Исследование окисления и воспламенения горючих смесей при их возбуждении высоковольтным наносекундным разрядом в широком диапазоне газовых параметров

Выполнены экспериментальные исследования динамики изменения концентрации химически активных частиц в процессе стимулированного плазмой воспламенения в условиях ударной трубы с разрядной секцией. Определены концентрации активных частиц с помощью методов эмиссионной и лазерной спектроскопии в широком диапазоне температур и давлений углеводород-кислородных смесей, в том числе ниже порога автовоспламенения. Исследования проводили на ударной трубе с разрядной секцией. Осуществляли подогрев газовой смеси, а воспламенение изучали при наличии неравновесной разрядной плазмы и без нее. Плазму создавали под действием высоковольтного наносекундного разряда, зажигаемого либо в исходных газовых смесях при умеренном давлении перед фронтом отраженной ударной волны, либо за ее фронтом, когда давление повышено и может достигать несколько атмосфер. Достоинства использования разряда именно этого типа - однородность его развития и создаваемой плазмы при не слишком высоких плотностях газа и эффективные возбуждение и диссоциация молекул. В плазме разряда нарабатываются активные частицы (атомы, радикалы, возбужденные и заряженные частицы), которые существенно облегчают процесс воспламенения. В экспериментах определяли давление и температуру смеси перед и за фронтом ударной волны, динамику изменения разрядного тока и электрического поля в разряде, энерговклад в разряд, концентрацию активных частиц и время задержки воспламенения. Давление и температуру за фронтом волны восстанавливали из измерения скорости ударной волны на основе одномерной гидродинамической теории ударных волн. Разрядный ток измеряли с помощью калиброванных магнитных датчиков. Для измерения электрического поля в разряде использовали электростатические зонды. В условиях воспламенения на ударной трубе при наличии разряда и без него определяли концентрацию химически активных радикалов ОН и СН. Излучение регистрировали с помощью монохроматора МДР-23 и фотоумножителей ФЭУ-100. В газовых смесях с молекулярным азотом по 2-й положительной системе азота (переход С(v = 0) -> B(v= 0)) определяли концентрацию электронно-возбужденных молекул N₂(С). Для ЛИФ-измерений концентрации ОН в основном электронном состоянии использовали диагностическую лазерную систему, состоящую из трех задающих квантовых генераторов Surelite EX Continuum, системы сведения лучей и генерации 2-й и 3-й гармоник, а также параметрического перестраиваемого генератора Horizon-II Continuum. Лазерная система позволяла получать три импульса длительностью 3 - 5 нс в спектральном диапазоне 192 - 2750 нм с управляемой задержкой между ними от 100 нс до 30 мс. Частота повторения серии трех импульсов могла меняться от 1 до 10 Гц. Спектральная ширина импульсов была менее 7 см⁻¹. Расходимость пучка была менее 2 мрад, диаметр пучка на выходе составлял 4 - 7 мм. Энергия в импульсе после параметрического генератора во всем диапазоне перестройки была не менее 1 мДж. Максимальная энергия, выдаваемая параметрическим генератором, составляла приблизительно 50 мДж на длине волны 425 нм. Задающие квантовые генераторы построены на основе Nd YAG-лазеров, работающих в режиме модуляции добротности или одномодовом режиме.