Теплофизика высоких температур, 2021, T. 59, № 4, стр. 548-556

ВВЕДЕНИЕ

Среди методов повышения эффективности горения углеводородных горючих (УВГ) в сверхзвуковом воздушном потоке можно выделить переход к детонационному горению [1–3], воздействие лазерным излучением [4], организацию дополнительных местных препятствий и уступов в каналах [5], воздействие электрическим разрядом [6–8] и внешним магнитным полем [9], а также комплексное применение перечисленных методов в различном их сочетании. Каждый из способов интенсификации горения обладает как преимуществами, так и недостатками. Наибольшее распространение получили газодинамические способы стабилизации процесса горения, которые заключаются в использовании местных препятствий, уступов или гипермиксеров [10] в каналах энергетических установок. Наличие препятствий и уступов ведет к образованию сложных вихревых структур, посредством которых происходит стабилизация горения УВГ. Однако это приводит к значительным потерям полного давления, что негативно сказывается на интегральной эффективности рабочего процесса. Учитывая вышесказанное, важной научно-технической задачей является поиск методов стабилизации и повышения эффективности горения УВГ при минимизации потерь полного давления в каналах.

Практический интерес представляет электрофизическое воздействие на поток реагирующей смеси, что позволяет интенсифицировать горение, увеличить скорость распространения пламени и минимизировать вероятность “срыва” [11]. Это обусловливает возможность применения такого воздействия при высоких скоростях в каналах различных энергосиловых установок [12, 13]. Так, в результатах экспериментальной работы [14] получено устойчивое горение углеводородных горючих (пропан, метан) в сверхзвуковом воздушном потоке при воздействии электрическим зарядом. В [15] воспламенение метан-кислородной смеси интенсифицировалось электрическим зарядом (3 × 10^–2 Дж/см³), что, по мнению авторов, эффективнее классического термического воздействия.

Интегральным параметром, характеризующим экономичность и эффективность камер сгорания перспективных энергосиловых установок, является коэффициент полноты сгорания УВГ в воздушном потоке.

Одним из перспективных направлений развития электрофизической интенсификации горения применительно к энергосиловым установкам является плазменное воздействие, реализуемое в виде поверхностного электрического разряда вблизи стенок цилиндрического проточного тракта камеры сгорания.

Способ воздействия электрическим разрядом заключался в следующем. Между двумя кольцевыми электродами, образующими цилиндрический канал, создается периодически изменяющаяся разность потенциалов. Визуальное наблюдение за структурой формирующегося электрического разряда на отдельно стоящей электродной секции, не смонтированной в общий тракт горения, говорит о его внешнем сходстве со скользящим разрядом.

Применяемый способ электрического воздействия в комплексе с акустическим воздействием был экспериментально апробирован при горении гомогенных и гетерогенных метан-воздушных смесей в затопленных дозвуковых струях [11, 16], где была продемонстрирована его эффективность. В частности, электрическое воздействие позволило более чем в два раза увеличить скорость срыва пламени горелки Бунзена.

На основе полученных результатов были сформированы предпосылки для создания способа стабилизации пламени и интенсификации горения метана посредством плазменного воздействия в потоке со сверхзвуковой скоростью на входе. Данное направление является актуальным при создании перспективных энергосиловых установок высокоскоростных летательных аппаратов [17]. Однако на данный момент отсутствует достаточное количество данных, подтверждающих эффективность применения плазменного воздействия и позволяющих получить количественные данные о закономерностях горения метана в высокоэнтальпийном воздушном потоке. Кроме того, практически отсутствуют математические и эмпирические модели для расчетно-аналитического исследования горения УВГ в высокоэнтальпийном потоке при плазменном воздействии.

Учитывая вышеизложенное, задачей настоящей работы является экспериментальное исследование влияния плазменного воздействия в виде поверхностного электрического разряда на процессы воспламенения и горения метана в высокоэнтальпийном воздушном потоке со сверхзвуковой скоростью на входе.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из генератора высокоэнтальпийного квазивоздушного потока (ГВКВП) 1, формирователя потока (ФП) 2, узла инжекции горючего 3, модельной камеры сгорания (МКС) 7. Диаметр ГВКВП составляет 120 мм; диаметр критического сечения ФП – 22 мм. МКС 7 имеет цилиндрический проточный тракт с внутренним диаметром 50 мм и длиной около 1500 мм. За узлом инжекции горючего расположена система генерации электрического заряда, состоящая из кольцевых электродов 4 (анод) и 5 (катод), разделенных электрическими изоляторами 6, изготовленными из термостойкого стеклопластика. МКС в сборе с ГВКВП, представляющая собой единый канал, устанавливается на динамометрическую платформу силоизмерительной системы 8, позволяющую измерять осевую составляющую реактивной тяги при истечении рабочего газа в процессе огневых испытаний.

Принцип действия экспериментальной установки заключается в следующем. После генерации в ГВКВП и ускорения до сверхзвуковых скоростей в ФП высокоэнтальпийный квазивоздушный поток поступает в МКС. Через струйные форсунки, расположенные на стенках узла инжекции горючего, в МКС подается метан. Высокая температура торможения квазивоздушного потока (Т* = 1750–2500 К) обеспечивает самовоспламенение метана. В результате самовоспламенения в высокоэнтальпийном квазивоздушном потоке реализуется процесс горения метана, характеристики которого диагностируются посредством прямых и косвенных измерений [18].

Работа ГВКВП основана на подогреве воздушного потока посредством прямого сжигания в нем водорода с последующей компенсацией кислородного баланса. Это позволяет получать газовую смесь с массовым содержанием кислорода около 23% и примесью продуктов сгорания водорода. Учитывая, что в получаемой смеси газов содержание кислорода близко к его содержанию в воздухе, эту смесь можно называть “квазивоздухом”. Более детальное описание работы используемого ГВКВП приведено в [19], а характеристики газовой смеси – в [20].

МКС присоединена к ФП через цилиндрический участок длиной 200 мм и секцию инжекции газообразного метана. Метан подается через четыре струйные форсунки, направленные перпендикулярно к потоку воздуха в донные области клиньев (рис. 2). Клинья необходимы для повышения “пробивной” способности струйных форсунок и реализации самовоспламенения метана в сверхзвуковом потоке.

Для создания и поддержания разряда использовался повышающий высоковольтный трансформатор на промышленной частоте 50 Гц со средней заземленной точкой. Максимальная разность потенциалов между электродами составляла 30 кВ, максимальный ток 45 мА. Использование такого трансформатора со средней заземленной точкой в условиях, близких к натурным, дает ряд преимуществ по сравнению с применением импульсно-периодического напряжения повышенной частоты: 1) подключение средней точки к соседним по отношению к электродам металлическим участкам тракта через шину заземления создает условия для развития разрядных каналов от электродов в сторону соседних участков тракта в дополнение к каналам непосредственно между электродами; 2) использование промышленной частоты упрощает проблему электромагнитной совместимости с диагностическим оборудованием стенда; 3) схемное решение с использованием трансформатора является более надежным по сравнению с полупроводниковыми импульсно-периодическими источниками, что немаловажно в условиях промышленных и полупромышленных испытаний.

Система измерений экспериментальной установки включала в себя измерительные преобразователи давления (в ГВКВП, по тракту МКС), расходов всех газообразных компонентов, а также горизонтальной составляющей реактивной тяги. Предельная погрешность измерения давления составила ±0.3%, расхода – 1.0% и силы – не более 5%.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЧИСЛЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Для определения особенностей структуры течения и качества смешения метана с квазивоздушным потоком проведено предварительное численное моделирование. Моделирование газовой динамики и тепломассообмена при течении и взаимодействии двух заранее не перемешанных газовых потоков основано на решении системы уравнений сохранения массы, импульса и энергии, а также уравнений переноса компонентов потока в нестационарной трехмерной постановке. В дифференциальной тензорной форме данная система записывается в следующем виде:

где i, j – тензоры, принимающие последовательно значения координат; k – тензор, принимающий значение компонента смеси от 1 до N; ρ – плотность; р – давление; u – скорость; t – время; δ_ij – символ Кронекера ($i = j \to {{\delta }_{{ij}}} = 1,$ $i \ne j \to {{\delta }_{{ij}}} = 0$); Y – массовая доля компонента смеси; μ – коэффициент динамической вязкости; ${{f}_{{k,i}}}$ – сила, действующая на единицу массы k-го компонента в направлении i; e_t – полная энергия; $\dot {m}$ – скорость изменения массы k-го компонента в результате химических реакций; D – коэффициент диффузии; q – плотность теплового потока.

При этом система уравнений после осреднения по Фавру произвольных параметров потока (температура, скорость и т.д.) оказывается незамкнутой. Для замыкания применяется уравнение состояния идеального газа и модель турбулентности k–ε.

С целью оптимизации использования вычислительных ресурсов газодинамическое течение моделировалось в пределах 1/4 части МКС, поскольку исходная геометрия имеет две плоскости симметрии (рис. 1). Расчетная область представлена на рис. 3. Для численного моделирования использовалaсь неструктурированная тетраэдрическая сетка объемом ~4 млн ячеек. На рис. 4 представлена часть расчетной сетки в области вблизи клиньев и форсунки инжекции газообразного метана. Для предложенной конфигурации подтверждена сеточная сходимость.

В качестве компонентов рабочего тела ГВКВП в расчетах принимается воздух с теплофизическими параметрами, соответствующими квазивоздушному потоку, и газообразный метан. Для моделирования горения используется редуцированный кинетический механизм, основанный на детальном механизме GRI Mech 3.0 [21].

На рис. 4 показано распределение числа Маха, полученное в результате численного моделирования истечения квазивоздушного потока из ГВКВП с полной температурой Т* = 1700 К и расходом G_Σ = 0.693 кг/с (без горения метана). Полученное распределение параметров по длине канала МКС показывает, что перед узлом инжекции горючего реализуется среднее число Маха М = 2.8. Далее поток несколько тормозится до скоростей, соответствующих М = 1.8–2.2.

Для оценки возможности воспламенения и стабилизации пламени проводится численное моделирование горения метана в сверхзвуковом воздушном потоке для режима с минимальной температурой квазивоздушного потока, рассматриваемого в настоящем исследовании (1700 К). На рис. 5 представлено результирующее поле концентрации метана и температуры при коэффициенте избытка воздуха α = 1.

Струя газообразного метана благодаря эффекту Коанда “прилипает” к стенке клина (рис. 5), который является местным препятствием и выполняет функцию стабилизатора. Данный эффект позволяет создать в области с пониженными скоростями и повышенными статическими температурами зону, насыщенную горючим. Это дает реализоваться эффекту самовоспламенения метана и возможность стабилизировать фронт пламени. Наличие клина также способствует увеличению “пробивной” способности форсунки, и метан более равномерно распределяется по сечению канала, нежели в отсутствии клина.

Согласно полученным расчетным оценкам и результатам предварительных экспериментальных исследований, для рассматриваемых конфигурации МКС и режимов ее работы коэффициент полноты сгорания метана оказывается сравнительно невысоким (η = 0.3–0.5). Это подтверждает необходимость использования способов интенсификации горения метана в потоке со сверхзвуковыми условиями на входе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ

Методика оценки полноты сгорания газообразного метана в квазивоздушном потоке, создаваемом посредствам огневого подогрева, основана на модифицированном энергетическом подходе [18, 22].

Удельный импульс, создаваемый потоком квазивоздуха в результате течения из ГВКВП и МКС без горения метана (далее для краткости описания называется “холодным” потоком), определялся по выражению

где ${{R}_{{\text{х}}}}$ – реактивная сила, создаваемая “холодным потоком”, ${{G}_{{{\Sigma }}}}$ – суммарный массовый расход компонентов через ГВКВП, ${{p}_{h}}$ – давление окружающей среды, ${{F}_{{\text{к}}}}$ – площадь канала МКС в выходном сечении.

Скорость “холодного” потока на выходе из МКС находилась из соотношения

где ${{\left( {{{p}_{a}}} \right)}_{{\text{х}}}}$ – статическое давление “холодного потока” на выходе из МКС.

Суммарный расход компонентов газовой смеси через ГВКВП определялся по выражению

где ${{G}_{{{\text{air}}}}}$ – массовый расход воздуха в ГВКВП, ${{G}_{{{{{\text{H}}}_{2}}}}}$ – массовый расход водорода в ГВКВП, ${{G}_{{{{{\text{O}}}_{2}}}}}$ – массовый расход кислорода в ГВКВП.

Из уравнения сохранения массы “холодного” потока находилась плотность на выходе из МКС

Из уравнения состояния определялась статическая температура на выходе из МКС

где ${{\left( {{{R}_{{{\mu }}}}} \right)}_{{\text{х}}}}$ – газовая постоянная квазивоздуха.

Число Маха “холодного” потока на выходе из МКС:

где ${{k}_{{\text{х}}}}$ – показатель адиабаты квазивоздуха.

Полная температура квазивоздуха на выходе из МКС:

В результате термодинамического расчета по полученному значению полной температуры определялась энтальпия квазивоздуха на выходе из МКС $~{{(H_{{\text{х}}}^{*})}_{w}}$ с учетом тепловых потерь в стенку.

Количество тепла, отданного “холодным” потоком в стенку МКС, определялось в соответствии с выражением

где $H_{{\text{х}}}^{*}$ – полная энтальпия “холодного” потока квазивоздуха в ГВКВП, которая находилась из термодинамического расчета в программе Terra в соответствии с массовыми расходами компонентов в ГВКВП, полученными экспериментально.

При определении коэффициента полноты сгорания метана в квазивоздухе потери тепла, обусловленные тепловыми потоками в стенку МКС от продуктов сгорания смеси метан + квазивоздух (далее – “горячий” поток), принимались равными ${{\left( {{{\Delta }}{{Q}_{{\text{х}}}}} \right)}_{w}},$ вычисленным по уравнению (8).

Полная температура и энтальпия “горячего” потока на выходе из МКС определялись по аналогичному алгоритму (1)–(7), изложенному выше, с учетом абсолютного значения реактивной силы “горячего” потока, полученной экспериментально:

где ${{\left( {{{I}_{{{\text{у}}{\text{.п}}}}}} \right)}_{{\text{г}}}}$ – удельный пустотный импульс, создаваемый “горячим” потоком, ${{G}_{{{\text{C}}{{{\text{H}}}_{4}}}}}$ – массовый расход метана в МКС.

Полная температура “горячего” потока на выходе из МКС:

Энтальпия $H_{{\text{г}}}^{*}$ “горячего” потока определялась термодинамическим расчетом в соответствии с полной температурой $\left( {{{T}_{a}}} \right)_{{\text{г}}}^{*}.$

Полнота сгорания метана в квазивоздухе находилась из зависимости

где ${{H}_{u}}$ – низшая теплотворная способность метана, ${{\Delta }}{{Q}_{{{\eta }}}}$ – потери теплоты на физико-химическое недогорание.

Заметим, что потери тепла ${{\Delta }}{{Q}_{{{\eta }}}}$ определяются качеством смешения горючего (метана) с высокоэнтальпийным квазивоздушным потоком и химической неравновесностью при горении и могут быть вычислены с использованием уравнения сохранения энтальпии потока:

где $H_{{{\text{C}}{{{\text{H}}}_{4}}}}^{*}$ – энтальпия метана.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ОГНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ

Цикл огневых испытаний состоял из двух этапов: проведение экспериментальных исследований по оценке эффективности сгорания газообразного метана в высокоэнтальпином потоке квазивоздуха в отсутствиe плазменного воздействия и при его наличии. Циклограмма огневого испытания без воздействия электрическим разрядом состояла в следующем: включение системы измерения и регистрации параметров, подача компонентов в ГВКВП и выход на режим по давлению и температуре примерно за 11 с, затем следовала подача метана в МКС продолжительностью ~3 с, отключение подачи метана и практически одновременный останов ГВКВП.

На рис. 6 приведены реализации по времени давления в ГВКВП экспериментальной установки, массового расхода метана в МКС и реактивной тяги, регистрируемой силоизмерительной системой. Полная температура квазивоздуха в ГВКВП в данном испытании составляла Т* = = 1800 К при коэффициенте избытка окислителя в МКС α ≈ 1.7. По характеру изменения продольной составляющей силы видно, что в момент подачи метана в МКС тяга возрастает на величину ΔR ≈ 170 Н (до подачи метана R_х ≈ 500 Н; во время подачи R_г ≈ 670 Н).

Режимы течения в МКС наглядно характеризуются распределениями статического давления по длине канала. Примеры распределений давления для характерных времен до подачи метана и в процессе его подачи в МКС представлены на рис. 7.

При течении через МКС только квазивоздуха (“холодный” режим) давление на входе в МКС составляет ~0.4 бар, что соответствует числу Маха “холодного потока” М_х ≈ 2.8. Вниз по потоку статическое давление возрастает до ~1.1 бар в результате торможения потока вследствие трения и теплообмена со стенкой. Данные значения давления отличаются не более чем на 8% от результатов предварительного численного моделирования. Число Маха в выходном сечении МКС, оцененное в соответствии с приведенной выше методикой в “холодном” режиме составляет М_ах ≈ 1.5.

Картина течения меняется при подаче метана. Посредством теплового дросселирования поток становится дозвуковым и давление на входе в МКС возрастает до ~1.1 бар. Подвод тепла к рабочему газу в “горячем” режиме осуществляется практически на всей длине МКС, о чем свидетельствует плавное уменьшение статического давления по длине канала (рис. 4). В выходном сечении скорость газа достигает околозвуковых значений М_aг ≈ 1. Оцененное расчетно-экспериментальным способом значениe сгорания составило η = 0.502, что соответствует полной температуре продуктов сгорания $T_{{{\text{кс}}}}^{*}$ ≈ 2170 К.

Данные (рис. 8), полученные при плазменном воздействии, представлены для режима T* ≈ 1800 К, α ≈ 1.9. Особенностью циклограммы испытания с электрическим воздействием являлось включение разряда после подачи метана в МКС продолжительностью ~1 с.

Из рис. 8 видно, что абсолютное значение реактивной тяги при истечении “холодного” потока составило R_х ≈ 500 Н (12–13 с). При подаче метана в МКС сила тяги скачкообразно возрастает до максимального значения R_{г max} ≈ 750 Н (13–14 с). После подачи горючего с задержкой на ~1 с в соответствии с циклограммой подавалось напряжение на электроды и инициировался электрический заряд. На рис. 8 видны характерные осцилляции тяги в момент включения электрического разряда (~15 с), что предположительно связано с переходом к более контрагированным и локальным формам разрядного канала. Далее в течение 0.5–0.7 с следует затухание, что, по-видимому, свидетельствует о переходе к протеканию тока разряда вдоль сажевых каналов, образованных продуктами сгорания метана и квазивоздуха. Уровень тяги, регистрируемый в “горячем” режиме при испытании с воздействием, составил R_г ≈ 740 Н (ΔR ≈ 240 Н).

Распределение давлений “холодного” и “горячего” потоков на рис. 9 по характеру совпадает с эпюрой давлений без воздействия. Отличиe заключаeтся в давлении “холодного потока” на выходе из МКС, которое составило ~1.6 бар, что соответствует числу Маха на выходе М_aх ≈ 1.2 (на входе М_х ≈ 2.8). В выходном сечении скорость газа так же, как и в испытании без воздействия, достигает околозвуковых значений М_aг ≈ 1. Полнота сгорания при плазменном воздействии составила η = 0.767, что соответствует полной температуре продуктов сгорания $T_{{{\text{кс}}}}^{*}$ ≈ 2347 К.

Практический интерес представляет сравнение теплового состояния стенки МКС в процессе проведения двух огневых испытаний, описанных выше. Так, на рис. 10 представлены фотографии экспериментальной установки в момент подачи метана.

При подаче горючего с электрическим воздействием интенсифицируется процесс подвода тепла к рабочему газу, что в свою очередь обуславливает увеличение тепловых потоков в стенку МКС и, как следствие, более яркое свечение стенок. При идентичных температурах квазивоздуха в ГВКВП (Т* ≈ 1800 К) и практически одинаковых коэффициентах избытка воздуха в МКС температура продуктов сгорания и коэффициент полноты сгорания в испытании при плазменном воздействии выше, что подтверждается более высокими значениями температуры стенки (рис. 10б) по сравнению с испытанием без воздействия (рис. 10а).

На рис. 11 представлены обобщенные результаты коэффициента полноты сгорания в зависимости от коэффициента избытка окислителя (квазивоздуха). Данные о полноте сгорания получены при обработке серии огневых испытаний, проведенных на описанной экспериментальной установке при различных значениях полной температуры квазивоздуха в ГВКВП (таблица ).

Из полученных экспериментальных данных следует, что эффективность сгорания метана в квазивоздушном потоке возрастает на 10–15% при плазменном воздействии, что может объясняться как дополнительной генерацией химически активных радикалов во фронте горения в режиме коронного разряда, так и дополнительным локальным тепловыделением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданная экспериментальная установка и разработанная методика позволяют проводить исследования горения метана в высокоэнтальпийном квазивоздушном потоке с температурами торможения Т* = 1750–2500 К при плазменном воздействии и без него.

Предварительные расчеты показали, что перед узлом инжекции горючего реализуется среднее число Маха М = 2.8. Далее поток несколько тормозится до скоростей, соответствующих М = 1.8–2.2 в случае отсутствия горения метана и М ≈ 1 при горении метана.

Проведена серия огневых испытаний по исследованию горения газообразного метана в квазивоздушном потоке со сверхзвуковой скоростью на входе в диапазоне коэффициента избытка окислителя α = 1.2–4.5. Анализ экспериментальных данных показал, что при горении метана без плазменного воздействия коэффициент полноты сгорания составляет 0.361–0.525. В случае плазменного воздействия на реагирующий поток происходит повышение коэффициента полноты сгорания до значений 0.638–0.931. Повышение коэффициента полноты сгорания приводит к увеличению реактивной тяги ΔR на 15–20%.

Численное исследование и анализ результатов огневых испытаний выполнены при поддержке Российского научного фонда (проект № 20-79-10328).