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 21-79-10408

НазваниеСтимулирование и стабилизация горения этилена в сверхзвуковом потоке с помощью плазмы электрических разрядов.

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 07.2021 - 06.2024 

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые словасверхзвуковой поток, электрический разряд, горение, плазма, интенсификация смешения, интенсификация горения, плазменно-стимулированное горение, горение в сверхзвуковом потоке, ГПВРД, плазменная аэродинамика, физика плазмы, искровой разряд, дуговой разряд, разряд постоянного тока.

Код ГРНТИ29.27.51

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка перспективных высокоскоростных летательных аппаратов - в том числе, гиперзвуковых самолетов и ракет, а также систем многоразовой доставки грузов на околоземную орбиту - включает в себя решение задачи по созданию гиперзвукового двигателя, предназначенного для полета с числом Маха М > 5. Помимо классических ракетных двигателей, использующих окислитель, расположенный на борту, обширные исследования ведутся в области разработки гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД), основным преимуществом которого является использование в качестве окислителя набегающего воздушного потока. ГПВРД принципиально отличается от турбореактивного двигателя (ТРД) сверхзвуковым течением на входе в камеру сгорания и отсутствием вращающихся механизмов, турбины и компрессора. Последние на высоких числах Маха термодинамически мало эффективны и приводят к значительным потерям полного давления. Ввиду того, что нормальное функционирование ГПВРД возможно только на высоких скоростях полета, активно рассматриваются комбинированные системы, сочетающие ГПВРД и ракетный ускоритель, или сочетающие ГПВРД и ТРД. В качестве примера последнего случая можно привести проект TRRE (Turbo-aided Rocket-augmented Ram/scramjet Engine), разрабатываемый в Китае, и проект AFRE (Advanced Full Range Engine), разрабатываемый в США. В таком случае достаточно удобным является сохранение в качестве топлива для ГПВРД стандартного авиационного керосина. Однако воспламенение жидкого углеводородного топлива затруднительно в условиях, реализующихся в камерах сгорания ГПВРД. Нашей научной группой совместно со специалистами ЦАГИ было получено успешное воспламенение жидкого и газообразного углеводородных топлив в сверхзвуковом потоке воздуха при М=2,5 посредством электрического разряда. Этилен может использоваться как основное, так и вспомогательное топливо. Этилен часто используется как модельное топливо, т.к. он превалирует в продуктах термического крекинга общепринятых авиационных топлив. Выбор этилена также обусловлен тем, что в жидкой фазе его плотность существенно выше, чем у метана: 566кг/м3 против 416кг/м3 при 273К, а в газовой фазе плотность выше почти в 2 раза. Поэтому интенсификация смешения, стимулирование и стабилизация горения этилена в сверхзвуковом потоке с помощью плазмы электрических разрядов является актуальной научной проблемой, решение которой будет содействовать появлению реальных аппаратов с ГПВРД и позволит расширить диапазон рабочих условий. В проекте предлагается провести комплексное экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование, направленное на решение ключевых проблем ГПВРД: на уменьшение времени образования перемешанного объема t_mix, на уменьшение времени индукции смеси t_ind, а также на поиск оптимального соотношения между этими временами с целью снижения негативного влияния продуктов реакции на дальнейшее смешение топлива с окислителем. Оптимальным средством для управления t_mix и t_ind является электрический разряд, обладающий высокими частотами работы (сотни килогерц) и высокой химической активностью плазмы. Задачи в рамках концепции плазменно-стимулированного горения, рассматриваемые в проекте, включают в себя 1) исследование влияния гидродинамических и химических процессов на параметры электроразрядной плазмы в сверхзвуковом потоке; 2) управление структурой топливной струи и смешением при помощи электрических разрядов; 3) параметрическое исследование границ устойчивого горения, полноты сгорания и тяговой характеристики модельного двигателя при плазменно-стимулированном горении этилена в сверхзвуковой камере сгорания (КС) в различных геометрических конфигурациях. В данных направлениях активно ведутся исследования в США, Китае, Франции, Австралии и других странах, что показывает высокий уровень значимости проблемы. Вместе с тем известные по литературе работы далеки от завершения с точки зрения практического применения. В настоящее время российские ученые (в частности, работающие в ОИВТ РАН) обладают приоритетом в части исследования влияния плазмы электрических разрядов на характеристики сверхзвуковых потоков и горения. Решение первой задачи является основой для последующих научно технических решений, и включает в себя исследование динамики, электрических и плазмохимических характеристик разрядов при использовании источников питания с различными временными характеристиками (постоянный ток, переменный ток, комбинированные источники на современной полупроводниковой элементной базе), позволяющими варьировать параметры плазмы, такие как геометрия разряда, температура газа и концентрация активных частиц, содействующих ускорению химических реакций. Параметры потока термохимически неравновесной газовоздушной смеси в окрестности разряда будут получены как экспериментально, так и с помощью моделирования течения с учетом химической и ионизационной кинетики в самосогласованном электрическом поле. Моделирование будет выполнено в уникальном программном комплексе PLASMAERO, разработанном в ОИВТ РАН. Предыдущие экспериментальные исследования, проведенные авторским коллективом, показали, что для организации стабильного воспламенения в сверхзвуковом потоке при ограниченном энерговкладе в разряд необходимо создание протяженной плазменной области. Длина разряда ограничена механизмами вторичного пробоя между элементами разрядной петли, которые в данный момент не описаны, также как не описаны работа разряда в сверхзвуковом потоке от источника переменного тока или источника комбинированного типа. Предварительные эксперименты выявили ряд важных для практического использования особенностей, которые требуют детального исследования и описания. Решение второй задачи - это один из ключевых пунктов при организации горения в сверхзвуковом потоке даже в случае самовоспламенения смеси. В случае предварительно не перемешанных компонент интенсивность горения и полнота сгорания топлива определяются не столько скоростью химических реакций, сколько темпом смешения. Решение задачи интенсификации смешения является первостепенным требованием для организации эффективного горения в сверхзвуковом потоке. Проведенные исследования позволяют предполагать, что наиболее перспективным решением может быть генерация газодинамических возмущений внутри инжектора или на выходе струи топлива в основной поток, приводящих к усилению гидродинамической неустойчивости в сдвиговом слое на границе струи и потока. Для генерации таких возмущений планируется применить периодический искровой разряд и/или диэлектрический барьерный разряд (ДБР) соответствующей частоты. Исследования возможности влияния с помощью протяженного искрового разряда на струю топлива в сверхзвуковом потоке на некотором расстоянии от инжектора были выполнены ранее и опубликованы нашей научной группой, и новизна предлагаемого в данном проекте решения заключается именно в инициировании либо интенсификации гидродинамической неустойчивости на границе струи, а не в прямом механическом перемешивании за счет газодинамики распада тепловой каверны искрового разряда. Ожидается, что при таком подходе энерговклад в разряд будет значительно ниже, а скорость перемешивания выше, чем в случае сильноточных разрядов. Данная задача будет решаться как с помощью численного моделирования (предварительная оптимизация геометрии), так и экспериментально. Для оптимальной конфигурации плазменного актуатора, интенсифицирующего смешение, будет выполнено прямое сравнение полноты сгорания при плазменно-стимулированном горении этилена для случаев с актуатором смешения и без него. Третья задача включает в себя комплекс исследований в области управления плазменно-стимулированным горением в сверхзвуковом потоке, включая подавление возникающих неустойчивостей горения и стабилизацию фронта пламени. Обнаруженные ранее неустойчивости имеют характерные частоты в диапазоне 100-1500 Гц и могут приводить к срыву фронта пламени. Основным механизмом развития глобальной низкочастотной неустойчивости горения в сверхзвуковом потоке является периодическое возникновение нестационарной отрывной зоны с последующим запиранием потока. Высокочастотная мода неустойчивости имеет термо-акустическую природу и возникает вследствие замыкания обратной связи через дозвуковую зону интенсивного тепловыделения. Использование электрических разрядов с возможностью активного управления мощностью, частотой модуляции и положением энергоподвода, а также обратной связи этих характеристик с давлением в камере сгорания позволит обеспечить активное управление возникающими неустойчивостями горения. В работе будут рассмотрены несколько геометрических конфигураций, и выполнено их сравнение между собой: плазменно-стимулированное горение на плоской стенке (а), горение при использовании для инжекции и локализации разряда пилона (б) и уступа (в). Исследования в каждой отдельной конфигурации проводились ранее в различных группах, и частично были рассмотрены в том числе и нашим коллективом, но прямого сравнения в идентичных условиях не выполнялось. Отметим, что стабилизация пламени на плоской стенке при низкой температуре не может быть реализована без активного воздействия на скорость протекания химических реакций, например при помощи плазмы. Проведенные ранее эксперименты показывают, что даже при использовании постоянно действующего электрического разряда с локальной максимальной температурой более 4000 К, воспламенение происходит не во всех случаях вследствие низких скоростей кинематического перемешивания и распространения фронта пламени. Как следствие, задача организации горения не перемешанных потоков топлива и окислителя сводится не только к воспламенению, но и к поддержанию\стабилизации фронта горения. Для этого требуется обеспечить соответствующие условия для конверсии топлива в слое смешения за время существования такого слоя, после чего возможно воспламенение смеси. В условиях высокоскоростного потока и ограниченного размера камеры сгорания интервал времени, доступный для завершения процессов смешения и горения, оказывается коротким, менее 1мс, что влечет за собой особые требования к структуре потока, включая зоны локальных нестационарных отрывных течений. Рассмотрение взаимного влияния химических реакций и гидродинамических процессов в камере сгорания будет одним из важнейших аспектов предлагаемой работы. С помощью численного моделирования на основании решения уравнений Навье-Стокса и детального кинетического механизма, включая плазмохимию, будет выполнено параметрическое исследование с целью поиска электрических и геометрических параметров разряда для снижения времени индукции реагирующей смеси. Определенные с помощью расчетно-теоретического исследования характеристики разряда будут реализованы в эксперименте, будут определены диапазоны устойчивого горения, проведено сравнение с известными данными (диаграмма Озавы), определены полнота сгорания и тяговые характеристики модельной камеры сгорания. Будет также выполнено сравнение с исходной (опробованной в предыдущих исследованиях) конфигурацией. Таким образом, комплексная научно-техническая проблема, решению которой будет посвящен данный проект, заключается в исследовании особенностей плазмы электрического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха и применению этого фундаментального знания для интенсификации смешения, стимулирования и стабилизация горения этилена в сверхзвуковом потоке с помощью плазмы электрических разрядов. Актуальность научной проблемы подтверждается как высоким интересом к данной тематике российских и зарубежных научных групп, так и отсутствием подробных и достоверных научных результатов исследований в ключевых направлениях, представленных в проекте. Научная новизна проекта обусловлена как новизной поставленных задач, так и комплексным подходом, включающим в себя расчетно-теоретический анализ плазмы разряда и горения с учетом плазмохимии в сверхзвуковом потоке воздуха, и основанное на результатах численного моделирования комплексное экспериментальное исследование смешения, воспламенения и стабилизации пламени этилена в сверхзвуковом потоке с помощью электрического разряда. Основными результатами проекта будут новые знания о физике плазмы электрического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха и особенностях применения такого разряда в задачах интенсификации смешения, стимулирования и стабилизации горения этилена в сверхзвуковом потоке воздуха. Выполнение работы в рамках предложенного проекта позволит создать фундаментальный задел и обеспечит приоритет Российской Федерации в области развития технологии плазменно-стимулированного горения в ГПВРД.

Ожидаемые результаты
Проект посвящен исследованию фундаментальных основ и разработке научно-технических решений для интенсификации смешения, стимулирования и стабилизации горения этилена в сверхзвуковом потоке с помощью плазмы электрических разрядов. Задачи в рамках концепции плазменно-стимулированного горения, рассматриваемые в проекте, включают в себя: 1) исследование влияния гидродинамических и химических явлений на параметры плазмы электрических разрядов в сверхзвуковом потоке; 2) управление структурой топливной струи и смешением при помощи электрических разрядов; 3) параметрическое исследование границ устойчивого горения, полноты сгорания и тяговой характеристики модельного двигателя при плазменно стимулированном горении этилена в сверхзвуковой камере сгорания (КС) в различных геометрических конфигурациях. Ожидаемые результаты имеют высокую значимость для мировой науки и разбиты на три группы в соответствии с поставленными задачами для удобства восприятия. Ожидаемые результаты исследования в рамках первой задачи включают в себя данные о динамике, электрических и плазмохимических характеристиках разрядов при использовании различных типов источников питания. Будут определены типичные диапазоны вольт-амперных характеристик, приведенного электрического поля, температуры плазмы, концентрации электронов. Эти диапазоны значений будут использованы в кинетическом моделировании воспламенения при решении третьей задачи проекта. Впервые будет подробно исследован и описан механизм вторичного пробоя между элементами разрядной петли. Известные на данный момент и описанные в литературе механизмы нестационарности протяженного разряда в потоке обусловлены либо достижением напряжения пробоя и повторным пробоем на электродах, либо пробоем через газодинамические особенности в сверхзвуковом потоке (например, скачки уплотнения), однако оба механизма не объясняют поведение разряда, наблюдаемое как в наших экспериментах, так и в экспериментах других, в т.ч. зарубежных, групп. Таким образом, ожидаемые результаты решения задачи будут иметь высокую значимость для дальнейшего развития плазменно-стимулированного горения, а рассматриваемые разряды и их подробные характеристики могут быть использованы на практике при разработке прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Ожидаемые результаты проекта по второй задаче включают в себя описание физических процессов, приводящих к развитию неустойчивых течений и провоцирующих ускорение кинематического перемешивания компонент при наличии вблизи инжектора или внутри него искусственно вызванных посредством электрических разрядов градиентов плотности и давления. Будет выполнено описание динамики взаимодействия тепловых неоднородностей, вызванных разрядами, с набегающим сверхзвуковым потоком (число Маха М=2) и/или инжектируемой струей (М~1), а также со сдвиговым слоем в области взаимодействия струи топлива и потока, разработка физической основы устройств интенсификации смешения топлива с окислителем при помощи импульсных электрических разрядов в высокоскоростных камерах сгорания тепловых машин. Будет выполнен анализ как экспериментальных данных, так и результатов численного моделирования. Ключевым результатом решения этой задачи будет расширенный анализ экспериментальных данных по плазменно-стимулированному горению в присутствии актуатора, интенсифицирующего смешение и сравнение полученных данных с горением в отсутствие такого актуатора. Такие эксперименты будут проведены впервые: на основании этих данных будут сделаны выводы о возможности реального практического применения нестационарных электрических разрядов для интенсификации смешения компонент топлива и окислителя в сверхзвуковом потоке. Ожидаемые результаты решения третьей задачи включают в себя подробное сравнение различных геометрических конфигураций при организации плазменно-стимулированного горения этилена в идентичных условиях по параметрам потока, разряда и инжекции: горение на плоской стенке (а), горение при использовании для инжекции и локализации разряда пилона (б) и уступа (в). Подробное сравнение будет выполнено впервые, на основании этого сравнения будет сделан вывод о преимуществах и недостатках вспомогательных геометрических элементов при плазменно-стимулированном горении. Также будет получен и проанализирован широкий набор экспериментальных данных о плазменно-стимулированном горении при использовании различных типов источников питания, на основании которых будет предложена принципиальная схема источника для установки на борт летательного аппарата. Будут сделаны выводы о влиянии электрических особенностей разрядов, обусловленных отличиями в амплитудно-частотных характеристиках, на воспламенение топлива и стабилизацию фронта пламени. Будут получены данные о возможности подавления неустойчивостей плазменно-стимулированного горения этилена посредством генераторов плазмы с обратной связью. С помощью кинетического моделирования с учетом детальной плазмохимии будет получена информация о предпочтительных электрических характеристиках разрядов, способствующих снижению времени индукции для случая плазменно-стимулированного горения этилена в воздухе. На основании этих расчетно-теоретических данных будут предложены и опробованы экспериментально схемы предварительной обработки плазмой топлива или окислителя, а также будут реализованы в эксперименте электрические разряды со скорректированными на основании расчетов электрическими характеристиками. В экспериментах будут определены диапазоны устойчивого горения, полнота сгорания и тяговые характеристики модельной камеры сгорания. Такой подход к развитию физических основ плазменно-стимулированного горения, сочетающий в себе расчетно-теоретический анализ горения с учетом плазмохимии, и перенос результатов на реальный эксперимент будет использован впервые. По результатам этих исследований будут сформулированы практические рекомендации по применению протяженных контрагированных электрических разрядов при разработке систем воспламенения и удержания пламени для сверхзвуковых камер сгорания. __ По нашей оценке на основании открытых данных, предполагаемые результаты проекта будут соответствовать мировому уровню, а по указанным ключевым задачам - будут опережать и превосходить результаты, полученные другими научными группам, в случае поддержки данного проекта. Несмотря на наличие некоторого объема как теоретических, так и экспериментальных работ по исследованию горения газообразного топлива в сверхзвуковом набегающем потоке, экспериментальные исследования по данной теме далеки от завершения и являются достаточно редкими вследствие их высокой сложности, обусловленной высокой скоростью протекающих процессов. Добавление в такие исследования электрических разрядов создает дополнительные сложности в работе как в части многопараметрического подхода, так и с технической точки зрения. Исследования в данной области продолжаются в США, Китае, Франции, и в нескольких научных группах в России, причем в зарубежных странах эти проекты имеют существенную финансовую поддержку, однако известные авторскому коллективу результаты имеют разрозненный характер, а работы далеки от завершения. __ Проект имеет отличные перспективы для последующего практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере. Известно, что Российская Федерация является одним из ключевых экспортеров вооружений, летательной техники, элементов космических ракет, а также предоставляет услуги по выводу аппаратов на околоземную орбиту. Рассматриваемые научно-технические решения по интенсификации смешения и горения могут быть применены в камерах сгорания большинства типов высокоскоростной летательной техники, что повысит их характеристики, такие как полнота сгорания и термодинамическая эффективность. Полученные результаты - фундаментальные и прикладные - обеспечат приоритет Российской Федерации в области развития технологии плазменно-стимулированного горения высокоскоростных камерах сгорания, включая ГПВРД. Таким образом, результаты проекта внесут существенный вклад в удержание лидерских позиций в освоении и использовании космического и воздушного пространства (Направление 6 из Стратегии НТР РФ).

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
https://plasmaero.jiht.org/Research/RSF-21-79-10408 [1] Продольный разряд в сверхзвуковом потоке В сверхзвуковом потоке достаточно сложно и трудоемко получить полный объем данных об электрическом разряде, упростить ситуацию может одновременное использование эксперимента и численного моделирования. Геометрия эксперимента в сверхзвуковой аэродинамической трубе ИАДТ-50 ОИВТ РАН была выбрана с учетом возможностей численного моделирования, а именно – реализована осесимметричная конфигурация вдали от стенок аэродинамического канала с разрядом (ток 0,5–7 А) между двумя тонкими соосными электродами (D~1мм), расположенными параллельно потоку (M = 2, Tg = 167 K, P = 22 kPa), c расстоянием 30 мм между ними. Данная конфигурация была рассчитана в двухмерной осесимметричной постановке в программных комплексах PlasmAero и FlowVision. Два разных программных комплекса были использованы по следующим причинам: PlasmAero разработан в ОИВТ РАН для решения задач плазменной аэродинамики, в использованной в данной работе модели учитываются 11 компонент (N2, O2, NO, N, O, N2+, O2+, NO+, N+, O+, e) и набор из 49 реакций, однако отсутствует возможность включения модели турбулентности; FlowVision это коммерческий код, в котором одножидкостная модель (МГД приближение) электродинамики появилась недавно, присутствуют стандартные модели турбулентности и возможность выполнения трехмерных расчетов. Сравнения результатов расчётов с использованием этих двух подходов позволит оценить применимость пакета FlowVision для решения задачи трехмереного моделирования электрического разряда в потоке и последующего моделирования плазменно-стимулированного горения. В эксперименте были выполнены электрические измерения – временная зависимость тока разряда и напряжения на разряде. В эксперименте и моделировании было отмечено существенное влияние геометрии задачи на получаемые результаты. В частности, наблюдается формирование неустойчивости течения в сдвиговом слое на границе между нагретым разрядом, и окружающим холодным потоком. Полученная в результате экспериментов вольтамперная характеристика разряда хорошо совпала с результатами численного моделирования. Полученный токовый канал имеет небольшой диаметр ~0.6мм, в то время как диаметр теплового конуса на расстоянии 30мм достигал 6мм, температура в разряде составила 5000-8000К в зависимости от тока разряда. [2] Продольно-поперечный разряд в сверхзвуковом потоке В данной части работы был выполнен эксперимент по исследованию ППР, а также в программных комплексах FlowVision и PlasmAero проводилось моделирование продольно-поперечного разряда постоянного тока. FlowVision позволяет решать эту задачу в приближении одножидкостной равновесной плазмы. Для расчёта течения на каждом шаге моделирования решалась система уравнений Навье-Стокса, замкнутая модифицированной моделью турбулентности k-ε FlowVision. В FlowVision разряд находился в пристеночной области сверхзвукового течения. В результате моделирования были получены 3D распределения характеристик разряда на протяжении его эволюции продолжительностью в 285 мкс. На 175 мкс вручную был инициирован перепробой разряда путем установки высокотемпературного цилиндрического канала (T = 10000 K, R = 0,2 mm) между нитями тока. На данном этапе ставится задача адаптации возможностей пакета PlasmAero к условиям эксперимента. Ввиду принципиальной трехмерности эксперимента применение 2D инструментов PlasmAero предполагает выделение близких к двумерным составляющих эксперимента. Таковым является конфигурация разряда: два протяженных вдоль вектора скорости токовых канала с противоположно направленными токами и соединяющая их перемычка. Рассматривая такую конфигурацию в рамках 2D модели, можно выяснить механизм перезамыкания, обрыва перемычки и ее восстановления. Для калибровки параметров разряда вначале было проведено численное моделирование основного протяженного участка канала разряда в осесимметричной постановке, для оценки параметров канала при токе 1 А, который является основной масштабной характеристикой эксперимента. В расчёте были получены распределения некоторых ключевых величин во всей области моделирования, которая включает в себя область сверхзвукового потока воздуха при М = 2, Т = 167 К и Р = 22 кПа. В работе был исследован момент начала формирования альтернативной токовой перемычки между верхним и нижним каналами разряда. В моделировании было получено изменение разности потенциалов на электродах во времени при условии постоянства токов (±4 кА) при временах больших 1 мкс и профили температуры и мольной доли электронов, полученные для заданных величин тока и давления. Перезамыкание формируется, по-видимому, совместным влиянием двух процессов: неустойчивостью плоско-параллельного движения струй (слоев) с интенсивным тепловыделением в сверхзвуковом спутном потоке, формированием в результате этого крупных вихревых структур – с одной стороны, и возникновением областей с достаточно высокими значениями электрического поля в зонах повышенной концентрации электронов. Полученные предварительные результаты численного моделирования качественно соответствуют экспериментальным. Полученные результаты содержат также распределения основных компонент диссоциированного и частично ионизованного воздуха, что является важной информацией для предварительных оценок эффективности такого сорта разряда для контроля воспламенения и управления горением в проточных камерах сгорания. [3] Модификация и тестирование кинетической модели для задач плазменно-стимулированного горения в смеси этилен-воздух В настоящее время активно развиваются фундаментальные основы концепции плазменно-стимулированного горения газообразных углеводородных топлив в сверхзвуковом потоке, в том числе применительно к научно-технической проблеме создания прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Среди решаемых в рамках этого направления задач можно выделить уменьшение времени задержки вопламенения смеси tind и снижение мощности, потребляемой электроразрядной системой. Для этого в настоящей работе в качестве топлива рассматривается этилен, который может быть использован как самостоятельно, так и как вспомогательное топливо для воспламенения жидких углеводородов и поэтому часто используется как модельное топливо в подобных задачах. Для проведения численного исследования плазменно-стимулированного горения этилена в сверхзвуковом потоке, в том числе для установления плазмохимического кинетического механизма уменьшения времени задержки воспламенения, необходимо разработать эффективную кинетическую схему горения этилена в воздухе. Этилен является одним из промежуточных продуктов горения сложных углеводородов. Для модификации и тестирования уже имеющейся кинетической схемы для случая, когда С2Н4 является топливом, были проведены расчеты, где сравнивалось время задержки воспламенения с результатами экспериментов, проведенных на ударных трубах. Для одного из таких вариантов, рассмотренных в работе, за отраженной ударной волной tind определено в диапазоне температур 1112–1556 К и давлении P=3 бар в смеси 1%C2H4+3%O2+96%Ar. В расчете время индукции определялось в точке перегиба кривой давления, в эксперименте - по максимуму излучения близко к точке с быстрым ростом давления. Как видно из рисунка расчетные значения tind хорошо согласуются с экспериментом. На основании кинетического анализа в работе выявлены основные реакции на разных временных интервалах во всех температурных диапазонах. Другим важным критерием правильной работы схемы является скорость ламинарного пламени в зависимости от коэффициента избытка топлива. Эта зависимость также представлена в работе.

 

Публикации

1. Фирсов А.А., Битюрин В.А., Тарасов Д.А., Добровольская А.С., Трошкин Р.С., Бочаров А.Н., Longitudinal DC Electric Discharge in a Supersonic Flow АIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2022)

2. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., CFD Simulation of DC-discharge in Supersonic Airflow АIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2022)

3. Битюрин В.А., Бочаров А.Н., Добровольская А.С., Филимонова Е.А., Фирсов А.А., Численное моделирование продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха. О перепробое продольно-поперечного разряда XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.96-100 (год публикации - 2022)

4. Тарасов Д.А., Фирсов А.А., Трехмерное моделирование продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.50-52 (год публикации - 2022)

5. Тарасов Д.А., Фирсов А.А., Моделирование разряда постоянного тока в сверхзвуковом потоке Королёвские чтения XLVI Академические чтения по космонавтике, секция 7 (год публикации - 2022)

6. Филимонова Е.А., Добровольская А.С. Модификация и тестирование кинетической модели для задач плазменно-стимулированного горения в смеси этилен-воздух XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.129-132 (год публикации - 2022)

7. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., Продольный электрический разряд постоянного тока в сверхзвуковом потоке Королёвские чтения XLVI Академические чтения по космонавтике, секция 7 (год публикации - 2022)

8. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., Битюрин В.А., Добровольская А.С., Бочаров А.Н. Продольный разряд в сверхзвуковом потоке, часть 1: двухмерное численное моделирование XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.43-46 (год публикации - 2022)

9. Фирсов А.А., Трошкин Р.С., Битюрин В.А., Продольный разряд в сверхзвуковом потоке, часть 2: экспериментальное исследование XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.47-49 (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проекту посвящена страница на сайте лаборатории: https://plasmaero.jiht.org/Research/RSF-21-79-10408 Экспериментальные исследования и моделирование (в двух программных комплексах – Plasmaero и FlowVision) продольного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха завершены. Проведен полный комплект экспериментов с использованием переднего вольфрамового электрода (для уменьшения влияния материала электрода на измерения), определена ВАХ, температура разряда и другие характеристики [Firsov A.A. et al //Energies 2022]. Полученные результаты подробно описаны в статье. В частности, проработано и объяснено расхождение значений температуры, полученной в моделировании и эксперименте. Было сделано предположение, что на результат измерений в эксперименте влияет реальное распределение температуры вдоль радиуса – т.е. регистрируется интегральный спектр для слоев с разной температурой плазмы. На основании данных из моделирования и зависимости температуры электронов от приведенного поля, найденной в литературе, был создан синтетический интегральный спектр – такой, как если бы это был спектр излучения разряда, моделируемого в CFD Plasmaero [Troshkin R.S., Firsov A.A. // Plasma Physics Reports. 2023]. Характерная температура, которой соответствовал данный спектр, была ниже максимальной (~ в 1.3 раза) и хорошо соответствовала экспериментальному результату. Экспериментальные исследования и моделирование (в двух программных комплексах) продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха в целом завершены. В экспериментах был исследован разряд у стенки сверхзвукового канала для двух межэлектродных расстояний и нескольких величин разрядного тока [Perevoshchikov E.E., Firsov A.A. // Plasma Physics Reports. 2023]. В эксперименте регистрировались зависимости тока и напряжения от времени, а также велась высокоскоростная видеосъемка. Было показано, что при фиксированном токе разряда ~3,6 А увеличение межэлектродного расстояния с 5 до 6 мм приводит к увеличению максимальной длины разряда на 15-20 мм и уменьшению частоты повторного пробоя с 17,2 кГц до 12,8 кГц. При фиксированном межэлектродном расстоянии, например, 6 мм, увеличение тока разряда с 1,7 А до 3,6 А приводит к уменьшению частоты повторного пробоя с 15,4 кГц до 12,8 кГц, увеличению длины разряда на ~20 мм. Падение напряжения на приэлектродных слоях разряда (катодное плюс анодное падение напряжения) в рассматриваемых условиях составило 100-150 В. С помощью моделирования получены двухмерные и трехмерные поля газодинамических и электрических величин: поля скорости, температуры, плотности, плотности электрического тока итд. Численное моделирование продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха в двумерном приближении позволило сформулировать качественную модель процесса, включающую фазы начального формирования контрагированного канала, формирования и распада перемычек, квазипериодического вида тока и напряжения, и формирования температурного следа. Установлена роль полевых реакций ионизации и диссоциации, что может быть важно для применения продольно-поперечного разряда в технологиях организации горения или других высокотемпературных процессов в потоках газовоздушных смесей. Показано, что с увеличением тока растет длина токовой петли, а также увеличивается период перепробоев. Процесс повторного пробоя происходит, когда приведенное электрическое поле становится достаточно высоким, чтобы обеспечить образование достаточного количества электронов за счет полевых реакций в приэлектродной области. Таким образом, за счет полевых реакций образуется новая перемычка, которая затем нагревается проходящим током, и в перемычке начинает преобладать термическая ионизация, обеспечивается прохождение всего тока по этому каналу и гибель старого длинного канала [Bityurin V.A., et al // Plasma Physics Reports. 2023]. Выполнена работа по моделированию смешения струи со сверхзвуковым потоком. Для валидации расчётной модели был выполнен тестовый расчёт случая инжекции поперечной струи в сверхзвуковой поток. Этот частный случай был в прошлом подробно описан в литературе. После чего сделан расчет вариантов без разряда с условиями течения, соответствующими экспериментам в трубе ИАДТ-50, и варианты с разрядом: проварьированы место установки разряда, частота, энерговклад. На основании данных из литературы проработаны критерии оценки эффективности смешения и применены к результатам расчетов. Показано, что воздействие разряда, в зависимости от частоты, может приводит как к интенсификации смешения, так и наоборот к ухудшению смешения. Подробно значительная часть работы описана в статье «Моделирование влияния импульсно-периодического нагрева…», поданной в журнал Компьютерные исследования и моделирование. Также в ходе 2го года работы формализован подход по настройке схем горения углеводородного топлива, получена новая схема горения этилена, настроенная на условия планируемых экспериментов. Результаты направлены в журнал Химическая физика. На базе полной схемы (103 компонентов и 710 реакций) готовится сокращенная схема (46 компонента и 189 реакция) которая в настоящее время проходит проверку по методике, описанной в статье.

 

Публикации

1. Битюрин В.А., Бочаров А.Н., Добровольская А.С., Попов Н.А., Фирсов А.А. Re-Breakdown Process at Longitudinal-Transverse Discharge in a Supersonic Airflow Plasma Physics Reports, Vol. 49, No. 5, pp. 575–586. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063780X22601869

2. Перевощиков Е.Е., Фирсов А.А. Influence of Current and Interelectrode Gap on Characteristics of Longitudinal-Transverse Discharge in a Supersonic Airflow Plasma Physics Reports, Vol. 49, No. 5, pp. 634–639. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063780X22601894

3. Трошкин Р.С., Фирсов А.А., Parameters of a Longitudinal DC Discharge in a Supersonic Air Flow Plasma Physics Reports, Vol. 49, No. 5, pp. 640–648 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063780X22601870

4. Фирсов А.А., Битюрин В.А., Тарасов Д.А., Добровольская А.С., Трошкин Р.С., Бочаров А.Н. Longitudinal DC Discharge in a Supersonic Flow: Numerical Simulation and Experiment Energies, 15(19), 7015 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/en15197015

5. Добровольская А.С., Филимонова Е.А. Kinetic scheme preparation and its application for solving problems of plasma-assisted combustion in the ethylene-air mixture book "Nonequilibrium processes: Plasma, combustion, and atmosphere" / [Edit by S.M. Frolov and A.I Lanshin]. – Moscow: TORUS PRESS, 258 p., 66-68 pp. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.30826/NEPCAP10A-22

6. Фирсов А.А., Битюрин В.А., Добровольская А.С., Тарасов Д.А., Перевощиков Е.Е., Бочаров А.Н. Re-breakdown process for longitudinal-transverse DC discharge in a supersonic flow book "Nonequilibrium processes: Plasma, combustion, and atmosphere" / [Edit by S.M. Frolov and A.I Lanshin]. – Moscow: TORUS PRESS, 258 p., 69-72 pp. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.30826/NEPCAP10A-23

7. Фирсов А.А., Битюрин В.А., Добровольская А.С., Тарасов Д.А., Трошкин Р.С., Бочаров А.Н. Properties of direct current discharge in a supersonic airflow for combustion applications book "Nonequilibrium processes: Plasma, combustion, and atmosphere" / [Edit by S.M. Frolov and A.I Lanshin]. – Moscow: TORUS PRESS, 258 p., 85-90 pp. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.30826/NEPCAP10A-27

8. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., Трошкин Р.С., Перевощиков Е.Е., Добровольская А.С., Битюрин В.А. Longitudinal dc discharge in a supersonic flow: numerical simulation and experimental investigation XXI International conference on the methods of aerophysical research, Издательство Сибирского отделения РАН, Новосибирск, Part II, pp49-50 Edited by A.N. Shiplyuk, (год публикации - 2022) https://doi.org/10.53954/9785604788974_49