Исследование газодинамической стабилизации продольного разряда в плоских каналах

Том ХЬV

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

2014

№ 1

УДК 533.6.011.5:533.9.08

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОДОЛЬНОГО РАЗРЯДА В ПЛОСКИХ КАНАЛАХ

А. В. ЗУБЦОВ, В. В. ИВАНОВ, В. В. СКВОРЦОВ, М. А. СТАРОДУБЦЕВ, А. А. УСПЕНСКИЙ, А. Ю. УРУСОВ

Представлены результаты исследований поджига и горения углеводородного топлива в сверхзвуковом потоке газа, осуществляемого с помощью модуля для генерации неравновесного электрического разряда. Зона горения топливовоздушной смеси не привязана к стенкам плоского канала аэрофизической установки (АФУ), а замкнута на модуль (анод — катод), обладающий малым аэродинамическим сопротивлением. Приводятся результаты численного расчета пространственной структуры обтекания модуля, установленного в плоском канале. Показана возможность газодинамической стабилизации продольного разряда вблизи оси плоского канала с близко расположенными металлическими стенками.

Ключевые слова: горение, электрический разряд, сверхзвуковой поток.

ЗУБЦОВ Анатолий Васильевич

кандидат физико-математических наук, начальник сектора ЦАГИ

ИВАНОВ Владимир Владимирович

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЦАГИ

СТАРОДУБЦЕВ Михаил Александрович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ЦАГИ

СКВОРЦОВ Владимир Владимирович

доктор технических наук, главный научный сотрудник ЦАГИ

УСПЕНСКИИ Александр Александрович

ведущий инженер ЦАГИ

УРУСОВ Андрей Юрьевич

инженер ЦАГИ

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы ведутся интенсивные исследования возможности использования электрических разрядов для инициирования и стабилизации горения в высокоскоростных потоках топ-ливовоздушных смесей. Результаты этих исследований представлены в трудах международных конференций по течениям слабоионизованных газов (Магнитоплазменная аэродинамика в аэрокосмических приложениях. Труды международных совещаний ОИВТ РАН, 2001 — 2011; Weakly Ionized Gases Workshops, USAF Academy USA, 2001 — 2011). Важную роль в постановке и развитии этого направления сыграли исследования свойств разрядов в сверхзвуковых потоках [1 — 3] и работы по реализации плазменно-стимулированного горения [4, 5]. Возможность создания вспомогательных модулей, генерирующих неравновесный разряд, т. е. разряд, в котором температура электронов значительно больше, чем температура нейтральных молекул и ионов, для инициирования и стабилизации горения в высокоскоростных потоках воздуха с низкими начальными значениями статического давления и температуры исследовалась в работах [6, 7].

1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОЛЯ ТЕЧЕНИЯ НА ПОЛОЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

И ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

В работах [8, 9] предложена конструкция модуля (рис. 1, а), обеспечивающая при проведении испытаний стабильное горение топливовоздушной смеси в области, не привязанной к стенкам канала АФУ. Конструкция модуля включала в себя два электрода: латунный анод 1, выполненный в виде аэродинамического крыла с ромбовидным профилем (рис. 1, б), и катод 2 в виде тонкой пластины из дюралюминия с двумя выступами. Передний выступ катода располагался под торцом анода с зазором 3 — 4 мм и предназначался для надежного пробоя разрядного промежутка, задний выступ 3 катода служил для замыкания анодной ветви разряда в инерционном поле набегающего потока газа. При виде в плане анод представляет собой комбинацию вертикального и наклонного (угол скольжения 45°) участков крыла (рис. 1, б). Характерные размеры анода указаны на рис. 1, б в мм. На поверхности вертикального участка анода вблизи линии излома ромбовидного профиля имелся ряд отверстий диаметром 0.4 мм, расположенных с шагом 2 мм, для ввода струек пропана в сверхзвуковой поток воздуха. Модуль размещался в плоскости симметрии закрытой рабочей части АДТ с поперечным сечением 120 х 120 мм. Испытания проводились при числе М = 2 и статическом давлении в потоке ~ 3.47 • 104 Па (260 Тор). Ток разряда регулировался до значений на уровне 1 А, напряжение на разряде составляло 1.8 — 2.5 кВ. Расход пропана в экспериментах с его подачей был равен 1.2 г/с.

При возникновении электрического пробоя и небольшой величине тока (< 0.5 А) разряд в сверхзвуковом потоке без подачи пропана был привязан к угловой точке анода (точка С, рис. 1, а) и замыкался на переднюю кромку вертикального участка катода (рис. 2, а). При увеличении тока начальное положение разрядного канала становится неустойчивым. В течение корот-

а) б)

Рис. 1. Схема модуля пилотного пламени

кого промежутка времени местоположение разрядного канала стабилизируется в окрестности горизонтальной прямой, проходящей примерно через середину задней кромки вертикального участка анода (рис. 2, б). При инжекции пропана с поверхности анода в разрядном канале возникает зона его заметного расширения (зона 2, рис. 2, б).

Распределение интенсивности излучения продуктов плазмохимических реакций, зарегистрированное в сечении, отстоящем от задней кромки анода на 40 мм, указывает на то, что горение пропана происходит в зоне 2 разрядного канала (рис. 3, у = 0 соответствует пересечению оси канала с задней кромкой анода). Время движения газовой смеси через разрядный канал на начальном участке 1 (рис. 2, б), видимо, следует рассматривать как период индукции, т. е. как время наработки активных центров, которые вносятся в зону горения.

Для выяснения причин, определяющих местонахождение разрядного канала при относительно больших значениях тока (I > 0.5 А), были проведены дополнительные экспериментальные исследования и численный расчет поля течения за анодом. Опытным путем было установлено, что если анод выполнен в форме вертикально расположенного прямого крыла, то разряд локализуется между торцевой частью анода и вертикальным выступом катода и практически не изменяет своего положения при увеличении тока до 1 А. Необходима комбинация прямого и наклонного участков анода для того, чтобы в следе за ним возникли газодинамические условия, при которых возможны два устойчивых местоположения разрядного канала.

Картина течения в следе за анодом была получена из решения задачи об обтекании изолированного анода (рис. 1, б) сверхзвуковым потоком газа (Мш = 2, рх = 3.5 • 10 Па, Тх = 163 К). Задача решена путем численного интегрирования уравнений Навье — Стокса, усредненных по Рейнольдсу, с использованием к — ю 88Т-модели турбулентности [10] и программного пакета АШУ8 СБХ.

Обнаружено, что за анодом в плоскости симметрии течения (2 = 0) распределения плотности и статического давления воздуха имеют локальные минимумы, лежащие в окрестности оси, проходящей через середину задней кромки вертикального участка анода (рис. 4, х — отсчитыва-ется от задней кромки анода в направлении набегающего потока, у — по вертикали вниз от точки

Рис. 2. Локализация разряда в промежутке между электродами модуля: а — при силе тока 0.4 — 0.5 А; б — при силе тока около 1 А

Рис. 3. Распределение интенсивности излучения продуктов плазмохимических реакций при подаче пропана:

1 — СМ (388 нм); 2 — На; 5 — ОН; 4 — СО

Рис. 4. Распределение статического давления и плотности воздуха в плоскости симметрии течения

излома передней кромки анода). Распределение статического давления, полученное экспериментальным путем в отсутствие разряда, подтвердило результаты численного расчета.

В отсутствие разряда проведена визуализация течения в следе за анодом. Визуализация течения осуществлялась с помощью мелкодисперсных капелек керосина, подаваемых через отверстия в поверхности анода. В следе за анодом траектории капелек стягиваются к продольной оси, в окрестности которой возникает область с локальным минимумом статического давления (рис. 5).

Из приведенных результатов следует, что в окрестности горизонтальной оси, проходящей через середину вертикального участка анода, концентрация нейтральных молекул газа N минимальна, что влечет за собой увеличение здесь значения приведенного поля Е/Ш (Е — напряженность электрического поля) и, как следствие, в этой области увеличиваются скорость ионизации и проводимость газа. Вместе с тем, в этой области возникает высокая концентрация подаваемого топлива. Таким образом, становятся понятны физические причины, обуславливающие устойчивое местоположение электрического разряда и сгорание в его канале подаваемого топлива.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО МОДУЛЯ ПИЛОТНОГО ПЛАМЕНИ

При небольшой высоте плоского канала торец анода может находиться вблизи стенки канала, а в качестве переднего выступа катода может служить участок нижней стенки канала, находящийся под торцом анода. При этом зазор между торцом анода и стенкой канала должен быть небольшим для обеспечения надежного электрического пробоя. В ходе испытаний было обнаружено, что если анод имеет прежнюю конфигурацию (см. рис. 1, б), то разрядный канал располагается вблизи нижней стенки плоского канала и не смещается к его горизонтальной оси при увеличении силы тока.

Поскольку привязка разряда к поверхности канала нежелательна, потребовалось модифицировать форму торца анода и его задней кромки с тем, чтобы устойчивое положение разряда находилось на достаточном удалении от стенок канала.

Восстановление требуемой картины течения получено после того, как электроразрядный модуль был выполнен по схеме, показанной на рис. 6. На торце анода имеется небольшой выступ 4

Рис. 5. Качественное изображение результатов визуализации течения за анодом с помощью мелкодисперсных капель керосина

Рис. 6. Схема модифицированного модуля:

1 — наклонный пилон; 2 — вертикальный пилон; 3 — зубец; 4 — выступ на торце анода; 5 — стенка камеры; 6 — вертикальный участок катода; С1 — скругление на задней части выступа; С2 — скругленный переход от нижнего торца анода к его задней кромке

Рис. 7. Изображение в изометрии анода модифицированного модуля

для обеспечения надежного пробоя на стенку канала АФУ 5. Выступ 4 имеет скругленную форму, скошенную к середине торца анода. Задняя кромка анода затуплена и плавно сопрягается с его торцевой поверхностью (рис. 7). Принятые меры снижают напряженность электрического поля в окрестности торца анода и способствуют скольжению привязки разряда к аноду вдоль торца и задней кромки анода под действием сверхзвукового потока воздуха. По середине тыльной стороны вертикального участка анода установлен зубец 5 треугольной формы (см. рис. 6), в окрестности которого возникает локальная зона повышенной напряженности электрического поля.

Модифицированный электроразрядный модуль был испытан на установке Т-42М при числе М = 2 и статическом давлении в набегающем потоке 200 Тор. После возникновения электрического пробоя привязка разрядного канала к аноду перемещалась вдоль торца и задней кромки анода и устанавливалась несколько выше положения зубца. Разрядный канал замыкался на тыльной стороне вертикального участка катода. Фотография разряда при значении тока 1 А и напряжении

Рис. 8. Фотография разряда между электродами модифицированного модуля при силе тока 1 А и экспозиции 1/60 с

на разряде 1800 В приведена на рис. 8. На рис. 9 представлено распределение относительной интенсивности излучения радикала С2 на длине волны 516.41 нм вблизи канта полосы 0 — 0 при различных расстояниях от задней кромки анода в опытах с подачей пропана. Положительные значения координаты у отсчитываются вверх от торца вертикального участка катода. Из зарегистрированных распределений видно, что по мере удаления от анода происходили сначала смещение канала разряда в сторону более высоких значений у, а затем стабилизация его пространственного положения, что согласуется с результатами визуальных наблюдений.

При инжекции пропана с поверхности анода с расходом 1.2 г/с измерено распределение температуры газа в следе за разрядом на расстоянии 16 мм от задней кромки вертикального участка катода. Учитывая возможное влияние гетерогенных эффектов на выделение энергии на поверхности термопары, полученные данные использовались для качественной оценки эффективности протекания плазмохимических реакций в разрядном канале исходного и модифицированного модулей. Максимальное значение температуры восстановления составляло около 900 К в случае исходного модуля (см. рис. 1, а) и 1400 К для модифицированного.

Проведено математическое моделирование газодинамической структуры течения, возникающей

Рис. 9. Распределение относительной интенсивности излучения радикала С2 на расстоянии от задней кромки анода: 1 — 6 мм; 2 — 26 мм; 3 — 41 мм

Рис. 10. Распределение числа М в плоскости симметрии

при обтекании модифицированного модуля сверхзвуковым потоком воздуха при М« = 2, р« = 3.5 • 104 Па, Т« = 163 К. В качестве математической модели использовались уравнения движения и численный инструментарий, изложенные в п. 1. Численное моделирование проводилось в отсутствие электрического разряда. Были учтены все особенности геометрии модифицированного модуля и его расположение относительно стенок камеры сгорания. Так как система анод — катод обладает плоскостью симметрии, совпадающей с плоскостью симметрии канала, то при численном моделировании рассматривалась половина зоны течения. Сеточная модель содержала 43 • 106 узлов и имела сгущение в окрестности твердых поверхностей и скачков уплотнения. Максимальное значение параметра У+, характеризующего отношение величины пристеночной ячейки к толщине ламинарного подслоя, не превышало 2. Интенсивность турбулентности на входе в расчетную область принималась равной 1% от скорости набегающего потока.

Общую структуру течения в канале и положение наиболее интенсивных скачков уплотнения передает рис. 10, на котором приведены два сечения поля чисел Маха, как в плоскости симметрии (рис. 10, а), так и в горизонтальном сечении канала (рис. 10, б). На рис. 10, а хорошо видна светлая зона — область заторможенного течения в следе за анодом, которая также является зоной пониженной плотности и повышенной температуры. Именно эту вытянутую область

пониженной плотности выбирает разрядный ка- н> и м м «

нал, поскольку в ней реализуются более высокие значения отношения напряженности электрического поля к концентрации нейтральных частиц и создаются более благоприятные условия для развития процессов ионизации. Рис. 11 дает более детальное распределение плотности и статического давления по координате у в плоскости симметрии течения (у отсчитывается вниз от точки излома передней кромки анода на рис. 10, а, х — от его задней кромки). Видно, что в случае модифицированного модуля распределение давления и плотности в ближней зоне за анодом ха- р. кг/м3

растеризуется, в действительности, наличием Г) ,, Г) . ^ ^ ^ ' ' Рис. 11. Распределения статического давленияр

двух областей с минимумами параметров, кото- и плотности воздуха р(у) (-------) в плоскости симметрии

течения г = 0

у, ММ

Г 1 1 / : \\ > I Л \

1 1 ? х= 7мм / [У р 1 4 ^^ Л--'' Ч Лч/ * I Змм /х ^ \ 130 Ч N 1 - -щ,. / — —

—7 > -V '

Рис. 12. Картина линий тока в следе за задней кромкой анода

рые могут быть благоприятными для распространения каналов разряда и играют роль стабилизаторов их положения вблизи продольной оси камеры. Эти минимумы смещены относительно друг друга на расстояние 4 — 7 мм. Можно предположить, что данные зоны занимаются разрядом попеременно и с различной вероятностью заполнения. Удлинение канала в одной из зон при сносе разряда потоком приводит к увеличению сопротивления разрядного промежутка и реализации более благоприятных условий для распространения разряда по другому каналу. Такой перескок обуславливает охват разрядом более обширной области за анодом.

Линии тока, сходящие из пристеночной области анода, построены на рис. 12. Сильное искривление линий тока в окрестности сопряжения торца и задней кромки анода является одной из причин сноса разряда к оси канала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнены экспериментальные исследования и численные расчеты газодинамических течений, возникающих при обтекании сверхзвуковым потоком двух модулей пилотного пламени, установленных в плоском канале. Особенностью модулей является малое аэродинамическое сопротивление и отсутствие привязки разряда к стенкам канала. Установлено, что необходимым условием для горения топливовоздушной смеси в центре канала является создание в следе за анодом продольной области, равноудаленной от стенок канала, в которой плотность газа принимает минимальное значение. Для создания такого поля течения необходимо, чтобы анод представлял собой сочленение прямого и наклонного участков тонкого крыла. В условиях, когда торец анода расположен вблизи стенки канала, необходимо специальное профилирование этого торца для перемещения разряда в приосевую область канала. Установлено, что при соблюдении этих условий разряд занимает стабильное положение вблизи продольной оси камеры, а топливо, подаваемое с поверхности анода, концентрируется в окрестности оси разрядного канала, что обеспечивает интенсификацию плазмохимических реакций.

Авторы благодарят Б. В. Ларина, И. С. Иншакова, А. Ф. Рожкова за помощь в проведении экспериментов.

Работа выполнена при поддержке Программы ЦАГИ — РАН.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алферов В. И., Бушмин А. С. Электрический разряд в сверхзвуковом потоке воздуха // ЖЭТФ. 1963. Т. 44, вып. 6, с. 1771 — 1775.

2. Алферов В. И., Бушмин А. С., Калачев Б. В. Экспериментальные исследования свойств электрического разряда в потоке воздуха // ЖЭТФ. 1966. Т. 51, вып. 5, с. 1281 — 1287.

3. Алферов В. И. Исследование электрического разряда большой мощности в высокоскоростном потоке воздуха // Изв. РАН. МЖГ. 2004. № 6, с. 163 — 175.

4. Klimov A., Bityurin V., Bocharov A., Brovkin A., Kuznetsov A., Leonov S.,Sukovatkin N., Vystavkin N., VanWie D. M. Plasma assisted combustion // Proceedings of 3 rd Workshop «PA and MHD in Aerospace Applications». — M.: IVTAN, 2001, p. 33 — 37.

5. Leonov S., Bityurin V., Savelkin K., Yarantsev D. Plasma-induced ignition and plasma assisted combustion of fuel in high speed flow // Proceedings of 5 th Workshop «PA and MHD in Aerospace Applications». — M.: IVTAN, 2003, p. 56.

6. Иванов В. В., Коган М. Н., Скворцов В. В. Исследование течений около пластины в присутствии экзоэнергетических процессов, обусловленных взаимодействием неравновесного электрического разряда и пропановоздушной смеси // Изв. РАН. МЖГ. 2006. № 3, с. 163 — 170.

7. Ефимов Б. Г., Иванов В. В., Иншаков С. И., Климов А. М., Ларин Б. В., Рожков А. Ф., Самойлов И. Н., Скворцов В. В., Успенский А. А. Экспериментальное исследование нестационарного течения в рециркуляционной зоне за электроразрядным модулем // Ученые записки ЦАГИ. 2012, Т. XLIII, № 3, с. 3 — 15.

8. 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 // Изв. РАН. МЖГ. 2010. № 4, с. 143 — 152.

9. Ефимов Б. Г., Иванов В. В., Иншаков С. И., Скворцов В. В., Стародубцев М. А. Исследование пространственного положения продольного разряда в сверхзвуковом потоке с помощью подбора конфигурации анода в условиях инжекции пропана и керосина в зону разряда // ТВТ. 2010. Т. 49, № 4, с. 497 — 504.

10. M e n t e r F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. V. 32, N 8, p. 1598 — 1605.

Рукопись поступила 15/12013 г.