НИС 21. Горения в газовых потоках (входит в лаб. 4)

•    Управление процессом горения и стабилизацией пламени с помощью периодического электрического поля

На основе анализа полученных экспериментальных данных установлено, что воздействие электрического поля происходит локально на фронте пламени, изменяя процессы тепломассопререноса. При этом в ламинарных гомогенных пламенах происходит изменение степени растяжения пламени, а в случае турбулентного горения коэффициента турбулентного обмена. Для эффективного управления стабилизацией пламени необходимы знания о взаимосвязи напряженности поля и степени деформации, либо пульсаций скорости. На примере обращенного пламени, находящегося в электрическом поле аксиальной симметрии, показано, что существует практически линейная зависимость изменения коэффициента турбулентного обмена от напряжения, подаваемого на кольцевой электрод (D₀– коэффициент турбулентного обмена в отсутствии поля). Результаты получены с применением модели турбулентного пламени, в которой скорость распространения фронта есть функция коэффициента турбулентного обмена.

Схема эксперимента (а) и зависимость изменения коэффициента турбулентного обмена от напряжения (б). Точки – пропан, квадраты – метан.

При воздействии на диффузионный факел нестационарного электрического поля, вектор напряженности которого вращается вокруг оси топливной струи, улучшается смешение и интенсифицируется горение, длина факела сокращается на 18-20% при сохранении полноты сгорания. Поднятое турбулентное пламя с помощью такого электрического поля можно стабилизировать в плоскости электродов в широком диапазоне скоростей истечения топлива превышающем скорость срыве пламени в отсутствии поля.

Диффузионный факел (а – без электрического поля, б – с электрическим полем) и зависимость высоты подъема от критерия гомохронности (в)

• Численное и экспериментальное моделирование процесса горения в сверхзвуковом потоке при инициировании плазмой импульсно-периодического оптического разряда

Изучено воздействие сфокусированного импульсно-периодического излучения СО₂-лазера на инициирование и процесс распространения горения в до- и сверхзвуковом потоке гомогенных топливо-воздушных смесей (метановоздушной и водородовоздушной). Излучение СО₂-лазера распространялось поперек потока и фокусировалось линзой на оси струи. С применением теневой и спектрозональной съемки на длинах волн радикалов ОН* и СН* изучалась структура зоны горения в потоке. Было показано, что при поперечном вводе лазерного излучения в поток образуется периодическая структура теплового следа с формированием головного скачка уплотнения от зоны энерговыделения. При малых частотах следования импульсов лазерного излучения взаимодействие теплового пятна с потоком происходит в импульсном режиме. Экспериментально осуществлено воспламенение оптическим разрядом метановоздушной и водородовоздушной смесей при сверхзвуковом истечении струи в затопленное пространство, о чем свидетельствуют результаты спектрозональной съемки. Показано, что применение малого по размеру механического стабилизатора (конус, диаметр 6 мм) и оптического стабилизатора позволяет зажечь высокоскоростную водородовоздушную струю по всей площади поперечного сечения. В проведённых экспериментах методами эмиссионной спектроскопии было исследовано распределение интенсивности излучения компонент в области оптического разряда и определены основные типы радикалов присутствующих в водородовоздушной плазме. Выявлена сильная интенсивность излучения  радикала H.

Спектрозональная регистрация радикалов ОH* для зоны горения водорода за оптическим разрядом: с механическим стабилизатором (а) и без (б).

• Исследование силового и энергетического воздействия на поток в окрестности крыловых профилей для управления обтеканием на до- и трансзвуковых скоростях

Управление ударно-волновой структурой транс- и сверхзвукового обтекания выпуклой поверхности с помощью импульсно-периодического энергетического и силового воздействия имеет отношение к широкому кругу практических и научных задач, связанных с усовершенствованием аэрокосмической техники. Данные исследования были начаты в ИТПМ в 2003 г. для крылового профиля при безотрывном трансзвуковом обтекании на малых углах атаки и импульсно-периодическом подводе энергии. Численно установлено, что применение приповерхностного источника энергии приводит к нелинейному взаимодействию с обтекающим потоком. Впервые показано, что таким образом можно снизить волновое сопротивление профиля более, чем в два раза, и создать дополнительную подъемную силу. Эти эффекты связаны со значительными изменениями ударно-волновой структуры: сдвигом замыкающих скачков уплотнения и даже полном их разрушении. Для импульсно-периодического подвода энергии получено обобщение закона стабилизации распределения числа Маха по поверхности, установленного С. А. Христиановичем. Аналогичные результаты получены при импульсно-периодическом силовом воздействии. Вибрация участка поверхности приводит к ослаблению и сдвигу скачка вверх по потоку на нижней стороне профиля и смещению скачка сверху на заднюю кромку. Появляется добавочная подъемная сила.

• Исследование эффективных схем пиролиза углеводородов в ректоре быстрого смешения

Предложен и исследован процесс пиролиза (термического разложения) углеводородов в высокотемпературном потоке теплоносителя. Отличительной особенностью данного метода является высокая температура процесса, не достижимая в традиционном промышленном способе пиролиза. Ключевая проблема данного метода – необходимость реализации ультракороткого времени смешения сырья с теплоносителем – была решена по результатам исследования характеристик смесителей с поперечным вводом струй, работающих в режиме формирования встречного потока в результате столкновения струй в приосевой области канала. С увеличением температуры процесса значительно (на 20 – 30%) увеличился выход этилена – базового продукта нефтехимической промышленности. В развитие разрабатываемого метода рассмотрена двухстадийная схема, в которой тепловым резервуаром для пиролиза углеводородов во 2-й секции проточного реактора служат высокотемпературные продукты термического разложения метана, поступающие из 1-й секции. Ацетилен, являющийся основным компонентом смеси на входе во вторую секцию реактора, по известной технологической схеме в дальнейшем преобразуется в этилен, дополнительно увеличивая выход этого продукта по сравнению с традиционным методом пиролиза. В целом результаты расчетно-экспериментального анализа пиролиза углеводородов в реакторе быстрого смешения показали улучшение основных характеристик процесса: увеличение выхода целевых продуктов, снижение удельных энергозатрат и количества вредных выбросов в атмосферу.

Сопоставление составов продуктов одно- и двухстадийного пиролиза СПГ в реакторе быстрого смешения