Исследование устойчивости сверхзвукового режима плазменно-стимулированного горения

Проект РФФИ_мол_а_вед 18-38-20160

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.

Сверхзвуковая импульсная аэродинамическая труба ИАДТ-50 используется для проведения исследований плазменно-стимулированного горения топлива, а также физики газовых разрядов в сверхзвуковом потоке.

Характерные параметры течения: число Маха М=2 или 2.5, статическое давление 100-150 Торр при поперечном сечении рабочей секции 60х72 мм. Длительность стационарного режима одного пуска составляет 0,2 – 0,5 c. Установка оборудована устройством скоростной теневой визуализации, системой высокоскоростных регистраторов давления, системами регистрации основных электрических величин и синхронизации оборудования.

IADT-50