ОГЛАВЛЕНИЕ
2
Оглавление
Оглавление
1 ВВЕДЕНИЕ
1.1 Постановка задачи ...........................................................
1.2 Научная новизна..............................................................
1.3 Основные положения, выносимые на защиту......................................
1.4 Структура работы.............................................................
2 Обзор литературы
2.1 Разряды атмосферного давления и пробой.......................................
2.1.1 История изучения дуговых разрядов при атмосферном давлении............
2.1.2 Отрыв температуры электронов в неравновесной плазме...................
2.1.3 Каналы вложения энергии в неравновесной воздушной плазме..............
2.1.4 Электрический пробой в плотных газах................................ .
2.2 Применение плазмы в задачах плазменно-управляемой аэродинамики...............
2.2.1 Баллистические эксперименты ..........................................
2.2.2 Ударно-волновые эксперименты..........................................
2.2.3 Взаимодействие поверхностных разрядов с потоком.......................
2.2.4 Плазменные актуаторы с барьерным разрядом для контроля дозвукового обтекания крыла .............................................................
2.3 Применение плазмы в задачах плазменно-стимулированного горения и воспламенения
2.3.1 Механизмы воздействия плазмы на процессы горения......................
2.3.2 Разряды, используемые в задачах плазменно-стимулированного горения . .
2.3.3 Плазменно-стимулированное горение.....................................
2.3.4 Производство N0 в пламенах и в послесвечении неравновесного разряда . .
2.3.5 Наработка атомарных кислорода и азота и электронно-возбужденного азота в неравновесном разряде......................................................
3 Газодинамические процессы, инициированные быстрой термализацией плазмы высоковольтного наносекундного скользящего разряда
3.1 Энергетический и импульсный подходы в задачах плазменно-управляемой аэродинамики ....................................................................
3.2 Высоковольный наносекундный скользящий разряд................................
3.2.1 Параметры разрядного промежутка.......................................
3.2.2 Геометрия плазменного слоя и однородность разряда.....................
3.3 Физика актуатора с питанием наносекундными высоковольтными импульсами . .
3.3.1 Ускорение газа в поверхностном барьерном наносекундном разряде........
3.3.2 Измерение давления в плазме поверхностного разряда....................
2
5
5
б
7
8
10
10
10
11
12
13
14
14
15
17
17
19
19
22
2С
30
31
33
33
35
37
37
38
39
42
ОГЛАВЛЕНИЕ 3
3.3.3 Газодинамические возмущения в потоке..................................... 46
3.3.4 Вихревое возмущение, порожденное взаимодействием ударной волны от слоя
термализующейся плазмы и сдвигового слоя отрывного течения............... 55
3.3.5 Тсрмализацня плазмы поверхностного наносекундного разряда в атомарных
и молекулярных газах .................................................... 56
4 Исследование динамики стабилизации пламен различного состава
неравновесным разрядом 60
4.1 Особенности ЛИФ измерений ОН.................................................... 61
4.1.1 Связь ЛИФ и абсорбционной спектроскопии.................................. 61
4.1.2 Выбор длины волны возбуждения флюоресценции.............................. 62
4.1.3 Возбуждение вращательных переходов....................................... 63
4.1.4 Возбуждение колебательных переходов...................................... 63
4.1.5 Выбор спектрального диапазона для наблюдения флуоресценции............... 64
4.1.6 Допплеровское уширение................................................... 64
4.1.7 Столкновительное уширение................................................ 64
4.1.8 Тушение.................................................................. 65
4.1.9 Линейный и насыщенный режимы ЛИФ......................................... 65
4.2 Изучение динамики концентрации ОН и послесвечении наносекундного барьерного разряда............................................................................. 66
4.2.1 Описание экспериментальной установки..................................... 67
4.2.2 Исследование динамики наносекундного барьерного разряда с
наносекундным разрешением, влияние полярности высоковольтного импульса на наработку ОН и послесвечении разряда......................... 69
4.2.3 Измерение динамики абсолютной концентрации ОН в послесвечении
наносекундного барьерного разряда в предварительно перемешанном подогретом мстано-воздушиом потоке....................................... 72
4.3 Интенсификация горения с помощью импульсно-периодического наносекундного барьерного разряда.................................................................. 73
4.3.1 Описание экспериментальной установки..................................... 75
4.3.2 Описание диагностического комплекса лазерно-индуцнропанной
флюоресценции............................................................ 76
4.3.3 Абсолютная калибровка ЛИФ................................................ 77
4.3.4 Определение локального состава пламени с помощью ИК-Фурье спектрометра 81
4.4 Результаты измерений распределения ОН в пламени и его изменение под действием наносекундного барьерного разряда .................................................. 83
4.4.1 Зависимость скорости срыва пламени от частоты следования и амплитуды
высоковольтных импульсов ................................................ 83
4.4.2 Результаты измерений распределения ОН в пламени методом
ненасыщенного ЛИФ........................................................ 84
4.4.3 Результат!,I измерений распределения ОН в пламени методом насыщенного
ЛИФ ..................................................................... 86
5 Плазменный реформинг углеводородных топлив в сингаз 90
5.1 Плазменные методы стабилизации горения как альтернатива каталитическим ... 90
5.2 Методы плазменно-стимулированного реформинга метана с углекислым газом . . 91
5.2.1 Коронный разряд постоянного тока ........................................ 92
5.2.2 Диэлектрический барьерный разряд......................................... 93
ОГЛАВЛЕНИЕ
4
5.2.3 Микроволновой разряд.................................................... 93
5.2.4 Тлеющий разряд атмосферного давления.................................... 93
5.2.5 Скользящий дуговой разряд............................................... 94
5.2.6 Эффективность реформинга метана с углекислым газом в неравновесной
плазме .................................................................. 94
5.3 Некаталитический реформинг, реакторы частичного окисления.............. 95
5.4 Применение неравновесного наносекундного разряда в реформинге частичного
окисления жидких углеводородов......................................... 97
5.5 Реформср с внутренней рекуперацией тепла и поздним смешением........... 97
5.6 Реформср полного смешения с разрядом, инициирующим первую фазу реформинга 104
5.6.1 Описание экспериментальной установки................................... 104
5.6.2 Наносскундный высоковольтный разряд в форме распределенной
неравновесной искры..................................................... 107
5.6.3 Делокализация наносекундной искры в осесимметричном плазматроне при
увеличении удельной мощности............................................ 109
5.6.4 Влияние остаточной ионизации, самофокусировка последовательных
стримеров и гидродинамическое разрушение канала стримера................ 110
5.6.5 Наносскундный высоковольтный разряд для стабилизации бедных и
сверхбедных пламен...................................................... 114
5.6.6 Реформинг пара дизельного топлива в сингаз............................. 123
6 Заключение 135
6.1 Выводы................................................................ 135
Библиография 138
5
Глава 1 ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия возрастает интерес к использованию неравновесной плазмы в задачах илазменно-стимулированного воспламенения и горения и плазменно-контролируемой аэродинамики. Первые интересны перспективой стабилизации бедных пламен, что важно для ограничения выборосов МОх, образующихся но тепловому механизму Зельдовича и возможностью стимулирования горении, необходимого для дальнейшего развития газотурбинных и прямоточных двигателей. Вторые предлагают очень быстрое время реакции и малый вес и простоту управляющих элементов но сравнению с механическими аналогами, и найдут применение в аэрокосмической отрасли (управление обтекания потоком крыла) и в ветроэнергетике (управление обтеканием лопатки ветряной турбины). Развитый в лаборатории физики неравновесных систем МФТИ подход, предполагающий использование плазмы высоковольтного паносскуодного разряда, доказал свою состоятельность в задачах воспламенения подогретой горючей смеси |1, 2, 3], инициации детонации [4], медленного окисления углеводородов в бедных смесях [5], управляемого присоединения потока к аэродинамическому профилю [61 и некоторых других.
Значительная часть приложений реализуется при атмосферном давлении, а значит стационарные разряды с высокой удельной мощностью будут равновесными или почти равновесными. В то же время наносекундный высоковольный разряд при сравнительно высокой удельной мощности производит неравновесную плазму с температурой электронов 5-10 эВ и позволяет вложить энергию в реакции с высокой энергией актнзации - ионизацию, диссоциацию электронным ударом и производство электронновозбужденных частиц.
1.1 Постановка задачи
Основной целыо данной работы является исследование механизмов влияния наноеекундного импульсно-периодического разряда на аэродинамические свойства потока, на стабилизацию пламени и поджиг сверхбедных и богатых смесей. Для этого
1.2. Научная новизна
6
были сформулированы следующие задами:
1. Исследовать динамику давления газа в послесвечении наносекундного скользящего разряда
2. Используя шлирен-мстоды, визуализировать газодинамическое возмущение в послесвечении наносекундного скользящего разряда
3. Измерить скорость волны сжатия, распространяющейся от термализовавшегося плазменного слоя
4. По измеренным скорости ударной волны и энерговкладу в разряд оценить долю энергии, переходящую в нагрев на временах, меньших газодинамических
5. Исследовать динамику концентрации радикала ОН в послесвечении наносекундного импульсного разряда, развивающегося в подогретом метано-воз;1ушном потоке с помощью лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ).
6. Исследовать динамику концентрации радикала ОН в пламени и изменение пространственного распределения ОН под действием наносекундного барьерного разряда с помощью ЛИФ
7. Исследовать поджиг сверхбедных, предварительно подогретых и перемешанных смесей импульсно-периодическим наносекундным высоковольтным разрядом
8. Сравнить эффективность поджига горючих смесей при температуре ниже порога самовоспламенения с помощью локализованного и объемного разрядов
9. Исследовать механизм, отвечающий за делокализацию наносекундноЯ искры в осесимметричном плазматроне
10. Исследовать влияние разряда на глобальную реакцию частичного окисления углеводородов в сингаз
1.2 Научная новизна
1. Впервые измерена динамика давления в плазменном слое скользящего диэлектрического барьерного наносекундного разряда. Показано, что пиковое давление после Формализации энергии разряда пропорционально энерговкладу и не зависит от полярности приложенного высоковольтного импульса для различных газов (воздух, N2, Не, СО2, Аг). На основе продолжительности импульса давления получены оценки толщины плазменного слоя, которые составляют 0.5 мм при атмосферном давлении и импульсе амплитудой 10-20 кВ.
1.3. Основные положения, выносимые на защиту
7
2. Впервые измерена динамика ударных волн над поверхностью скользящего диэлектрического барьерного разряда с помощью теневого лазерного метода с синхронизацией в наносекундиом диапазоне времен. Впервые показано, что неравновесная воздушная плазма атмосферного давления, созданная наносекундным высоковольтным скользящим диэлектрическим разрядом термализуется на временах существенно меньших, чем время газодинамического расширения плазменного слоя, что приводит к формированию сильных ударных волн.
3. Впервые визуализировано с помощью шлирен-метода взаимодействие ударной волны от термализующейся плазмы скользящего наносекундного разряда длительностью 12 не и потока над аэродинамическим профилем. Обнаружено образование динамических вихрей и оценено характерное время присоединения оторванного потока.
4. Впервые измерена динамика концентрации радикала ОН в послесвечении импульсного наносекундного высоковольтного разряда в горючих смесях различного стехиометрического состава при температурах ниже порога воспламенения Впервые показано наличие длинных цепей окисления под порогом воспламенения в условиях стимулирования химических реакций плазмой стримерного барьерного разряда.
5. Впервые плазматрон с импульсно-периодическим питанием применен для стабилизации горения и инициирования частичного окисления в перемешанных подогретых смесях углеводород-воздух для широкого диапазона стехиометрических соотношений [0.05-3]. Впервые показан эффект делокализации канала наносекундого высоковольтного разряда при увеличении удельной вкладываемой мощности (увеличения частоты, снижения потока через плазматрон). Предложен механизм, объясняющий делокализацию канала за счет газодинамических возмущений потока.
1.3 Основные положения, выносимые на защиту
1. Результаты измерения динамики ударных волн над поверхностью диэлектрического барьерного разряда с помощью теневого лазерного метода с синхронизацией в наносекундиом диапазоне времен. Результаты измерений величины перегрева плазменного слоя, его толщины, и оценок времени термализации плазмы неравновесного разряда атмосферного давления.
2. Результаты измерений динамики концентрации радикала ОН, наработанного в послесвечении наносекундного стримера, в горючих смесях различного стехиометрического состава при температурах ниже порога воспламенения.
1.4. Структура работы
8
3. Результаты измерения двумерного распределения ОН в плазменно-стимулированных предварительно перемешанных пропано-воздушных пламенах. Эффект управления положением фронт пламени с помощью барьерного разряда за счет производства радикалов в предиламенной зоне. Результат измерения динамики распространения пламени по предварительно возбужденной смеси.
4. Диапазон параметров высоковольных импульсов (напряжение, частота), геометрии электродов и предельных массовых потоков, при которых разряд в плазматроне реализуется в форме распределенной искры и механизм, объясняющий поведение разряда. Выделение определяющих параметров в формировании разряда.
5. Метод стабилизация сверхбедных пламен предварительно перемешанных топливно-воздушных смесей. Результаты измерения продуктов горения или частичного окисления при инициации распределенной неравновесной искрой в диапазоне стехиометрических соотношений [0.05..0.5).
6. Физическо-химическая модель плазмохимического реформера частичного окисления углеводородов в сингаз (смесь СО и Н2). Оценка эффективности инициирования различных фаз реформинга наносекундпым высоковольтным разрядом в различных топливо-воздушных смесях.
1.4 Структура работы
Работа состоит из б глав.
Первая глава является вводной и описывает постановку задачи, положения, выносимые на защиту и описывает структуру диссертации. Вторая глава содержит обзор литературы, включающий краткую историю исследования разрядов атмосферного давления, а также обзор наиболее известных экспериментальных работ в области плазменно-контролируемой аэродинамики и плазменно-контролируемого воспламенения и горения. Третья глава посвящена исследованию механизма влияния импульсно-периодического высоковольтного наносекундного скользящего барьерного разряда на аэродинамические свойства потока. Обсуждается механизм быстрой термализации энергии разряда и параметры плазменного слоя. Четвертая глава содержит два раздела. Первый описывает исследование абсолютной концентрации радикала ОН в послесвечении высоковольного наносекундного барьерного разряда в геометрии игла-стержень в точке. Во втором разделе приведены результаты измерения распределения ОН в пламени и его изменения под действием периодического наносекундного барьерного разряда. В пятой главе описано устройство топлнво-воздушного плазмотрона, приведены данные по диапазону стехиометрических соотношений поджигаемых смесей, и температурной зависимости эффективности поджига. Предложен механизм, объясняющий делокализацию неравновесной искры при-увеличении мощности, владываемой разрядом. Продемонстрирована возможность
1.4. Структура работы
9
использования импульсно-периодического наносекундного разряда для создания компактных портативных реформеров с высокой степенью конверсии топлива. В шестой главе приведены выводы.
10
Глава 2 Обзор литературы
2.1 Разряды атмосферного давления и пробой
2.1.1 История изучения дуговых разрядов при атмосферном давлении.
До 18 века воздух, как и любой газ, считался идеальным изолятором. Тог факт, что воздух может проводить электрические заряды, был открыт Кулоном, показавшим, что две противоположно заряженные металлически сферы постепенно теряют заряд (Кулон 1785). В середине 18 века Бенджамин Франклин экспериментально показал, что искра и молния имеют одну природу. Около 1800 года В. Петров и Хамфри Дэви начали исследовать дуги в воздухе. Дэви предложил термин дуга, так как обычно яркий разрядный канал изогнут из-за архимедовой силы, действующей на горячий канал. Температура дуг лежит в диапазоне о ООО - 50 ООО К, а степень их ионизации 1-99%. В 1808 году Дэви изобрел дуговую лампу, использовав в качестве электродов графитовые стержни, позднее такая схема использовалась в проекционных лампах. Дэви также использовал дуги для плавки (1815) и исследовал влияние падуги магнитного поля (1821). Только в 1878 году Чарльз Сименс построил и запатентовал в Великобритании дуговые печи прямого и непрямого нагрева. В 1901 году' Маркони использовал электрические дуги для передачи радиоволн через Атлантику. А в 1910 году 120 печей Киркланда были установлены в Норвегии для фиксации атмосферного азота: азот реагировал в дуге с кислородом, образуя оксид азота, последний перерабатывался в азотную кислоту и затем в нитрат кальция. Сварка дугой также была продемонстрирована в 1910. Шонер в 1909 году первым использовал поток газа для стабилизации длинных дуг. На сегодняшний день развиты несколько подходов по стабилизации дуг с иомошыо подкрученных потоков и вихрей.
2.1. Разряды атмосферного давления и пробой
11
2.1.2 Отрыв температуры электронов в неравновесной плазме
Дуги атмосферного давления, в которых практически достигается локальное термодинамическое равновесие, требуют высокой температуры для достижения достаточной электропроводности с помощью термической ионизации [7]. Из [8| можно видеть, что с ростом температуры в дуге, зажженой в атмосфере, сначала N*2 и Оо диссоциируют, образуя N0, при температуре выше 8000 К основными частицами становятся атомарные азот и кислород, с дальнейшим ростом температуры основными становятся 0+, М1'.
В отличие от равновесной плазмы, в неравновесной (холодной) плазме температура электронов высока и отличается от сравнительно низкой температуры газа, характеризующей тяжелые частицы: ионы, молекулы, атомы (Те»Т5). Термодинамические свойства равновесной и неравновесной плазмы рассматриваются в [8). Температура электронов в холодной плазме может достигать десятков электрон-вольт при газовой температуре, близкой к комнатной. Такие неравновесные плазмы можно создать при низком давлении в тлеющем и радиочастотном разрядах, а также в коронном, барьерном и разряде с полым катодом при атмосферном давлении. Тлеющий разряд низкого давления известен со времен работ Фарадея, Крукса и Хитторфа, он хорошо изучен как эсперименталыю, так и теоретически. Основной объем разряда занимает положительный столб, содержащий квазинейтральную неравновесную плазму. В настоящее время разряд используется в флуоресцентных лампах и в плазменно-стимулированном напылении пленок (РЕСУО). Индуктивный радиочастотный разряд был впервые получен Хитторфом в 1884 году. Он обеспечивает простой способ реализации разряда без контакта с металлическими электродами. Применяется в спектроскопических приборах, плазменно-вихревых горелках и в полупроводниковой промышленности. Так как столкновения обеспечивают непрерывный обмен энергией легких электронов и тяжелых частиц, они стремятся выровнять температуру. Таким образом, поддерживать неравновесную плазму становится все сложнее с ростом давления и уменьшением длины свободного пробега. Для стационарного разряда отклонение температуры электронов от равновесной при наличии только упругих столкновений выводится из баланса энергии и выглядит так:
Т. ~ Тд _ Шд ‘ (АС • в • Е)2 »
Те “ 4тпе • (3/2 . к • Тсу { ' }
Здесь Ас — длина свободного пробега электронов, Ас • е • Е - энергия, набираемая электроном за один свободный пробег в направлении поля, 3/2 • к ■ Тс - средняя тепловая энергия электрона. Видно, что высокие поля увеличивают температурный отрыв.
В условиях дуги неравновесность достигается для низких (меньше 1 кПа) давлений, для 1 атмосферы отклонение от локального термодинамического равновесия составляет менее 1%. При высоких (включая 1 атмосферу) давлениях неравновесную плазму можно получить, используя импульсное питание (поджиг и возбуждение разряда), в
2.1. Разряды атмосферного давления и пробой
12
n2 78.08 СІМ 0.0002
02 20.95 Не 0.00052
Аг 0.93 Кг 0.000114
С02 0.03 н2 0.00005
Ne 0.0018 Хе 0.0000087
Таблица 2.1: состав воздуха
областях высоких градиентов полей и концентраций. Во многих случаях короткие импульсы напряжения используются для преимущественного разогрева электронов. 13 последние годы также возрос интерес к разрядам постоянного тока при низких давлениях. Так, в (9, 10| проведены эксперименты для газов при температуре 700-2000 К и измеренные плотоности электронов достигали 1012 см“3, что на б порядков выше плотности электронов в равновесной плазме с температурой 2000 К. В литературе описаны несколько подходов к расчету свойств неравновесной плазмы. В простейшем случае используется двухжидкостноя модель с двумя температурами Те, Тд. Кинетику реакций электронов с тяжелыми частицами можно рассчитать, используя функцию распределения электронов по энергиям, полученную при решении уравнения Больцмана, например в двучленном приближении. Константы реакций могут быть получены как функции средней энергии, которая в приближении локального поля является только функцией приведенного электрического поля Е/N. При этом, конечно, необходимо знать сечения всех рассматриваемых реакций.
2.1.3 Каналы вложения энергии в неравновесной воздушной плазме
Воздух состоит из многих составляющих. Компоненты приведены в 2.1 (по |11|).
Для сухого воздуха основными каналами вложения энергии, определяющими производство активных радикалов прямым электронным ударом, для электронов с энергией в диапазоне ~10 эВ будут [12]: e+02=e-b0(3P)f0(1D) е+02=е+0(3Р)+0(3Р) e-rN2=2e+N2 e-f02=2c-f-02’
e+N2=e+N(4S)-HN(4S,2D,2P)
Для неравновесных импульсных разрядов характерная средняя энергия электронов составляет около 5-10 эВ. Для этого диапазона важными каналами энерговклада являются также электронные степени свободы азота. Возбуждение триплетных уровней азота (А, В, С) и из столкновительное тушение молекулярным кислородом приводит к диссоциации последнего. Данный канал является определяющим для наработки
2.1. Разряды атмосферного давления и пробой
13
атомарного кислорода в смесях с высоким содержанием азота в диапазоне приведенных полей 150-400 Тд.
2.1.4 Электрический пробой в плотных газах
Электрический пробой в плотных газах, например воздухе атмосферного давления, является предметом многих исследований. Так, в высоковольтной электротехнике важно избежать пробоя между соседними проводниками или между проводником и землей. Физические процессы, возникающие на ранних стадиях пробоя в атмосферном воздухе имеют много общего с зажиганием разряда низкого давления. Все они начинаются с одного электрона, переходящего в лавину под действием электрического поля. В плотном газе, однако, развитие лавины может быть различным и зависит от того, каким образом напряжение прикладывают к промежутку.
Дрювестайн и Псннинг в [13| исследовали разряд в неоне при давлении 1 торр. Предложенная ими классификация разрядов постоянного тока универсальна, а характер зависимости тока от напряжения переносится и на воздух.
В работе Дрювестайпа напряжение, прикладываемое к промежутку, меняется так медленно, что в каждый момент времени разряд можно рассматривать как развивающийся в постоянном поле. Кроме того, состав и плотность газа в разрядном промежутке определяются предысторией - так, переходу в дугу в воздухе предшествует накопление N0, потенциал ионизации которого значительно ниже, чем у 1ЧТ2, 02, что позволяет в одних и тех же условиях по температуре газа увеличить проводимость в десятки раз.
В случае приложения к разрядному промежутку высоковольтного импульса наносекундной длительности развитие разряда может существенно отличаться от приведенной картины. Для рассматриваемых в данной работе диапазонов напряжений (10-30 кВ) и времен нарастания (1-10 не) импульса при атмосферном давлении развитие разряда протекает следующим образом: с высоковольного электрода стартует стример, распространяется в разрядном промежутке с характерной скоростью несколько милиметров за наносекунду, замыкает (в случае, если амплитуда и длительность импульса превышают определенный порог) разрядный промежуток, иоле вдоль канала стримера выравнивается и надает, разряд переходит в искровую форму. Так как импульс напряжения короткий, то время развития процесса меньше гидродинамического и плотность газа в искровом канале не изменяется существенно. В качестве оценки можно использовать диаметр канала, деленный на скорость звука в воздухе (т = 1 мм/350 м/с ~ около 3 мкс). Это определяет приведенные поля, задает начальные условия дла рекомбинации и термализацин плазмы в послесвечении разряда.
- Київ+380960830922