Формування імпульсних газорозрядних струменів в удосконаленому методі прискорення ініціації детонації

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. В.Н. КАРАЗІНА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ФОРМУВАННЯ ІМПУЛЬСНИХ ГАЗОРОЗРЯДНИХ СТРУМЕНІВ В УДОСКОНАЛЕНОМУ МЕТОДІ ПРИСКОРЕННЯ ІНІЦІАЦІЇ ДЕТОНАЦІЇ

Коритченко Костянтин Володимирович

01.04.08 - фізика плазми

Харків - 2005

Анотація

Коритченко К.В. Формування імпульсних газорозрядних струменів в удосконаленому методі прискорення ініціації детонації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.04.08 - фізика плазми. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2005.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню питання ефективного отримання високо швидкісних газорозрядних струменів у густому паливо-повітряному середовищі з метою досягнення початкових надзвукових швидкостей розповсюдження полум'я в системах ініціації детонації. Доопрацьовано модель газодинамічного розширення іскрового каналу до моменту формування ударної хвилі. Удосконалено метод газодинамічного імпульсного прискорення газорозрядної плазми, який базується на розігріванні газу імпульсною дугою. Розроблено методику розрахунків параметрів плазмово-хвильової системи та вимоги до керування імпульсною дугою зовнішнім ланцюгом, що у сукупності реалізує удосконалений метод. Запропоновано підхід до розрахунку міжелектродної відстані в імпульсній дузі. Досліджено вплив початкового тиску у розрядній порожнині, напруженості поля імпульсної дуги та зволоження повітря на швидкість поширення переднього фронту газорозрядного струменя, який формується в плазменно-хвильовій системі.

Ключові слова: керована імпульсна дуга, ударна хвиля, напруженість поля дуги, газорозрядний струмінь, міжелектродна відстань.

Аннотация

Корытченко К.В. Формирование импульсных газоразрядных струй в усовершенствованном методе ускорения инициации детонации. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2005.

Диссертационная работа посвящена решению вопроса эффективного получения высоко скоростных газоразрядных струй в плотной топливовоздушной среде с целью достижения начальных сверхзвуковых скоростей распространения пламени в системах инициации детонации.

На основе подхода к развитию ионизационно-перегревной неустойчивости рассчитано газодинамическое расширение искрового канала до момента возникновения ударной волны. Это позволило объяснить причину отсутствия инициации детонации искровым разрядом с длительностью порядка 10^-7с и менее в слабодетонирующих смесях, несмотря на высокие значения объёмной плотности энерговыделения. Причина заключается в сосредоточении тока разряда в области пониженной плотности газа, что приводит к ограничению нарастания скачка давления во фронте ударной волны, формируемой в искровом канале.

Усовершенствование метода газодинамического импульсного ускорения газоразрядной плазмы, основанного на разогреве газа импульсной дугой, заключается в создании “промежуточного” давления в полуограниченной разрядной полости за счет динамических свойств газовых потоков и реализации импульсной дуги программируемым образом. Метод позволяет увеличить плотность газа в разрядной области, и тем самым интенсифицировать передачу энергии от электронов в кинетическую энергию атомов (молекул) и ионов через увеличение частоты столкновений, а также допускает использование предварительно подготовленной рабочей среды (например, увлажненный воздух), что в комплексе с увеличенным временем формирования ударной волны (порядка 10^-5с) позволяет эффективно использовать энергию колебательной релаксации.

Требование к длине разрядного промежутка получено из условия преобладания этой длины над произведением скорости дрейфа электронов на время электронно-ионной релаксации, что устанавливает баланс преобладающего выделения энергии импульсной дуги в газоразрядном промежутке.

Требование к напряженности поля импульсной дуги, реализуемой программируемым образом с помощью внешней цепи через стадию искрового разряда, получено из уравнения баланса энергии электронов, когда соблюдается баланс приобретения энергии электронами от поля и её выделение при электронно-ионных столкновениях, что позволяет получить разряд с оптимальным преобразованием электрической энергии в кинетическую энергию газа.

Исследовано влияние начального давления газа в разрядной полости на скорость распространения переднего фронта газоразрядной струи в плазменно-волновой системе, что подтвердило возрастание скорости нагрева газа импульсной дугой с ростом плотности газа через увеличение частоты упругих столкновений.

Исследовано влияние напряженности поля импульсной дуги на скорость распространения переднего фронта газоразрядной струи в плазменно-волновой системе, в результате которого подтвердилась необходимость программирования разряда с заданием расчетной напряженности, что обеспечивает получение наибольших скоростей истечения газоразрядной струи со средней скоростью более 500 м/с в течение 100 мкс при энерговложении до 100 Дж в условиях распространения струи в воздухе с условиями, близкими к нормальным.

Исследовано влияние увлажнения воздуха на скорость распространения переднего фронта газоразрядной струи в плазменно-волновой системе, в результате которого подтвердилась эффективность применяемого метода ускорения колебательной релаксации с возрастанием скорости истечения более чем на 150 м/с.

Усовершенствована методика оценки скорости распространения импульсной плазменной струи, которая производиться на основании анализа изображений на фотопленке, получаемых методом фотографирования в режиме лупы времени и позволяет оценить скорость развития струи с абсолютными погрешностями на временных шагах для 4 мкс - 76 м/с, для 8 мкс - 38 м/с, для 16 мкс - 19 м/с.

Ключевые слова: управляемая импульсная дуга, ударная волна, напряженность поля дуги, газоразрядная струя, межэлектродное расстояние.

газорозрядний детонація плазмовий швидкість

Summary

Korytchenko K.V. Formation of pulsed gas-discharge streams in the improved acceleration method of a detonation initiation. - Manuscript.

Dissertation for Ph.D. degree of technical sciences by speciality 01.04.08 - plasma physics. - Kharkov National University named after V.N. Karazin, Kharkov, 2005.

The dissertation has to solve a problem of effective obtaining of a high-speed gas-discharge streams propagating at a dense fuel-air environment to achieve an initial supersonic speed of a flame propagation into systems of detonation initiation. A model of gas-dynamic expansion of a spark channel has been modified up to a moment of a shock wave appearance. A method of gas-dynamic pulsed acceleration of gas-discharge plasma which is based on gas heating by ipulsed arc has been improved. A technique for calculating plasma-wave system parameters and requirements for control of pulsed arc by an external electrical circuit was created. Fusion of the system and the requirements has been used in the method. A way of a discharge gap calculation has been proposed for the pulsed arc. Influences of the initial pressure in the discharge cavity, field in the pulsed arc and air moistening on a speed of forward front propagation of the gas-discharge stream have been investigated for the plasma-wave system.

Key words: controlled pulsed arc, shock wave, field intensity of arc, gas-discharge stream, discharge gap.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Створення розрядного каналу імпульсної дуги супроводжується процесом газодинамічного розширення. Вплив частоти зіткнень електронів з молекулами (атомами) та іонами, яка залежить від густини цих частинок, на електропровідність розрядного каналу, та на баланс процесу зіткнень у цілому зумовлює необхідність сумісного розгляду цих явищ для аналізу розвитку імпульсної дуги. Існуючі моделі розвитку розрядного каналу, які враховують ударно-хвильове розширення, дозволяють встановити динаміку розвитку розряду в період, коли ударна хвиля вже сформована. До моменту виникнення ударної хвилі також відбувається перерозподіл густини газу по перерізу каналу. Звідси виникає задача з'ясування динаміки розвитку каналу під час формування ударної хвилі. Відповідь на це питання дозволить в тому числі пояснити причину відсутності ініціації детонації при надзвуковому розширенні іскрового каналу, коли інтенсивності ударної хвилі цілком достатньо для її ініціації.

Методи, які реалізують імпульсне прискорення газорозрядної плазми, широко застосовуються у електрореактивних двигунах, електроударних трубах. Але низька ефективність перетворення електричної енергії у кінетичну енергію плазмового струму у густих газових середовищах зумовила значне обмеження можливих областей застосування цих методів. Наприклад, ця проблема виникає при використанні імпульсного плазмового струменя для ініціації надзвукового горіння в системах частотної ініціації детонації, хоча таке запалення забезпечує значне скорочення періоду затримки виникнення детонації та досягається висока стабільність процесу. У цьому випадку вирішення задачі ініціації дозволить створити пристрої з новим методом формування надзвукового потоку. Це дозволить значно підвищити вихідні характеристики таких пристроїв як детонаційного хімічного лазера, МГД-генератора та прямоточно-пульсуючого повітряно-реактивного двигуна, а також розширити сферу застосування пульсуючих детонаційних пристроїв, наприклад, для розмінування мінних полів.

В високоенергійній імпульсній дузі, яка створюється розрядом ємності, лише незначна частина електричної енергії виділяться на розрядному проміжку. Відомо, що це викликано значною перевагою активного опору зовнішнього електричного ланцюга по відношенню до опору розрядного проміжку. Крім того, відомо, що від цієї частки енергії в кінетичну енергію газорозрядної плазми у розрядах тривалістю до 100 мкс перетворюється також мала частка по причині відсутності рівноваги розподілу енергії по різним типам збуджень молекул. Але з'ясуванням можливих механізмів зміни балансу виділення енергії та прискоренням швидкості встановлення рівноваги в каналі імпульсної дуги не приділялося достатньої уваги.

Актуальним вважається удосконалення методу імпульсного прискорення газорозрядної плазми шляхом ефективного розігрівання газу імпульсною дугою в напівобмеженому об'ємі з його подальшим направленим витіканням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до науково-дослідної тематики науково-дослідної лабораторії Харківського гвардійського ордена Червоної Зірки інституту танкових військ імені Верховної Ради України Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” і є складовою частиною науково-дослідної роботи “Дослідження детонаційної спроможності паливо-повітряної суміші під впливом імпульсного плазмового струменя”, замовником якої є Науково-дослідний комплекс “Прискорювач” Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”.

Мета і задачі дослідження. Удосконалити метод імпульсного прискорення газорозрядної плазми шляхом створення умов для ефективного перетворення енергії та виходячи з умови практичного використання методу у системах частотної ініціації детонації. Для досягнення цієї мети необхідно:

виявити фактори, що впливають на швидкість і ефективність зростання кінетичної температури газу в імпульсній дузі;

виявити вплив газодинамічного розширення іскрового каналу в період формування ударної хвилі на баланс процесів зіткнень;

удосконалити метод імпульсного прискорення газорозрядної плазми у густих газових середовищах;

виробити вимоги до умов реалізації імпульсної дуги в удосконаленому методі імпульсного прискорення газорозрядної плазми;

розробити підхід до розрахунку геометричних параметрів плазмово-хвильової системи;

розробити вимоги до елементів ланцюга схем, що реалізують імпульсну дугу;

дослідити вплив початкового тиску газу в розрядній порожнині на швидкість поширення переднього фронту газорозрядного струменя в удосконаленому методі імпульсного прискорення газорозрядної плазми;

дослідити вплив напруженості поля імпульсної дуги на швидкість поширення переднього фронту газорозрядного струменя в удосконаленому методі імпульсного прискорення газорозрядної плазми;

дослідити вплив зволоження повітря на швидкість поширення переднього фронту газорозрядного струменя в удосконаленому методі імпульсного прискорення газорозрядної плазми.

Об'єкт дослідження. Формування імпульсного газорозрядного струменя методом газодинамічного прискорення, викликаного розігріванням газу імпульсною дугою.

Предмет дослідження. Вплив умов, в яких розвивається імпульсна дуга, на швидкість розповсюдження переднього фронту імпульсного газорозрядного струменя, що сформовано в удосконаленому методі імпульсного прискорення газорозрядної плазми.

Наукова новизна одержаних результатів. Доопрацьовано модель газодинамічного розширення іскрового каналу до моменту формування ударної хвилі. Удосконалено метод газодинамічного імпульсного прискорення газорозрядної плазми, який базується на розігріві газу імпульсною дугою. Розроблено вимогу до довжини розрядного проміжку, при якому, з урахуванням умов реалізації імпульсної дуги, досягається швидке та ефективне розігрівання газу у розрядному каналі. Вперше отримана умова розвитку імпульсної дуги, при якій здійснюється не повна іонізація газу в імпульсному розряді і досягається ефективна передача енергії електронів у кінетичну енергію іонів. Удосконалено методику оцінки швидкості розповсюдження імпульсного газорозрядного струменя, що здійснюється на підставі аналізу зображень на фотоплівці, які отримано методом фотографування в режимі лупи часу. Уточнено вимоги до елементів ланцюга схем, що реалізують імпульсну дугу, що дозволяє здійснити виділення основної частки енергії розряду в розрядному проміжку. Досліджено вплив початкового тиску в розрядній порожнині, напруженості поля імпульсної дуги та зволоження повітря на швидкість розповсюдження плазмового струменя, що формується експериментальною моделлю плазменно-хвильової системи.

Практичне значення отриманих результатів. Плазмово-хвильова система, реалізована на основі удосконаленого методу імпульсного газодинамічного прискорення газорозрядної плазми, з використанням схеми, що реалізує імпульсну дугу, дозволяє одержати імпульсний плазмовий струмінь з “середньою” швидкістю розповсюдження переднього фронту більше 400 м/с на протязі 100 мкс у густому газовому середовищі. При цьому, витрати електричної енергії на формування плазмового струменя не перевершують 100 Дж, а час затримки виходу струменя складає не більш 20 мкс. Такі параметри плазмово-хвильової системи задовольняють комплексу вимог, що пред'являються до системи частотної ініціації детонації, і це дає підставу для її застосування в пульсуючих детонаційних пристроях, що працюють з частотою робочих циклів більш 200 Гц і які мають енерговиділення хімічної енергії в одному циклі порядку кДж і більше.

Особистий внесок здобувача. Аналіз літературних даних; постановка задачі для математичного моделювання формування іскрового каналу до моменту виникнення ударної хвилі; розробка вимог до довжини розрядного проміжку, при якому, з урахуванням умов реалізації імпульсної дуги, досягається швидке та ефективне розігрівання газу в розрядному каналі; одержання умови розвитку імпульсної дуги, при якій здійснюється не повна іонізація газу в імпульсному розряді і досягається ефективна передача енергії електронів у кінетичну енергію іонів; експериментальні роботи з дослідження плазмово-хвильової системи. У роботах, написаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у наступному: у [1] виявлено напрямок підвищення ефективності перетворення енергії електронів у кінетичну температуру газу в імпульсному розряді; у [2, 8] розроблена вимога до тривалості імпульсного розігрівання газу в плазмово-хвильовій системі; у [3, 9] запропоновано схему реалізації імпульсної дуги з низькою напругою горіння в газі; у [4, 10] обґрунтовано вимоги до виконання елементів системи електричного розряду в плазмово-хвильовій системі; у [7] запропоновано удосконалення методу газодинамічного імпульсного прискорення газорозрядної плазми, заснованого на розігріванні газу імпульсною дугою.

Апробація результатів дисертації. Апробація результатів дисертації проводилася на The 29^th IEEE International Conference on Plasma Science, 2002, Banff, Alberta, Canada; XXVI International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 2003, Greifswald, Germany; International Symposium on Combustion and Atmospheric Pollution, 2003, С.-Петербург, Россия; на European Combustion Meeting, 2005, Louvain-la-Neuve, Belgium.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету та основні завдання дисертаційної роботи, показано її наукову новизну та практичну цінність.

У першому розділі виявлено вимоги щодо тривалості розряду (складає величину порядку десятка мікросекунд) та граничної величини електричного енерговнеску (близько 100 Дж) у разі використання імпульсної дуги у системах частотної ініціації детонації. На основі огляду літератури по методам і пристроям, що реалізують ініціацію детонації з використанням енергії електричного розряду, виявлено перевагу використання плазмового струменя для прискорення процесу переходу горіння в детонацію. Виявлено, що оцінка критичної енергії ініціювання детонації безпосередньо іскрою проводиться без урахування газорозрядних процесів, що приводить до суперечливих результатів. Проведена оцінка ефективності перетворення енергії в існуючих методах і пристроях, які створюють високошвидкісний імпульсний газорозрядний струмінь у щільному газовому середовищі. В результаті цієї оцінки встановлено, що надзвукові швидкості імпульсного плазмового струму досягається при енерговнеску порядку 1кДж і більше та супроводжуються значною ерозією електродів і повною однократною іонізацією газу. Також було розглянуто існуючі моделі розвитку іскрового каналу, які враховують вплив газодинамічних процесів. У результаті виявилося, що існуючі моделі іскри не враховують процес формування ударної хвилі.

У другому розділі проаналізовані процеси, що впливають на зміну кінетичної температури газу в імпульсній дузі. Це дозволило встановити, що у слабо іонізованому повітряному розрядному каналі частка енергії електронів, яка безпосередньо витрачається на зростання поступальної енергії молекул, у своєму максимумі не перевищує 3%, що є однією з причин обмеження росту інтенсивності ударної хвилі, яка формується в іскровому розряді. Встановлено, що прискорити розігрівання газу в імпульсній дузі можливо шляхом інтенсивного обертального збудження молекул, яке досягається при зниженні напруженості поля і підвищенні густини газу в розрядному проміжку. Окрім того, у сильно іонізованому газі можуть мати місце умови для швидкого розігрівання газу через зростання частоти пружних електрон-іонних зіткнень за рахунок переваги кулонівського перерізу зіткнень над перерізами інших процесів. При тривалості імпульсного розряду у десятки мікросекунд для використання в газодинамічних процесах не рівноважне збудженої енергії молекул, що приходиться на коливальні ступіні свободи, необхідне прийняття спеціальних заходів для прискорення коливальної релаксації через ріст температури середовища, а у повітряному розрядному середовищі можливе прискорення релаксації через дезактивуючий вплив молекул води.

На основі підходу до розвитку іонізаційно-перегрівної нестійкості розраховано газодинамічне розширення іскрового каналу до моменту виникнення ударної хвилі при нерівномірному розподілі струму по перерізу каналу. Використовувалася система одновимірних нестаціонарних рівнянь:

; (1)

; (2)

, (3)

де , , Р, Т - значення густини , швидкості, тиску та температури газу; - внутрішня енергія одиниці об'єму газу; - коефіцієнт теплопровідності; Е - подовжнє поле в каналі, - частка енергії електронів (бралася у залежності від співвідношення Е/N, де N - густина молекул в одиниці об'єму), яка перетворюється в поступальні та обертальні ступені вільності молекул, у - провідність газу в каналі. Також використовувались співвідношення:

P = ( - 1), = c_vT,

де - показник адіабати, c_v - питома теплоємність газу.

Розрахунок проводився для повітря, провідність якого бралася за формулою:

у(с,r) = 1,13·10^-16ne(r)/с[кг/(Ом·см)], (4)

де радіальний розподіл густини електронів по перерізу каналу n_e(r) задавався у вигляді: n_e(r) = n_oe^{-(r/r0)^a}, а величини r₀, n₀, a - використовувалися в якості параметрів задачі.

У зв'язку з тим, що інтервал часу розрахунку розвитку іскри не перевищує 10^-6с, та виходячи з характерного часу коливальної та електронної релаксації для даних умов, збільшення кінетичної енергії за рахунок релаксаційних процесів не враховувалось. Також не враховувався вплив магнітного тиску у зв'язку з його малістю по відношенню до газодинамічного тиску, що створюється за рахунок розігрівання розрядним струмом.

Граничні умови вибиралися для рівнянь (1-3), виходячи з припущення про осьову симетрію в центрі розряду та незбурених параметрів газу на зовнішній межі розрахункової області r = R і враховуючи умови застосування рівняння (4).

T/r_r=0 = 0; T_r=R = 293 K; /r_r=0 = 0; _r=R = ₀; E/P = (3 ч 37,5)·10^-2 В/(см·Па); Т 5000К, n_e/N < 10^-3.

В якості вихідних умов приймалося:

(r,t)_t=0 = 0; (r,t)_t=0 = ₀ (=1,29кгм^-3); P(r,t)_t=0 = P₀ (= 1,01310⁵кгм^-1с^-2); 0 r , r₀ = const, a = const.

Значення напруженості поля Е та густини електронів n0 бралися незмінними, або вводилися в залежності від часу, виходячи зі експериментальних даних для напруги та струму (зі зміною величин на кожному розрахунковому кроці).

Система рівнянь (1-4) вирішена чисельно методом скінченних різниць згідно явній різницевій схемі. На підставі моделювання динаміки газодинамічного розширення іскрового каналу до моменту виникнення ударної хвилі виявлено, що у залежності від радіусу та розподілу введення енергії по перерізу розрядного каналу, можливо два різних механізми впливу на розрядний процес. Якщо в іскровому розряді має місце нерівномірний розподіл провідності в каналі радіусом не більш 10^-4 м, то, при наявності високої напруженості поля і часу його утримання у десяті частки мікросекунди від початку зростання струму, основним механізмом подальшої іонізації є “каскадна” іонізація електронами молекул через електронно-збуджені стани й ударну іонізацію, умови для якої створюються в результаті значного падіння густини газу в розрядному каналі (рис 1).

Рис. 1 Розподіл густини газу по перерізу каналу в різні моменти часу при розподілі густини електронів згідно функції .

При введенні енергії в розрядний канал більшого радіуса нерівномірне струмове розігрівання приводить до того, що температура газу на окремих ділянках каналу до моменту порядку 10^-7 с досягає значень, коли стає впливовою термічна іонізація (рис. 2). В результаті, виникають умови для перерозподілу струму по перерізу каналу із зосередженням його у високотемпературній області. Це поясняє наявні відмінності у швидкості розширення області світіння розрядного каналу і реальної швидкості газодинамічного розширення (наприклад, швидкість розширення газу не перевищує 150 м/с у момент часу 310⁷ с в умовах, що відповідають рис. 1). Таким чином, варто розглядати окремо процес формування ударної хвилі в розрядному каналі і процес її подальшого розширення. Поза залежністю від розподілу введення енергії по перерізу розрядного каналу, зосередження струму в області зі зниженою густиною газорозрядного середовища приводить до обмеження інтенсивності ударної хвилі і це є причиною відсутності ініціації детонації в слабкодетонуючих сумішах за допомогою високо енергійних розрядів короткої тривалості, незважаючи на те, що вони мають високу густину виділення енергії.

Рис. 2 Динаміка наростання температури газу по перерізу каналу при розподілі густини електронів згідно функції .

У третьому розділі удосконалено метод імпульсного прискорення газорозрядної плазми шляхом формування імпульсного газорозрядного струменя в напівобмеженій розрядній порожнині з підвищеним тиском відносно тиску у зовнішньому середовищі, що досягається за рахунок газодинамічних процесів (регулюється співвідношення площині отворів на вході та виході розрядної порожнини, через яку тече стиснутий газ), та із застосуванням керованої імпульсної дуги, програмування якої здійснюється зовнішнім електричним ланцюгом. Пристрій, що реалізує даний метод, названо плазмово-хвильовою системою, далі ПХС (рис. 3).

Рис. 3. Пристрій для створення ударних хвиль електричним розрядом в газі: 1 - ізолятор, 2 - провідник в якому формується ударна хвиля, 3 - провідник, що підводить стиснутий газ, 4 - розрядна порожнина, 5 - канал, 6 - вихідний канал, 7 - отвори, К - комутатор, С - накопичувач енергії.

Часткове обмеження розрядної порожнини здійснює кумуляцію енергії, крім того, зменшує падіння густини газу в каналі дуги, що, з урахуванням підвищеного тиску, забезпечує прискорення передачі енергії енергії електронів у кінетичну енергію атомів (молекул) і іонів через зростання частоти пружних зіткнень.

Необхідна температура нагрівання газу Т_н в порожнині ПХС отримана з умови відповідності необхідної швидкості витікання плазмового струменя D критичній швидкості звуку С_*2

, (5)

де М - молярна маса газу, кг/моль; R - універсальна газова стала.

Тривалість розряду задається, виходячи з часу формування ударної хвилі t:

(6)

де l - довжина вихідного каналу; С₀₁, С₀₂- швидкості звуку загальмованого потоку відповідно при початкових умовах та в розігрітому газі.

Розрахувавши необхідну температуру розігріву і, виходячи з гранично допустимої величини енерговнеску і необхідного тиску, визначається розрядний об'єм і початковий тиск у порожнині ПХС з енергетичних залежностей для рівноважної плазми.

Необхідна рівноважна температура газу, яку треба досягти за рахунок розігріву імпульсною дугою, як правило складає не більш 1еВ. На іонізацію однієї молекули витрачається енергія порядку 10еВ. Тому, якщо в імпульсному розряді досягається повна однократна іонізація, то при сумірності розрядного каналу з розрядною порожниною це означає десятикратне перевищення енерговитрат від рівноважного значення. Звідси, з метою підвищення ефективності перетворення енергії виникає необхідність вживання заходів по обмеженню ступеня іонізації, який досягається в імпульсних дугах. Виходячи з того, що в рівноважній дузі ступінь іонізації практично визначається температурою газу (наприклад, при температурі каналу 7000К у атмосфері ця ступінь складає 2•10^-4) і беручи до уваги те, що у сильноіонізованому газі провідність не залежить від густини електронів, для швидкого розігрівання розрядного середовища нема необхідності здійснювати повну іонізацію газу в каналі. Це досягається шліхом керування напругою на розрядному проміжку за допомогою зовнішнього електричного ланцюга. Значення напруженості електричного поля було отримано з рівняння балансу енергії електронів, з умови, що досягається баланс між отриманням електронами енергії від поля та її передача в результаті кулонівських зіткнень:

, (7)

де ln - кулонівський логарифм, Т_е - температура електронів. А - атомна маса іону, що виражена в одиницях маси. При отриманні рівняння вважалося, що температура електронів значно перевищує температуру важкої компоненти газу. Розрахункові значення напруженості поля наведені у таблиці (табл. 1).

Таблиця 1 Розрахунок умови існування балансу енергії для електрон-іонних зіткнень

Напруженість електричного поля, В/см	Густина електронів ne, см-3	“Середня” енергія електронів, еВ	Транспортний переріз електрон-іонних зіткнень укул, см2
475	1017	0,3	1,4·10-12
306		0,5	5,3·10-13
168		1	1,45·10-13
92		2	3,96·10-14

Зворотно пропорційна залежність напруженості поля від “середньої” енергії електронів за виразом (7) поясняється наступним чином. Баланс між придбанням енергії електронами від заданого електричного полю та її виділення за рахунок пружних електрон-іонних зіткнень буде підтримуватись лише для електронів, енергія яких не перевищує відповідну розраховану “середню” енергію. Тому, зі зменшенням напруженості поля зростає діапазон енергій електронів, при якому забезпечується утримання цього балансу. А це приводить до скорочення часу розігрівання газу шляхом зростання частоти пружних зіткнень.

Щодо напруженості поля в імпульсній дузі, яка застосовується у ПХС, то температуру електронів Т_е необхідно дорівняти до необхідної температури нагрівання газу Т_Н в порожнині ПХС і використати умову наближення до нижнього порога сильно іонізованого стану, тобто n_e ~0,01N. В результаті отримано:

?Н?lnЛ. (8)

Умова використання виразів (7,8) обмежується підходом до застосування поняття сильно іонізованого газу . Це має місце при значному перевищенні частоти зіткнень електронів з іонами по відношенню к зіткненням з нейтральними частинками, що виражається залежністю: N_trn_eкул. Зробимо оцінку на прикладі розряду у повітрі. При енергії електронів 0,3еВ маємо _кул 1,4·10^-12 см², а _tr 10^-16 - 10^-15 см². Для цієї середньої енергії електронів поняття сильно іонізованого газу допустимо при n_e ~0,01N. Таким чином, зі зниженням напруженості поля при неповній однократній іонізації газу можлива зміна переваги частоти зіткнень електронів з нейтралами на зіткнення електронів з іонами.

Щоб досягти переважного виділення енергії розряду у розрядному проміжку, вимоги до довжини l проміжку отримані з умови:

l >> v_д·_обм , (9)

де v_д - швидкість дрейфу електронів, _обм - характерний час електронно-іонної релаксації. В результаті, отримано:

, (10)

де n₊ - густина іонів.

У четвертому розділі описана експериментальна техніка і методика вимірювань, що використовувалась. Розроблено вимоги до елементів електричного ланцюга у схемах, що реалізують імпульсну дугу при їх застосуванні в ПХС, виходячи зі специфіки навантаження і з урахуванням необхідної динаміки розвитку розряду. Обґрунтовано вибір електричної схеми (рис. 4) для реалізації самостійної імпульсної дуги в ПХС (в якості допоміжного розряду). Для дослідження динаміки енерговиділення в імпульсній дузі з керованою напругою горіння в повітрі, яка реалізується за даною схемою, в якості навантаження використовувався розрядний проміжок зі змінною довжиною в діапазоні 0,13,0 мм, що був вміщений у закритий об'єм зі стиснутим повітрям під тиском, який регулювався у межах 0,10,8 МПа.

Рис. 4. Схема реалії допоміжної дуги в ПХС

Рис. 5. Схема складеного силового контуру: С - електричні ємності, ЗУ- зарядні пристрої, К - комутатор, Т - трансформатор, Д - діод.

Для дослідження впливу умов, в яких розвивається імпульсна дуга, на швидкість розповсюдження переднього фронту імпульсного струменя, сформованого в удосконаленому методі прискорення ініціації детонації, використовувалась експериментальна установка, яка складалася із ПХС, системі подачі стиснутого повітря, системі електричного розряду, вимірювального комплексу, стенда керування. Зокрема, досліджувалися впливи початкового тиску повітря в розрядній порожнині ПХС, напруженості поля імпульсної дуги та зволоження повітря на швидкість розповсюдження переднього фронту струменя. Також вимірювалася швидкість розповсюдження полум'я у ацетилено-повітряній суміші, яка запалювалася газорозрядним струменем. Тиск подачі стиснутого газу змінювався в межах 12,5 МПа. Початковий тиск повітря в розрядній порожнині регулювався у діапазоні 0,10,3 МПа. Система подачі стиснутого повітря передбачала його зволоження. Основна частка енергії розряду у ПХС виділялася через складений силовий контур (рис. 5). Програмування напруженості поля в процесі розвитку імпульсної дуги задавалася через підбор номіналів ємності конденсаторів і встановлення напруги їхнього заряду (табл. 2, 3). Динаміка енерговиділення досліджувалася по осцилограмам струму та напруги на розрядному проміжку, що вимірювалася за допомогою низько-омічного шунта та омічного дільника напруги.

Таблиця 2 Варіанти програмування складеного силового розрядного контуру

Варіант	Номінали ємностей, що використовувалися
	С3, мкФ	С4, мкФ
А	16	-
Б	3	280
В	3	-
Г	16	140

Таблиця 3 Варіанти фотографічної реєстрації

Номер варіанту	Початковий тиск в порожнині ПХС, МПа	Зволоження повітря	Напруга заряду С4, В	Напруга заряду С3, В	Варіант контуру по табл. 1
	0,2	нема	730	1900	Б
	0,3	нема	730	1900	Б
	0,1	нема	730	1900	Б
	0,2	є	730	1900	Б
	0,2	нема	-	3300	А
	0,2	нема	-	7300	В
	0,2	нема	850	1900	Г

Швидкість поширення переднього фронту газорозрядного струменя в удосконаленому методі прискорення ініціації детонації вимірювалася фоторегістратором СФР методом фотографічної зйомки у варіанті лупи часу з часом експозиції одного кадру, який дорівнював 4 мкс. Обробка результатів фотографування ґрунтувалася на оцінці зміни оптично видимого розміру переднього фронту струменя в часі. Зображення струменя на фотоплівці перетворювалося в цифровий вид і далі оброблялося програмним забезпеченням з перерахунком реального розміру через масштаб піксельних координат. Абсолютна похибка вимірювання швидкості на часовому розрахунковому кроці 4 мкс склала 76 м/с. Незважаючи на велику величину похибки, зі зростанням розрахункового кроку дана похибка зменшувалася у кратне число раз, наприклад, для 8 мкс - 38 м/с, для 16 мкс - 19 м/с.

У п'ятому розділі представлені результати досліджень динаміки енерговиділення в імпульсних дугах в повітрі, що реалізуються за схемами керованої імпульсної дуги, а також результати досліджень впливу умов розряду на швидкість поширення переднього фронту газорозрядного струменя, який формується в ПХС.

Експериментальні дослідження впливу напруженості поля на опір розрядного каналу імпульсної дуги підтвердили залежність зростання опору каналу зі зниженням напруженості електричного поля, чим створюється можливість для виділення основної частки накопиченої електричної енергії у газорозрядному проміжку шляхом керування балансом між активним опором зовнішнього ланцюга та опором дугового каналу. Разом з тим існує граничне значення напруженості поля, яке веде до “загасання” розряду. Експериментально підтверджено зростання опору імпульсної дуги з ростом довжини газорозрядного проміжку. Причому це явище більш виражено зі зменшенням струму розряду. Зростання опору імпульсної дуги також відбувається з ростом тиску газу в розрядній порожнині.

Дослідження динаміки розвитку імпульсної дуги за схемою складеного силового контуру по осцилограмам струму і напруги підтвердили можливість реалізації запрограмованого розряду необхідних параметрів, які полягають в утриманні без істотних коливань при потужнострумовому розряді напруженості поля в діапазоні 150500 В/см протягом 20-40 мкс.

Вплив початкового тиску повітря в порожнині ПХС на швидкість поширення переднього фронту струменя було проведено відповідно до варіантів №№ 1-3 (табл. 3). Зі зростанням початкового тиску в порожнині ПХС відбувається зростання середньої швидкості поширення переднього фронту імпульсного газорозрядного струменя (рис. 6, 7).

Рис. 6. Динаміка поширення переднього фронту газорозрядного струменя при початковому тиску в порожнині ПВС у 10⁵ Па : криві, які отримані з 3-х фотореєстрацій.

Скорочення часу коливальної релаксації у повітряній плазмі, що виникає з ростом процентного вмісту пари води, дозволяє одержати більш високу швидкість витікання газорозрядного середовища в початковий період часу (рис. 8). Це дослідження проводилося шляхом порівняння варіантів №1 і №4 (табл. 3). У даних умовах збільшення швидкості відбулося в середньому на 150 м/с. Вочевидь, що більш швидке початкове розширення приводить до більш стрімкого падіння швидкості надалі (при однаковому енерговнеску).



Рис. 7. Динаміка поширення переднього фронту газорозрядного струменя при початковому тиску в порожнині ПВС у 3?10⁵ Па : криві, які отримані з 3-х фотореєстрацій.

Рис. 8. Швидкість переднього фронту повітряного газорозрядного струменя, яка одержана при використанні методу прискорення коливальної релаксації: криві, які отримані з 2-х фотореєстрацій.

Середня напруженість електричного поля визначає процес формування газорозрядного струменя у ПХС. У відносно сильних полях (більш 1 кВ/см для даних умов) область світіння не має визначеної форми (рис. 9а). При зменшенні напруженості поля у запрограмованій дузі формується чітка межа між газорозрядним і навколишнім середовищем (рис. 9б). Для варіанта №5 на період до 50 мкс після виходу середня швидкість струменя складала не більше 300 м/с, для варіанта № 6 - 200 м/с. У порівнянні з варіантами, де використовується схема складеного силового контуру, усереднені значення швидкості на цьому інтервалі часу були як мінімум на 100 м/с вище.

 (а) (б)

Рис. 9. Форми газорозрядного струменя, які отримані при різних величинах напруженості електричного поля.

При розвитку розряду по варіанту № 7 спостерігалася значна нестабільність у швидкості виходу струменя (рис. 10). Це поясняється тим, що швидкість релаксації нелінійно залежить від температури, що призводить до спонтанної залежності ефективності перетворення енергії розряду і, як результат, розкиду значень швидкості поширення фронту імпульсного струменя.

Рис. 10. Швидкість переднього фронту повітряного газорозрядного струменя, яка одержана по варіанту № 7: криві, які отримані з 2-х фотореєстрацій.

Дослідження ініціації запалення ацетилено-повітряної суміші газорозрядним струменем показали, що при такій ініціації період затримки запалення скорочується більш ніж на порядок у порівнянні із запаленням високотемпературним газовим струменем, що поясняється виникненням активних хімічних радикалів в імпульсній дузі.

У шостому розділі пропонується застосовувати удосконалений метод імпульсного прискорення газорозрядної плазми для прискорення ініціації детонації у пульсуючих детонаційних пристроях (рис. 11) і способі розмінування мінних полів. Особливістю запропонованих пульсуючих пристроїв є поділ продуктів детонації і повітря, що виникає за рахунок детонації струменів краплиннорідкого паливного факелу в процесі його розвитку в повітряному середовищі. По розрахунковим характеристикам дані пристрої будуть значно перевершувати характеристики існуючих аналогів. Наприклад, у детонаційному лазері застосовуються як джерело хімічної енергії легкі фракції нафтопродуктів (дизельне паливо, газолін) і забезпечиться максимальна вихідна потужність 20 кВт при обсязі детонаційної камери 10^-3 м³.

Рис. 11. Варіант схемного рішення пульсуючого детонаційного пристрою: А - ПХС, В - оптичний резонатор, С - детонаційна камера, F - система подачі палива, 1 - подача зжатого газу, 2 - подача палива, 3 - регулятор тиску, 4 - система запрограмованого розряду

Стосовно способу розмінування мінних полів, цей метод дозволить скоротити довжину ділянки процесу переходу горіння в детонацію в паливо-повітряній суміші і, тим самим, це дозволить практично реалізувати даний спосіб.

газорозрядний детонація плазмовий швидкість

Висновки

В результаті дисертаційної роботи удосконалено метод імпульсного прискорення газорозрядної плазми шляхом створення умов для ефективного перетворення енергії та виходячи з умови практичного використання методу у системах частотної ініціації детонації, та отримані наступні результати:

на основі підходу до розвитку іонізаційно-перегрівної нестійкості розраховано газодинамічне розширення іскрового каналу до моменту виникнення ударної хвилі, що дозволило пояснити механізм зосередження струму розряду в області зниженої густини газу, що є причиною відсутності ініціації детонації у високоенергійних розрядах короткої тривалості у слабодетонуючих сумішах;

розроблено вимогу до довжини розрядного проміжку, при дотриманні якої досягається в процесі розвитку імпульсної дуги виділення основної частки енергії розряду у газорозрядному проміжку;

отримано вираз для напруженості поля в імпульсній дузі, при якій підтримується баланс отримання енергії електронами від поля та її переважне виділення при електрон-іонних зіткненнях, і тим самим це дозволяє запрограмувати розряд за допомогою зовнішнього ланцюга з оптимальним перетворенням електричної енергію в кінетичну енергію газу;

досліджено вплив початкового тиску газу в розрядній порожнині на швидкість поширення переднього фронту газорозрядного струменя в плазмово-хвильовій системі, що підтвердило зростання швидкості нагрівання газу імпульсною дугою із зростанням густини газу через збільшення частоти пружних зіткнень;

досліджено вплив напруженості поля імпульсної дуги на швидкість поширення переднього фронту газорозрядного струменя в плазмово-хвильовій системі, у результаті якого підтвердилася необхідність програмування розряду із наданням розрахункової напруженості, що забезпечує одержання найбільших швидкостей витікання газорозрядного струменя із середньою швидкістю більш 500 м/с протягом 100 мкс при енерговнеску до 100 Дж і при поширенні струменя в повітрі з умовами, близькими до нормальних;

досліджено вплив зволоження повітря на швидкість поширення переднього фронту газорозрядного струменя у плазмово-хвильовій системі, у результаті чого підтвердилася ефективність застосовуваного методу прискорення коливальної релаксації зі зростанням швидкості витікання струменя більш, ніж на 150 м/с;

удосконалено метод газодинамічного імпульсного прискорення газорозрядної плазми, заснований на розігріванні газу імпульсною дугою в якому окрім кумуляції енергії використовуються динамічні властивості газових потоків зі збільшенням часу формування ударної хвилі до 10^-5 с;

удосконалено методику оцінки швидкості поширення імпульсного плазмового струменя, що здійснюється на підставі аналізу зображень на фотоплівці, одержуваних методом фотографування в режимі лупи часу і дозволяє оцінити швидкість розвитку струменя із абсолютними похибками на часових кроках для 4 мкс - 76 м/с, для 8 мкс - 38 м/с, для 16 мкс - 19 м/с;

уточнено вимоги до елементів ланцюга схем, що реалізують імпульсну дугу в ПХС, які полягають у вживанні заходів по зменшенню довжини електричного ланцюга, збільшенню перерізу проводів, зменшення активного опору в імпульсному трансформаторі, викликане явищами поверхневого ефекту й ефекту близькості, що дозволяє здійснити виділення основної частки енергії розряду в розрядному проміжку.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Коритченко К.В., Семенец Т.А., Волколупов Ю.Я., Красноголовець М.О., Острижной М.О., Чумаков В.І. Анализ процесса повышения температуры в искровом канале при разряде в газе. // Питання атомної науки і техніки: Харків: ННЦ “ХФТІ”. - 2001. - №5. - С.48-50.

2. Коритченко К.В., Волколупов Ю.Я., Красноголовець М.О., Острижной М.О., Чумаков В.І. Интенсивность ударной волны и энергетика разряда в газах. // Журнал технической физики. - Т.2, №4. - 2002. - С.124,125.

3. Довбня А.Н., Корытченко К.В., Волколупов Ю.Я., Шкирида С.М., Красноголовець М.О., Дёмин В.С. Способ реализации импульсной дуги с низким напряжением горения в газе. Исследование влияния параметров цепи. // Журнал технической физики. - Т.73, № 12. - 2003. - С.91-94.

4. Коритченко К.В., Довбня А.Н., Волколупов Ю.Я., Тур Ю.Д., Шкирида С.М., Янчик А.Г. Требования к системе электрического разряда в плазменно-волновой системе. // Питання атомної науки і техніки: Харків: ННЦ “ХФТІ”. - 2004. - № 2. - С.33-35.

5. Корытченко К.В. Газодинамическое расширение искрового канала до момента возникновения ударной волны // Вісник Харківського національного університету. -2005. - №627. - С.89-95.

6. Корытченко К.В. Получение начальной сверхзвуковой скорости распространения пламени при помощи плазменно-волновой системы // Вісник Харківського національного університету. -2005. - №628. - С.51-55.

7. Volkolupov Yu.Ya., Korytchenko K.V., Ostrizhnoy M.A., Krasnogolovets M.A., Semenets T.A., Chumakov V.I. Gas-dynamic pulse detonation combustion laser and methods of its implementation // Proc. of the 29^th IEEE International Conference on Plasma Science. - Banff, Alberta, Canada. - 26-30 May 2002. - P.343.

8. Korytchenko K.V., Tur Yu.D., Kosoj L.I., Shkirida S.M., Krasnogolovets M.A. Plasma-wave system for forming intense shock waves // Proc. of XXVI International Conference on Phenomena in Ionized Gases. - Greifswald, Germany. - 15-20 July 2003. - V.1. - P.125,126.

9. Korytchenko K.V., Dovbnya A.N., Volkolupov Yu.Ya., Krasnogolovets M.A., Shkirida S.M. Investigation of a possibility to initiate detonation by plasma-wave system // Proc. of International Symposium on Combustion and Atmospheric Pollution. - С.-Петербург, Россия. - 8-11 июля 2003. - с.318-321.

10. Dovbnya A.N., Korytchenko K.V., Volkolupov Yu.Ya., Kosoj L.I. Plasma-Wave Initiation of Supersonic Combustion at Low Electric Energy Deposition // Proc. of European Combustion Meeting. - Louvain-la-Neuve, Belgium. - 3-6 April 2005. - report 237.

Размещено на Allbest.ru