КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-79-10494

НазваниеИсследование физических механизмов интенсификации смешения в сверхзвуковых потоках с помощью искрового разряда

РуководительФирсов Александр Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2019 

Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые словасмешение топлива с окислителем, сверхзвуковой поток, газодинамическая неустойчивость, неустойчивость Рихтмаера-Мешкова, электрический разряд, искровой разряд.

Код ГРНТИ29.27.51

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В данной работе предполагается провести экспериментальное и теоретическое исследование воздействия искрового электрического разряда на динамику развития газодинамических неустойчивостей, возникающих при инжекции газовых струй (в частности, топлива) в высокоскоростной воздушный поток. В ходе выполнения проекта будет изучено взаимодействие нескольких физических явлений в следующей постановке: будет рассмотрена интенсификация развития неустойчивости Рихтмаера-Мешкова при создании переменных во времени градиентов плотности и давления при помощи искрового электрического разряда в воздушном потоке, находящегося в области струи газообразного топлива, пересекаемой скачком уплотнения. Будут проанализированы несколько принципиальных схем: 1) одиночная струя и искровой разряд, расположенный на некотором удалении от струи так, чтобы основное влияние оказывала только ударная волна, вызванная разрядом; 2) одиночная струя и искровой разряд, расположенный непосредственно в струе или на её границе – в этой ситуации помимо ударной волны существенную роль должен оказать распад послеразрядной тепловой каверны 3) несколько струй, относительно которых искровые промежутки расположены (а) вне струй и (б) внутри струй. Во всех предложенных схемах падающий на область подачи топлива скачок уплотнения будет создан с помощью клина. При выполнении проекта планируется провести теоретическую оценку указанных эффектов, компьютерное моделирование и экспериментальное исследование газодинамических неустойчивостей, возникающих в области инжекции струи в высокоскоростной поток в присутствии искрового электрического разряда. Основное внимание будет уделено экспериментальной части работы. Актуальность решения описанной проблемы смешения топлива с высокоскоростным потоком обусловлена тем, что эффективное решение является востребованным при разработке камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В данном направлении активно ведутся работы в США, России, Франции, Китае, однако известные мне исследования далеки от завершения, а подходы к решению задачи находятся на стадии фундаментальных исследований с прикладным уклоном. Идейная новизна предлагаемой работы заключается в изучении физики локализации электрического разряда в слое смешения и в анализе комбинированных механизмов интенсификации смешения с помощью газодинамических неустойчивостей и плазмы нестационарного электрического разряда. В основу предлагаемого проекта легли несколько недавних теоретических (с применением компьютерного моделирования) работ ряда авторов (например [1]) , в которых была показана перспективность рассматриваемого подхода. Однако экспериментальных работ для описанной выше или схожих постановок мне не известно. Также необходимо отметить, что в изученных теоретических работах рассматривается локальное тепловыделение, а не электрический разряд, локализация которого на границе раздела будет обеспечиваться в результате немонотонной зависимости скорости ионизации от концентрации углеводорода. Проведенные в нашей лаборатории экспериментальные исследования локализации искрового разряда при наличии различных неоднородностей в газе, распада тепловой каверны разрядного канала с образованием газодинамических неустойчивостей, и вихрегенерации с помощью искрового разряда в скоростном потоке позволяют заявлять о том, что данный проект будет успешно реализован в случае его поддержки Фондом. 1. А.А. Желтоводов, Е.А. Пимонов // Письма в ЖТФ, 2013, Т. 39, В. 22

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты проекта включают в себя описание физических процессов, приводящих к развитию неустойчивых течений и провоцирующих ускорение кинематического перемешивания компонент при наличии искусственно вызванных градиентов плотности и давления; описание динамики взаимодействия тепловых неоднородностей, вызванных искровым разрядом, со сверхзвуковым потоком (число Маха М=2); разработку физической основы устройств интенсификации смешения топлива с окислителем при помощи искровых электрических разрядов в высокоскоростных камерах сгорания тепловых машин. Основным результатом выполнения проекта будет расширенный анализ возможности применения нестационарных электрических разрядов для интенсификации смешения компонент топлива и окислителя в высокоскоростных камерах сгорания. Означенный анализ будет проведен на основе полученных при выполнении проекта экспериментальных данных, а также результатов теоретического рассмотрения и численного моделирования. Ожидаемые выводы по работе сводятся в две группы: - описание физических механизмов взаимодействия в описанной постановке - получение параметрических зависимостей степени смешения компонент при изменении условий эксперимента. Несмотря на наличие теоретических работ по влиянию разряда на газодинамику сверхзвукового потока экспериментальные исследования по данной теме являются достаточно редкими вследствие их высокой сложности, обусловленной как высокой скоростью протекающих процессов, так и трудностью работы с разрядами в аэродинамических трубах, которые, как правило, выполнены из металла. Поэтому предлагаемый проект и ожидаемые результаты, а именно экспериментальные данные по влиянию разряда на интенсификацию смешения сверхзвукового потока с топливом, являются актуальными для фундаментальных основ инженерных наук, а именно для газодинамики технических систем. Соответствие предлагаемой работы мировому уровню исследований будет обеспечено как новизной решаемой задачи, так и применением современных диагностических методик в эксперименте: высокоскоростная теневая и видеосъемка, система быстрой регистрации электрических параметров разряда, эмиссионная спектроскопия (модификация метода LIBS) для анализа концентрации, и другие. Практическая значимость исследования заключается в возможном использовании предлагаемого метода для существенного улучшения характеристик прямоточных камер сгорания, включая полноту сгорания и термодинамическую эффективность, которые позднее будут использованы в двигателях сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В данной работе ведется экспериментальное и теоретическое исследование воздействия искрового электрического разряда на инжекцию газовых струй (в частности, топлива) в высокоскоростной воздушный поток с целью интенсификации смешения топлива и окислителя в сверхзвуковых камерах сгорания. Актуальность решения описанной проблемы смешения топлива с высокоскоростным потоком обусловлена тем, что эффективное решение является востребованным при разработке камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В данном направлении активно ведутся работы в США, России, Франции, Китае, однако известные исследования далеки от завершения, а подходы к решению задачи находятся на стадии фундаментальных исследований с прикладным уклоном. В ходе выполнения проекта получены следующие основные результаты: Впервые получено прямое экспериментальное подтверждение причины развития струйных течений при распаде канала протяженного искрового разряда в отсутствие потока: показано, что каждый незначительный изгиб канала приводит к формированию струи в направлении, обусловленном изгибом. Выполнена подготовка источника питания для работы в частотном режиме, а также подготовлены аэродинамические модели для экспериментальной проверки влияния искрового разряда на смешение. С помощью численного моделирования выполнено документирование режимов истечения струи модельного топлива в сверхзвуковой поток в условиях, соответствующий условиям стенда ИАДТ-50. Показано, что при большом расходе топлива, соответствующем реализации сверхзвукового режима истечения струи, развивается газодинамическая неустойчивость струйного течения с характерной частотой колебаний 23кГц. Подготовлена эквивалентная численная модель, соответствующая постановке планируемого эксперимента: искровой разряд имитируется с помощью объемного источника тепла, мощность которого меняется во времени, а зависимость от времени и интегральная энергия базируются на данных эксперимента в неподвижном воздухе. Параметры потока и инжекции соответствуют условиям стенда ИАДТ-50. С помощью подготовленной численной модели впервые выполнено трехмерное моделирование смешения топлива с окислителем в сверхзвуковом потоке с помощью искрового разряда. Показано, что искровой разряд приводит к существенному увеличению границы раздела между топливом и окислителем в интервале времени 30-200 мкс после разряда, а наиболее эффективным вариантом из рассмотренных к данному моменту, является поперечный потоку разряд. Также показано, что при использовании искривленного разряда возникают обусловленные изгибами канала струйные течения, которые могут быть более эффективными при расположении разряда вдоль границы раздела между топливом и окислителем.

 

Публикации

1. Фирсов А.А., Долгов Е.В., Рахимов Р.Г., Шурупов М.В., Леонов С.Б. Mixing enhancement by electrical discharge in supersonic airflow AIAA SciTech Forum, Kissimmee, Florida, AIAA 2018-1195 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.2514/6.2018-1195

2. Фирсов А.А., Долгов Е.В., Рахимов Р.Г., Шурупов М.В., Леонов С.Б. Spark Discharge Application to Mixing Enhancement 17th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, Moscow, pp.91-96 (год публикации - 2018)

3. Фирсов А.А., Долгов Е.В., Рахимов Р.Г., Шурупов М.В., Леонов С.Б. Jet type instability of long spark electrical discharge applied for mixing enhancement COLLOQUIUM 593: PLASMA-BASED ACTUATORS FOR FLOW CONTROL, Delft, The Netherlands, D1 (год публикации - 2018)

4. Фирсов А.А., Долгов Е.В., Шурупов М.В., Рахимов Р.Г. Application of spark discharge for mixing in supersonic flow XXXIII International Conference on Equations of State for Matter, Book of Abstracts, Elbrus, Kabardino-Balkaria, Russia, P.242 (год публикации - 2018)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В данной работе выполнено экспериментальное и теоретическое исследование воздействия искрового электрического разряда на инжекцию газовых струй (в частности, топлива) в высокоскоростной воздушный поток с целью интенсификации смешения топлива и окислителя в сверхзвуковых камерах сгорания. Актуальность решения описанной проблемы смешения топлива с высокоскоростным потоком обусловлена тем, что эффективное решение является востребованным при разработке камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В данном направлении активно ведутся работы в США, России, Франции, Китае, однако известные исследования далеки от завершения, а подходы к решению задачи находятся на стадии фундаментальных исследований с прикладным уклоном. Первая часть экспериментальных исследований была выполнена с помощью теневого метода (метода Теплера), который позволяет визуализировать градиенты плотности в потоках газов. Этот метод позволяет увидеть струю топлива в сверхзвуковом потоке воздуха, а также горячую область, вызванную пробоем искрового разряда. Метод является интегральным и позволяет увидеть увеличение глубины проникновения струи в поток. С помощью теневого метода было показано, что расширение тепловой каверны после пробоя разряда приводит к увеличению поверхности струи, т.е. к увеличению границы между топливом и окислителем, что в свою очередь должно содействовать ускорению смешения газов. Было обнаружено, что поперечный потоку разряд оказывает более слабое воздействие, чем продольный разряд. Это объясняется тем, что продольный разряд целиком расположен внутри струи, и всё расширение тепловой каверны приводит у увеличению поверхности струи, в то время, как для поперечного разряда часть тепловой каверны воздействует только на окружающий воздух. Вторая часть экспериментальный исследований была выполнена с помощью метода PIV - визуализация течения с помощью частиц. Этот метод дает возможность получить информацию о скорости потока в фиксированном поперечном или продольном сечении, т.е. метод является локальным. Помимо скорости, метод позволяет точно определить границу струи, в случае если струя и поток имеют существенно различный засев частицами. В частности, в представленных экспериментах основной поток был засеян мелким конденсатом паров воды, а основная струя была засеяна маслом, капли которого были существенно большего диаметра. С помощью метода PIV в продольном сечении были исследованы режимы истечения струи - получены профили скорости, а с помощью визуализации в поперечном сечении было выполнено исследование влияние разряда на границу раздела между топливом и окислителем. В целом, результаты, полученные методом PIV, соответствуют результатам, полученным с помощью теневого метода и компьютерного моделирования. Продольный искровой разряд показал наибольшую эффективность, что выражается в более чем двукратном увеличении периметра струи в выбранном сечении под воздействием разряда. С помощью подготовленной численной модели выполнено параметрическое исследование влияния искрового разряда на смешение топлива с окислителем в сверхзвуковом потоке. Было выполнено варьирование формы разряда, энерговклада, местоположения, а также ориентации относительно потока. Показано, что искровой разряд приводит к существенному увеличению границы раздела между топливом и окислителем в интервале времени 30-200 мкс после разряда. Наиболее эффективным вариантом оказался продольный потоку разряд, расположенный на расстоянии ~15мм ниже по течению относительно инжектора. Также показано, что при использовании искривленного разряда возникают обусловленные изгибами канала струйные течения, однако они не оказывают значительного влияния на смешение в рассмотренной системе поток-струя-разряд. Таким образом, с помощью численного моделирования показана возможность интенсификации смешения струи газообразного топлива со сверхзвуковым потоком воздуха с помощью поверхностного искрового разряда. Данные моделирования подтверждены экспериментально с помощью теневого метода и метода визуализации частиц.

 

Публикации

1. Долгов Е.В., Колосов Н.С., Фирсов А.А. Исследование интенсификации смешения искровым разрядом в сверхзвуковом потоке воздуха при помощи численного моделирования Proceedings of the 18th Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, C.196-199 (год публикации - 2019)

2. Долгов Е.В., Колосов Н.С., Фирсов А.А. Исследование влияния искрового разряда на смешение струи газообразного топлива со сверхзвуковым воздушным потоком КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ, Т. 11, № 5, С. 849–860 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.20537/2076-7633-2019-11-5-849-860

3. Фирсов А.А., Долгов Е.В., Леонов С.Б. Numerical simulation of mixing enhancement by electrical discharge in supersonic airflow AIAA SciTech Forum, AIAA 2019-1349 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.2514/6.2019-1349

4. Долгов Е.В., Фирсов А.А. Parametrical investigation of mixing by a spark discharge in supersonic flow XXXIV International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter (ELBRUS 2019), Poster session, March 2, paper 96 (год публикации - 2019)

Возможность практического использования результатов
Результаты, полученный в данном исследовании, представляют собой научно-технический задел по интенсификации смешения топлива с окислителем в высокоскоростных камерах сгорания. Результаты работы могут быть использованы при разработке двигателей высокоскоростных летательных аппаратов и космической техники.