Физика плазмы, 2022, T. 48, № 7, стр. 657-663

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для повышения эффективности прямоточных воздушно-реактивных двигателей со сверхзвуковой скоростью потока в камере сгорания используются различные застойные зоны в виде пилонов и плохообтекаемых механических стабилизаторов [1, 2]. Однако в последнее время активно разрабатываются новые способы, позволяющие увеличить скорость горения и обеспечить полное сгорание топлива внутри двигателя без применения механических стабилизаторов. Альтернативным механическим стабилизаторам является применение различного типа электрических разрядов [3–12]. В [3] приводится описание развития плазменной аэродинамики в нашей стране и за рубежом в 90-х годах прошлого века. В обзоре [4] рассмотрены работы, в которых представлены экспериментальные и теоретические исследования по плазменно-стимулированному воспламенению и стабилизации горения в высокоскоростных потоках. В [5] исследуются импульсно-периодические наносекундные высоковольтные разряды с целью их применения в плазменной аэродинамике. Изучению наносекундного разряда, создаваемого в импульсно-периодическом режиме, как средству для быстрого воспламенения дозвуковых воздушно-углеводородных потоков посвящена работа [6]. В [7] рассмотрено влияние факельного разряда на процесс горения сверхзвуковых потоков воздушно-углеводородных смесей. Основные свойства и параметры свободно локализованных и поверхностных СВЧ-разрядов и возможность их применения в сверхзвуковой плазменной аэродинамике рассмотрены в [8]. Воспламенение пропан-воздушной смеси в условиях подкритического несамостоятельного СВЧ-разряда исследовано в [9]. В [13] рассмотрено воспламенение метан-кислородной смеси с помощью коаксиального СВЧ-плазмотрона. Для поддержания стабильного горения воздушно-углеводородных смесей в нашей лаборатории широко используется квазистационарный пульсирующий поперечно-продольный разряд [10–12, 14, 15].

Плазменная технология позволяет в масштабах реального времени целенаправленно воздействовать на высокоскоростные топливовоздушные потоки, управлять процессом сжигания многокомпонентных химически активных смесей в дозвуковых и сверхзвуковых воздушных потоках и стабилизировать горение топлива в прямоточных воздушно-реактивных двигателях. Для применения пульсирующего поперечно-продольного разряда в качестве стабилизатора горения топлива необходимо знать основные параметры канальной плазмы, а именно, концентрацию и температуру электронов. В настоящей работе проведено экспериментальное изучение свойств электронной компоненты в канальной плазме, создаваемой в дозвуковых и сверхзвуковых воздушных потоках с помощью квазистационарного электродного разряда. Исследование электронной компоненты плазмы поперечно-продольного электродного разряда, создаваемого в высокоскоростных потоках воздуха, необходимо для оптимизации его создания с целью быстрого плазменно-стимулированного воспламенения и увеличения полноты сгорания углеводородного топлива. Экспериментально получены зависимости концентрации и температуры электронов от величины разрядного тока и скорости потока.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка состоит из вакуумной цилиндрической барокамеры объемом три кубических метра, двух камер высокого давления для хранения пропана и сжатого воздуха, прямоугольного расширяющегося аэродинамического канала, высоковольтного источника питания, системы синхронизации и диагностической аппаратуры. Подробно основные характеристики функционирования установки приведены в [10–12, 14–16]. Расширяющийся аэродинамический канал использовался с целью предотвращения его теплового запирания при горении углеводородного топлива [15]. Система хранения воздуха высокого давления состоит из газгольдера объемом 0.6 м³ с компрессором, поднимающим давление воздуха до величины р₀ = 1–6 атм и электромагнитного клапана с временем срабатывания t ~ 10 мс. Воздух высокого давления с помощью гибкого воздуховода поступает на вход профилированного сопла Лаваля, к выходу которого жестко присоединен расширяющийся аэродинамический канал прямоугольного сечения. При этом отношение выходного сечения S₂ = 38 см² к входному S₁ = 3 см² сечению канала S₂/S₁ = 12.7. Продольная длина канала – 50 см. Поперечно-продольный разряд, создается в высокоскоростных потоках воздуха между двумя электродами, смонтированными внутри расширяющегося канала симметрично относительно его продольной оси. Минимальное расстояние между катодом и анодом d = 0.1–1.0 мм. Длина электродов одинакова и равна l = 65 мм. Максимальное расстояние между анодом и катодом равно 20 мм. Схематическое изображение расширяющегося аэродинамического канала, электродной системы, плазменной петли пульсирующего поперечно-продольного разряда и системы регистрации спектра представлено на рис. 1. Один конец световода (6), фокусирующая линза (7) и поворотное зеркало (8) были жестко связаны в единый блок и могли перемещаться в пространстве.

Рис. 1.

Схематическое изображение расширяющегося аэродинамического канала – 1, стрелкой показано направление потока. Электродный узел: анод – 2, катод – 3 заземлен, плазменная петля – 4, двухканальный спектрометр – 5, световод – 6, фокусирующая линза – 7, поворотное зеркало – 8.

Электрическая схема состоит из последовательно включенных стационарного источника питания с выходным напряжением U₀ = 4.5 кВ и внутренним сопротивлением 100 Ом, обеспечивающим в течение 2 с существование поперечно-продольного пульсирующего разряда при токе от 2 до 20 А, балластного сопротивления, величина которого могла ступенчато переключаться в пять фиксированных позиций R₄ = 145–675 Ом, безындукционного сопротивления R₅ = 0.32 Ом для измерения величины разрядного тока. Падение напряжения на разряде измерялось с помощью безындукционного делителя напряжения с коэффициентом деления k = 8760. Используемый электродный узел позволял реализовать пульсирующий разряд квазипостоянного тока без его дополнительной инициации в широком диапазоне давления p = 10–760 Торр воздуха в барокамере, скорости потока $v$ = 50–600 м/с, температуры холодного воздуха в потоке Т = 168–250 К. Массовый расход воздуха 60–120 г/с. В экспериментах сверхзвуковой воздушный поток существовал в течение 2–3 с. В течение 1–2 с создавался разряд с временной задержкой 0.4 с по отношению к переднему фронту импульса пуска воздуха.

3. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

В экспериментах использовался диагностический комплекс, состоящий из цифровых спектрометров, осциллографов, фотокамер, видеосистемы, персональных компьютеров. Параметры потока определялись по измеренным значениям статического p₁ и полного p₀ давлений, соответственно, в аэродинамическом канале и ресивере, содержащем сжатый до высокого давления воздух. По измеренному отношению p₁/p₀, используя хорошо известные формулы газовой динамики [1], рассчитывались величины скорости потока, температуры газа и концентрации молекул воздуха в холодном высокоскоростном потоке.

Процесс развития плазменной петли фиксировался с использованием цифровой видеокамеры “ВидеоСпринт” с электронно-оптическим затвором. Спектр излучения газоразрядной плазмы фиксируется с помощью цифрового двухканального спектрометр AvaSpec-2048-2-DT с полушириной аппаратной функции 0.06 нм для первого канала и 0.35 нм для второго. Усреднение проводилось за время экспозиции τ = 2 мс.

В спектре излучения плазмы нестационарного пульсирующего разряда в высокоскоростном потоке воздуха при атмосферном давлении в барокамере присутствуют интенсивные полосы циана и молекулярного иона азота, спектральные линии атомарного водорода, кислорода, азота и меди, а также наблюдается интенсивный континуум. Для измерения параметров плазмы необходимо было провести коррекцию зарегистрированного спектра с учетом коэффициента спектральной чувствительности спектрометра [17–19]. При определении коэффициента спектральной чувствительности спектрометра учитывался тот факт, что при фиксированной температуре вольфрама отличие его интенсивности от излучения абсолютно черного тела меняется при изменении длины волны излучения [19]. Температура газа в плазменном канале пульсирующего разряда определялась спектральным методом по полосам циана [20] и молекулярного иона азота. Для этого рассчитывались модельные распределения по вращательным уровням молекулярных полос CN и ${\text{N}}_{2}^{ + }$ при различных температурах газа с учетом аппаратной функции спектрального прибора. Далее проводилось сравнение экспериментально полученного спектра с данными математического моделирования. Температура газа считалась равной температуре, при которой получалось наилучшее совпадение рассчитанных данных с экспериментальными результатами.

Концентрация электронов измерялась по штарковскому уширению спектральных линий бальмеровской серии водорода. Регистрируемое в эксперименте уширение спектральных линий H_α и H_β бальмеровской серии водорода изменялось в диапазоне 0.6–2.4 нм. В эксперименте использовался цифровой шестиканальный спектрометр “OceanOptics” с обратной линейной дисперсией 0.063 нм/мм, минимальное время экспозиции τ = = 2 мс. Для измерения степени ионизации воздуха использовалась непосредственная связь концентрации электронов c полушириной Δλ спектральной линии [21]. Уширение линии происходит не только из-за эффекта Штарка, но и за счет эффекта Доплера, конечного времени жизни возбужденного атома, эффектов давления и аппаратной функции спектрального прибора, определяемой экспериментально. Из полученных значений полуширины Δλ спектральных линий H_α и H_β выделялась штарковская компонента в соответствии с теорией контуров и эмпирической зависимостью [22].

В эксперименте температура электронов отождествлялась с температурой распределения заселенностей уровней, измеренных по интенсивностям излучения паров меди. Такая оценка справедлива для сильно ионизованной плазменной среды, которой является при токах порядка 5–20 А канальная плазма поперечно-продольного квазистационарного разряда. Пары меди появлялись в канальном поперечно-продольном разряде за счет абляционного сноса атомов меди из области катодных и анодных пятен, образующихся на электродах при протекании тока в высокоскоростном потоке воздуха.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Зависимости концентрации электронов от разрядного тока представлены на рис. 2 при скорости воздушного потока 240 (прямая 1) и 420 м/с (прямая 2). Кратчайшее расстояние между электродами d = 0.7 мм. Важно отметить, что при токе i ~ 4 A концентрации электронов при скорости воздушного потока 240 и 420 м/с приблизительно равны. В то же время температура газа отличается приблизительно на 1000 К (см. [23]). Следует заметить, что экспериментально измеренная температура газа тем выше, чем больше кратчайшее расстояние между анодом и катодом [24].

Рис. 2.

Зависимости концентрации электронов в плазме исследуемого разряда от разрядного тока при скорости воздушного потока 240 м/с (прямая 1) и 420 м/с (прямая 2).

Зависимости температуры газа в холодном потоке (кривая 1) и в нагретом плазменном канале (кривая 2) пульсирующего поперечно-продольного разряда от скорости высокоскоростного воздушного потока представлена на рис. 3. Видно, что увеличение скорости потока от 230 до 500 м/с приводит к уменьшению температуры в холодном потоке от 280 до 170 К, в то время как температура в плазменном канале растет от 6500 до 7500 К.

Рис. 3.

Зависимости температуры газа на расстоянии z = 25 мм от анода в холодном потоке (кривая 1) и в нагретом плазменном канале (кривая 2) пульсирующего поперечно-продольного разряда при i = 14.5 A от скорости высокоскоростного воздушного потока.

Одновременно, как видно из рис. 4, из-за снижения плотности уменьшается концентрация нейтральных атомов, как в холодном потоке, так и в нагретом плазменном канале, что, как будет показано позднее, ведет к резкому росту приведенного электрического поля и увеличению степени ионизации плазмы. Также видно, что кривая для холодного потока спадает медленнее, чем кривая для нагретого канала. Это связано с тем, что с ростом скорости потока увеличивается температура газа в плазменном канале, создаваемом в свободном пространстве при атмосферном давлении воздуха.

Рис. 4.

Зависимости от скорости высокоскоростного воздушного потока концентраций нейтральных невозбужденных молекул в холодном потоке (кривая 1) и в нагретом плазменном канале (кривая 2) пульсирующего поперечно-продольного разряда на расстоянии z = 25 мм при i = 14.5 A.

На рис. 5 представлена зависимость концентрации электронов от скорости потока. Измерения проводились на расстояние от электродов z = 10 мм, при этом кратчайшее расстояние между электродами d = 0.1 мм, а разрядный ток 14.5 A. Видно, в этих условиях при постоянной величине разрядного тока увеличение скорости воздушного потока ведет к росту концентрации электронов почти на порядок величины от 8 × 10¹⁵ см^–3 при скорости 250 м/с до 4 × 10¹⁶ см^–3 при $v$ = 500 м/с.

Рис. 5.

Зависимость концентрации электронов от скорости потока при разрядном токе 14.5 A, расстояние от электродов z = 10 мм, кратчайшее расстояние между электродами d = 0.1 мм.

Из рис. 6, где приведена зависимость степени ионизации газа от скорости воздушного потока, полученной по экспериментальным данным, представленным на рис. 4 и 5, видно, что при скорости воздушного потока порядка 500 м/с степень ионизации достигает 20–30%, т.е. плазма пульсирующего поперечно-продольного разряда оказывается сильно ионизованной, что способствует быстрому воспламенению топлив. При высокой степени ионизации, и соответственно, при больших концентрациях электронов основным каналом нагрева молекулярного газа является упругий нагрев, тогда как в слабоионизованной плазме на первый план выходят механизмы, связанные с неупругими взаимодействиями (см., например, [25, 26] и работы других авторов). Воздух в канальной плазме быстро нагревается, при этом высокая температура нейтрального газа является основным условием, обеспечивающим воспламенение и поддержание несамостоятельного плазменно-стимулированного горения углеводородного топлива. Эксперименты проводятся в нестационарном пульсирующем поперечно-продольном электродном разряде, создаваемом в высокоскоростных воздушных потоках. В этих условиях одновременно изменяются во времени и пространстве все основные параметры плазмы. При этом диаметр канала слабо растет с увеличением тока. Уменьшение диаметра канала можно ожидать при больших разрядных токах. Для ограничения роста диаметра за счет стабилизации собственным магнитным полем нужны, согласно [27], токи разряда i > 50 А.

Рис. 6.

Зависимость степени ионизации газа от скорости потока при i = 14.5 A, z = 10 мм, d = 0.1 мм.

Экспериментально получено, что с ростом степени ионизации разряда с увеличением скорости воздушного потока, растет и величина напряженности продольного электрического поля в нагретом плазменном канале, это можно видеть на рис. 7. Отметим, что в отличие от продольного электрического поля, величина приведенного электрического поля имеет нелинейную зависимость и переходит в фазу быстрого роста при скорости потока 400 м/с. Это связано с резким уменьшением концентрации нейтралов в плазменном канале в той же области скоростей, что уже было показано на рис. 4 (кривая 2).

Рис. 7.

Зависимости напряженности продольного электрического поля и приведенного значения электрического поля в нагретом плазменном канале пульсирующего поперечно-продольного разряда от скорости высокоскоростного воздушного потока при i = 14.5 A.

В спектре наблюдаются также спектральные линии атома меди с длинами волн 510.5, 515.3 и 521.8 нм. Пары меди возникают в плазме в результате абляции, т.е. процесса уноса вещества с поверхности электродов, обтекаемых сверхзвуковым воздушным потоком, при протекании через них электрического тока и образования на кончиках электродов сильно нагретых катодных и анодных пятен, в которых происходит плавление материала электродов [28–34]. По отношению интенсивностей различных пар спектральных линий меди I₁/I₂ и I₁/I₃, где I₁ интенсивность линии с длиной волны λ₁ = 510.5 нм, I₂ – λ₂ = 515.3 нм и I₃ – λ₃ = 521.8 нм измерялась температура распределения по уровням энергии заселенностей возбужденных атомов меди T_Cu. Температура электронов в плазме пульсирующего разряда оценивалась по относительным интенсивностям этих линий меди. Экспериментально показано, что температура распределения атомов меди лежит в пределах 1.0–1.5 эВ, что близко к температуре электронов, измеренной по тормозному спектру [23].

Для подтверждения экспериментально полученных результатов по измерению температуры электронов в [35] было выполнено математическое моделирование функции распределения электронов по энергиям в неравновесной импульсной плазме. Функция распределения электронов по энергиям вычислялась на основе решения уравнения Больцмана для сферически симметричной компоненты ФРЭЭ. Было показано [35], что при высокой степени ионизации плазмы в условиях квазистационарного поперечно-продольного разряда в потоке воздуха реализуется близкая к максвелловской функция распределения электронов по энергиям с эффективной температурой электронов порядка 1 эВ (см. рис. 8, штриховая линия 2), так как в этих условиях Ф-РЭЭ формируется в основном за счет электрон-электронных столкновений, частота которых намного превышает частоту обмена энергией при столкновении электронов с нейтральной компонентой.

Рис. 8.

Функция распределения электронов по энергиям при E/n = 30 Тд и степени ионизации плазмы 10^–6 (сплошная кривая 1) and 10^–3 (штриховая кри-вая 2).

При тех же условиях приведенного электрического поля E/n = 30 Тд, но в слабоионизованной плазме со степенью ионизации 10^–6, реализуется неравновесная функция распределения электронов по энергиям, вид которой сильно зависит от степени колебательного возбуждения молекул воздуха (рис. 8, кривая 1).

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментально показано, что в условиях поперечно-продольного электродного пульсирующего разряда в высокоскоростных воздушных потоках концентрация электронов в канальной плазме увеличивается от ~10¹⁶ до 4 × 10¹⁶ см^–3 с ростом разрядного тока от 4 до 16 А и нарастает при постоянном значении разрядного тока с увеличением скорости потока от 250 до 500 м/с. Показано также, что температура электронов в плазме пульсирующего разряда порядка 1 эВ, а канальная плазма является сильно ионизованной средой, степень ионизации которой достигает 30% при сверхзвуковых воздушных потоках со скоростью 500 м/с.

Константин Корнев является стипендиатом Фонда развития теоретической физики и математики “БАЗИС” и благодарит его за финансовую поддержку.