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

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-12-01051

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

Руководитель Александров Николай Леонидович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-502 - Физика низкотемпературной плазмы

Ключевые слова Высоковольтный наносекундный разряд, неравновесная плазма, генерация активных части, цепные реакции, воспламенение, углеводороды, ударная труба

Код ГРНТИ31.15.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Стимулированное плазмой воспламенение и горение в газовых смесях является одним из перспективных приложений низкотемпературной неравновесной плазмы. Ее использование может позволить организовать воспламенение 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 компоненов 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 однородное развитие 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Анохин Е.М., Киндышева С.В., Александров Н.Л. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ УГЛЕВОДОРОД-КИСЛОРОДНЫХ СМЕСЕЙ С ПОМОЩЬЮ НАНОСЕКУНДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА Физика Плазмы, том 44, № 11, с. 927–936 (год публикации - 2018)
10.1134/S036729211811001X

2. Кочетов И.В., Александров Н.Л. The effect of fuel oxidation on electron swarm properties and nanosecond discharge characteristics in combustible mixtures Plasma Sources Science and Technology, 27 (2018) 115004 (16pp) (год публикации - 2018)
10.1088/1361-6595/aada31

3. Косарев И.Н., Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. Development of high-voltage nanosecond discharge in strongly non-uniform gas Plasma Sources Science and Technology (год публикации - 2019)

4. Пономарев А.А., Александров Н.Л. КИНЕТИКА ЭНЕРГИЧНЫХ ИОНОВ О− В РАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ ПАРОВ ВОДЫ И Н2О-СОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ Физика Плазмы, том 44, № 10, с. 839–848 (год публикации - 2018)
10.1134/S0367292118100104

5. Косарев И.Н., Киндышева С.В., Григоренко В.Д., Белов С.О., Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. Shock tube study of plasma-assisted dimethyl ether ignition at temperatures near self-ignition threshold International Conference on Combustion Physics and Chemistry (год публикации - 2018)

6. Александров Н.Л., Попов М.А., Кочетов И.В., Косарев И.Н., Григоренко В.Д., Стариковский А.Ю. Kinetics of high-voltage nanosecond discharge plasmas in hydrocarbons and combustible mixtures E‌urophysics Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (год публикации - 2018)

7. Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. Collisional quenching of N2(C3Pu) and N2 +(B2S+ u) by hydrocarbon molecules in nanosecond discharge afterglow E‌urophysics Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (год публикации - 2018)

8. Косарев И.Н., Киндышева С.В., Кочетов И.В., Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. Shock-tube study of dimethyl ether ignition by high-voltage nanosecond discharge Combustion and Flame, Combustion and Flame 203 (2019) 72–82 (год публикации - 2019)
10.1016/j.combustflame.2019.02.001

9. Кочетов И.В., Александров Н.Л. Electron Transport Coefficients in Nonequilibrium Plasmas of Water Vapor and Fuel–Oxygen Mixtures Plasma Physics Reports, Plasma Physics Reports, 2019, Vol. 45, No. 8, pp. 761–769 (год публикации - 2019)
10.1134/S1063780X19080051

10. Кочетов И.В., Попов М.А., Александров Н.Л. Electron swarm properties and nanosecond-pulsed discharge characteristics in partially oxidized fuel:air mixtures Plasma Sources Science and Technology, Plasma Sources Sci. Technol. 28 (2019) 025009 (12pp) (год публикации - 2019)
10.1088/1361-6595/aafffb

11. Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. ‘Gas-dynamic diode’: Streamer interaction with sharp density gradients Plasma Sources Science and Technology, Plasma Sources Sci. Technol. 28 (2019) 095022 (18pp) (год публикации - 2019)
10.1088/1361-6595/ab3c0a

12. Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. Blocking streamer development by plane gaseous layers of various densities Plasma Sources Science and Technology (год публикации - 2019)
10.1088/1361-6595/ab5837

13. Анохин Е.М., Попов М.А., Кочетов И.В., Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. Развитие высоковольтного наносекундного разряда и распад плазмы в горючих газовых cмесях Сборник трудов конференции (год публикации - 2017)

14. Косарев И.Н., Киндышева С.В., Григоренко В.Д., Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. РАЗВИТИЕ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СТИМУЛИРОВАННОГО ПЛАЗМОЙ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ НА УДАРНОЙ ТРУБЕ Труды XLV Международной конференции по физике плазмы и УТС (год публикации - 2018)

15. Косарев И.Н., Белов С.О., Киндышева С.В., Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. Inhibition of plasma-assisted ignition in hydrogen–oxygen mixtures by hydrocarbons COMBUSTION AND FLAME (год публикации - 2018)

16. Анохин Е.М., Попов М.А., Кочетов И.В., Стариковский А.Ю., Александров Н.Л. РАСПАД ПЛАЗМЫ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ И КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПОСЛЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА PLASMA PHYSICS REPORTS, том 43, No 12, с. 1029–1039 (год публикации - 2017)
10.7868/S0367292117120010

17. Анохин Е.М.,Попов М.А.,Кочетов И.В., Александров Н.Л. Development of high-voltage nanosecond discharge in combustible mixtures BULLETIN OF THE LEBEDEV PHYSICS INSTITUTE, Том: 44 Выпуск: 10 Стр.: 292-294 (год публикации - 2017)
10.3103/S1068335617100049

Публикации