Исследование характеристик ударно нагретых газов на экспериментальном комплексе ЭКУД


Просмотр статьи
PDF, 2,0 МБ

Study of Shock-Heated Gases Characteristics on the EKUD Experimental Complex

The results of studies conducted at the experimental complex EKUD of the Institute of Mechanics (M.V. Lomonosov Moscow State University) over the past ten years are analyzed. These primarily include the radiation characteristics of shock-heated gases measured in a wide range of wavelengths ( = 115-1100 nm) at shock wave velocities up to 11.4 km/s and a gas pressure in front of the shock wave of 0.25 Torr, as well as the ignition characteristics of combustible mixtures based on hydrogen, propane and propylene obtained both at low (T <= 1000 K) and high (T >= 1000 K) temperatures. Electron concentrations in low-temperature plasma in the vicinity of a strong shock wave were measured.

shock waves, radiation, combustible mixtures, ignition delay time, electron concentration

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.6.1138

Павел Владимирович Козлов, Игорь Евгеньевич Забелинский, Наталья Германовна Быкова, Владимир Юрьевич Левашов, Геннадий Яковлевич Герасимов, Михаил Алтаевич Котов

Том 25, выпуск 6, 2024 год



Анализируются результаты исследований, проведенных на экспериментальном комплексе ЭКУД Института механики МГУ им. М.В. Ломоносова за последние десять лет. К ним в первую очередь относятся радиационные характеристики ударно нагретых газов, измеренные в широком диапазоне длин волн (длина волны = 115-1100 нм) при скоростях ударной волны до 11.4 км/с и давлении газа перед ударной волной 0.25 Торр, а также характеристики воспламенения горючих смесей на основе водорода, пропана и пропилена, полученные как при низких (T <= 1000 K), так и при высоких (T >= 1000 K) температурах. Измерены концентрации электронов в низкотемпературной плазме в окрестности сильной ударной волной.

ударные волны, излучение, горючие смеси, время задержки воспламенения, концентрация электронов

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.6.1138

Павел Владимирович Козлов, Игорь Евгеньевич Забелинский, Наталья Германовна Быкова, Владимир Юрьевич Левашов, Геннадий Яковлевич Герасимов, Михаил Алтаевич Котов

Том 25, выпуск 6, 2024 год



1. Reyner P. Survey of high-enthalpy shock facilities in the perspective of radiation and chemical kinetics investigations // Prog. Aerospace Sci. 2016. V. 85. P. 1-32.
2. Gu S., Oliver H. Capabilities and limitations of existing hypersonic facilities // Prog. Aerospace Sci. 2020. V. 113. No. 100607.
3. Brandis A. M., Johnson C. O., Cruden B. A. Investigation of non-equilibrium radiation for Earth entry // AIAA Paper. 2016. No. 2016–3690.
4. McGilvray M., Doherty L.J., Morgan R.G., Gildfind D.E. T6: The Oxford University Stalker tunnel // AIAA Paper 2015-3545
5. Lino da Silva M., Perreira R., Vargas J., Rodrigues R., Carvalho B., Alves L.L., Gonçalves B., Smith A., Merrifield J., McDowell S., Evans D., Reynier P., Villace V. F., Marraffa L. European shock-tube for high enthalpy research: Design and instrumentation, manufacturing, and acceptance testing // AIAA Paper 2020-0624.
6. Kozlov P.V., Bykova N.G., Gerasimov G. Ya., Levashov V. Yu., Kotov M.A., Zabelinsky I.E., Radiation properties of air behind strong shock wave // Acta Astronaut. 2024. V. 214. P. 303-315.
7. Hanson R.K., Davidson D.F. Recent advances in laser absorption and shock tube methods for studies of combustion chemistry // Prog. Energy Combust. Sci. 2014. V. 44. P. 103-114.
8. Ibragimova L.B., Sergievskaya A.L., Levashov V.Yu., Shatalov O.P., Tunik Yu.V., Zabelinskii I.E. Investigation of oxygen dissociation and vibrational relaxation at temperatures 4000–10800 K // J. Chem. Phys. 2013. V. 139. No. 034317.
9. Han H.S., Kim C.J., Cho C.H., Sohn C.H., Han J. Ignition delay time and sooting propensity of a kerosene aviation jet fuel and its derivative blended with a bio-jet fuel // Fuel. 2018. V. 232. P. 724-728.
10. Shao J., Choundhary R., Peng Y., Davidson D.F., Hanson R.K. A shock tube study of n-heptane, iso-octane, n-dodecane, and iso-octane/n-dodecane blends oxidation at elevated pressures and intermediate temperatures // Fuel. 2019. V. 243. P. 541-553.
11. Tereza A.M., Kozlov P.V., Gerasimov G. Ya., Levashov V. Yu., Zabelinsky I.E., Bykova N.G. Shock-tube study of high-temperature ignition of propane-air mixtures at elevated pressures // Acta Astronaut. 2023. V. 204. P. 705-710.
12. Суржиков С.Т. Применение квазистационарных eRC-моделей для расчета неравновесного излучения ударных волн при скорости порядка 10 км/с // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т. 23. № 4. С. 1–39.
13. Mohamed A.A.E.-S., Panigrahy S., Sahu A.B., Bourque G., Curran H.J. An experimental and kinetic modeling study of the auto-ignition of natural gas blends containing C1-C7 alkanes // Proc. Combust. Inst. 2021. V. 38. P. 365-373.
14. Акимов Ю.В., Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Левашов В.Ю. Экспериментальный комплекс «Ударная труба». https://istina.msu.ru/equipment/ card/279166300/
15. Brandis A.M., Johnston C.O., Cruden B.A., Prabhu D., Bose D. Uncertainty Analysis and Validation of Radiation Measurements for Earth Reentry // J. Thermophys. Heat Trans. 2015. V. 29. P. 209-221.
16. Brandis A.M., Johnston C.O., Cruden B.A., Prabhu D., Bose D. Uncertainty Analysis and Validation of Radiation Measurements for Earth Reentry // J. Thermophys. Heat Trans. 2015. V. 29. P. 209-221.
17. Palumbo G., Craig R.A., Whiting E.W., Park C. Measured specific intensity from 130 to 900 nm at the stagnation point of a model in an arcjet flow of 7.8 km/sec // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1997. V. 51. P. 207-236.
18. Kozlov P.V., Zabelinsky I.E., Bykova N.G., Gerasimov G.Ya., Levashov V.Yu., and Tunik V.Yu. Experimental study of air radiation behind a strong shock wave // Acta Astronaut. 2022. V. 194. P. 461-467.
19. Залогин Г.Н., Козлов П.В., Кузнецова Л.А., Лосев С.А., Макаров В.Н., Романенко Ю.В., Суржиков С.Т. Излучение смеси CO2–N2–Ar в ударных волнах: эксперимент и теория // ЖТФ. 2001. Т. 71, № 6. С. 10–16.
20. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Акимов Ю.В., Левашов В.Ю., Герасимов Г.Я., Тереза А.М. Развитие методики регистрации интенсивности излучения газов за фронтом сильных ударных волн // Хим. физика. 2021. Т. 40, № 8. С. 26-33.
21. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Акимов Ю.В., Левашов В.Ю., Герасимов Г.Я., Тереза А.М. Методика регистрации интенсивности излучения газов за фронтом сильных ударных волн в области вакуумного ультрафиолета // Хим. физика. 2022. Т. 41, № 9. С. 26-32.
22. Kotov M.A., Shemyakin A.N., Solovyov N.G. et al. Performance assessment of thermoelectric detector for heat flux measurement behind a reflected shock of low intensity // Appl. Therm. Eng. 2021. V. 195. No. 117143.
23. Kotov M.A., Kozlov P.V., Gerasimov G.Y., Levashov V.Y., Shemyakin A.N., Solovyov N.G., Yakimov M.Y., Glebov V.N., Dubrova G.A., Malyutin A.M. Heat Flux Measurement in Shock Heated Combustible Gases and Clarification of Ignition Delay Time // Fluids. 2022. V. 7. No. 291. P. 1-6.
24. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Левашов В.Ю., Ибрагимова Л.Б., Шаталов О.П. Исследование радиационных характеристик аргона за фронтом сильной ударной волны // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2015. Т. 16. № 3. С. 1-19.
25. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Ибрагимова Л.Б., Козлов П.В., Левашов В.Ю., Шаталов О.П. Возбуждение и излучение аргона за фронтом ударных волн при со скоростях 4.5-7.8 км/с. I. Экспериментальное исследование // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2017. Т. 18. № 1. С. 1-12.
26. Kozlov P.V., Levashov V.Yu, Zabelinsky I.E., Bikova N.G. Argon radiation behind of shock wave front // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1683. No. 022026.
27. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Левашов В.Ю., Герасимов Г.Я. Экспериментальное исследование излучения аргона за фронтом сильной ударной волны // Журн. Прикл. Спектр. 2021. Т. 88. № 2. С. 244-248.
28. Kozlov P.V., Bykova N.G., Levashov V.Yu, Zabelinskii I.E. Nonequilibrium radiation behind shock waves in oxygen at speeds up to 10 km/s // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1250. No. 012017.
29. Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Козлов П.В., Левашов В.Ю., Герасимов Г.Я. Излучательные характеристики ударно-нагретого кислорода // Журн. Прикл. Спектр. 2022. Т. 89. № 1. С. 64-68.
30. Козлов П.В. Экспериментальное исследование радиационных свойств воздуха за фронтом ударной волны при скоростях до 10 км/с // Физ.-хим. кинетика в газ. динамике. 2016. Т.17, № 1. С. 1-13.
31. Забелинсий И.Е., Козлов П.В., Акимов Ю.В., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Туник Ю.В., Левашов В.Ю. Детонационное инициирование сильных ударных волн для исследования радиационных характеристик высокотемпературных газов // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 11. С. 22-28.
32. Герасимов Г.Я., Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Левашов В.Ю. Исследование радиационных характеристик высокотемпературных газов, проведенное в ударных трубах // Хим. физика. 2022. Т. 41, № 8. С. 17-30.
33. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Экспериментальное исследование излучательных характеристик ударно нагретого воздуха в ультрафиолетовой и видимой областях спектра // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 6. С. 85-93.
34. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Излучательные характеристики ударно нагретого воздуха в видимой и инфракрасной областях спектра // Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 5. С. 138-146.
35. Козлов П.В., Левашов В.Ю., Герасимов Г.Я., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г. Исследование радиационных характеристик ударно нагретых газов // ИФЖ. 2023. Т. 96. № 7. С. 1861-1872.
36. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Экспериментальное исследование радиационных характеристик смеси CO2-N2 за фронтом сильной ударной волны // Хим.физика. 2021. Т. 40. № 12. С. 23-28.
37. Chai K.-B. and Kwon D.-H. Optical emission spectroscopy and collisional-radiative modeling for low temperature Ar plasmas // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2019. V. 227ю No 1. P. 136-144.
38. Левашов В.Ю., Козлов П.В., Быкова Н.Г., Забелинский И.Е. Особенности излучения аргоновой плазмы на начальном этапе за фронтом ударной волны // Хим. физика. 2021. Т. 40, № 1. С. 16-23.
39. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Кусов А.Л., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю., Козлов П.В. Экспериментальное и теоретическое исследование абсорбционных свойств ударно нагретого кислорода // Физ.-хим. кинетика в газ. динамике. 2024. Т. 25, № 3. С. 1-14.
40. Bykova N.G., Kusov A.L., Kozlov P.V., Gerasimov G.Ya., Levashov V.Yu., Zabelinsky I.E. Spectral Model for Calculation of Radiation Characteristics of a Shock-Heated Gas // Russ. J. Phys. Chem. B. 2024. V. 18. No. 3. P. 732–739.
41. Быкова Н.Г., Герасимов И.Г., Забелинский И.Е., Ибрагимова Л.Б., Шаталов О.П. Исследование ударно-нагретого воздуха в спектральной области 120-900 нм: панорамный спектр и эволюция излучения за фронтом ударной волны // Физ.-хим. кинетика в газ. динамике. 2014. Т. 15. № 2. С. 1-7.
42. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Ибрагимова Л.Б., Козлов П.В., Стовбун С.В., Тереза А.М., Шаталов О.П. Радиационные характеристики воздуха в ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой областях спектра за фронтом сильных ударных волн // Хим. физика. 2018. Т. 37, № 2. С. 35-41.
43. Stovbun, S.V., Bykova, N.G., Zabelinskii, I.E., Tereza, A.M., Shatalov, O.P., Vlasov, P.A. (2019). Evaluation of the Radiance of Shock-Heated Air in the 120–400-nm Spectral Range // Proc. 31st Int. Symp. Shock Waves. 2019. Springer. V. 1. P. 361-368.
44. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Излучение ударно-нагретого воздуха в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 10. С. 34-41.
45. Kozlov P.V. Experimental study of the evolution of NO radiation in the air at the velocities up to second cosmic // J. Phys.: Conf. Series. 2018. V. 1009. No. 012024.
46. Kozlov P.V., Surzhikov C.T. Nonequilibrium Radiation NO in Shocked Air // AIAA Paper. 2017. No. 2017–0157.
47. Brandis A.M., Cruden B.A, Prabhu D., Bose D., McGilvray M., Morgan R.G. Analysis of air radiation measurements obtained in the EAST and X2 shock tube facilities // AIAA Paper 2010-4510.
48. https://data.nasa.gov/docs/datasets/aerothermodynamics/EAST/index.html
49. Кусов А.Л., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Левашов В.Ю. Численное исследование излучения в ударно-нагретой смеси CO2 и N2 методом прямого статистического моделирования // Изв. РАН. МЖГ. № 6. С. 192-204.
50. Павлов В.А., Герасимов Г.Я. Измерение пределов воспламенения и времен индукции водородно-воздушных смесей за фронтом падающей ударной волны // ИФЖ. 2014. Т. 87. № 6. С. 1238-1244.
51. Павлов В.А., Герасимов Г.Я. Воспламенение водородно-кислородных смесей за фронтом падающей ударной волны // ИФЖ. 2016. Т. 89. № 3. С. 575-579.
52. Pavlov V., Gerasimov G., Levashov V., Kozlov P., Zabelinsky I., Bykova N. Shock Tube Study of Ignition Delay Times for Hydrogen–Oxygen Mixtures // Fire. 2023. V. 6(11). No. 435.
53. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Воспламенение пропан-воздушных смесей в ударной трубе при давлении 30 атм // Физ.-хим. кинетика в газ. динамике. 2021. Т. 22. № 3. С. 1-12.
54. Козлов П.В., Акимов Ю.В., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Воспламенение пропано-воздушной смеси за отраженной ударной волной при высоких давлениях // ТВТ. 2021. Т. 59. № 2. С. 231-235.
55. Козлов П.В., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю., Акимов Ю.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г. Высокотемпературное воспламенение смесей пропан-кислород-аргон в ударной трубе при давлении 30 атм // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 9. С. 35-40.
56. Котов М.А., Козлов П.В., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю., Шемякин А.Н., Соловьев Н.Г., Якимов М.Ю., Глебов В.Н., Дуброва Г.А., Малютин А.М. Регистрация воспламенения горючей смеси в ударной трубе с помощью термоэлектрического детектора // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 8. С. 31-37.
57. Kozlov P.V., Kotov M.A., Gerasimov G.Ya, Levashov V.Yu, Bykova N.G., Zabelinskii I.E. Experimental Study of the Ignition of a Stoichiometric Propylene–Oxygen–Argon Mixture Behind a Reflected Shock Wave // Russ. J. Phys. Chem. B. 2024. V. 18. No. 4. P. 1019-1024.
58. Medvedev S.P., Agafonov G.L., Khomik S.V., Gelfand B.E. Ignition delay in hydrogen-air and syngas-air mixtures: Experimental data interpretation via flame propagation // Combust. Flame. 2010. V. 157. P. 1436-1438.
59. Герасимов Г.Я., Шаталов О.П. Кинетический механизм горения водородно-кислородных смесей // ИФЖ. 2013. Т. 86. № 5. С. 929-936.
60. Horning D.C., Davidson D.F., Hanson R.K. Study of the High-Temperature Autoignition of n-Alkane/O2/Ar Mixtures // J. Propul. Power. 2002. V. 18. P. 363-371.
61. Penyazkov O.G., Ragotner K.A., Dean A.J., Varatharajan B. Autoignition of propane–air mixtures behind reflected shock waves // Proc. Combust. Inst. 2005. V. 30. P. 1941-1947.
62. Brown C.J., Thomas G.O. Experimental Studies of Shock-Induced Ignition and Transition to Detonation in Ethylene and Propane Mixtures // Combust. Flame. 1999. V. 117. P. 861-870.
63. Burcat A., Lifshitz A., Scheller K., Skinner G.B. Shock-tube investigation of ignition in propane-oxygen-argon mixtures // Symp. (Int.) Combust. 1971. V. 13. P. 745.
64. Kotov M.A., Kozlov P.V., Gerasimov G.Ya, Levashov V.Yu, Shemyakin A.N., Solovyov N.G., Yakimov M.Yu, Glebov V.N., Dubrova G.A., Malyutin A.M. Thermoelectric detector application for measuring the ignition delay time in a shock heated combustible mixture // Acta Astronaut. 2023. V. 204. P. 787-793.
65. Котов М.А., Козлов П.В., Осипенко К.Ю., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю., Быкова Н.Г., Забелинский И.Е. Исследование ионизационных процессов перед сильной ударной волной // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 10. С. 42-49.
66. Kotov M.A., Kozlov P.V., Gerasimov G.Ya., Levashov V.Yu., Osipenko K.Yu., Bykova N.G., Zabelinsky I.E. Precursor electrons formation before strong shock wave // Acta Astronaut. 2024. V. 217. P. 130-138.
67. Kozlov P.V., Gerasimov G.Ya, Levashov V.Yu, Bykova N.G., Zabelinskii I.E., Kotov M.A. Measurement of the Electron Concentration in the Vicinity of a Strong Shock Wave // Russ. J. Phys. Chem. B. 2024. V. 18. No. 3. P. 725-731.
68. Katsurayama H., Matsuda A., Abe T. Preliminary Investigation of Thermochemical Nonequilibrium behind a Strong Shock Wave with Precursor Photoionization in Argon // AIAA Paper 2007-4552.
69. Omura M., Presley L.L. Electron Density Measurements ahead of Shock Waves in Air// AIAA J. 1969. V. 7. P. 2363-2365.
70. Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Спектроскопическое измерение концентрации электронов в ударно нагретом газе // ЖПС. 2024. Т. 91. № 4. С. 540-545.