Зажигание горючей смеси газов микроволновым подкритическим стримерным разрядом в высокоскростном потоке


Просмотр статьи
PDF, 2,0 МБ

Ignition of a Combustible Gas Mixture by a Microwave Subcritical Streamer Discharge in High-Speed Flow

The possibilities of igniting a combustible mixture in a high-speed flow using a microwave streamer discharge are considered. The results of experimental studies of the streamer dis-charge structure at various pressures are presented. To quantitatively characterize the intensity of combustion of fuel ignited by a microwave discharge, pressure and temperature measurements are used in various sections of the jet in the discharge wake. The results obtained demonstrate the possibility of igniting a model combustible mixture when propane or its mixture with air is supplied to the discharge region. The main physical mechanisms responsible for heating the discharge plasma to the ignition temperature of the combustible mixture and their characteristic time scales are revealed. The change in the dimensions of the combustion zone with a decrease in the initial proportion of propane in the mixture is discussed. The minimum duration and minimum level of microwave radiation required to ignite a mod-el combustible mixture under various conditions are determined.

microwave radiation, streamer discharge, ignition, plasma-assisted combustion, combustible mixture

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.5.1014


Том 23, выпуск 5, 2022 год



Рассматриваются возможности зажигания горючей смеси в высокоскоростном потоке с применением микроволнового стримерного разряда. Приводятся результаты экспериментальных исследований структуры стримерного разряда при различных давлениях. Для количественной характеристики интенсивности горения поджигаемого микроволновым разрядом горючего используются измерения давления и температуры в различных сечениях струи в разрядном следе. Полученные результаты демонстрируют возможность поджига модельной горючей смеси, когда в разрядную область подается пропан или его смесь с воздухом. Выявляются основные физические механизмы, ответственные за нагрев разрядной плазмы до температуры воспламенения горючей смеси, и их характерные временные масштабы. Обсуждается изменение размеров зоны горения при уменьшении исходной доли пропана в смеси. Определяются минимальная длительность и минимальный уровень СВЧ излучения, необходимые для поджига модельной горючей смеси в различных условиях.

СВЧ излучение, стримерный разряд, воспламенение, плазменное горение, горючая смесь

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.5.1014


Том 23, выпуск 5, 2022 год



1. Стариковская C.М., Александров Н.Л., Косарев И.Н., Киндышева С.В., Стариковский А.Ю. Воспламенение с помощью низкотемпературной плазмы. Кинетический механизм и экспериментальная проверка // Химия высоких энергий. 2009. Т. 43. № 3. С. 259–265.
2. Starikovskiy A., Aleksandrov N. Plasma-assisted ignition and combustion // Progress in Energy and Combustion Science. 2013. Vol. 39. P. 331–368.
3. Васильева О.Б., Кумкова И.И., Кузнецов В.Е., Рутберг А.Ф., Сафронов А.А., Ширяев В.Н. Возможности применения плазменных технологий для переработки органосодержащих веществ. Влияние формы кривой напряжения на режим работы плазмотрона // Теплофизика высоких температур. 2015. Т. 43. № 4. С. 494–499.
4. 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.
5. Ju Y., Sun W. Plasma assisted combustion: dynamics and chemistry // Progress in Energy and Combustion Science. 2015. Vol. 48. P. 21–83.
6. Adamovich I.V., Lempert W.R. Challenges in understanding and predictive model devel-opment of plasma-assisted combustion // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2015. Vol. 57. No. 1. 014001 (12 pages).
7. Сторожев Д.А., Суржиков С.Т., Куратов С.Е. Анализ кинетических процессов в тлеющем разряде в молекулярном водороде //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т. 15. №. 6. 21 c.
8. Суржиков С.Т. Расчетное исследование параметров аномального тлеющего разряда на поверхности обтекаемой газом пластины //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т.23. №. 3. 60 с.
9. Грачев Л.П., Есаков И.И., Ходатаев К.В. Особенности развития импульсных СВЧ разрядов в квазиоптическом пучке в различных газах // Журнал технической физики. 1998. Т.68. № 4. C. 33–36.
10. Грачев Л.П., Есаков И.И., Мишин Г.И., Ходатаев К.В. Высокочастотный пробой воздуха в присутствии вибратора // Журнал технической физики. 1995. Т. 65. № 7. С. 60–67.
11. Грачев Л.П., Есаков И.И., Мишин Г.И., Ходатаев К.В. Скорость распространения ионизационно-дрейфовой волны пробоя // Журнал технической физики. 1995. Т. 65. № 11. С. 86–92.
12. Александров А.Ф., Кузовников А.А., Шибов В.М. Свободно локализованный СВЧ разряд в сфокусированном пучке // Инженерно-физический журнал. 1992. Т. 62. № 5. С. 726–732.
13. Авраменко В.Б. Предпробойная стадия поверхностного разряда с внешним поджигом при атмосферном давлении // Инженерно-физический журнал. 2005. Т. 78. № 1. С. 178–185.
14. Finnveden S. Waveguide finite elements for curved structures // Journal of Sound and Vibration. 2008. Vol. 312. P. 644–671.
15. Кудрявцев И.В., Гоцелюк О.Б., Новиков Е.С., Демин В.Г. Особенности нагрева волноводов при передаче сверхвысокочастотных сигналов большой мощности // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. № 1. С. 92–96.
16. Lashkov V., Mashek, Ivanov V., Kolesnichenko Y., Rivkin M. Gas-dynamic peculiarities of mi-crowave discharge interaction with shock wave near the body // AIAA Paper. 2008. No. 2008-1410.
17. Lashkov V.A., Karpenko A.G., Khoronzhuk R.S., Mashek I.Ch. Effect of Mach number on the efficiency of microwave energy deposition in supersonic flow // Physics of Plasmas. 2016. Vol. 23. 052305.
18. Saifutdinov A.I., Kustova E.V., Karpenko A.G., Lashkov V.A. Dynamics of focused pulsed micro-wave discharge in air // Plasma Physics Reports. 2019. Vol. 45. No. 6. 602–609.
19. Brovkin V.G., Vedenin P.V. Study of the microwave streamer evolution using a new semi-analytical model // Journal of Applied Physics. 2020. Vol. 128. 113301.
20. Saifutdinov A.I., Kustova E.V. Dynamics of plasma formation and gas heating in a focused-microwave discharge in nitrogen // Journal of Applied Physics. 2021. Vol. 129. 023301.
21. Denissenko P.V., Bulat M.P., Esakov I.I., Grachev L.P., Volkov K.N., Volobuev I.A., Upyrev V.V., Bulat P.V. Ignition of premixed air/fuel mixtures by microwave streamer discharge // Combustion and Flame. 2019. Vol. 202. P. 417–422.
22. Bulat M.P., Bulat P.V., Denissenko P.V., Esakov I.I., Grachev L.P., Volkov K.N., Volobuev I.A. Experimental study of microwave streamer discharge ignition of premixed air/fuel mixtures // IEEE Transactions on Plasma Science. 2019. Vol. 47. No. 1. P. 57–61.
23. Bulat M.P., Bulat P.V., Denissenko P.V., Esakov I.I., Grachev L.P., Lavrov P.V., Volkov K.N., Volobuev I.A. Plasma-assisted ignition and combustion of lean and rich air/fuel mixtures in low- and high-speed flows // Acta Astronautica. 2020. Vol. 176. P. 700–709.
24. Булат П.В., Волков К.Н., Грачев Л.П., Есаков И.И., Лавров П.В., Продан Н.В., Чернышов П.С. Сравнение энергетической эффективности воспламенения топливной смеси искровым и стримерным разрядами // Письма в журнал технической физики. 2021. Т. 47. № 15. С. 51–54.
25. Булат П.В., Волков К.Н., Грачев Л.П., Есаков И.И., Лавров П.Б. Воспламенение топливной смеси с помощью многоточечного импульного искрового разряда при различных начальных условиях // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 9. С. 1339–1347.
26. Булат П.В., Грачев Л.П., Есаков И.И., Раваев А.А., Северинов Л.Г. Сверхвысокочастотный пробой воздуха, инициированный помещенным на диэлектрической поверхности электромагнитным вибратором // Журнал технической физики. 2019. Т. 89. № 7. С. 1016–1020.
27. Khodataev K.V. Various types of initiators for attached undercritical MW discharge ignition // AIAA Paper. 2007. No. 2007-0431.
28. Грачев Л.П., Есаков И.И., Лавров П.Б., Раваев А.А. Индуцированное поле электромагнитного вибратора, расположенного над помещенным в сверхвысокочастотный пучок проводящим экраном // Журнал технической физики. 2012. Т. 82. № 2. С. 73–78.
29. Bulat P., Esakov I., Ravaev A., Volkov K. Electrodynamic model of combustion chamber with ini-tiated sub-critical streamer discharge // IEEE Transactions on Plasma Science. 2022. Vol. 50. No. 6. P. 1681–1688.