Численная модель импульсного подкритического стримерного сверхвысокочастотного разряда для задач плазменного поджига топливных смесей в газовой фазе

Булат П.В., Волков К.Н., Мельникова А.И., Ренев М.Е. Численная модель импульсного подкритического стримерного сверхвысокочастотного разряда для задач плазменного поджига топливных смесей в газовой фазе // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 4. С. 792–803. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-4-792-803

Предмет исследования. Разработана и верифицирована приближенная модель, предназначенная для оценки плазменного нагрева и конверсии топливных смесей при помощи подкритического стримерного сверхвысокочастотного разряда. Поджиг топливной смеси происходит в среде с давлением 13 кПа и температурой 150 К при наличии внешнего потока воздуха со скоростью до 500 м/с. Для фокусировки электромагнитного излучения использованы антенна-инициатор и плоское зеркало. Стехиометрическая смесь пропана и воздуха или чистый пропан подаются через полость в антенне. Мощность излучения составила 3 кВт. Метод. Модель реализована на основе схемы расщепления по физическим процессам, что позволило снизить требования к вычислительным ресурсам. Область, занятая плазмой, и ее проводимость заданы исходя из выбранного набора экспериментальных данных. Расчет плазменного поджига состоял из трех этапов. На первом этапе решены уравнения Больцмана для электронного газа в среде в нульмерной постановке для заданных параметров внешнего электрического поля. В результате получены функции распределения электронной энергии и коэффициентов реакций. На втором этапе рассчитаны уравнения Гельмгольца для распределения напряженности электромагнитного поля вблизи антенны-инициатора с учетом заданной проводящей области. По полученным распределениям электрического поля вычислены мощности джоулева нагрева и значения коэффициентов реакций. На третьем этапе получены решения уравнений: Навье-Стокса и переноса различных сортов частиц для сжимаемой среды с учетом процессов горения при заданных источниках локального нагрева и плазменных реакций. Основные результаты. Получены распределения температуры, состава среды, скорости движения среды при заданных локальной мощности нагрева и дополнительных реакций в области, занятой плазмой. Стехиометрическая смесь пропана с воздухом или чистый пропан, подаваемые через антенну, подожжены плазмой: смесь горит в небольшой области, а пропан окисляется в тонком слое смешения с воздухом. Выполнены сравнения результатов расчетов с данными физического эксперимента: и полей температур, и состава среды с фотографиями пламени из эксперимента. Численное исследование показало, что во всех рассмотренных условиях модель дает близкие к эксперименту результаты, но имеется завышение требуемой для поджига мощности излучения практические в два раза. Практическая значимость. Изучение процессов поджига газообразных смесей подкритическим сверхвысокочастотным разрядом представляет интерес для проектирования двигательных установок с повышенной надежностью и возможностью использования трудновоспламенимых смесей. Предлагаемая модель дает приближенные оценки, позволяя снизить требования к вычислительным ресурсам и времени счета по сравнению с традиционными моделями. 

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