астрономия, 2008, № 1, с. 78–80.
[13] Ефимов Б.Г., Иванов В.В., Скворцов В.В. Инициирование и стабилизация горения при низких давления и температуре с помощью неравновесного электрического разряда. Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2008, № 5, с. 153–160.
[14] Ефимов Б.Г., Иванов В.В., Скворцов В.В., Стародубцев М.А. Стабилизация горения пропана в сверхзвуковом потоке воздуха с помощью неравновесного продольного разряда и соосной с ним локальной зоны пониженного давления. Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2010, № 4, с. 142–151.
[15] Ефимов Б.Г., Иванов В.В., Иншаков С.И., Скворцов В.В., Стародубцев М.А. Исследование формирования пространственного положения продольного разряда в сверхзвуковом потоке с помощью подбора конфигурации анода в условиях инжекции пропана и керосина в зону разряда. Теплофизика высоких температур, 2011, т. 49, № 4, с. 497–504.
[16] Скворцов В.В. Экспериментальные исследования ряда схем неравновесных электродных разрядов для воспламенения и стабилизации горения в сверхзвуковых потоках. Ученые записки ЦАГИ, 2011, т. XLII, № 3, с. 3–24.
[17] Леонов С.Б., Савелкин К.В., Фирсов А.А., Яранцев Д.А. Зажагиание топлива и стабилизация фронта пламени в сверхзвуковом потоке при помощи электрического разряда. Телофизика высоких температур, 2010, т. 48, № 6, с. 941–947.
[18] Битюрин В.А., Великодный В.Ю., Толкунов Б.Н., Быков А.А., Дырен-ков А.В., Попов В.В. Экспериментальное исследование процессов поджига и стабилизации горения жидких углеводородных топлив электрическим дуговым разрядом. Прикладная физика, 2011, № 4, c. 36–41.
[19] Зудов В.Н., Грачев Г.Н., Крайнев В.Л., Смирнов А.Л., Третьяков П.К., Тупикин А.В. Инициирование горения оптическим разрядом в сверх-звуковой метановоздушной струе. Физика горения и взрыва, 2013, т. 49, № 2, с. 144–147.
[20] Gibbons N., Gehre R., Brieschenk S., Wheatley V. Simulation of Laser-Induced-Plasma Ignition in a Hypersonic Crossflow. AIAA Journal, 2018, vol. 56, no. 8, pp. 3047–3059. https://doi.org/10.2514/1.J055821
[21] Шибков В.М., Двинин С.А., Ершов А.П., Константиновский Р.С., Сур-конт О.С., Черников В.А., Шибкова Л.В. Поверхностный сверхвысоко-частотный разряд в воздухе. Физика плазмы, 2007, т. 33, № 1, с. 77–85.
[22] Александров А.Ф., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Поверхностный СВЧ-разряд в высокоскоростных воздушно-углеводородных потоках. Вестник Московского университета. Сер. 3: Физика. Астрономия, 2008, т. 3, № 5, с. 68–69.
[23] Александров А.Ф., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Газодинамические возмущения в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда в воздухе. Теплофизика высоких температур, 2010, т. 48, № 5, с. 643–652.
[24] Шибков В.М., Шибкова Л.В., Громов В.Г., Карачев А.А., Константиновский Р.С. Влияние поверхностного СВЧ-разряда на воспламенение высоко-скоростных пропан-воздушных потоков. Теплофизика высоких температур, 2011, т. 49, № 2, с. 163–176.
[25] Бауров А.Ю., Шибкова Л.В., Шибков В.М., Копыл П.В., Сурконт О.С. Внешнее горение высокоскоростных многокомпонентных воздушно-углеводородных потоков в условиях низкотемпературной плазмы. Вестник Московского университета. Физика, 2013, № 4, с. 28–33.
[26] Булат П.В., Волков К.Н., Грачев Л.П., Есаков И.И., Раваев А.А. Зажигание горючей смеси газов микроволновым подкритическим стримерным разрядом в высокоскоростном потоке. Физико-химическая кинетика в газо-вой динамике, 2022, т. 23, № 5, c. 93–110.
[27] Грачев Л.П., Есаков И.И., Ходатаев К.В. Стримерный СВЧ-разряд в сверхзвуковом потоке воздуха. Журнал технической физики, 1999, т. 69, № 11, с. 14–18.
[28] Бычков В.Л., Грачев Л.П., Есаков И.И., Раваев А.А., Ходатаев К.В. Продольный электрический разряд постоянного тока в сверхзвуковом потоке воздуха. Журнал технической физики, 2004, т. 74, № 7, с. 27–32.
[29] Александров К.В., Грачев Л.П., Есаков И.И. СВЧ-пробой воздуха, инициированный электромагнитным вибратором малой длины. Журнал технической физики, 2007, т. 77, № 12, с. 26–30.
[30] Александров К.В., Грачев Л.П., Есаков И.И., Федорков В.В., Ходатаев К.В. Области реализации различных типов СВЧ-разряда в квазиоптических электромагнитных пучках. Журнал технической физики, 2006, т. 76, № 11, с. 52–60.
[31] Александров К.В., Грачев Л.П., Есаков И.И., Раваев А.А., Северинов Л.Г. Характеристики расположенного над экраном электромагнитного вибратора — инициатора электрического пробоя газа в квазиоптическом СВЧ-пучке. Радиотехника и электроника, 2011, т. 56, № 11, с. 1387–1393.
[32] Грачев Л.П., Есаков И.И., Раваев А.А., Яковлев А.Ю. Инициированный электромагнтным вибратором газовый электрический разряд в квазиопти-ческом сверхвысокочастотном пучке с глубоко подкритическим уровнем поля. Радиотехника и электроника, 2017, т. 62, № 4, с. 386–391.
[33] Бычков В.Л., Грачев Л.П., Есаков И.И., Раваев А.А., Буслеев Н.И. Отлипание электронов от молекул кислорода воздуха в интенсивном электрическом поле. Журнал технической физики, 2017, т. 87, № 9, с. 1322–1326.
[34] Starikovskaia S.M., Kukaev E.N., Kuksin A.Y., Nudnova M.M., Starikovskii A.Y. Analysis of the spatial uniformity of the combustion of a gaseous mixture initiated by a nanosecond descharge. Combustion and Flame, 2004, no. 139, pp. 177–187.
[35] Anikin N.B., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Y. Oxidation of saturated hydrocarbons under the effect of nanosecond pulsed space discharge. Journal of Physics D: Applied Physics, 2006, vol. 39, no. 15, pp. 56–67.
[36] Starikovskaia S.M. Plasma assisted ignition and combustion. Journal of Physics D: Applied Physics, 2006, vol. 39, no. 16, pp. 58–67.
[37] Starikovskii A.Y. Plasma supported combustion. Proceedings of the Combustion Institute, 2005, no. 30, pp. 2405–2417.
[38] Стариковский А.В., Коробков С.В., Гущин М.Е., Евтушенко А.А., Зудин И.Ю. Параметры плазмы крупномасштабного высоковольтного разряда в воздухе при пониженном давлении. Физика плазмы, 2019, т. 45, № 6, с. 487–497, https://doi.org/10.1134/S1063780X19060102
[39] Yiguang J., Wenting S. Plasma Assisted combustion: Dynamics and chemestry. Progress in Energy and Combustion Science, 2015, no. 48, pp. 21–83.
[40] Руководство пользователя CHEMKIN. URL: https://personal.ems.psu.edu/~radovic/ChemKin_Tutorial_2-3-7.pdf