Аннотация

В данной работе предполагается провести экспериментальное и теоретическое исследование режимов плазменно-стимулированного горения в сверхзвуковом потоке с целью реализации сверхзвукового горения по всей длине камеры сгорания - случая, в котором продукты химических реакций продолжают двигаться по камере сгорания преимущественно со сверхзвуковой скоростью (scramjet-режим прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД)). Такой режим позволяет существенно снизить потери давления в тракте двигателя, и, таким образом, повысить термодинамическую эффективность камеры сгорания. В данном направлении активно ведутся исследования в США, Китае, Франции, Австралии, и других странах, что показывает высокий уровень значимости проблемы. Однако в большинстве работ по данной тематике, представлены режимы, при которых поток является дозвуковым во всем поперечном сечении канала или в его части. Поставленная задача реализации в эксперименте плазменно-стимулированного сверхзвукового горения (scramjet) и исследования его особенностей, обусловленных присутствием плазмы электрического разряда, является актуальной и решение этой задачи востребовано с прикладной точки зрения.

Основные рассматриваемые геометрические конфигурации ПВРД представляют собой комбинацию расширяющегося сверхзвукового канала и механического стабилизатора пламени: обратной ступеньки, каверны или более сложного механического устройства. При этом ниже по течению относительно стабилизатора пламени реализуется дозвуковой режим течения, или комбинированный режим течения: сверхзвуковой слой воздуха и дозвуковой слой продуктов сгорания в одном поперечном сечении. Реализуемый в проекте подход с плазменным удержанием фронта пламени позволяет отказаться от механических стабилизаторов, и от стабилизаторов на базе перпендикулярной потоку инжекции струи топлива. При этом возникает возможность использования спутной потоку инжекции топлива, а особенность электрического разряда квази-постоянного тока локализоваться в слое смешения топлива и окислителя позволяет организовать воспламенение практически в любой геометрической конфигурации. В данном проекте предлагается новое решение, заключающееся в сочетании 1) профилирования камеры сгорания с целью компенсации падения числа Маха из-за роста температуры при горении посредством увеличения поперечного сечения канала и 2) применения новой схемы организации разряда в области спутной инжекции топлива.

Предполагается, что в процессе реализации проекта в эксперименте будет получен стабильный режим сверхзвукового плазменно-стимулированного горения (scramjet). Будет подобрана оптимальная геометрическая конфигурация инжекции топлива, расширения канала и электродная конфигурация для создания разряда, а также будет выполнена оптимизация энерговклада в разряд, требуемого для поддержания горения. Результаты выполненного исследования будут содействовать практической реализации технологии ГПВРД.

Результаты

В ходе первого года работы по проекту выполнен анализ публикаций и других доступных данных, описывающих экспериментальные установки для исследования горения в сверхзвуковом потоке. На базе собранной информации сформулирован принципиальный облик новой тестовой секции и выполнена её проработка в программе трехмерного геометрического моделирования. С помощью численного моделирования выполнено параметрическое исследование влияния разряда на течение в сверхзвуковом потоке в области аэродинамического элемента - рампы (поверхности сжатия). Показано, что активация разряда приводит к перемещению скачков уплотнения в тестовой секции, а также значительно влияет на обтекание потоком рассмотренного аэродинамического элемента. Выполнено сравнение полученных численных данных с экспериментальными результатами, полученными международной научной группой. Одновременно с проектированием тестовой секции выполнена отработка отдельных элементов будущей тестовой секции на уже имеющейся установке. Работа с несколькими вставками в тестовую секцию существенно ускорила проведение экспериментов на экспериментальном стенде ИАТД-50 ОИВТ РАН. Получение предварительных результатов измерений и визуализации позволит остановить работу стенда в 2020 году на срок, необходимый для модернизации установки. На имеющемся стенде были протестированы несколько подходов к организации горения топлива в сверхзвуковом потоке. В частности, разряд был вынесен в ядро потока вместе с инжекцией топлива с помощью пилона и была успешно протестирована модернизированная электродная система с расходящимися тоководами.