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