|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Комбинированный разряд для плазменно-стимулированного воспламенения и стабилизации горения высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков.НИР
Using a combined discharge for plasma-assisted ignition and stabilization of combustion of high-speed air-hydrocarbon flows.
- Руководитель НИР: Логунов А.А.
- Участники НИР: Абушаев Т.Р., Корнев К.Н.
- Подразделение: Кафедра физической электроники
- Срок исполнения: 12 января 2023 г. - 31 декабря 2024 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 23-22-00233
- Номер ЦИТИС: 123021300266-0
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Физика плазмы
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: связанность территории Российской Федерации
- ПН России: Транспортные и космические системы
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.27.15 Излучение плазмы
- 29.27.29 Движущаяся плазма
- 29.27.43 Газовый разряд
- 29.27.49 Диагностика плазмы
- 29.27.51 Применение плазмы
-
Ключевые слова:
комбинированный разряд, сверхзвуковой поток, плазменно-стимулированное горение.
supersonic flow, plasma-assisted combustion., combined discharge -
Описание:
Создание низкотемпературной плазмы с помощью поперечно-продольного электродного разряда, а также его комбинации с подкритическим СВЧ-разрядом в условиях высокоскоростных многокомпонентных химически активных потоков. Ожидается получить высокоэффективную для плазменно-стимулированного воспламенения и горения высокоскоростных потоков комбинацию разрядов, в которой имеют место как термическое ускорение реакций горения, так и нетепловое воздействие.
-
Abstract:
Low-temperature plasma is currently widely used in various scientific and applied fields, such as energy, MHD generators, plasma-chemical reactors, for producing the active medium of high-power fast-flow lasers in the form of cold homogeneous plasma, for preheating the medium in thermonuclear fusion installations and in many other areas science and technology. For this purpose, various gas discharges are used, namely, high-voltage nanosecond discharges, barrier discharges (DBD), spark, arc, including sliding arc discharges, HF and microwave discharges, pulsed electrode transverse, longitudinal and transverse longitudinal discharges, laser sparks, volumetric and surface discharges, subsonic and supersonic plasmatrons and many others. The duration of discharge pulses is especially important for discharges created in high-speed gas flows, since in this case it is necessary to realize a rapid volumetric contribution of energy to the plasma. To use low-temperature plasma created using one or another type of electrical discharge, it is necessary to know the parameters of the plasma, as well as to study in detail the basic properties of the discharge. The scientific significance of the work is due to the fact that the study of the process of ignition and combustion of hydrocarbon mixtures under conditions of low-temperature plasma created using various types of electrical discharges or their combinations (combined discharge) in high-speed chemically active flows is important both from the point of view of fundamental studies of mechanisms and kinetics atomic-molecular transformations under these conditions, and from the point of view of optimization of plasma-chemical processes for their practical application. The relevance of the research is determined by the fact that the results obtained in the project will be of not only academic interest, but will also provide a scientific basis for the use of gas-discharge low-temperature plasma, in particular for rapid volumetric ignition and stabilization of the combustion of high-speed air-hydrocarbon flows. The scientific novelty of the research lies in the following aspects. A unique experimental stand has been developed, on which stabilization of the combustion of a supersonic propane-air flow inside a smooth (without stagnation zones) expanding aerodynamic channel was realized under conditions of low-temperature gas-discharge plasma. The installation is continuously being improved, and new methods for diagnosing gas discharge plasma are being developed. A diagnostic complex has been created that makes it possible to monitor the spatiotemporal evolution of discharges in real time, as well as measure the characteristics of plasma and flame during plasma-stimulated ignition of fuels.
-
Планируемые результаты:
Модернизировать экспериментальный стенд, позволяющий проводить эксперименты по изучению влияния низкотемпературной плазмы комбинированного разряда, создаваемого в скрещенных электрических и магнитных полях и аксиальных магнитных полях, на процессы, протекающие при воспламенении и стабилизации горения дозвуковых и сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков. Пространственно-временные распределения температуры газа, температуры и концентрации электронов в низкотемпературной плазме, создаваемой в дозвуковых и сверхзвуковых потоках воздуха без инжекции топлива. Данные о частоте пульсаций разряда и о величине энерговклада в область существования низкотемпературной плазмы в дозвуковых и сверхзвуковых потоках воздуха без инжекции топлива. Данные тестового эксперимента по созданию низкотемпературной плазмы с помощью комбинированного разряда в условиях высокоскоростных многокомпонентных химически активных потоков.
-
Научный задел:
- создан и надежно функционирует уникальный экспериментальный стенд, позволяющий изучать разряды в сверхзвуковых воздушных и воздушно-углеводородных потоках, создаваемых как в свободном пространстве, так и в аэродинамических каналах различной конфигурации; - разработаны методы диагностики быстропротекающих процессов в нестационарной плазме различного типа импульсных разрядов в неподвижном воздухе и в сверхзвуковом потоке газа; - изучались различные газовые разряды. Среди них: свободно локализованные СВЧ разряды, созданные сфокусированным пучком мощного электромагнитного излучения; поверхностные микроволновые разряды, создаваемые на диэлектрических антеннах, обтекаемых сверхзвуковыми потоками воздуха; разряды постоянного тока, импульсные разряды микросекундного и миллисекундного диапазона длительности; плазмодинамические импульсные разряды; электродные поперечные и продольные разряды; - реализован нестационарный пульсирующий разряд, создаваемый с помощью стационарного источника питания в дозвуковых и сверхзвуковых воздушных потоках; - впервые предложен, разработан и реализован новый тип СВЧ разряда, создаваемого поверхностной волной на диэлектрических антеннах различной конфигурации в сверхзвуковом потоке; - впервые реализовано быстрое в течение 1-10 мкс плазменно-стимулированное поверхностным СВЧ разрядом воспламенение сверхзвукового потока с числом Маха М=2 пропан-воздушной смеси; - показана возможность стабилизации сверхзвукового горения в условиях комбинированного СВЧ разряда; - выполнено математическое моделирование воспламенения сверхзвукового (М=2) пропан-воздушного потока. Выявлено, что в условиях, когда поверхностный СВЧ разряд рассматривается только как источник тепловой энергии, вводимой в пограничный слой, тепловое автовоспламенение не обеспечивает наблюдаемое в эксперименте значение периода индукции, показана необходимость учета плазменных эффектов.
-
Основные результаты:
Модернизировать экспериментальный стенд, позволяющий проводить эксперименты по изучению влияния низкотемпературной плазмы комбинированного разряда, создаваемого в скрещенных электрических и магнитных полях и аксиальных магнитных полях, на процессы, протекающие при воспламенении и стабилизации горения дозвуковых и сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков. Пространственно-временные распределения температуры газа, температуры и концентрации электронов в низкотемпературной плазме, создаваемой в дозвуковых и сверхзвуковых потоках воздуха без инжекции топлива. Данные о частоте пульсаций разряда и о величине энерговклада в область существования низкотемпературной плазмы в дозвуковых и сверхзвуковых потоках воздуха без инжекции топлива. Данные тестового эксперимента по созданию низкотемпературной плазмы с помощью комбинированного разряда в условиях высокоскоростных многокомпонентных химически активных потоков.
- Добавил в систему: Шибков Валерий Михайлович
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 12 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Комбинированный разряд для плазменно-стимулированного воспламенения и стабилизации горения высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков. |
| Результаты этапа: 1. В рамках модернизации экспериментального стенда разработан и изготовлен новый аэродинамический канал из диэлектрического материала с возможностью замены тестовой секции. Тестовая секция позволяет реализовать в потоке как продольно-поперечный разряд, так и инициируемый полуволновой антенной СВЧ разряд. Электродная система продольно-поперечного разряда имеет возможность плавной регулировки кратчайшего расстояния между катодом и анодом в пределах от 0.05 до 5 мм и угла раскрытия электродов относительно оси канала в пределах от 5 до 20 градусов. Изготовлена система крепления на аэродинамическом канале постоянных магнитов, позволяющую создавать поперечное потоку магнитное поле внутри канала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Изготовлена съемная система электромагнитных катушек для создания в разрядной области аксиальных магнитных полей, сонаправленных с газовым потоком. С помощью датчика холла проведена калибровка величины магнитного поля в тестовой секции в зависимости от расположения постоянных магнитов и их расстояний от оси аэродинамического канала и в зависимости от величины питающего электромагнитные катушки тока и их взаимного расположения на канале. Это позволило изучать влияние внешних магнитных полей на разряды в высокоскоростных потоках. Разработан и изготовлен диэлектрический фланец для герметичного сопряжения вакуумной камеры с аэродинамическим каналом и обеспечения различных режимов течения газов в канале. 2. Были апробированы и смонтированы на аэродинамический канал устройства диагностики: тензорезистивные датчики давления, термопары, тензометрический датчик усилия для определения генерируемой тяги, система для регистрации концентрации электронов в пламени на выходе из канала, двойные электрические зонды, световоды для регистрации и анализа спектра излучения плазмы и пламени из различных сечений канала и фотоэлектронный умножитель для регистрации временной зависимости интегральной интенсивности свечения. Диагностическая аппаратура подсоединена к автоматизированной системе сбора и обработки экспериментальных данных, обеспечена временная синхронизация работы всех частей экспериментального стенда с помощью специального микроконтроллерного программируемого устройства. Изготовлена специальная плата для гальванической развязки каналов многоканального осциллографа, необходимая для корректной работы диодных измерителей СВЧ мощности. Определен режим работы диодных измерителей СВЧ мощности и осуществлена их калибровка. Также проведены калибровки 6-канального оптического спектрометра по длинам волн и интенсивности для каждого из каналов с помощью специализированных спектральных ламп (гелиевой, водородной, ртутно-аргоновой и ленточно-вольфрамовой типа ТРШ 2850-3000). Определены аппаратные функции прибора. Выбраны и отлажены экспериментальные методы оптической диагностики плазмы изучаемых разрядов: методы определения газовых температур по неразрешенным структурам молекулярных полос, методы определения концентрации и температуры электронов по уширению атомарных линий за счет эффектов Штарка и Допплера, по величине спектрального континуума, по относительной интенсивности линий атомов меди. Проведены расчетные оценки, обосновывающие применимость выбранных методов. 3. Отлажена работа магнетронного генератора СВЧ излучения Г-5, необходимого для создания инициируемого полуволновой антенной СВЧ и комбинированного разрядов. Генератор рассчитан на работу в непрерывном режиме с выдаваемой мощностью до 5 кВт на частоте 2.45ГГц. Проведена калибровка выдаваемой им мощности излучения от тока анода магнетрона. Собран передающий тракт, включающий в себя волноводы стандартного сечения 90 мм х 45 мм, ферритовый циркулятор для защиты генератора от отраженного излучения, направленные ответвители для измерения падающей и отраженной мощностей, тестовую секцию с запредельными вставками, в которой реализуется СВЧ разряд, поглощающую согласованную оконечную нагрузку. Работа генератора обеспечивает возбуждение в тракте основной моды Н10. Тестовая секция была изготовлена из короткого участка волновода длиной 30см в широких стенках которого сделаны вырезы для вставляемого аэродинамического канала. Для устранения выхода СВЧ волны вдоль оси канала к основному волноводу тестовой секции были припаяны запредельные волноводные отрезки из листового металла длиной 4.5 см. Разработанная согласованная нагрузка и выполнена в виде заполняемого водой клина из оргстекла, объем которого известен, что позволяет определять поглощаемую мощность по повышению температуры воды. 4. Экспериментальный стенд был подготовлен к изучению плазменно-стимулированного воспламенения и горения углеводородного топлива в аэродинамическом канале под действием инициируемого полуволновой антенной СВЧ и комбинированного разрядов. Апробирована работоспособность экспериментального стенда при создании инициируемого полуволновой антенной СВЧ и комбинированного разрядов в дозвуковых и сверхзвуковых потоках воздуха без инжекции в поток топлива. 5. Проведены следующие экспериментальные исследования разрядов в воздушных потоках. а. Измерены зависимости напряженности электрического поля в плазменной петле продольно-поперечного разряда от кратчайшего расстояния между катодом и анодом, разрядного тока, величины и конфигурации постоянного магнитного поля. Изучена структура СВЧ разряда в зависимости от мощности подводимого СВЧ-излучения. b. Измерены пространственно-временные распределения температуры газа в потоке в тех же условиях, что и п. а. c. Измерены пространственно-временные распределения концентрации и температуры электронов в потоке в тех же условиях, что и п. а. d. Измерены частоты пульсаций плазменной петли продольно-поперечного разряда, напряжения на нем и разрядного тока в тех же условиях, что и п. а. e. Измерены величины вкладываемой энергии в область существования низкотемпературной плазмы, создаваемой с помощью исследуемых разрядов в высокоскоростных воздушных потоках. f. Для СВЧ разряда с помощью высокоскоростной видеосъемки изучена его структура в зависимости от условий в воздушном потоке. g. Проведены тестовые эксперименты по созданию низкотемпературной плазмы с помощью комбинированного разряда в условиях высокоскоростных воздушных потоков с инжекцией пропана и апробация комбинированного разряда для плазменно-стимулированного воспламенения потока. 6. Дополнительно были проведены численные исследования. a. Рассмотрены различные варианты программ для моделирования кинетики низкотемпературной плазмы. Была выбрана и освоена свободно-распространяемая программа ZDPlasKin. С использованием кинетической модели сухой азот-кислородной смеси проведено исследование 0-мерной кинетики плазмы некоторых режимов моделей продольно-поперечного и СВЧ разрядов в высокоскоростных потоках азот-кислородной смеси. Полученные результаты полезны с точки зрения оценки состава плазмы и ее температур. b. Изучены особенности распространения СВЧ волны в собранном тракте: получены зависимости КСВ и максимальной напряженности поля возле острия полуволновой антенны-инициатора от его длины и расположения в тестовой волноводной секции. Значение максимальной напряженности поля важно для понимания условий, при которых в потоке возможен пробой и зажигание СВЧ разряда. Также была рассчитана форма используемого в волноводном тракте водяного клина согласованной нагрузки для минимизации отражения СВЧ волны от него обратно в магнетронный источник. с. Изучены особенности воздушного течения в используемых в эксперименте аэродинамических каналах при наличии в нем изучаемых разрядов. Осуществлено аэродинамическое моделирование газового течения в канале, обтекания потоком создающих разряды элементов: электродов или стержня-инициатора. При этом использовались такие модели разряда как стационарная зона энерговклада в поток и канальная гидродинамическая модель. Изучены режимы течения в зависимости от задаваемых граничных условий давления на входном и выходном сечениях модели. Изучение этих режимов важно для правильного понимания газодинамических условий потока, в которых реализуются разряды. Проведенные в 2023 году технические, экспериментальные и расчетные работы позволяют приступить к следующим по плану проекта этапам исследований комбинированного разряда применительно для задач плазменно-стимулированного воспламенения и стабилизации горения высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков. | ||
| 2 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Комбинированный разряд для плазменно-стимулированного воспламенения и стабилизации горения высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков. |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".