Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На ударной трубе с разрядной секцией изучено развитие высоковольтного наносекунлного разряда и стимулированного разрядом воспламенения водородного и углеводородного (включая альтернативное) топлива. Выполнены измерения разрядных характеристик (электрическое поле в разрядной плазме, разрядный ток, удельный энерговклад) в плазме при инициировании разряда за фронтом отраженной ударной волны, перед фронтом падающей ударной волны и за фронтом падающей, но перед фронтом отраженной ударных волн. Получены результаты измерения скорости падающей и отраженной ударных волн. На основе обработки этих данных получена информация о температуре газа и давлении за фронтами падающей и отраженной ударных волн. С помощью высокоскоростных оптических камер получены фотографии развития разряда и воспламенения после разряда и исследована однородность рассматриваемых процессов. Методами эмиссионной спектроскопии измерены время задержки воспламенения под действием разряда и в его отсутствии. Полученные результаты свидетельствуют о том, что: а) высоковольтный наносекундный разряд позволяет создавать однородную плазму не только за фронтом отраженной ударной волны, но и перед ней; характеристики плазмы сильно зависят от интервала между окончанием разрядной фазы и временем прохождения фронта ударной волны; б) эффект ингибирования воспламенения водорода малыми (на уровне 0.1 %) добавками углеводородов оказывается существенно более выраженным в случае стимулированного плазмой воспламенения по сравнению с автовоспламенением; этот эффект становится более заметным при уменьшении температуры газовой смеси; в) воспламенение альтернативного топлива с помощью неравновесной разрядной плазмы оказывается таким же эффективным, как и воспламенение традиционного углеводородного топлива. Измерения на ударной трубе с разрядной секцией сопровождались численным моделированием. Отдельно моделировалась разрядная стадия, на которой происходит наработка активных частиц и осуществляется умеренный нагрев газа, и стадия воспламенения, в которой при развитии цепных химических реакций происходит основное энерговыделение. В рамках данного подхода был проведен расчет времени задержки воспламенения и изучена динамика изменения основных компонент в стадии воспламенения под действием неравновесной плазмы и без нее. На основе анализа чувствительности определены ключевые процессы при воздействии плазмы на воспламенение. Анализ чувствительности отдельно сделан для разрядной стадии и для стадии воспламенения. Полученные результаты свидетельствуют о том, что: а) механизм стимулированного плазмой воспламенения нетрадиционного топлива аналогичен механизму стимулированного плазмой воспламенения традиционного углеводородного топлива; при этом основную роль играет наработка во время разряда и в его послесвечении атомов О, Н и радикалов в процессах диссоциации молекул электронным ударом и при возбуждении молекул и атомов с последующим их тушением, приводящим к дополнительной диссоциации молекул; б) механизм ингибирования автовоспламенения и стимулированного плазмой воспламенения водорода малыми добавками углеводородов имеет каталитическую природу и связан с каталитическими циклами связывания атомов водорода с радикалами, в которых образуются молекулы и другие химически малоактивные соединения. Большая выраженность эффекта в случае воспламенения после разряда связана с тем, что разрядная плазма позволяет добиться воспламенении при меньших температурах газовых смесей. Выполнены исследования развития наносекундного искрового разряда и вызванного им воспламенения углеводородов (этилен, ацетилен) на установке с разрядной камерой, окруженной нагревательными элементами. Эти элементы позволили проводить измерения при повышении начальной температуре на несколько сот градусов. Проведены измерения электрического тока во время разряда и энергии, вложенной в разряд. С помощью высокоскоростных оптических камер показано, что разряд после замыкания промежутка и воспламенение развиваются однородно вдоль оси разряда. Измерены пороговые напряжения, при которых происходит воспламенение горючих смесей, и время задержки воспламенения. Выполнено одномерное моделирование развития наносекундного искрового разряда и вызванного им воспламенения в подогреваемой разрядной камере. При этом электрическое поле в разряде восстанавливалось из измеренной временной динамики разрядного тока. На основе этих данных получены результаты расчета динамики изменения во времени температуры газа и плотности активных частиц, нарабатываемых в разрядной стадии, в послесвечении разряда и во время стадии воспламенения, когда происходило основное энерговыделение. Результаты расчета качественно согласуются с экспериментальными данными. Из проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что в рассматриваемых условиях большую роль играет нагрев газа во время разряда. Выполнено сравнение результатов экспериментального исследования стимулированного плазмой воспламенения в однородных условиях (наносекундный объемный разряд за фронтом ударной волны) и в сильнонеоднородных условиях (наносекундный искровой разряд в подогреваемой разрядной камере). Показано, что кинетический механизм воспламенения играет большую роль при однородном возбуждении газовых смесей, а в случае неоднородного возбуждения смесей на первый план выходит термический механизм воспламенения. Проведено экспериментальное исследование характеристик повторяющегося импульсного высоковольтного наносекундного разряда в подогреваемой разрядной трубке для водород-кислородных и углеводород-кислородных смесей. Выполнены измерения энерговклада и разрядного тока в зависимости от числа импульсов высокого напряжения. Измерена плотность электронов при распаде плазмы после высоковольтного наносекундного разряда в горючих смесях при различных газовых температурах и различном числе импульсов напряжения. Получены данные по времени жизни плазмы и эффективным коэффициентам электрон-ионной рекомбинации в зависимости от состава, давления и температуры смеси, а также числа и мощности высоковольтных импульсов. Выполнено численное моделирование распада плазмы в условиях эксперимента на основе имеющихся в литературе кинетических схем для ионно-молекулярных процессов в горючих смесях. Сделан вывод о том, что характеристики повторяющегося наносекундного разряда в горючих углеводородных смесях ведут себя немонотонным образом с увеличением числа импульсов напряжения. Также немонотонным образом меняется и скорость распада плазмы в этих смесях. Указанные закономерности не наблюдаются для чистых углеводородов и для водородных смесей. Теоретический анализ показывает, что данные эффекты могут быть связаны с образованием промежуточных компонентов при окислении углеводородов, которые сильно влияют на свойства плазмы. Численный анализ процессов в послесвечении разряда указывает на то, что распад плазмы определяется диссоциативной рекомбинацией электронов с комплексными углеводородными и гидратированными ионами, которые отсутствуют в разрядной стадии, но образуются в процессе распада плазмы. Нагрев газа на несколько сот градусов не сказывается заметным образом на скорости распада плазмы. Последнее указывает на достаточно большую энергию связи доминирующих кластерных ионов.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На ударной трубе с разрядной секцией изучено развитие высоковольтного наносекундного разряда и стимулированного разрядом воспламенения углеводородного топлива. Выполнены измерения разрядных характеристик (электрическое поле в разрядной плазме, разрядный ток, удельный энерговклад) в плазме при инициировании разряда за или перед фронтом отраженной ударной волны. Получены результаты измерения скорости падающей и отраженной ударных волн. На основе обработки этих данных получена информация о температуре газа и давлении за фронтами падающей и отраженной ударных волн. С помощью высокоскоростных оптических камер получены фотографии развития разряда и воспламенения после разряда и исследована однородность рассматриваемых процессов. Методами эмиссионной и лазерной спектроскопии получены результаты измерения динамики изменения концентрации химически активных частиц в процессе стимулированного плазмой воспламенения в условиях ударной трубы с разрядной секцией. Получены данные по времени задержки воспламенения как без разряда, так и при его инициировании. Измерения выполнены в широком диапазоне температур и давлений газа, в том числе – ниже порога автовоспламенения. Полученные результаты свидетельствуют о том, что: а) время задержки воспламенения, полученное по динамике изменения концентрации СН, в пределах ошибки эксперимента совпадает с временем задержки воспламенения, полученного на основе измерения концентрации ОН; б) из-за меньшей плотности газа инициирование высоковольтного наносекундного разряда перед фронтом ударной волны позволяет получить более высокие удельные энерговклады, чем в случае инициирования разряда за фронтом волны; при этом и интенсивность излучения плазмы перед фронтом ударной волны оказывается выше интенсивности излучения плазмы за фронтом ударной волны; в) высоковольтный наносекундный разряд при прохождении сквозь ударную волну может существенно менять свои характеристики; это относится, прежде всего, к повышенным давлениям, когда за фронтом волны разряд развивается в виде стримеров; г) с помощью плазмы высоковольтного наносекундного разряда при умеренных (менее 0.1 эВ на частицу) энерговкладах можно в широком диапазоне температур и давлений снижать время задержки воспламенения на порядки величины по сравнению со случаем автовоспламенения. Измерения на ударной трубе с разрядной секцией сопровождались численным моделированием. Отдельно моделировалась разрядная стадия, на которой происходит наработка активных частиц и осуществляется умеренный нагрев газа, и стадия воспламенения, в которой при развитии цепных химических реакций происходит основное энерговыделение. В рамках данного подхода был проведен расчет времени задержки воспламенения и изучена динамика изменения основных компонентов в стадии воспламенения под действием неравновесной плазмы и без нее. На основе анализа чувствительности определены ключевые процессы при воздействии плазмы на воспламенение. Анализ чувствительности отдельно сделан для разрядной стадии и для стадии воспламенения. Полученные результаты свидетельствуют о том, что: а) согласие между расчетной и экспериментально измеренной динамикой изменения концентрации химически активных частиц в процессе стимулированного плазмой воспламенения углеводородов подтверждает правомочность используемых в расчете кинетических моделей плазменного воспламенения; б) для плазменного воспламенения диметилэфира важную роль играет ионизация электронным ударом молекул этого углеводорода, хотя его концентрация в смеси и мала; на основе имеющихся данных по электронным коэффициентам переноса и ионизации в чистом диметилэфире получен набор электронных сечений, позволяющих получить согласие, как с прежними экспериментами, так и с измерениями, проведенными в данной работе; в) свойства высоковольтного наносекундного разряда (его однородность, энерговклад, плотность плазмы, приведенное электрическое поле, эффективность наработки химически активных частиц, интенсивность излучения) сильно меняются при его прохождении сквозь ударную волну; этот вопрос важен и в прикладном, и в фундаментальном аспектах и заслуживает в дальнейшем более детального изучения. Проведены исследования развития наносекундного поверхностного барьерного разряда и вызванного им воспламенения углеводородов (метан, этан, этилен и диметилэфир) в смесях с кислородом и воздухом на установке с подогреваемой разрядной камерой. Проведены измерения электрического тока во время разряда и энергии, вложенной в разряд. С помощью высокоскоростных оптических камер показано, что воспламенение развивается от высоковольтного электрода. Измерены пороговые напряжения, необходимые для воспламенения горючих смесей, время задержки воспламенения и скорость волны горения. Показано, что для всех исследованных углеводородов скорость волны горения падает с уменьшением давления и стехиометрического соотношения, а также при разбавлении смеси молекулярным азотом. Время задержки воспламенения практически не зависит от начального давления смесей. Проведено двумерное численное моделирование развития наносекундного поверхностного барьерного разряда в топливно-кислородных и топливно-воздушных смесях. Вычислены двумерные распределения электрического поля, плотности электронов, плотностей химически активных частиц и температуры газа в стадии разряда и его послесвечении. На основе моделирования инициирования воспламенения углеводородного горючего получена расчетная эволюция во времени плотностей атомов, радикалов и малоактивных компонентов во время инициирования воспламенения с помощью наносекундного поверхностного барьерного разряда. Анализ результатов расчета показал, что для воспламенения в рассматриваемых условиях одинаково важны локальная наработка активных частиц (прежде всего – атомов кислорода) и нагрев газа во время разряда и в его послесвечении. Проведены экспериментальные исследования динамики изменения интенсивности излучения второй положительной и первой отрицательной систем азота в послесвечении импульсного наносекундного высоковольтного разряда в углеводородсодержащих смесях. Измерены константы скорости тушения состояний N2(C) и N2+(B) при столкновении с молекулами метана и этана. Показано, что эффективность тушения возбужденных состояний растет с ростом номера колебательного уровня, и что она значительно больше для молекул углеводородов по сравнению с тушением на более простых молекулах. Проведено численное исследование влияния окисления на электронные характеристики в неравновесной разрядной плазме, создаваемой в холодных смесях Н2:О2 и углеводород:О2. Получены расчетные электронные характеристики в горючих смесях в зависимости от приведенного электрического поля и степени окисления горючего. Исследовано влияние окисления на свойства повторяющегося импульсного высоковольтного наносекундного разряда в горючих смесях. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что окисление топлива сильно влияет на электронные характеристики при малых приведенных электрических полях из-за наработки паров воды, молекулы которых имеют аномально большие сечения упругого и неупругого рассеяния электронов с малыми энергиями. Также появление молекул Н2О приводит к увеличению скорости прилипания электронов и сильно влияет на кинетику образующихся отрицательных ионов. В результате окисление топлива приводит к значительному изменению критического электрического поля, при котором скорость рождения и гибели электронов равны. Этот эффект в наибольшей степени проявляется в смесях, где в роли топлива выступает Н2. Моделирование развития повторяющегося импульсного высоковольтного наносекундного разряда в горючих смесях показывает, что характерные приведенные электрические поля, при которых происходит основное энерговыделение, оказываются близки к критическим полям. Поэтому они существенно меняются в процессе окисления топлива, что влияет как на характеристики разряда, так и на его способность производить химически активные частицы, в реакциях с которыми происходит окисление.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведено экспериментально-расчетное исследование стимулированного плазмой воспламенения в смесях, содержащих несколько разных видов топлива, для условий ударной трубы, где плазма создавалась под действием высоковольтного наносекундного разряда за фронтом отраженной ударной волны. Получены результаты измерений и расчета времени задержки воспламенения в таких смесях под действием плазмы и без нее. Анализ результатов показал возможность существования синергетических эффектов, когда время задержки воспламенения в смеси топлив было больше или меньше времен задержки воспламенения при наличии одного вида топлива в смеси. Смешение двух видов топлива приводило к аномально большому времени задержки воспламенения при добавлении метана в водород в случае плазменного воспламенения. При этом эффект был очень малым для автовоспламенения. И наоборот, добавление этана к метану сильно ускоряло процесс воспламенения в смеси по сравнению с воспламенением метана или этана. Этот эффект был явно выражен в случае автовоспламенения. Зажигание разряда не приводило к дополнительному росту этого эффекта. На основе анализа результатов расчета было дано объяснение наблюдаемым эффектам. В случае смесей водорода с углеводородом эффект был связан с каталитическими циклами гибели атомов Н, которые были более эффективны при плазменном воспламенении. Для смесей метана с этаном на первое место выходила существенная разница между энергиями диссоциации этих молекул, которая, естественно, не зависела от условий воспламенения. Выполнены экспериментальные и расчетные исследования эволюции концентрации активных частиц в смесях углеводорода с кислородом и азотом при развитии наносекундного поверхностного диэлектрического барьерного разряда в подогреваемой разрядной камере для плоской геометрии электродов. Изучена динамика изменения во времени концентрации электронно-возбужденных молекул N2(С), радикалов ОН(А) и СН (В) при развитии наносекундного поверхностного барьерного разряда. Концентрации этих частиц для условий эксперимента также определялись численно. Сравнение расчетов с экспериментом показало, что на переднем фронте импульса согласие между ними гораздо лучше, чем на заднем фронте. Последнее приписывается действию заряда, который накапливается на поверхности диэлектрика во время развития разряда на фронте импульса и влияет на характеристики разряда, появляющегося на спаде напряжения. Получены результаты сравнения экспериментальных и расчетных результатов исследования воспламенения при развитии объемного наносекундного разряда за фронтом отраженной ударной волны в ударной трубе (однородное воспламенение) и в подогреваемой разрядной секции при развитии в ней наносекундного поверхностного диэлектрического барьерного разряда (сильнонеоднородное воспламенение). Из анализа полученных данных был сделан вывод о том, что энергетически более выгодно осуществлять воспламенение топлива под действием неоднородной плазмы. На основе численного решения уравнения Больцмана получены результаты расчета электронных характеристик в стехиометрических газовых смесях Н2:воздух, СН4:воздух и С3Н8:воздух для приведенных электрических полей 1-3000 Тд и степеней окисления, меняющихся в диапазоне от 0 до 1. Показано, что электронные характеристики заметно меняются по мере того, как топливо и кислород превращаются в пары воды и углекислый газ. В то же время наработка промежуточных компонентов при окислении топлива не сказывается заметных образом на свойствах электронов. Влияние окисления топлива на характеристики электронов особенно заметно при приведенных электрических полях < 60 Тд. Здесь из-за сильного рассеяния электронов на образующихся в процессе окисления молекулах H2O и CO2 средняя энергия электронов, скорость дрейфа и коэффициент прилипания резко уменьшаются с ростом степени окисления. Для рассматриваемых газовых смесей получены значения критического электрического поля, при котором скорость рождения электронов в процессах ионизации равна скорости их гибели в результате прилипания электронов к молекулам. Это поле растет при окислении топлива за счет эффективного прилипания электронов к молекулам H2O, образующимся в химических реакциях. Получены результаты самосогласованного нульмерного численного моделирования разрядных процессов и процессов окисления топлива в стехиометрической смеси H2:воздух для высоковольтного наносекундного импульсно-периодического разряда. При этом показано воздействие изменения состава газа за счет химических процессов окисления на разрядные характеристики. Из вычислений следует, что приведенное электрическое поле, при котором осуществляется основной энерговклад в разряд, оказывается близким к критическому электрическому полю и растет с увеличением степени окисления горючего. Проведено численное моделирование прохождения высоковольтного наносекундного разряда сквозь ударную волну. Характеристики стримера сильно изменяются, когда стример пересекает границу между областями с различной плотностью газа. Стример не может преодолеть разрыв плотности более, чем в 20 %. В воздухе такая критическая величина означает, что стример не может преодолеть прямую ударную волну с числом Маха больше M = 1.15. Такой вывод демонстрирует фундаментальные ограничения возможности создания неравновесной плазмы в сверхзвуковых потоках, где присутствуют многочисленные интенсивные скачки уплотнения. Эффекты блокировки развития стримера наблюдаются и при его взаимодействии с плотными и разреженными газовыми слоями. При этом более серьезным препятствием для развития стримерного разряда оказываются слои пониженной плотности, что может иметь место, например, в случае их нагрева. Эффект особенно сильно проявляется для положительных (катодонаправленных) стримеров. Получены результаты предварительных экспериментов на ударной трубе по взаимодействию высоковольтного наносекундного разряда с падающей и отраженной ударной волной в воздухе и смесях метана с воздухом и аргоном. Экспериментальные результаты подтверждают выводы численного моделирования как в случае развития однородного разряда, так и в случае развития стримерного разряда. Выполнены расчеты транспортных электронных коэффициентов (скорость дрейфа, коэффициенты продольной и поперечной диффузии, коэффициенты продольной и поперечной термодиффузии) для стехиометрических смесей Н2:О2, СН4:О2, С3Н8:О2, Н2:воздух, СН4:воздух и С3Н8:воздух в зависимости от степени окисления горючего, а также для паров воды. Расчеты выполнены для приведенных электрических полей в диапазоне 1 – 300 Тд и для степени окисления топлива в диапазоне 0 – 1. Изменение состава газовой смеси при окислении горючего существенно сказывается на электронных коэффициентах диффузии и «термодиффузии». При этом меняются их значения на порядки величины и степень анизотропии, когда перенос электронов вдоль электрического поля может быть как больше, так и меньше переноса поперек поля. Основной вклад в резкое изменение транспортных свойств электронов при окислении горючего дают процессы упругого и неупругого рассеяния электронов на молекулах Н2О, которые из-за аномально большого постоянного дипольного момента молекул особенно эффективны при малых энергиях электронов. На основе вычисленных коэффициентов электронного переноса получены результаты исследования возможности развития термотоковой неустойчивости плазмы в рассматриваемых газовых смесях и парах воды. Расчеты показывают, что неустойчивость может развиваться в смесях с молекулярным водородом при любой степени окисления водорода, а также в парах воды. В смесях с углеводородами плазма устойчива при отсутствии их окисления. Однако даже небольшая степень окисления углеводородов приводит к появлению термотоковой неустойчивости. С ростом степени окисления топлива область приведенных электрических полей, где может наблюдаться неустойчивость, расширяется.