МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ ПОДКРИТИЧЕСКИМ СТРИМЕРНЫМ РАЗРЯДОМ

Рассмотрены возможности инициирования горения и детонации смеси пропана с воздухом СВЧ-разрядами, создаваемыми квазиоптическим электромагнитным пучком. Выполнено сравнение инициирования различными видами разряда – искровым, стримерным и присоединенным. Приведена теория образования стримерных разрядов, проанализирована скорость их распространения и объем подводимой энергии. Выполнены эксперименты и расчеты воспламенения пропан-воздушной смеси различными типами разрядов. Показано, что при инициировании горения стримерным разрядом, по сравнению с равным по вкладу энергии искровым разрядом, получено кратное увеличение скорости распространения фронта пламени и полноты сгорания топлива. При форкамерном инициировании горения путем зажигания стримерного разряда на внутренних стенках кварцевой трубки получено существенное ускорение горения до скоростей, характерных для перехода дефлаграции в детонацию. Результаты могут найти применение при разработке систем многоочагового объемного зажигания в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных двигателях, малоэмиссионных камерах сгорания, для организации горения в сверхзвуковом потоке, а также в камерах сгорания детонационных двигателей.

1. Булат П.В., Денисенко П.В., Волков К.Н. Тенденции разработки детонационных двигателей для высокоскоростных воздушно-космических летательных аппаратов и проблема тройных конфигураций ударных волн. Часть I. Исследования детонационных двигателей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 1. С. 1–21. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-1-1-21
2. Bulat P.V., Uskov V.N. Shock and detonation wave in terms of view of the theory of interaction gasdynamic discontinuities // Life Science Journal. 2014. V. 11. N 8s. P. 307–310.
3. Uskov V.N., Bulat P.V., Arkhipova L.P. Gas-dynamic discontinuity conception // Research Journal of Applied Sciences. 2014. V. 8. N 22. P. 2255–2259.
4. Булат П.В., Есаков И.И., Волобуев И.А., Грачев Л.П. О возможности ускорения горения в камерах сгорания перспективных реактивных двигателей при помощи глубоко подкритического СВЧ-разряда // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 2. С. 382–385. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-2-382-385
5. Nettleton M.A. Gaseous Detonations: Their Nature, Effects and Control. Springer, 2012. 256 p.
6. Dryer F.L., Ju Y. University Capstone Project: Enhanced Initiation Techniques for Thermochemical Energy Conversion. Final Report AFRL-OSR-VA-TR-2013-0126, 2013.
7. Борисов А.А. Инициирование детонации в газовых и двухфазных смесях / в кн. Импульсные детонационные двигатели / Под ред. С.М. Фролова. М.: Торус Пресс, 2006. С. 159–186.
8. Bulat P., Volkov K. Simulation of laser-induced detonation in particulate systems with applications to pulse detonation engines // Proc. 30th Int. Symposium on Shock Waves (ISSW30). Tel-Aviv, Israel, 2015.
9. Волков К.Н., Булат П.В., Ильина Е.Е. Модель взаимодействия лазерного излучения с каплей жидкости // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 5. С. 764–772. doi: 10.17586/2226- 1494-2016-16-5-764-772
10. Volkov K. Laser-induced breakdown and detonation in gas-particle and gas-droplet mixtures / In: Horizons in World Physics. Edited by A. Reimer. USA, Nova Science Publishers, 2015. V. 284. P. 127–178.
11. Starikovskiy A., Rakitin A. Plasma-assisted ignition and deflagration-to-detonation transition // Proc. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting. Kissimmee, USA, 2015. 19 p. doi: 10.2514/6.2015-1601
12. Булат П.В., Булат М.П., Есаков И.И., Волобуев И.А., Грачев Л.П., Денисенко П.В. Экологически чистый способ сжигания газообразного топлива с применением квазиоптического СВЧ-излучения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 3. С. 513–523. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-3-513-523
13. Чернышев С.Л., Скворцов В.В., Иванов В.В., Трощиненко Г.А. Концепция создания и применения объемноцентрированного неравновесного разряда для поджига и интенсификации горения топлив в высокоскоростных потоках // Авиационная промышленность. 2013. №2. С. 19–25.
14. Esakov I., Grachev L., Khodataev K., Van Wie D. The linear electromagnetic vibrator as the initiator of electric breakdown of air in deeply subcritical field of quasioptical microwave beam // Proc. 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting. Orlando, USA, 2011. Paper AIAA 2011–1151. doi: 10.2514/6.2011-1151
15. Khodataev K.V. The power effectivity of a microwave undercritical attached discharge, initiated by resonant vibrator // Proc. 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, USA, 2005. P. 13341–13346.
16. Khodataev K.V. The nature of surface MW discharges // Proc. 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition. Orlando, USA, 2010. Art. 2010–1378.
17. Александров К.В., Есаков И.И., Лавров П.Б., Раваев А.А., Ходатаев К.В. Регулярная система газовых разрядов на поверхности диэлектрика в квазиоптическом пучке СВЧ-излучения // ЖТФ. 2012. Т. 82. №8. С. 55–61.
18. Khodataev K.V. The ignition of the combustion and detonation by the undercritical microwave discharge // Proc. 32nd AIAA Plasmadynamics and Laser Conference. Anaheim, USA, 2001.
19. Khodataev K.V. Weak detonation wave ignition and sustaining in over CJ-speed flow by means of undercritical microwave discharge // Symposium on Thermo-Chemical and Plasma Processes in Aerodynamics. St. Petersburg, 2006.
20. Бычков Д.В., Грачев Л.П., Есаков И.И., Раваев А.А., Северинов Л.Г. Электрический разряд в глубоко подкритическом поле СВЧ-пучка в высокоскоростной струе воздуха и его смеси с пропаном // ЖТФ. 2009. Т. 79. № 9. С. 33–40.
21. Esakov I.I., Grachev L.P., Bychkov V.L., VanWie D.M. Investigation of undercritical MW discharge with volumetrically developed streamer structure in propane-air supersonic stream // Proc. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, USA, 2006. P. 9493–9501.
22. Esakov I., Khodataev K.V. Applicability of ionization-overheating instability theory for a microwave gas discharge // Proc. 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting. Nashville, USA, 2012. Art. AIAA 2012-1163.
23. Khodataev K.V. The initial phase of initiated undercritical microwave discharge // Proc. 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, USA, 2005. P. 13347–13361.
24. Александров К.В., Грачев Л.П., Есаков И.И., Федоров В.В., Ходатаев К.В. Области реализации различных типов СВЧ-разряда в квазиоптических электромагнитных пучках // ЖТФ. 2006. T. 76. № 11. C. 52–60.
25. Ходатаев К.В. Порог пробоя в СВЧ-поле при низком и высоком давлениях в электроотрицательных газовых смесях // ЖТФ. 2013. Т. 83. № 2. С. 146–148.
26. Khodataev K.V. Numerical modeling of the combustion, assisted by the microwave undercritical discharge in supersonic flow // Proc. 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, USA, 2005. P. 14847–14862.
27. Ховатсон A.М. Введение в теорию газового разряда. М.: Атомиздат, 1980. 182 с.
28. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 1979. 313 с.
29. Khodataev K.V., Gorelik B.R. Diffusive and drift regimes of propagation of a plane ionization wave in microwave field // Plasma Physics Reports. 1997. V. 23. N 3. P. 215–224.
30. Грачев Л.П., Есаков И.И., Малык С.Г. Сферический плазмоид с нерезкой границей в линейно поляризованном квазистатическом электромагнитном поле // ЖТФ. 2001. Т. 71. №6. С. 23–27.
31. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электодинамика сплошных сред. Т. 8. М.: Наука, 1982. 621 с.
32. MacDonald A.D. Microwave Breakdown in Gases. NY: Wiley, 1966.
33. Saha Megh Nad. On a physical theory of stellar spectra // Proceedings of the Royal Society of London, Series A. 1921.V. 99. N 697. P. 135–153.
34. Khodataev K.V. Physics of super undercritical streamer discharge in UHF electromagnetic wave // Proc. 23rd Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, ICPIG. Toulouse, France, 1997.
35. Khodataev K.V. The physical basis of the high ability of the streamer MW discharge to a resonant absorption of MW radiation // Proc. 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting. Reno, USA, 2004. P. 1948–1955.
36. Желтоводов А.А., Пимонов Е.А. Численное моделирование развития зоны энергоподвода в покоящейся воздушной среде и в сверхзвуковом потоке при взаимодействии с прямым скачком // ЖТФ. 2013. Т. 83. № 2. С. 21–37. Грачев Л.П., Есаков И.И., Ходатаев К.В., Цыпленков В.В. Высокочастотный пробой воздуха в присутствии металлического шара // Физика плазмы. 1992. Т. 18. №3. С. 411–413.
38. Грачев Л.П., Есаков И.И. Мишин Г.И., Ходатаев К.В. Высокочастотный пробой воздуха в присутствии вибратора // ЖТФ. 1995. Т. 65. № 7. С. 60–67.
39. Жуков В.П. Воспламенение насыщенных углеводородов при высоких давлениях и инициирование детонации наносекундным разрядом: автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Долгопрудный, 2005. 22 с.
40. Lefkowitz J.K., Ombrello T. Study of nanosecond pulsed high frequency discharge ignition in a flowing methane // Proc. 55th AIAA Aerospace Sciences Meeting Air Mixture. Grapevine, USA, 2017. Art. AIAA 2017-1777.
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License