горение сверхзвуковой пропан-воздушной смеси

В естник Мо сков ско г о унив ер сит е та. Серия
Физика. А с трономия.
3.
№
2008.
65
4
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ФИЗИКА ПЛАЗМЫ
УДК
533.95:537.52
ГОРЕНИЕ СВЕРХЗВУКОВОЙ ПРОПАН-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
В ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОМ РАЗРЯДЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА
А. Ф. Александров, А. Ю. Бауров, А. П. Ершов, А. А. Логунов,
В. А. Черников
(кафедра физической электроники)
E-mail: ershov@ph-elec.phys.msu.su
Приводятся результаты экспериментальных исследований горения сверхзвуково­
го потока пропан-воздушной смеси, инициированного разрядом постоянного тока.
Обнаружено, что характер режимов горения зависит от ряда начальных условий,
связанных
как
с
созданием
плазмы,
так
и
с
внешними
параметрами
сверхзвукового
потока.
В последние годы проявляется большой интерес
к электрическим разрядам в сверхзвуковых горючих
газовых
потоках.
Именно
электрические
разряды
позволяют в принципе обеспечить объемное и быст­
рое воспламенение и
горение топливно-воздушной
располагались
в
области
внезапного
расширения
сверхзвукового канала. Он создавался с помощью
источника
5
питания
с
выходным
кВ и максимальным током
напряжением
до
/
20
ность работы источника т могла изменяться в пре­
смеси, необходимое для эффективной работы прямо­
делах от
точных
в разряд средняя мощность не превышала
воздушно-реактивных
двигателей.
Однако
выбор оптимальных условий воспламенения и горе­
до
А. Длитель­
1
мс до нескольких секунд. Вкладываемая
Для регистрации
2.0
процесса горения и
кВт.
контроля
ния невозможен без фундаментальных эксперимен­
основных параметров сверхзвукового потока исполь­
тальных и теоретических исследований.
зовались
В настоящей работе изучались режимы плазмен­
но-стимулированного
горения
сверхзвукового
пото­
датчиков давления,
20
размещенных во
всех секциях канала. Кроме того, для регистрации
свечения
продуктов
горения
использовался
фото­
ка пропан-воздушной смеси при различных началь­
умножитель, расположенный на расстоянии
ных
электродов по потоку. В этом же месте проводилась
условиях,
связанных
с
внешними
параметрами
как плазмы (величина разрядного тока 1, длитель­
ность разряда т и т. п.), так и сверхзвукового потока
киносъемка
процесса
Проведенные
60
см от
горения.
исследования
показали,
что
ха­
(начальные давления в системах подачи воздуха Ро
рактер горения сверхзвуковой воздушно-пропановой
и
смеси существенным образом зависит от соотноше­
пропана
камере
р,
Ррг,
начальное давление в
соотношение
времен
балластной
напусков
воздуха
и пропана и длительности импульса тока).
В
экспериментах
использовалась
баллонно-ва­
ния
масс пропана
т. е.
от
того,
изменялось
го действия
в системе подачи
из
осесимметричного
ло Маха
25
Ее сверхзвуковой
мм и
сечения
щался
М =
сопла,
канал состоял
рассчитанного
на
чис­
формирующей секции диаметром
2,
четырех прямоугольных рабочих секций
20 х 40 мм 2 , в одной из которых разме­
генератор
плазмы,
диагностики
процессов
потока (рис.
1).
а
другие
служили
воспламенения
и
для
горения
На границе между формирующей
и рабочей секциями существует уступ, создающий
воздуха,
ли
тельно «богатой» или
куумная аэродинамическая труба кратковременно­
[ 1].
и
является
путем
поступающих
топливная
«бедной».
вариации
воздуха при
примеры
полученные
при
сигналов
величине
начального
давления
постоянном
давлении
с
атм
3.5
камере р =
ляла
2, а
приведены
датчиков
давления,
разрядного тока
и начальных давления воздуха Ро =
Ррг =
относи­
Это соотношение
в системе напуска пропана. На рис.
типичные
в канал,
смесь
3
15
А
атм и пропана
(начальное давление в
балластной
торр). Длительность разряда состав­
50
1 с.
Датчик
под
4
номером
на
этом
рисунке
ре­
зону внезапного расширения (застойную зону). Топ­
гистрирует
ливо
электроды расположены в области датчика с номе­
вводилось
в
канал
через
топливораздаточные
11,
давление
входе
11
канал,
ром
ны ближе к сверхзвуковому соплу против потока,
горения
потока
сверхзвуковой
а датчики с номерами больше
воздушно-пропановой смеси применялся разряд по­
канала от
стоянного
приведенного
тока
между
двумя
электродами,
которые
меньше
в
так и в область за уступом.
инициации
номерами
на
фланцы как непосредственно в сверхзвуковой тракт,
Для
датчики с
пропана
11
помеще­
размещены вдоль
11-го датчика по потоку. Как видно из
рисунка,
в
момент
начала
разряда
Вестник Московского университета. Серия
66
1
Рис.
3
2
4
Схема аэродинамического канала:
/.
система
7 -
кварцевое окно,
= 2)
осесимметричное сопло,
и зол ирующая вставка,
3 -
6 -
1-я секция камеры сгорания,
система
8 -
2008.
№
4
6
сверхзвуковое (М
1 -
5 -
инжекторов основной подачи топлива,
Физика. Астрономия.
5
инжекторов предварительной подачи топлива,
сгорания,
3.
2 -
система
4 -
2-я секция камеры
инжекторов дополн ительной подачи
топлива,
9 -
продольно-поперечный разряд
б
а
.. +
··.····•········
.... ........
4
....
т
.. .
..
. . ... •
.
1"'
/"'
•
... .. .
•
"':s:
~
:r
!;
9
"1
о
;:i::
•
.• ....
......... ... . ..
11
13
... •.. ..• ...
•.
.
•
,,,-:
.
·•···
··•····
.. .
и
.• J
/""
..
•
•
. ...
. . .
•
•
•••
•
•
•
.
• ... .•....
•
..• ....• ... .
. .
,
.•
.
• ... .
· •··
·---
,......
... • ... • ... .. . • .. .. ... • ..
•
... ...
• ·· 1······
... ...
···· ·•······
·····•····
. '
Разряд t= 1 с
.
• •
• •
.
'
..
..
~-
.
.. . . .
....
.• .
-- -;
'
--- ·
. ...
2.80
2.45
Осциллограммы
3.15
резкому
рения
канале,
что
повышению
топливной
сигналов
с
и
вышенное
давление
раз)
в
т. е.
канале.
существует
.
.......
с
датч иков
свечения
=3
не
менее
началу
При
столько
этом
давления
продуктов
атм, P µr
возрастание
соответствует
температуры,
смеси
t,
3.50
(верхний луч)
происходит ре зкое (в несколько
.
. . . . ..
!- ---, - ::::::: ::::
Ро
в
•··· ···
···•···
....
N ······•··.···· ···· •····
•
· -;---- ; · --
разрядного тока
давления
....... ... .. .....
!"-' ...
...···· .. . ... ...........
. . . ... ......
•
....
...... . •... ...
.... . ..
.
· •··
•
>
..
.•
-_,.__
•
············· ....
• •. ·Т т
. ................ .........
<i'-. .... ···•··· ........
•····•····
'
·· •···· ···· •· ···
•
....
.
.
•
···•
•
2.10
2.
.•
....
! •• • .
1.75
Рис.
..•. .
1
·········•···
...
•
•••••••.•
{
. '
........
····л
•
• •
•··
. r
;
.... ....... ... . ... .... •······
т
......... ···· 7 •... ... .... ,.. .....
··.···· •····
15
• •
•
> .......... . ... .... •······
........
Р.
"::;:
•
•
. . "..
. ,,, ··-·"
т
····~
7 ··•····•····
.. " ... ....
•
=5
при
стабильном
горения
режиме
(нижний луч)
горения
(6). / = 15
(а)
А,
атм
результатов
можно
виях реализуется
сказать,
режим
что
при
данных
стабильного
усло­
несамостоя­
го­
тельного горения топливной смеси в сверхзвуковом
по­
потоке.
времени,
При понижении начального давления в системе
сколько продолжается разряд. Таким образом, при
подачи
указанных
продолжается
«богатой» смеси, режим стабильного горения ста­
в течение времени существования разряда. Эти ре­
новится нестационарным. При этом горение стано­
зультаты подтверждаются
вится нестабильным: оно прекращается в течение
условиях
горение
и
смеси
данными,
полученными
с фотоумножителя, представленными на рис.
из
которого
следует,
что
длительность
2, 6,
свечения
воздуха,
импульса
т. е.
разряда,
при
затем
переходе
к
начинается
происходит несколько раз за ра з ряд.
относительно
вновь,
и
так
Можно ска­
продуктов горения (т. е. фактически время самого
зать, что в этом случае реали зуется нестабильный
горения смеси)
режим
практически
полностью совпадает
с длительностью разряда. На основании полученных
горения.
Введем
некоторый
коэффициент
К,
который
Вестник Московского университета. Серия
3.
Физика. Астрономия.
а
к
0.6
J
L.·
0.4
0.2
/4
3
5
4
о
Р0 ,атм
его
часть
td,
в течение которого
совпадает
со
соответствует горению смеси в течение вре­
мени существования
разряда.
При
этом
в случае
возникновения самостоятельного горения смеси
К
может принимать значения больше единицы.
3, а
10
18
14
/,А
=3
атм, Pµr
= 3.5
атм)
(! = 15 А,
(6); т = 1 с
интервале токов горение протекает в нестабильном
режиме.
Таким
временем
напуска пропана: К= tьftd. Отметим, что условие
На рис.
.
6
атм) (а) и от величины тока разряда (Ро
к тому интервалу времени
1
1
./
Зависимость коэффициента К от давления в системе подачи воздуха
3.
определим как отношение времени горения смеси tь
К=
/
0.4
2
= 3.5
или
~-
0.2
о
тока
б
1.0
0.8
0.6
~
импульс
67
1.2
//
0.8
Pµr
4
к
1.0
Рис.
№
2008.
менения
образом,
и
горения
исследование
режимов
сверхзвукового
воспла­
потока
воздуш­
но-пропановой смеси с помощью ППР показало, что
при относительно бедной смеси реализуется режим
стабильного
несамостоятельного горения,
который
при обогащении смеси переходит в нестационарный
представлена зависимость величи­
режим, а затем в режим
воспламенения.
Опреде­
ны К от давления в системе подачи воздуха, а на
лены границы существования стабильного горения
рис.
при
ные
3,
б
от величины разрядного тока, получен­
-
при
постоянном
начальном
подачи пропана Ррг =
3.5
давлении
в системе
атм.
жим стабильного несамостоятельного горения воз­
канале
реализуется
смеси
при
в
данном
давлении
сверхзвуковом
в
системе
по­
дачи воздуха больше
2.5 атм (при максимальном
6 атм), и при значениях разрядного тока
больше 13 А. При понижении давления в воздушной
системе от 2.5 до 1.5 атм реализуется нестабильный
режим горения, а при Ро < 1.5 атм горение вообще
значении
не наблюдается. Аналогичная зависимость наблю­
дается
и
при
уменьшении
изменении
величины
Работа
Из приведенных зависимостей следует, что ре­
душно-пропановой
и
величины
разрядного
начального
давления
в
ресивере
разрядного тока.
выполнена
при
финансовой
поддержке
комплексной программы научных исследований пре­
зидиума
РАН
«Исследование
мальных
условиях»
вещества
(подпрограмма
2
в
экстре ­
«Фундамен­
тальные проблемы магнитоплазменной аэродинами­
ки»)
и
программы
«Ориентированные
тальные исследования» (грант
фундамен­
07-01-12010).
Литература
1.
Александров А.Ф., Ершов А.П., Колесников Е.Б. и др .
11
Вестн. Мо ск . ун -та. Физ. Астрон.
2007. № 4. С. 77.
тока: при значениях тока меньше
наблюдается, при токах больше
9 А горение не
13 А реализуется
Поступила в редакцию
стабильный
в
20 .09. 2007
режим
горения,
а
промежуточном