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

Стимулированное плазмой воспламенение и горение в газовых смесях является одним из перспективных приложений низкотемпературной неравновесной плазмы. Ее использование может позволить организовать оспламенение и поддержание горения при температурах ниже порога самовоспламенения и при повышенных давлениях, что является нерешенной актуальной задачей. Ее решение позволило бы в дальнейшем существенно снизить вредные выбросы и облегчить требования к конструкционным материалам современных энергетических установок, в том числе – газовых турбин, авиационных двигателей и двигателей внутреннего сгорания. В проекте предполагается провести расчетно-экспериментальное исследование окисления и воспламенения водород/углеводородных газовых смесей с кислородом или воздухом под действием неравновесной плазмы высоковольтного наносекундного разряда в трудно реализуемых для этого условиях - ниже порога самовоспламенения (от порога вниз вплоть до комнатной температуры) и при давлениях, существенно превышающих (в несколько раз) атмосферное. В первом случае воспламенение затруднено из-за малой скорости химических реакций, а во втором – трудно организовать однородное развитие разряда. Основные эксперименты будут выполняться на ударной трубе с разрядной секцией, в которой под действием разряда будет создаваться однородная плазма с высокой концентрацией химически активных частиц (атомы, радикалы, возбужденные и заряженные частицы). Для оценки влияния неоднородности плазмы часть экспериментов также будет повторена в отдельной подогреваемой разрядной камере, где активные частицы будут нарабатываться в плазме наносекундного поверхностного барьерного разряда или наносекундного искрового разряда в неоднородных условиях. Во всех случаях будут измеряться разрядные характеристики (разрядный ток, электрическое поле в разрядной плазме, энерговклад в разряд), время задержки воспламенения, динамика изменения концентрации активных частиц и промежуточных компонентов в послесвечении разряда (электроны) и в стадии воспламенения (О, Н, ОН, СН2О). В качестве топлива будут использованы не только традиционные виды топлива (водород, простые предельные углеводороды), но и нетрадиционное топливо, которое в настоящее время начинает все шире использоваться в энергетических устройствах. Особое внимание будет уделено изучению ранее не исследованного режима, когда наработка активных частиц и частичное окисление происходят в «холодных» газовых смесях относительно низкого давления при различном числе импульсов наносекундного разряда, а воспламенение осуществляется после этого за счет нагрева и сжатия газа за фронтом ударной волны. Такая постановка задачи отличается новизной и позволяет с одной стороны обеспечить однородноеразвитие разряда при умеренных давлениях газа, а с другой – дает возможность исследовать воспламенение газа высокого давления с большим содержанием активных частиц после его сжатия и нагрева за ударной волной. Эффективное окисление или воспламенение при температурах ниже порога самовоспламенения будет обеспечено увеличенным энерговкладом в разряд. Все эксперименты будут сопровождаться численным моделированием, включающим определение констант скорости наработки активных частиц электронным ударом в разряде, моделирование разрядной стадии с вычислением характеристик разряда и количества наработанных в разряде активных частиц, моделирование эволюции состава активных частиц и нагрева газа в послесвечении разряда, а также моделирование стадии воспламенения, где необходимо учитывать энерговыделение в цепных реакциях. При этом будут использоваться как традиционные подходы в кинетике воспламенения, но с учетом реакций с колебательно- и электронно-возбужденными нейтральными частицами и реакций с электронами и ионами, так и будет специально учтено возможное влияние «горячих» атомов и радикалов, образованных в плазме высоковольтного наносекундного разряда, на окисление топлива. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными позволит существенно продвинуться в разработке современных моделей стимулированного плазмой окисления и воспламенения и развитии новых моделей при низких газовых температурах (ниже порога самовоспламенения) и при повышенных давлениях газа. В этой области температур и давлений стандартные методы исследования воспламенения и горения не применимы, а данных по окислению и воспламенению с помощью плазмы мало, и они часто оказываются трудно интерпретируемы и ненадежны. Теоретическое описание процессов здесь также необычайно сложно, поскольку результат оказывается очень чувствительным к таким плохо или недостаточно изученным эффектам, как «быстрый» нагрев газа в разряде, влияние на химические реакции «быстрых» нейтральных частиц и электронного возбуждения атомов и радикалов. Ранее эффекты такого типа в подпороговой области почти не исследовались в значительной степени из-за того, что не хватало экспериментального материала в хорошо контролируемых условиях. Также ранее не исследовалось стимулированное плазмой воспламенение при повышенных давлениях в случае однородного возбуждения смеси плазмой. Все эти пробелы предполагается «закрыть» в предлагаемом исследовании.