Повышение устойчивости и интенсификации горения в модельных метановых ГПВРД

Разработка перспективных многоразовых воздушно-космических транспортных систем (ВКТС) сопряжена с актуальной задачей создания энергоэффективных силовых установок (двигателей), обеспечивающих активный полет в атмосфере со скоростями, соответствующими числам Маха М>7. В последнее время все более актуальным становится создание аэрокосмической техники с использованием метана в качестве основного горючего для силовых установок. Наиболее эффективным для ВКТС является гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД), который использует атмосферный воздух в качестве окислителя. Несмотря на некоторое снижение удельного импульса метановых ГПВРД относительно аналогичных двигателей на водороде, использование метана позволяет повысить интегральную эффективность ВКТС за счет повышенной плотности сжиженного метана (~ в 6 раз выше чем для криогенного водорода), высокой объемной теплоты сгорания метана, его экологической безопасности, низкой стоимости и удовлетворительных эксплуатационных свойств. Однако создание метановых ГПВРД требует решения ряда фундаментальных проблем, связанных с узким концентрационным диапазоном воспламенения, а также низкой скоростью протекания химических реакций при горении метана с воздухом, соответственно, расширение диапазона устойчивого горения в сверхзвуковых проточных трактах ГПВРД является важной научно-технической задачей. На практике в технических устройствах зачастую применяются бедные топливно-окислительные смеси, позволяющие снижать выбросы NOx, однако, как известно, это также порождает проблему неустойчивости горения. При этом в камерах сгорания могут возникать условия, которые приводят к значительным неустойчивостям, высокому уровню колебаний давления и скорости, что, в свою очередь, вызывает нестационарное (нештатное) поведение пламени, такое, как изменение положения зоны стагнации и срыв пламени. Указанные причины не позволяют организовать стабильный и эффективный рабочий процесс в ГПВРД без применения специальных методов воздействия на зоны смешения и горения. С одной стороны, в технических устройствах стабилизация бедных пламён может быть реализована с использованием стабилизирующих тел, способствующих формированию возвратных вихревых течений, которые увеличивают время контакта продуктов сгорания и реагентов. Поведение и характеристики возвратных вихревых зон в значительной степени определяют устойчивость пламени. В возвратных вихревых течениях снижается скорость потока, что делает эту область, в том числе, более чувствительной к воздействию массовых сил (в случае дозвуковых потоков), которые могут изменяться, например, при маневрировании летательного аппарата. Аналогично, акустические возмущения, которые реализуются в реальных силовых установках, в набегающем потоке, оказывают воздействие на характер возвратного вихревого течения. При сверхзвуковых скоростях потока в камере сгорания использование стабилизирующих тел для создания локальных вихревых зон (способствующих стабилизации рабочего процесса) реализуется посредством расположения в проточном тракте уступов, ниш, плохо обтекаемых тел, гипермиксеров, как, например, это реализовано в двигательной установке 3Ц4 (РД-07К) ракеты 3М8 зенитно-ракетного комплекса 2К11. Эти устройства дают возможность, с одной стороны, улучшить качество смешения, а с другой - несколько повысить время пребывания продуктов сгорания в камере двигателя. Газодинамические устройства значительно расширяют рабочий диапазон ГПВРД, однако их использование приводит к существенным потерям полного давления воздушного потока в тракте. Учитывая сложность организации надлежащего горения в условиях работы ГПВРД (при высоких скоростях воздушного потока, малых давлениях и большом коэффициенте избытка воздуха), актуальным становится поиск и применение новых методов стабилизации фронта пламени и интенсификации протекания макрокинетических реакций. В настоящее время известны способы акустической и электрической интенсификации горения. Экспериментально подтверждено, что акустическое воздействие на реагирующий сверхзвуковой поток позволяет создавать зоны, в которых происходит интенсивное турбулентное перемешивание топливной смеси. Характерные частоты акустического поля при этом находятся в диапазоне от десятков до сотен герц. При надлежащем выборе спектра акустического воздействия относительно частотной характеристики продольных и поперечных мод собственных акустических колебаний смеси в камере сгорания, в проточном тракте возможен резонансный эффект, сопровождающийся многократной интенсификацией процесса смешения. Электрический разряд позволяет создавать реакционно-активные зоны с повышенным содержанием свободных электронов и ионов, которые ускоряют макрокинетические реакции в потоке. В случае правильного выбора мощности и частотной характеристики разряда, а также форм-фактора электродов существует возможность интенсифицировать турбулентное горение при незначительных затратах электрической энергии (требуемая относительная мощность разряда не более 0,5 % от тепловой мощности, выделяемой при горении). Проведенные и опубликованные ранее авторским коллективом предварительные исследования показали, что комплексное акустическое и электрическое воздействие позволяет увеличить скорость срыва пламени в дозвуковом потоке предварительно подготовленной топливной смеси более чем в два раза. Наибольший эффект наблюдается для обедненных горючим топливных смесей: при коэффициенте избытка горючего 0,75 скорость срыва при комплексном воздействии составляет 1,4 м/с, что в 2,1 раза больше скорости срыва без воздействия. Однако, для диффузионного горения метана в сверхзвуковом воздушном потоке такое исследование ранее детально не проводилось. Для создания новых комплексных методов обеспечения стабильного и высокоэффективного рабочего процесса в ГПВРД в проекте предлагается исследовать особенности физических явлений, протекающих при одновременной газодинамической, акустической и электрической интенсификации горения метана в сверхзвуковом высокоэнтальпийном потоке. Предлагаемый метод комплексного воздействия обеспечит стабилизацию и интенсификацию турбулентного горения метана в сверхзвуковом потоке для широкого диапазона изменения соотношения компонентов топливной смеси и чисел Рейнольдса. Фундаментальный характер указанных неустойчивостей и способов воздействия на рабочий процесс, для реализации оптимальных технических решений, требует изучения описываемых явлений в широком диапазоне условий, в том числе в высокоскоростных и низкоскоростных течениях. Соответственно в проект включены работы, посвященные анализу устойчивости горения в дозвуковых потоках при внешних воздействиях. Поводя итог, можно сформулировать следующую конкретную научно-техническую задачу, на решение которой будет направлен проект: исследование устойчивости до- и сверхзвуковых реагирующих потоков при газодинамической и электрической стабилизации, а также при воздействии акустическими полями. Следует отметить, что существующие на данный момент аналитические и экспериментальные данные имеют разрозненный характер и не позволяют детальным образом проанализировать эффективность комплексного воздействия на горение в до- и сверхзвуковых потоках воздушно-метановых смесей, так как в данной постановке задача ранее не рассматривалась. В качестве результатов проекта будут получены новые знания об устойчивости и способах стабилизации метано-воздушных пламён при акустическом и электрическом воздействии с учетом направления массовых сил. Будет исследован механизм срыва пламени, определены пределы устойчивого горения и изучено влияние модуляции потока на геометрию пламени, изучена динамика фронта в стационарных и околопредельных режимах горения с фазовым разрешением. Учитывая вышесказанное, представляется целесообразным выполнение предлагаемого проекта в обеспечение создания необходимого фундаментального и научно-технического задела.