Электрогидро- и газодинамика горения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Кидин, Николай Иванович

• Кидин, Николай Иванович
• доктор физико-математических наук в форме науч. докл.
• 1997

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрогидро- и газодинамика горения»

Несмотря на то, что, по-видимому, не существует более древней науки чем наука о горении - за десятки тысяч лет, в течении которых человечество сжигало дерево, уголь, нефть, газ, порох(да и вообще все, что горит) оно, казалось бы, должно было изучить механизм этого явления в совершенстве - говорить о полной завершенности этой науки еще рано. Конечно, существо основных процессов, происходящих при горении различных веществ, изучено и понято достаточно хорошо. Но и в наши дни задача рационального, хорошо диагностируемого и надежно управляемого горения остается важной как в научном так и в прикладном аспектах.

Горение - крайне сложный физический процесс. В нем сочетаются вовсе нетривиальная газодинамика, неоднородные температурные поля, самые разнообразные химические реакции с выделением и поглощением тепла и т. д. Поэтому пламя изучалось и изучается различными методами, взятыми из арсенала самых разных научных дисциплин.

Одному из таких методов и посвящена данная работа. Речь идет о воздействии на процесс горения электромагнитным полем.

По-видимому, впервые об электрических и магнитных свойствах пламени упоминается в работах французского ученого Пуайе еще в .1тые годы прошлого столетия. В начале нынешнего века известный .ский ученый Дж. Дж. Томсон, открывший электрон, высказал '-зу: в пламени возникают электроны и именно они, особенно самые 'ч ичные, являются «виновниками» распространения пламени, играя ■ ль передатчиков энергии. Энергетическим аспектам горения были посвящены начатые в двадцатых годах в Днепропетровске исследования А. Э. Малиновского и его сотрудников. Десятилетие спустя в Институте химической физики АН СССР этими вопросами занялся А. К. Соколик. Большой вклад в исследование электрофизики горения и образования заряженных частиц в пламени внесли Ф. Вайнберг и Дж. Лаутон (Англия), X. Калькотг (США), А.Д. Марголин, Г.С.Аравин, Е.С.Семенов (ИХФ РАН), А.Б Ватажин (ЦИАМ), Б.Г.Дьячков Е.М.Степанов, Г.Д.Саламандра и их ученики и последователи.

Сейчас можно считать бесспорным, что воздействие электрических и магнитных полей на пламя вызывает многочисленные эффекты, которые можно использовать как для изучения различных стадий горения, так и в разнообразных технических устройствах и технологических процессах.

Актуальность проблемы.

Исследование электрогазо- и гидродинамических свойств пламен является одной из актуальных проблем физики горения. В настоящее время такие исследования стимулируются возможностью получения энергии с помощью различных генераторов, построенных на продуктах горения, конструированием электрогазогорелочных устройств, задачами направленного химического синтеза, а также возможностью использования электрических эффектов в пламенах для диагностики управления процессами горения и детального изучения химических процессов в пламени.

В силу специфических особенностей химической кинетики горения углеводородов и некоторых других топлив, пламена являются источниками заряженных частиц - главным образом положительно заряженных ионов и электронов. Внешние электрические поля, приложенные к зоне горения, воздействуют на рекомбинацию носителей противоположных зарядов, в частности, могут вызывать их пространственное разделение. Появляется возможность управления распространением пламени путем изменения его формы в электрическом поле; воздействуя переменными электрическими полями можно интенсифицировать турбулентное перемешивание в пламени, вызывать генерацию акустических волн и т.д. С другой стороны, электрические свойства пламен используются для целей диагностики процесса горения.

Интенсивно развивающаяся в последние годы теория аэрогидродинамического шума также поставила ряд новых задач, связанных с движениями заряженной среды. Так, аномалии шума струи реактивного двигателя обуславливаются, по-существу, двумя процессами: горением в камере сгорания и течением заряженного газа в реактивной струе, образующегося из-за уноса заряженных частиц одного знака из пристеночного двойного электрического слоя.

Для описания таких физических явлений применяется приближение электрогидродинамики / ЭГД /. В силу общности рассматриваемых уравнений, основные выводы применимы и к другим движениям заряженного газа. В качестве примера можно привести течения заряженного газа в ЭГД-преобразователях энергии, ЭГД-насосах и фильтрах, в пограничных слоях, возникающих при движении заряженных тел в атмосфере и др.

Рассмотрение этих движений также представляет непосредственный практический интерес. Однако, теория нестационарных ЭГД-течений была развита недостаточно. Предлагаемая работа ставит своей целью сделать определенный шаг в понимании происходящих в пламени электрофизических и элекгрогидродинамических явлений.

Чрезвычайно актуальной является также задача надежной диагностики акустической неустойчивости процесса горения и управлением уровнем «шума» в различных горелочных устройствах и энергетических установках, как впрочем, и правильное понимание основных источников звука при вибрационном и турбулентном горении.

Цель работы.

Целью предлагаемой вниманию диссертационной работы является теоретическое исследование собственных электрических свойств ламинарных пламен, присущих самому пламени в отсутствии внешнего электрического поля, закономерностей влияния внешнего электрического поля на поведение ламинарного фронта горения, изучение некоторых электрогидродинамических эффектов, возникающих при горении в электрическом поле, изучение механизмов воздействия возмущений электрической и гидродинамической природы на процессы горения в электрическом поле, определение границ применимости различных приближений ЭГД дли описания физических явлений в заряженных областях, образующихся при горении в электрическом поле; изучение нелинейных волновых движений в заряженных областях; выяснение взаимосвязи электрических процессов с акустическими свойствами течения; исследование распространения ЭГД-волн в бездиффузионном приближении на примере простой ЭГД-волны, изучение различных механизмов излучения звука при турбулентном и вибрационном горении и обнаружение корреляций между различными волновыми процессами; создание метода диагностики акустической неустойчивости и управления процессом горения в различных камерах сгорания с помощью модулированных газовых разрядов либо плазмотронов, локализованных в зоне горения.

Научная новизна.

Принятая методика исследования включает в себя обобщение и анализ опубликованных теоретических работ, выбор метода решения поставленных задач, расчет некоторых примеров, анализ полученных результатов и их сопоставление с имеющимися экспериментальными данными.

Своеобразие пламен как объектов низкотемпературной плазмы состоит в том, что образующиеся при горении заряженные частицы, источником которых являются главным образом химические реакции в пламени, сосредоточиваются в узкой области, включающей в себя зоны прогрева, химического превращения и рекомбинации, в то время как в окружающем газе ионизация пренебрежимо мала. Поэтому в диссертации части I, II), в отличие от предыдущих работ по электрофизике горения, большое внимание уделено молекулярным процессам переноса носителей электрических зарядов, которые обусловливают разделение зарядов в пламени и приводят к нарушению квазинейтральности образующейся плазмы. Диффузионные эффекты необходимо также учитывать при описании воздействия внешних электрических полей на пламя. При решении задач используется полная система уравнений электрогидродинамики с учетом молекулярных эффектов переноса - такой единый подход к описанию электрических явлений при горении также ранее не использовался. Для аналитического решения поставленных задач применены методы задач с малым параметром, разбиение всей области интегрирования на внешнюю и внутреннюю области и сшивка решений на границах. Теоретически предсказываются некоторые новые электрогидродинамические эффекты при горении в электрическом поле и объясняются известные из экспериментов закономерности поведения фронта горения в электрическом поле.

При изучении нестационарных нелинейных и линейных ЭГД-волн (часть III) получены следующие новые результаты. Предложена система одномерных нестационарных уравнений квазилинейного вида, при некоторых предположениях являющаяся следствием основной системы. В бездиффузионном приближении находятся скорости распространения возмущений и доказывается гиперболичность этой системы. Выделен безразмерный параметр, который играет определяющую роль при изучении нестационарных ЭГД-процессов. Этот параметр наряду с другими безразмерными параметрами позволяет установить границы применимости различных приближений ЭГД для описания течений в окрестности фронта пламени, находящегося в электрическом поле.

Показано, что для течений, в которых существенна диффузия зарядов, в приближении слабого ЭГД-взаимодействия для напряженности электрического поля справедливо классическое уравнение Бюргерса. Для случая, когда поле влияет на гидродинамику течения, решена задача о распространении волн в линейном приближении. Показано, что в этом приближении разделение зарядов в квазинейтральной среде приводит к возбуждению акустических колебаний.

В бездиффузионном приближении сильного ЭГД-взаимодействия построено замкнутое решение в виде простых ЭГД-волн (волн Римана). Исследованы предельные случаи и найдены асимптотические решения.

В части IV предложена теоретическая модель излучения звука нелинейными монопольными источниками в турбулентных и вибрационных пламенах, основанная на предположении о смене механизма горения в зонах интенсивной химической реакции, проведено тщательное экспериментальное исследование обнаруженного явления.

В части V предложен метод диагностики акустической неустойчивости управления процессом горения в камерах сгорания с помощью модулированных на акустической частоте электроразрядных устройств либо плазмотронов и создана теоретическая модель работы такого источника в высоко-температурных и химически агрессивных средах, которые образуются в камерах сгорания различных энергетических установок. Проведено экспериментальное исследование работы таких источников в различных модельных камерах сгорания и создана система диагностики для выявления резонансных частот при работе энергетических установок и подавления уровня шума.

Практическая ценность.

Результаты проведенного исследования могут быть использованы для прогнозирования различных эффектов, возникающих при ламинарном горении в электрических полях, а также при выборе оптимальных условий сжигания горючих газообразных, жидких, дисперсных и твердых веществ с учетом электрических явлений в пламени.

Проведенное исследование является также основой для описания физических механизмов взаимодействия гидродинамических и электрических явлений в нестационарных ЭГД- течениях. Выяснено, что возмущения электрического поля порождают акустические колебания как в квазинейтральной плазме, так и в течениях, содержащих объемный электрический заряд. В частности, эти механизмы могут быть ответственны за увеличение акустического шума выхлопных струй реактивных двигателей.

С математической точки зрения на основе полученных результатов можно ставить корректные задачи Коши и решать их с целью исследования воздействия ЭГД -возмущений на процессы горения в электрическом поле.

Что касается части, посвященной изучению различных источников звука при турбулентном и вибрационном горении, а также созданию методов акустической диагностики, и управления процессом горения и уровнем шума в различных камерах сгорания, то полученные авторские свидетельства, продолжение и развитие данной тематики также свидетельствуют о практической значимости данного направления исследований.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 1П-Х Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (1974, 1977, 1980, 1983, 1986, 1989, 1992) и на XI Симпозиуме по горению и взрыву(1996), I-XIV Всесоюзных семинарах по электрофизике горения (1978-1991 г.г.), V и VI Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механике (1981, 1986), на I Всесоюзной школе-семинаре по теории горения (Томск, 1973) и Всесоюзной школе-конференции по теории горения (Звенигород, 1975), Международном семинаре «Механика и физика газовых потоков (Аэродинамика горения газов)» (Рига, 1981), III Международной Школе по взрывобезопасности промышленных пылей (Польша, 1982), 1-1V Международных семинарах по структуре пламен (1983,1986,1989,1992 г.), на Совещании рабочей группы «Механика и физика плазмы и газовых потоков» (Болгария, 1983), на V-XV Международных коллоквиумах по динамике взрыва и реагирующих систем (1975, 1977, 1979, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989, 1993 г.г.), VI-XI Международных симпозиумах по процессам горения (Польша, 1979, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989 г.г.), на 21, 24-26 Международных Симпозиумах по горению (1986, 1992, 1994, 1996), на VIII Международной конференции по газовым разрядам и их приложениям (Англия, 1985), на ежегодных конференциях Института Акустики (Англия, 1980-1993), на VI Всесоюзном совещании по электрической обработке материалов (Кишинев, 1990), на Международной конференции советской и итальянской секций Института горения (Пиза, 1990 г.), на Международной конференции британской и немецкой секций Института горения ( Кембридж, 1993 г.), на IV Международном симпозиуме по химическим двигателям- Достижения в горении за 100 лет после А.Нобеля (Швеция, Стокгольм, 1996), на 10-й конференции отдела научно-технических исследований ВМС США по двигателям (США, Монтерей, 1997), I Конференции Греческой секции института горения (Афины, 1997).

Публикации.

По материалам работы имеется 137 публикаций, в том числе 3 авторских свидетельства об изобретениях, из них 79 статей и препринтов, 67 публикаций в зарубежной литературе.

I. Собственные электрофизические свойства пламен.

Первая часть диссертации посвящена исследованию собственных электрических свойств ламинарных пламен, распространяющихся по смеси заранее перемешанных газов и диффузионных пламен, образующихся при горении противонаправленных цилиндрических струй окислителя и горючего. Вообще электрические эффекты в пламенах могут быть подразделены на «собственные» и «внутренние» (в отсутствии внешнего поля) и на связанные с воздействием внешних электрических полей. Первые возникают вследствии большого отличия в диффузионных свойствах заряженных частиц разного знака - ионов и электронов, что приводит к диффузионному разделению зарядов и образованию в пламени внутреннего электрического поля. (Рис. 1,2,3) В работе получены пространственные распределения концентраций заряженных частиц и напряженности внутреннего электрического поля.

Исследованы пламена как с низкой степенью ионизации, обусловленной в основном тепловым механизмом (Рис. 3), так и с высокой сверхравновесной ионизацией, связанной с протеканием цепных химических реакций во фронте горения (хемоионизация). (Рис. 1,2,4,5) Типичным примером последних являются пламена углеводородов, концентрации заряженных частиц в которых на несколько порядков превышают значения, соответствующие термодинамическому равновесию при температуре горения. Во всех случаях используется предположение об узости зоны реакций образования заряженных частиц по сравнению с остальными характерными масштабами задач. и

Для ламинарных пламен с высокой степенью ионизации исследовано влияние рекомбинации на распределения концентраций заряженных частиц и напряженности внутреннего электрического поля вблизи зоны химических реакций горения в широком диапазоне констант скоростей рекомби-вационных процессов. Высокоионизованные пламена характеризуются квазинейтральностью образующейся в зоне хемоионизации плазмы и амбипо-лярной диффузией заряженных частиц из зоны ионообразования, переходящей по мере удаления от этой зоны в свободную диффузию ионов и Электронов. Показано, что в этом случае напряженность самосогласованного электрического поля на зоне хемоионизации терпит разрыв, и этой зоне отвечает определенный поверхностный заряд.

В работе дано обоснование приближения амбиполярной диффузии на основе методов решения задач с малым параметром и приведены критерии применимости амбиполярного приближения. Предложена процедура итераций для описания процессов в переходной области от зоны, где справедливо приближение амбиполярной диффузии заряженных частиц к области свободно связанной диффузии ионов и электронов.

В пламенах с относительно низкой (термической) степенью ионизации, таких, например, как водородно-кислородные или пламена СО, а также в углеводородных пламенах при определенных условиях отрицательные и положительные частицы диффундируют со своими собственными коэффициентами диффузии и подвижностями во всей зоне горения, а напряженность электрического поля на зоне реакции ионообразования непрерывна. (Рис. 3)

Для слабоионизованных пламен с помощью методов задач с малым параметром выяснена роль термодиффузии электронов на распределение и максимальную величину напряженности внутреннего электрического поля.

На рисунках 4 и 5 показаны результаты аналогичного исследования по структуре собственного электрического поля пламени для диффузионных углеводородных пламен противонаправленных струй окислителя и горючего.

Сделаны оценки электрических величин в пламени, показывающие, что напряженность электрического поля вблизи поверхности горения составляет 10-50 вольт/см для высокоионизованных пламен и порядка нескольких вольт/см для слабоионизованных.

Теоретические результаты работы сопоставлялись с имеющимися экспериментальными данными по ионизационно-термической структуре ламинарного фронта горения.(см. например рис. 6)

Содержащийся в первой части анализ собственных электрических свойств пламени позволяет также правильно сформулировать постановку задач о воздействии внешних электрических полей на газовые пламена (часть II).

Применение анализа собственных электрических свойств пламени для описания взаимодействия заряженных частиц при переходе горения в детонацию или детонации азровзвесей позволил предложить объяснение сравнительно узкой зоны периода индукции при взрывах и детонации аэровзвесей (в частности угольной и технологической пыли) и предложить метод управления структурной зоны детонационной волны.

II. Пламя во внешнем электрическом поле.

В этой части исследуется воздействие постоянного и однородного в отсутствии пламени электрического поля на плоский ламинарный фронт пламени, когда вектор напряженности электрического поля направлен по нормали к фронту горения. Предлагается классификация постоянных электрических полей по степени вызываемого полем разделения электрических зарядов в пламени и соответственно степени влияния поля на рекомбинацию заряженных частиц. Слабые электрические поля, не нарушающие квазинейтральности образующейся в зоне хемоионизации плазмы, взаимодействуют с внутренним электрическим полем, деформируя его, но не изменяя максимальной величины модуля напряженности собственного поля. Отток заряженных частиц к электродам происходит из пограничных областей фронта пламени - прогретого слоя и рекомбинационной зоны. (Рис. 7-11)

Приближение слабого поля позволяет описать нижнюю часть вольт-амперной характеристики ламинарного фронта пламени. При этом показано, что образующаяся при горении плазма экранирует внешнее поле таким образом, что само приближение так называемого «слабого поля» оказывается справедливым при отношении приложенной разности потенциалов к межэлектродному расстоянию гораздо большем, чем максимальная величина напряженности внутреннего электрического поля.

Следует иметь в виду, что электрическое поле распределяется в межэлектродном промежутке неравномерно; так, в случае плоского фронта пламени, помещенного между плоскими электродами параллельно им, из трех различных по своей природе областей фронта горения, области с преобладанием отрицательного заряда и области с положительным зарядом, наименьшее падение напряжения осуществляется на фронте горения, обладающем малым электрическим сопротивлением. Однако именно его нужно иметь в виду при определении границ применимости приближения слабого поля и именно его нужно сопоставлять с внутренним электрическим полем пламени. Наибольшее падение напряжения приходится на область между фронтом горения и отрицательным электродом, в которой преобладают более тяжелые ионы. (Рис. 9)

В сильных электрических полях, близких к пробойным (другой предельный случай) (Рис. 11), происходит разделение зарядов и в зоне химического превращения, а также осуществляется переход к токам насыщения, лимитируемым скоростью образования ионов и электронов в зоне хемоио-низации. В этом случае, в отличие от слабых полей, существенно влияние электрического поля на рекомбинацию заряженных частиц. Приближение сильного поля позволяет описать верхнюю часть вольтамперной характеристики фронта горения. Отметим, что, когда нарушается квазинейтральность плазмы в зоне хемоионизации, массовые электрические силы, возникающие при разделении зарядов, действуют непосредственно на фронт пламени, в то время как в остальных случаях воздействие распространяется только на область вне фронта горения.

С дополнительным привлечением методов теории подобия и анализа размерностей проводятся сопоставление полученных результатов с данными опытов по влиянию поперечного электрического поля на скорость распространения пламени в горизонтальной трубе, проведенных в Государственном научно-исследовательском энергетическом институте им.

Г. М. Кржижановского.1

Здесь же исследуются различные электрогидродинамические эффекты, возникающие при ламинарном горении в электрическом поле и обусловленные массовыми электрическими силами.

Анализируется влияние электрического поля на гидродинамическую устойчивость пламени (эффект Ландау-Даррье), которое оказывается подобным влиянию силы тяжести. Показано, что, прикладывая к пламени постоянные электрические поля, можно способствовать развитию неустойчивости пламени или подавлять неустойчивость; в частности, можно добиться полной гидродинамической устойчивости.(Рис. 13,14)

Другим интересным эффектом, рассмотренным в диссертации, является распространение волн вдоль поверхности пламени при определенной напряженности электрического поля - эти волны оказываются похожими на гравитационные волны, распространяющиеся по поверхности тяжелой жидкости. (Рис. 15,16)

Получена зависимость скорости распространения таких волн от напряженности электрического поля и свойств пламени, которая сопоставляется с экспериментальными данными, полученными Г.Д.Саламандрой, наблюдавшей появление бегущих вдоль поверхности пламени волн при горении в плоском горизонтальном канале при определенной величине приложенной к стенкам трубы разности потенциалов.

В образующемся при горении в электрическом поле заряженном газе

1 Г. Д. Саламандра ФГВ, 1969,5,2, 189-194,

Г. Д.Саламанда В сб. «Горение и взрыв», М., «Наука», 1972, 309-312

Г.Д.Саламавдра, Н.М.Векгцель, И.К.Федосеева IV Всесоюзный симпозиум по горению и взрыву, 1974, Черноголовка (аннотации докладов) с. 34

G.D. Salamandra Combustion Institute European Symposium, London-New York, Academic Press, 1973, 310 проявляются также интересные эффекты, обусловленные сжимаемостью газа, в частности изменяется распространение акустических волн. Акустическая волна, вызывая изменение плотности и скорости газа, приводит к перераспределению электрических зарядов, напряженности поля и электрических массовых сил. Следовательно, реализуется иное эффективное давление в акустической волне. Дрейф электронов и ионов в электрическом поде также приводит к перераспределению электрического заряда вдоль акустической волны и влияет на ее распространение. Проведен анализ плоской акустической волны, который показывает, что в заряженном газе, помещенном в электрическом поле, изменяется скорость распространения волны и возникает дисперсия волн. Получено дисперсионное уравнение, которое анализируется в различных предельных случаях.

Интересной является также возможность возбуждать в продуктах горения акустические волны путем приложения к электродам на фоне постоянного напряжения переменной составляющей. Получены условия резонанса при взаимодействии акустических и электрических полей (Рис. 17), а также показано, что такой резонатор может являться и генератором переменного электрического тока, что впоследствии подтвердилось экспериментально в совместных работах с Чувашским Госуниверситетом.

Ш. Нестационарные ЭГД волновые процессы, возникающие при горении в электрическом поле.

Как отмечалось выше, если поместить фронт пламени между электродами, на которые подано постоянное напряжение, то в окрестности фронта пламени образуются разноименные униполярно заряженные области, экранирующие внешнее электрическое поле. В данной части показано, что для исследования течений в областях с объемным электрическим зарядом с большой степенью точности можно использовать приближение ЭГД. Таким образом, нестационарная задача о воздействии электрических и гидродинамических возмущений на фронт пламени, расположенный во внешнем электрическом поле, приводит к необходимости рассматривать процессы распространения волн в заряженных областях. В силу того, что рассматривавшиеся задачи горения одномерны, а внешнее поле предполагается продольным, для описания горения в электрическом поле можно использовать одномерную нестационарную систему уравнений ЭГД.

Здесь система одномерных нестационарных уравнений ЭГД приводится к квазилинейному виду. При приведении этой системы к безразмерному виду естественно выделяются три безразмерных параметра: параметр ЭГД-взаимодействия S=qoLo/poboUo, электрическое число Рейнольдса К^=ио/ЬоЕо и электрическое число Пекле Реч=иоЬо/Оо- Вводится новый безразмерный параметр ¡^о=8пЬ„ро, который как показано в работе, имеет определяющее значение. Вообще этот параметр является комбинацией двух первых = 2(8КЧ)"1.

Здесь qo - характерная объемная плотность электрического заряда, Ьо - характерный линейный размер задачи, р0 -характерная плотность газа, Ьо -характерная величина коэффициента подвижности зарядов, % - характерная скорость задачи, Ео -характерная напряженность электрического поля, Б0 -характерная величина коэффициента диффузии зарядов.

Заметим, что в решении типа простой ЭГД-волны безразмерная плотность Е,=8тсЬгр представляет собой величину, от которой зависят все искомые функции.

Получение аналитических результатов оказывается возможным для некоторых частных случаев, допускающих ввиду наличия в задаче больших или малых безразмерных параметров упрощения в математической формулировке задачи.

Показано, что в том случае, когда эффектами диффузии зарядов можно пренебречь /Реч»1/ система одномерных нестационарных уравнений ЭГД является системой гиперболического типа. Рассмотрение проведено отдельно для случая политропных процессов и для течений совершенного газа. Показано, что в первом случае существуют два типа возмущений распространяющихся относительно среды со скоростями, равными а1,2= ± пР !~р и аз = ЬЕ, где Р - давление, п - показатель политропы. Для ЭГД-течений совершенного газа существуют еще возмущения, распространяющиеся вместе со средой 34 = 0.

Исследуются также течения с учетом диффузий зарядов /Реч<1/. Показано, что при горенки в электрическом поле для возмущений, характерный размер которых совпадает с толщиной фронта пламени, при нормальных физических условиях электрическое число Реч~1.

Найдено, что в приближении слабого ЭГД-взаимодействия, для напряженности электрического поля справедливо уравнение Бюргерса

Выделен диапазон параметров, при которых это приближение имеет место. Именно, для произвольных течений совершенного газа необходимо, чтобы выполнялись неравенства а в случае политропных процессов достаточно выполнения первых двух условий. Реально, такая физическая ситуация при горении в электрическом поле реализуется в основном при слабых электрических полях, когда локальная напряженность поля Е ~ 1 в/см, и давлениях порядка и меньше атмосферного.

Проанализированы решения и асимптотики ЭГД-уравнения Бюргерса. Однако, в электрогидродинамике инвариант этого уравнения приобретает ясный физический смысл - он представляет собой электрический потенциал физической системы, сохраняющийся во времени. В качестве иллюстраций представлены частное решение в виде одиночного горба потенциала (Рис. 17) и качественная картина эволюции возмущения импульса, треугольной формы для напряженности поля (Рис. 18). Физически такое начальное условие для напряженности

8« 1, Ыч«1, электрического поля соответствует разделению зарядов в некоторый начальный момент времени, а решение описывает выравнивание электрического потенциала системы.

В случае, когда электрическое поле влияет на гидродинамику течения, задача исследована в линейном приближении. Для квазинейтральной в невозмущенном состоянии среды получено, что возмущение напряженности электрического поля описывается линейным уравнением теплопроводности. Возмущения гидродинамических параметров удовлетворяют неоднородным волновым уравнениям с функцией источника, зависящей от напряженности электрического поля. Это означает, что в этом приближении электрические параметры перераспределяются независимо от гидродинамических, а для акустических колебаний массовая электрическая сила играет роль внешней силы, способной вызвать эти колебания.

На основе полученного дисперсионного соотношения исследованы линейные волны, распространяющиеся по неоднородной в невозмущенном состоянии среде для совершенного и политропного газа. В предельных случаях показано, что без дисперсии распространяются только длинные волны низкочастотной ветви.

Исследованы также волновые процессы в бездиффузионном приближении /Ре<}»1/, когда электрическое поле воздействует на течение среды (т.е. сильное ЭГД-взаимодействие). В этом случае получено решение типа простой волны, когда все величины зависят от плотности среды. Отдельно рассмотрен случай политропных процессов и ЭГД-течений совершенного газа. В первом случае существует два типа простых волн: две гидродинамические волны Римана и простая ЭГД-волна, соответствующая характеристической скорости Х- и + ЬЕ.

Для этой простой волны найдено решение в квадратурах и построен фазовый портрет, представленный на рис. 19.

Фазовая плоскость оказывается естественным образом разделенной на две области нулевой изоклиной. Выше нулевой изоклины скорость электрических возмущений превосходит скорость гидродинамических возмущений, и а этом случае приближение ЭГД уже недостаточно хорошо описывает физические процессы. Реальную ситуацию могут описывать только интегральные траектория расположенные в области 2 - под нулевой изоклиной.

Для решения типа простой ЭГД-волны найдены асимптотические выражения при больших и малых значениях безразмерного параметра Показано, что в отличии от простых волн в гидродинамике и магнитной гидродинамике, простые ЭГД-волны могут как опрокидываться, так и расплываться. Условие опрокидывания для простой ЭГД-волны имеет вид ЬЕ>0. Найдены величины, сохраняющиеся при движении простой волны / инварианты Лакса /. Использование теоремы Лакса применительно к ЭГД-системе уравнений дает соотношения на слабом скачке с точностью до величины третьего порядка малости.

Аналогичное исследование, потребовавшее более сложных вычислений, проведено для течений совершенного газа. В этом случае существует еще одна волна, перемещающаяся со скоростью среды. Давление и напряженность электрического поля в простой ЭГД-волне выражаются через вырожденные гипергеометрические функции.

Исследованы асимптотические выражения решения при больших и малых значениях параметра и находится условие опрокидывания, совпадающее с аналогичным условием в случае политропных процессов.

Показано, что решение типа простой ЭГД-волны в большей степени применимо для описания течений, для которых безразмерное число невелико. При горении в электрическом поле такая ситуация в основном реализуется при давлении больше атмосферного. Например, при Р = 10 атм. в области перед фронтом пламени ~ 1. При дальнейшем увеличении давления £ о уменьшается.

IV. Механизмы излучения звука турбулентными и вибрационными пламенами и корреляция с другими волновыми процессами.

Предыдущие теоретические модели излучения звука сферическими пламенами, описывающими расширение газа во фронте ламинарного пламени и генерацию соответствующей этому расширению звуковой волны, давали при оценках максимальной величины мощности излучаемого звука величину ~ 40-ь50 дБ для типичных условий горения. В то же время в проведенных с участием автора экспериментах в ПЮБТ, Лондон1 при «схлопывании» цилиндрического нестационарного возмущенного на бунзеновской горелке и сферического пламени (рис. 20, 21) были получены значения максимальной мощности излучаемого звука ~80 дБ. При оптической визуализации явления было обнаружено, что пик мощности

1 ПЮБТ - Политехнический Институт Южного берега Темзы (сейчас Университет Южного берега) излучаемого звука возникает при видимом «исчезновении» фронта пламени.

Это явление может быть, объяснено резким ускорением фронта при малых радиусах кривизны (сравнимых по порядку величины с толщиной прогретого слоя пламени) и сменой механизма горения - переход от реакции в узкой зоне на поверхности пламени к объемному механизму. (Фактически внутри объема, ограниченного распространяющимися навстречу друг другу фронтами пламени, происходит тепловой взрыв из-за взаимодействия прогретых слоев.) Для описания излучения звука при таком «взрыве внутри пламени» предложена модель, основанная на осредненных по объему уравнениях газовой динамики с тепловым источником химической природы и связывающая мощность монопольного источника звука с изменением скорости тепловыделения в реакциях горения внутри объема. Описанный механизм играет, по-видимому, существенную роль при турбулизации пламени и излучении звука турбулентным пламенем (Рис. 22, 23).

Для описания излучения звука использовались осредненные по объему, который вообще говоря есть неизвестная функция от времени, уравнения газовой динамики.

Записанные в дивергентном виде уравнения газовой динамики приводятся с использованием теоремы Гаусса-Остроградского к уравнениям для средних величин плотности р, массового потока т=ри и температуры Т с учетом уравнения состояния р --- рК"Т (р - давление, К0 - приведенная к молекулярному весу газовая постоянная) и имеют вид: йр Л

Л \2р)

Ф= ва£к(Г)ехр(-Е / Я°Г)

Здесь 8(0 - площадь поверхности объема У(г) (фактически площадь поверхности коллапсирующего фронта пламени); Ф - функция скорости тепловыделения аррениусовского типа с энергией активации Е; индексом з внизу обозначены значения величин на поверхности 8,

Поскольку скорость тепловыделения является резкой функцией температуры, а максимальное излучение звука наблюдается при «исчезновении» фронта горения, т. е. при переходе от горения на поверхности (в приближении узкой зоны) к реакциям в объеме, линеаризуем уравнения, вводя переменные типа /?(/) = р, + р'(0 (здесь р, ^сопэ!) вблизи состояния непосредственно перед «взрывом», т. е. в условиях, близких к температуре горения. При этом считаем, что в стационарном состоянии т1=0 (в силу симметрии задачи), Ф] =0, и полагаем, что в стационарном состоянии значения средних величин и величин на поверхности совпадают.

Линеаризованная система уравнений для возмущения плотности, массового потока, температуры и « геометрического фактора» A=S/V оказывается разрешимой.

Таким образом, получив ее решение, легко найти возмущения всех искомых величин и акустическое давление, а следовательно, и мощность рассеиваемого звука. Однако прежде чем выписывать решение, оказывается более удобным для анализа уравнений и их решений ввести безразмерное время t' = t/tx, где tx - время развития химических реакций горения при температуре T¡. Тогда уравнение для возмущений температуры принимает вид dT' tx у + 1ф, 1 уу Vr íx аРФ' di' plcvyv + \ ~ c¡A?tl yv + Vydí'* ~ p,cv dt'2

Здесь v =1,2, 3 дня плоской, цилиндрической и сферической симметрии.

Возникший в правой части уравнения безразмерный параметр c¡A¡tl имеет ясный физический смысл - квадрат отношения характерного времени источника возмущений Ф' к времени распространения звуковой волны на характерном размере источника 1/Аь При » 1, что, как показывают оценки, типично для условий горения, можно в пределе (cf^f^)"1 —> 0 в соответствии с методами решения задач с малым параметром при старшей производной пренебречь в первом приближении правой частью уравнений и решать соотношение, dT' v + 1 Ф dt yv + 1 О, в котором характерное время tx естественным образом возникнет при линеаризации источника (4). Физический смысл этого приближения заключается в том, что давление внутри источника звука остается постоянным. Акустическое же давление на расстоянии d от монопольного источника звука связано тогда с изменением скорости химических реакций либо со второй производной возмущения температуры как л d2y(0 = Kf-О Ух <**• r*r-WiP>c.d2T' And dt (rv + l) 4Jidcl dt (v+1 )Шст dt2 ' где со - скорость звука в окружающей среде.

Если Ф(Т) - скорость тепловыделения аррениусовского типа и зависит только от температуры, то с помощью разложения экспоненты по Франк-Каменецкому получим dT' y(v + l) R0T,2 1 ( ЕтЛ dt ~ yv + l Е ^ expli?°7;2J' где tx = ptcvRT?Mp(E/R°Tl)l[QEalk^Tlj\

- с точностью до численного множителя обычное в теории горения характерное время химических реакций горения при температуре TV Решение последнего уравнения может быть представлено в виде:

Я°Т.2 ( у + 1 I Т' = - —1 - --Е \ уу +- 1 1Х и после подстановки для опенки максимальной величины акустического давления получим при I - 1х Г(У + 1) Г,РвсгТ, 1г(У-1) '

Отметим, что линеаризация экспоненты привела бы к выражению для возмущений температуры: и к формуле для оценки максимальной величины акустического давления уу(г - 1)0 + 1) УмЛ ( у-И (у\> + 1):2 4я<1с1 Егх 6ХР( уу + 1 которые с точностью до численного множителя совпадают с предыдущими. При оценке максимальной величины акустического давления для расчета характерного времени химических реакций часто удобнее пользоваться X оценкой (;х по нормальной скорости пламени. В этом случае 1:х= (где ип Е

Хъ - коэффициент температуропроводности при температуре холодной смеси То), что дает зависимость рак„ш ~ и*, и подстановка характерных для условий горения величин приводит к оценке акустического давления ~0,2 + 0,3 Па, что соответствует уровню излучаемой акустической мощности ~80 дБ.

Характерное время химической реакции может быть также выражено р0сРТ\1-Та/Т,} через максимальную скорость тепловыделения: ^ =-------—1. шах х 1 /

Отметим также, что приведенные формулы могут быть использованы для обратной задачи, а именно для оценок по скорости изменения акустического давления и его максимальной величине изменения скорости тепловыделения при переходе к объемному механизму химических реакций и максимальной скорости тепловыделения.

В случае очень быстрых реакций (что возможно, однако, не для условий обычных газовых пламен), когда с^Л,2?2« 1, пренебрегая левой частью, получим, что акустическое давление от монопольного источника звука равно нулю. Это, строго говоря, корректно с различных точек зрения. Во-первых, в этом приближении, соответствующем приближению мгновенного точечного разрыва, давление мгновенно возрастает- внутри объема источника, но в этот момент «взрыва» нет никакого давления у измеряющего акустический шум микрофона. Во-вторых, линейная теория вообще несправедлива в этом случае, так как эффект существенно нелинеен, но можно использовать известное автомодельное решение задачи о точечном взрыве.

Фактически и здесь было описано существенно нелинейное явление, но с помощью методов линеаризации усредненных по объему ( с помощью теоремы Гаусса-Остроградского) уравнений газовой динамики вблизи конечного состояния.

Полученные результаты и описанный механизм перехода от фронтального горения к реакциям в объеме был подвергнут тщательной экспериментальной проверке.(см. к примеру рис. 24, 25) для различных горючих смесей и условий сгорания, на основе того, что было предложено использовать изучение таких нелинейных источников звука как диагностическую информацию о структуре турбулентных пламен. Была обнаружена также полная корреляция между акустическим сигналом и излучением света (рис. 26).

V. Физические методы диагностики акустической неустойчивости и управления процессом горения с помощью модулированных электроразрядных источников звука и плазмотронов.

В этой части прежде всего рассмотрена генерация звука модулированным электрическим разрядом, локализованным в зоне горения.

В работах, описанных в предыдущих частях диссертации, рассматривались акустические свойства продуктов горения при воздействии на пламя постоянных и переменных электрических полей в приближении электрогидродинамического воздействия электрического поля на пламя. При этом предполагалось, что фронт пламени помещен в допробойное электрическое поле, когда электроды не касаются пламени, и между фронтом горения и электродами образуются униполярно заряженные области, на которые действуют электрические массовые силы, меняя гидро- и газодинамику течения и акустические свойства среды.

Здесь же предлагается теоретическая модель излучения звука пламенем без каких-либо резонансных устройств в режиме электрического разряда с введенными в зону горения электродами, когда основное воздействие возникает в результате джоулевой диссипации энергии, т. е. по тепловому механизму воздействия внешних электрических полей на процессы горения. При этом предполагается, что плазма в межэлектродном промежутке квазинейтральна, не возникает соответственно никаких электрических массовых сил, однако учитываются тепловая радиация из объема электрического разряда и суммарные тепловые источники, обусловленные экзотермическими реакциями горения.

Предположим, что в зону горения предварительно перемешанной смеси введены электроды и создан однородный по межэлектродному промежутку электрический разряд за счет действия постоянного и пробойного (для условий в зоне горения) электрического поля. Кроме того, на электроды подается переменное напряжение с заданной частотой, что приводит к переменному тепловыделению в зоне горения и излучению акустических волн на той же частоте, что и частота переменной составляющей электрического поля. В такой ситуации вся система может быть представлена как гомогенный химический реактор с электрическим разрядом, горением и тепловой радиацией, способный служить удобным, легкоуправляемым и практически безынерционным источником звука, который может работать в химически агрессивных и высокотемпературных средах.

Для описания такого источника можно воспользоваться теми же уравнениями газовой динамики, что и в предыдущей части, с учетом того что функция источника тепловыделения будет иметь вид:

Г, = [/. + 1а С08(«о][^„ + V. ахШ)}

Здесь Т - температура газа в разрядном промежутке; То - температура окружающего воздуха; - скорость тепловыделения в химических реакциях горения по аррениусовскому закону с тепловым эффектом эффективной константой скорости химических реакций к, показателем п и энергией активации Е; - скорость диссипации электрической энергии при прохождении постоянного 1о и переменного 1а электрического тока от приложенного постоянного У0, и переменного Уа напряжения; Wp - потери тепла на излучение (- константа Стефана - Больцмана); 11° - газовая постоянная.

Чтобы получить уравнения однородного химического реактора, достаточно, представив уравнение движения в дивергентном виде, проинтегрировать их по объему разряда1 и воспользоваться теоремой Гаусса - Остроградского. В результате получим осредненные по объему обыкновенные дифференциальные уравнения.

Используя такую же процедуру как и в части IV можно получить уравнение для возмущений температуры:

1 Предполагается, что средний объем такого реактора не зависит от времени.В принципе, рассматривая объем и соответственно поверхность реактора как функцию времени, можно также проинтегрировать систему уравнений до конца, однако конечный результат будет отличаться от полученного здесь лишь численным коэффициентом, несильно отличающимся от единицы. V Yíd'r ePT „n,d Г > ar . f v) 1 (d-Ф d Ф ) \J¡atJ ptc,, \ di1 di ) '' где a¡ - обычная газодинамическая скорость звука в стационарны л условиях |'>- обратная величина времени пребывания в таком проточном злектра-разрядном химическом реакторе, р = I/ tt - v. Л; V, - скорость протока через реактор, I - характерный размер,разрядного промежутка^.е реактора).

Пели r уравнение ввести безразмерное время t = oí (w- частота приложенного переменного поля), то перед членами в круглых скобках возникает параметр (Vro/Sa,)2, который много меньше единицы во всем слышимом диапазоне частот, т. е. при щ<105 с"1. Тогда, воспользовавшись идя удобства анализа уравнения (4) известим лги методами решения задач с малым параметром при старших производных, пренебрежем в первом приближении т ¡ленами, со держащими (Veal Savj* ~ (l/iy! <■ L и получим простое линейное уравнение для возмущений температуры dT Ф i /? / =

Следует отметить. ч ю эта процедура имеет ясный физический смысл, т. е. означает, что такой источник можно считать точечным во веем звуковом диапазоне частот, так как его характерный размер иною меньше длины волны X.

Возмущения давления, приводящие к излучению акустических волн и связанные с возмущениями плотности и температуры, выразятся через возмущения температуры через источник тепла.

Нетрудно показать, что после линеаризации всех источников и стоков тепла имеем: - — Т ' + F cos(®0 (*) d t т, где характерное время релаксации системы тг может быть найдено следующим образом: l(plcrT)+fi = -- + — + ~ 4 Т Т Ть и • J х г к

Здесь тх> тр и tk - характерные времена химической, тепловой и . конвективной релаксации. Источником возмущений F с частотой со служит переменное элекгричесюе поле

F=(IoVa + IaV0)/(VPlcp)

Решение уравнения при t»tr, когда можно оставить только осциллирующую часть, выглядит следующим образом2

2 Следует отметить, что условие т,>0, вычисляемое по (*), дает дополнительный критерий устойчивости такого гомогенного химического реактора без стенок, в котором существенную роль играет электрический разряд на постоянном и переменном токе.

Т = F Tr [cos(cat) + D)Trsin(ü)t)]/t 1 +(ere, f]

Для удобства аналитического исследования можно рассмотреть предельные случаи больших и малых частот ш по сравнению с обратной величиной времени релаксации 1/тГ; т. е. получим асимптотические выражения при «тг» I п «т, « 1. В случае мт,»1

Т = - sirt(«:j.

Р —

1) . , ч 2/i 1

I- - sm{iar) + —-cosfaii), со J со

Усредненный по периоду квадрат акустического давления, которому пропорциональна акустическая мощность излучаемого звука, определяется из выражения /ш^!/) р ~ 2 VHcjy H'Vj

Отмстим, что при «тг »1, р2/

В случае ютг«!, т. е. при частотах, меньших характерного времени релаксации системы,

Т' = Ртг со&{Ш) сов{0) +-5ш(«В/) со р

В этом случае акустическая мощность имеет другую зависимость от частоты приложенного поля и в то же время зависит от характерного времени релаксации системы, в котором существенную роль играет скорость тепловыделения в химических реакциях горения. В частности, для сферически симметричного разряда, когда можно пренебречь конвективным потоком и положить (3=0, р,2~т,®4. В случае же модели цилиндрического реактора с разрядом, когда (3>0 (р2/ог »1), излучаемая акустическая мощность при малых частотах вообще не зависит от частоты

На рис.27 представлены качественные зависимости мощности излучаемого звука при р=0 и (3^0 в логарифмических координатах. Точки перегиба кривых соответствуют условию сот,~1, т. е. всегда существует некоторая критическая частота ю*=1/тг, выше которой на мощность излучаемого звука не влияют никакие релаксационные эффекты, но ниже которой в зависимости от соотношения между тх, тр и Тк может играть существенную роль и химия горения, и тепловая радиация, и скорость потока газа. Оценки, проведенные по материалам экспериментальных исследований, даю; ffi.-l/tr - 50 Гц. Численные оценки излучаемой акустической мощности, сделанные в диапазоне частот от 500 до 10000 Гц нугем и итерирования выражения дня р"2 по поверхности л'* элекуроразрядного источника по формуле \Vi;i--—S, доказали

РА удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными, когда температура поверхности такого осциллирующего теплового источника звука была порядка 1000 - 1500 К,

Сопоегавление представленной модели для сферического пламени (Рис. 2S, 29), с экспериментом проведено в совместных работах с ПЮБТ, Лондон и ЧТУ, Чебоксары (см. также рис. 29) и показывает хорошее совпадение результатов, когда выполняется условие т, »1.

Следует отметить, что приведенная модель справедлива гакж<: и дня случая, когда электрический разряд создается не постоянным, а переменным высокочастотным электрическим полем, модулируемы^ переменным полем со звуковой частотой, При этом во все выражения приведенные выше для вычисления мощности рассеиваемого звука нужно лишь подставлять эффективные значения напряжения и тока.

Описанные выше электроразрядные источники звука могут использоваться при акустической диагностике различных камер сгорания и энергетических устройств, что было показано ня модельных экспериментах {Рис. 30,31) для различных топливных смесей (керосин иди бензин с воздухом, пропан, городской газ)

В более поздних совместных работах с проблемной лабораторией неустойчивого горении Чувашского госуниверситета, Чебоксары показана также возможность активного управления уровнем излучаемого звука вплоть до его полного подавления и процессом горения в камерах сгорания различных энергетических установок при использовании модулированных электроразрядных источников звука и плазменных струй (см. например рис. 32, 33) с использованием обратной связи и без нее в зависимости от того как организуется стабилизация разряда по току или напряжению.

Следует подчеркнуть, что все эксперименты, упомянутые в частях IV и V проводилась в так называемых антиэховых камерах объемом 125 м3, что исключало влияние посторонних шумов и отраженных звуковых волн.

Принципиально также то, что описанный в данной части метод диагностики акустической неустойчивости и активного управления может использоваться для различных по масштабу энергетических установок и различных видов топлива (газообразное, жидкое и т.д.).

С помощью данной методики было обнаружено также для различных топливных смесей, что пламена обладают «собственными» акустическими частотами или точнее проявляют избирательную акустическую чувствительность (см., например, экспериментальные данные для горения пропано-воздушной смеси (рис. 34) и бензино-воздушной смеси (рис. 35)). Чтобы проверить последнее утверждение изменялись характерные размеры модельной камеры сгорания (длина трубы-резонатора для «поющего» пламени), что показало полное совпадение характерных частот или «чувствительных зон» для соответствующих смесей (рис. 36, 37).

Основные результаты и выгоды.

1. Пламя обладает собственным шш внутренним электрическим полем. Исследованы собственные электрические свойства ламинарных пламен, распространяющихся по смеси заранее перемешанных газон, и диффузионных пламен, образующихся при горении противонаправленных цилиндрических струй окислителя и горючего, при разных степетгях ионизации. Получены пространственные распределения заряженных частиц а напряженности внутреннего поля пламени в предположении узости зоны генерации ноша и электронов по сравнению с остальными характерными масштабами задач.

Исследовано влияние рекомбинации на максимальную величину напряженности внутреннего электрического гтоля пламени и распределения концентраций ионов и электронов вблизи зоны хемоиоштзаши.

2. Предложена классификация постоянных до пробойных электрических полей по степени вызываемого ими разделения электрических зарядов и пламеаак и соответственно степени влияита электрического поля па рекомбинацию заряженных частиц.

Исследовано поведение плоского ламинарного фронта пламени в постоянном и в отсутствии пламени однородном электрическом поле, вектор напряженности которого направлен по нормали к фронту горения. Исследование выполнено для слабых и сильных электрических полей. Показано, как слабые электрические поля взаимодействуют с внутренним электрическим полем и из каких зон происходит отток заряженных частиц к электродам. Этот случай отвечает нижней частя вольтам и ер ной характеристики пламени. При сильных, но доиробойных электрических полях исследовано влияние электрического поля на рекомбинацию ионов и электронов и получен переход к токам насыщения.

Исследованы некоторые эдектрогидродшамические эффекты, проявляющиеся в образующемся при горении в электрическом поле заряженном газе Именно: а) исследована гидродинамическая устойчивость фронта горения в постоянном электрическом поле; б) лшучены выраженяя для скорости распространения воли вдоль поверхности пламени, помещенном в электрическом поле Эти волны аналогичны гравитационным волнам в тяжелой жидкости и распространяются ад скоростью, зависящей от протекающей! через пламя электрического тока.

Исследовано влияние электрического поля на распространение акустических волн в образующемся при горении заряженном газе. Получено дисперсионное уравнение, которое анализируется в различных предельных случаях. Проанализированы резонансные условия взаимодействия электрических и акустических полек, «Поющее» пламя может генерировать переменное электрическое напряжение.

3. 11 оказано, что система одномерных нестационарных уравнений эдектр о гидр о динамики /ЭГД/, описывающая движения газа при горении в электрическом поле, приводится к квазилинейной системе. Вычислены характеристические скорости и доказано, что эта система гиперболическая, из чего следует корректность задачи Коши для данной системы Выделен безразмерный парамепр. ¡гграющий большую роль при изучении нестационарных ЭГД-течений,

4. Показано, что при горении в слабых электрических полях Шсм реализуется приближение слабого ЭГД-взаимодействия, а в сильных полях

О3-!!)3 к'см имеет место воздействие электрического поля на гидродинамику течения. Выяснены диапазоны значений параметров, при которых необходимо учитывать процессы диффузии заряженных частиц. Показано, что процессы горения а до пробойных электрических полях попадают в этот диапазон.

5. Показано, что В приближении слабого ЭГД-взаиыодействия для течений заряженного газа, справедливо уравнения Бюргерса для. напряженности электрического поля. Инвариант уравнения Бюргерса в ЭГД имеет ясный физический смысл, он представляет собой электрический потенциал физической системы.

На примере решений в виде одиночного горба для потенциала и треугольного импульса для напряженности поля рассмотрены эволюции возмущений, описываемых уравнением Бюргерса. В последнем случав начальные условия для напряженности электрического поля соответствуют разделению электрических зарядов в некоторый начальный момент оремени, а решение описывает перераспределение первоначально созданной разности потенциалов.

6. Решена задача о распространении линейных волн с учетом диффузии зарядов, когда электрические поля влияют на гидродинамику течения. Если невозмущенное состояние является однородным, то гидродинамические флуктуации не влияют на формирование электрического поля, которое находится из линейного уравнения теплопроводности. Возмущения гидродинамических параметров описываются неоднородными волновыми уравнениями с функцией источника, зависящей от напряженности электрического поля, откуда следует возможность порождения акустических колебаний пульсациями электрического поля. На основе полученного дисперсионного уравнения исследованы линейные волны, распространяющиеся по неоднородной в невозможен ном состоянии среде, В предельных случаях показано, что без дисперсна распространяются только длинные волны низкочастотной ветви.

7. Получено решение тина простой волны для одномерных 1 тестационарньгх уравнений ЭГД в случае полмтропных процессов достаточно большого масштаба. 13 этом случае Существуют три простых волны: две гидродинамические волны Римана и одна простая ЭГД-волка, распространяющаяся по заряженным частицам со скоростью ЬЕ относительно нейтрального газа. Получено условие опрокидывания простой ЭГД-волпы; ЬЕ 0. Вычислены величины, сохраняющиеся при распространении простой ЭГД-волны, что позволяет вычислять изменение полного давления и скорости среды на слабых скачках

Процесс опрокидывания простой ЭГД-волны, приводящей к возрастанию напряженности электрического поля во фронте волны, может создать благоприятные условия для электрического пробоя. В этом случае решение в виде простой волны будет описывать начальную стадию пробоя.

8. Предложена модель изучения звука в турбулентных и вибрационных пламенах монопольными источниками, связанная с переходом от фронтального распространения пламени к объемному тепловыделению в зонах интенсификации экзотермических химических реакций. Проведено -пцательное экспериментальное исследование обнаруженного явления и показано практически точная корреляция различных волновых процессов, сопровождающих данный эффект,

9. Решена задача о генерации звука модулированным на акустической частоте электрическим разрядом, локализованным в пламени, и проведено экспериментальное исследование основных характеристик такого электроразрядного устройства.

Показано, что подобные источники звука, способные работать в высокотемпературных и химически агрессивных средах, могут применяться для диагностики акустических характеристик камер сгорания различных энергетических установок в рабочем режиме, а при создании обратной связи - используются также для активного управления (подавления уровня «шума» и резонансных частот).

Заключение.

В заключении необходимо отметить, что ЭГД механизмы воздействия могут бьпъ гораздо более существенны в количественном отношении при горении дисперсных систем, так как величина массовых Электрических сил при прочих равных условиях тем больше, чем больше масса носителей заряда. И если таким носителем является частичка, масса которой на много порядков превышает массу самого тяжелого иона, то, естественно, и эффект воздействия будет намного выше

Другое применение электромагнитного поля - электрофизические аспекты самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Этим методом уже сейчас получено большое количество соединений, обладающих такими свойствами как тугоплавкость, высокие изоляционные характеристики, жаропрочность, сверхпроводимость и т.д. И именно здесь возможности активного воздействия с помощью электрических (и магнитных) полей становятся особенно актуарными.

Исходная шихта и продукты синтеза могут различаться удельным сопротивлением (вследствии отличия в температурах) и природой электрической проводимости или магнитной проницаемости (металл, полупроводник, диэлектрик). Поэтому в зависимости от того, как приложено постоянное или переменное напряжение, можно эффективно «распределять» электрическую энергию совершенно по-разному в исходной шихте и зоне химических реакций или в расплаве. Это позволит, по-видимому, не только расширить пределы распространения СВС-процесса и, соответсвенко, экономить дорогостоящие исходные материалы, но и влиять на его устойчивость, управлять режимами распространения волны, сочетать процесс получения продуктов методом СВС с поверхностной закалкой токами высокой частоты и т.д.

Заметим, что СВС-процесс можно проводить и в газовой фазе - в потоке продуктов сгорания. Замена плазмотрона электрогазовыми горелками или локализованным высокочастотным электрическим разрядом приводит - при прочих равных условиях - к значительному снижению энергозатрат. Энергетикой процесса можно управлять практически безынерционно и в нужном диапазоне температур.

О с полное содержание работы отряжено в следующих публикациях:

1. Кидин H.H., Либроаич В.Б. О собственном электрическом поле ламинарного пламени. // Физика горения и взрыва. 1974. 10, 5. с.696-704.

2. Кидин НИ., Либрович В,Б. О собственном электрическом поле ламинарного пламени. // Archivum spalania. 1974. 5,3, p.261-274,

3. Кидин H.H., Либрович В.Б. О собственном электрическом поле ламинарного пламени // I Всесоюзная пткола но теории горения. Авторефераты докладов. Томск, 1975. с,5-7.

4. (Сияин H.H., Либрович В,Б. Электрические свойства ламинарных пламен.//ПрепринтN51, М.,Ин-т Проблем Механики АН СССР, 1975, 55с

5. Кидин H.H., Либрович В.Б., Махвиладзе Г,М. Собственные электрические с во иста ламинарных пламен/' Депонирована р. ВИНИТИ АН СССР, per.N 1964-75, J975. 4S с.

6. Кидин Н.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Электрогазодинамика пламени. II Всесоюзная шко ла-коиференнп я по теортти горения. Звенигород. Тезисы докладов. 1975. с.30-33.

7. Kidin N.L, Librovich V.B., Mafchvijadze G.M. On the Electrogasdynamic Properties of Fiâmes, il Ytii International Colloque on Gas dynamics of Explosion nd Rcacrive Systems (abstr). Bourger, 1975. p. 10

8. Кидин Н И. Электрические свойства ламинарных пламен, // Каид.Дисс. ИПМ АН СССР, МФТИ, 1975.171 с.

9. Кидин H.H. Электрические свойства ламинарных пламен. // Автореферат канддисс. ИПМ АН СССР, МФТИ, 1975. 15с.

10. Кидин H.H., Либрович В.Б. Ламинарное пламя в постоянном электрическом поле . // В сб.: "Физика горения и методы ее исследования". - ЧГУ им.Ульянова, Чебоксары, 1976, 12,6, с.3-11.

И. Кидин НИ, Махвиладзе Г.М. Электрическое поле ламинарного пламени с большой степенью ионизации, // Физика горения и взрыва. 1976.

12, 6. с 865-871.

12 Кидин Н,Й„ Либрович В Б. Акустические свойства продуктов горения в электрическом поле.// Физика горения и взрыва. 1977 13, 5. с.659-666.

13, Кидин Н.И., Махвиладзе Г.М. Электрические свойства диффузионного пламени противонаправленных струй,// Инженерно-физический журнал. 1977, ХХХП. с.1034-1042.

14, Кидин H.H., Либрович В,Б. Распространение акустических волн н образующемся при горении в электрическом поле заряженном газе// В сб.

Физика горения и методы ее исследования". Чебоксары, 1977, вып.7. е.29

42.

15. Кидин ШТ., Либрович В.Е. Акустика заряженного газа при горении в электрическом ноле,// Archíwum Öiermodinamiki i spaiania. 1977. 8, 2. p. 175186.

16. С.А.Лбруков, А.Р.Абульхапов, В.И.Борисов, [1.И.Кидин, В .Б Либрович, П.И.Максимов, Н.А.Медведев, В .А. Огуречников, С.П.Сашшков; Исследование электроакустического резонатора на "ноющем пламени" в постоянном и переменном электрических полях.// V Всес.симпозиум по горению и взрыву. Тезисы Докладов. - Черноголовка, Одесса, 1977.- с.78

17. S.A.Abrukov, A.R.Abulkhanov, V.P.Borisov, N.l.Kidin, V.B.Ljbrovich, N.N.Viaksimov, N. A.Med vedev, V.A.Ogureclmokov, S.P Sannikov, Elcktroncousties of Combustion in Gases.// Vtli International Symposium on Combustion Processes.- Krakov. 1977 -p.187.

18. Кидин Н.И., Цьшкии Г.Г. О Нелинейных и линейных волновых процессах в электрод идродинамяке с учетом диффузии зарядов. //Прикладная механика и техническая физика. - 1979, 1, с. 105-114.

19. Кидин Н.П., Цыпкин Г.Г. Волновые электрогидродинамические процессы с учетом диффузии нарядов. ¿/Препринт Ин-та проблем механики АН СССР N103, 1978, 30 с.

20. Кидин Н.И., ЛибровИч В.К., Цыпкин Г.Г. Некоторые электрофизические аспекты горений твердого топлива, // I Всесоюзный сем hi jap по электрофизике горения. Тезисы докладов. Караганда, 1978, с.15-16,

21. Кидин H.I-L, Цыпкин ГГ. ЭГД-волны с учетом диффузии зарядов, /Л Всесоюзный семинар по электрофизике горения. Тстси дою/адов Караганда, 1978, 16-18.

22. Абруков С.А., Борисов В.И,, Кидин Н.И., Либрович В.Б., Медведев R.A. Исследование акустического излучателя на горении s электрическом поле. //П Всесоюзный семинар по электрофизике горения. Тезисы докладов. Караганда, 1979, с.40-42.

23. Kidin NX, Medvedev N., Roberts J., Viullermoz M. A Spliericaiiy Symmetrical Model for Sound Emission from an Oscillating Arc in Combustion Flow. //Acoustics Letters. 1980. 3,12. p.212-214.

24 Кидин И.И., Цыпкин Г.Г. О волнах Римана в зиектродинамико. //Доклады Академии наук СССР. 19S1. 260, 47 с.818-821. 25. Кидин Н.И., Цыпкин Г.Г. Простые электрпгидродииамические волны. //Инженерно-физический журнал. 1982, ХТТГI с.72-77.

26. Кндин Н.И., Либрович В.Б., Цыпкш Г.Г. Различные модели и механизмы излучения звука в электрогидродинамических течениях и электрическом разряде в зоне горения. //IV Всесоюзный семинар по электрофизике горения. Тезисы докладов. Караганда, 1981, с.(5.1-64.

27. Кидин Н.И., Цьшкш Г.Г. Электрогидродинамические волны Риманова и альфеновского типа, //IV Всесоюзный семинар по электрофизике горения. Тезисы докладов. Караганда, 1981. с.65.

28. Кидин И,И.Т Цьплсйн Г.Г Несгаттионарные электрогидродинамичеекис явления при горении газов и аэровзвесей. //V Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Алма-Ата, Наука, 1981, с.186-187, 29 Kidin N.I., Librovicb V., Tsypkm G. Non-linear EkciTohydTodynamic wave processes in gas and airdusr combustion. I/VU International Symposium on Combustion Processes, .lab, 1981, p.27,

30. Kidin N T., Librovich V.B., Roberts J., Vuiliermoz M. On Sound Emission Excited by a Modulated Electric Discharge Localized in a Combustion ¿one. /¡'VVU international Coltoqium on Gasdynamics of Explosions and Reactive Systems. 1981, p.67.

31. Abrukov S. Kidin N.l. Librovich V.B., Medvedev N., .Roberts J., Vuillennoz M. On the use of a sound probe technique for investigating the acoustic characteristics of a model combustion chamber, //Archivmn Combustions, 1983. 3,1, p.47-64.

32. Kidin N.l, Roberts J., Vuiliermoz M. Details of a theoretical model for sound output from an electrical arc discharge. Technical Memorandum N 0 78, //Inst, of Environmental Science and Technology, Polytechnic of the South Bank. London,

33. Kidin N.l., Librovich V.8., Roberts J., Vuiliermoz M Theoretical Model for So mid Output from a Pulsating Arc Discharge. //Progress in Astronautics, 1983 88, p 305-315.

34. Абруков С.А., Афанасьев В.В., Кидин П.И., Либрович В,Б., Максимов Н.Н., Медведев НА. Диагностика акустических свойств модельной камеры сгорания с помощью модулированного электрического разряда, локализованного в зоне горения. //Семинар "Механика и физика газовых потоков. (Аэродинамика горения газов)". - Рига, 1981, с.3-4.

35. Кидин Н И., Цыпкин Г.Г. Различные механизмы воздействия на пламя эпекгрического ноля и их моделирование. //V Всесоюзный семинар по электрофизике горения. Тезисы докладов. - Караганда, 1982, с.70-71.

36. Кидин Н.И, Об электроразрядных явлениях при горении и дегонации газовых и диспергированных смесей. //V Всесоюзный семинар по электрофизике горения. Тезисы докладов. - Караганда, 1982, с.70.

37. Афанасьев ВВ., Кидин И.И., Медведев H.A., Петухов В.Е. Исследование акустических характеристик модулированного ВЧ-разряда. //В сб. "Физика горения и методы ее исследования". - ЧТУ им.Ульянова, Чебоксары, вып.12, 1982.

38. Афанасьев В.В., Кидин Н.И., Медведев H.A. Исследование акустических волн, излучаемых модулированным ВЧ-разрядом в пламени. /ÍV Всесоюзный семинар по электрофизике горения. Тезисы докладов. Караганда, 1982, с.66-67.

39. Кидин Н.И., Либрович В.Б. О роли заряженных частиц и электрических разрядов при взрывах и детонации пылей. //Ш Miedzynarodowa szkola wybuchowosch pylow przemyslowych, Turawa, 1982, p.11-21.

40. Кидин Н.И., Либрович В.Б. О механизме излучения звука турбулентным газовым пламенем. //VII Всесоюзный симпозиум по горению и взрыву. Черноголовка, 1983.

41. Кидин Н.И., Либрович В.Б, О механизме излучения звука турбулентным газовым пламенем. //Физика горения и взрыва, 1983. - 19,4, с.13-17.

42. Kidin N.I., Libro vieil V.B., Roberts J., Vuillermoz. On sound sources in turbulent combustion. /ЛХ Int. Colloquim on Dynamics of Explosions and Reactive Systems. - Poitiers, 1983, p.127.

43. Kidin N.I., Librovich V.B., Roberts J., Vuillermoz M. Stability diagnosis in combustion systems using an arc sound source. //Workshop on Gas Flame Structure USSR. - Novosibirsk, 1983,11 p,

44. Кидин Н.И., Филимонов И. А,, Цыпкин Г.Г. О свойствах автомодельных решений системы одномерных уравнений электрогидродинамики. /НУ Всесоюз. семинар по электрофизике горения. Тезисы докладов. Караганда, 1983, с.17.

45. Афанасьев В.В., Кидин Н.И., Либрович В.Б. Излучение акустических волн модулированным ВЧ-разрядом в газовом потоке, MV Всесоюз. семинар по электрофизике горения. Тезисы докладов. Караганда, 1983, с.17.

46. Кидин Н.И. Механизм взаимодействия заряженных частиц и электрические разряды при детонации аэровзвесей. //В сб. "Физика аэродисперсных систем" ОГУ им. Мечникова. Киев-Одесса, Вища школа, 1985.-Вып. 28, с.80-85.

47. Кидин Н.И., Либрович В.Б. Излучение звука турбулентным газовым пламенем как источник информации о его структуре. //Совещание рабочей группы "Механика и физика плазмы и газовых потоков". София, 1983, с.22.

48, Кидин И.И., Либрович В.Б., Роберте Дж.П., Вуллермоз М.Л. Об источниках звука при турбулентном горении. //В сб. "Структура газофазных пламен". Новосибирск, 1984, ч.2, с.)44-150.

49 Кидин Н.И., Либрович ВВ., Роберте Дж.П., Вуллермоз М.Л, Диагностика устойчивости систем с горением, возбуждаемых дуговым источником звука. //В сб."Структура газофазных пламен" Новосибирск, 1984,ч.2, с.69-80.

50. Авторское свидетельство N 191191 от 1 августа 1983 г. //С.А.Абруков, ВJ3.Афанасьев, Р.А.Гафуров, Н И Кидин, В.Б.Либрович, Н.Л.Медведев: Заявка Ы 3045425. Приоритет 21 июня 1982 г.

51 Кидин Н,И., Либрович В.Б. Излучение звука турбулентным пламенем как источник информации о его структуре. // В сб. "Исследование процессов неустойчивого горения", Чебоксары, ЧТУ им .Ульянова, 1984, с. 70-82.

52. Кидин Н.И. Об излучении акустических волн электрическим разрядом в зоне горения. //В сб. "Исследование процессов неустойчивого горения" Чебоксары, ЧТУ им.Ульянова, 1984, с 125-132,

53. Dalainagas В., Kidin N.I., Roberts J., Vuillermoz. Noise Producing Mechanism in Turbulent Gas Combustion. //"Combustion Generated Noise and its Suoression", Proc. Inst, of Acoustics, 1984, vol.6, p.l, 208-211,

54. Daiamagas B , Kidin N.I. Roberts J., Vuillermoz M. Laboratory Investigation of Fundamental Noise Producing Mechanisms in Gaseous. Combustion //"Aeonstics-85" Spring Conference and Exhibition. York, 1985, Proc. lust, of Acoustics, 1985, vol.7, p.2, 427-433.

55. Dalamagas В., Kidin N.I., Roberts J., Vuillermoz M. On sound sources in turbulent combustion. «(Dynamics of Flame and Reactive Systems» Progress in Astronautics and Aeronautics, v 95, 1984, p.343-355.

56. Kidin N.I., Medvedev R, Roberts У, Vtiillennoz M., Radio-frequency arc discharge as a diagnostic and control element for combustion systems instabilities, vm Int. Cotif. On Gas Discharges and their Applications. Oxford, 1985, p. 12-19

57. Dalamagas В., Kidin N.L, Librovich V., Roberts J., VuOlermoz M. Non-linear acoustic sources in combustion and correlation with other wave emission processes, X hit,Colloq. On Dynamics of Expo si on s and Reactive Systems, Berkley, 1985, Abstracts, p.31

58. Кидин Н.И. Генерация звука модулированным электрическим разрядом, локализованным в зоне горения. «Физика горения и взрыва», 1985, N 3, 2630.

59. Кидин И.И., Китаев А.И., Кузьмин А.К., Медведев H.A., Исследование акустических свойств модулированного ВЧ-разряда в пламени. VIII научно-практический семинар «Электрофизика горения», Караганда, 1985, тез. докл.

60. Н.И.Кидин, В.Б.Либрович, Пламя и электромагнитное поле. Журнал «Энергия» Президиума АН СССР, 1985, N4, с.10-16.

61. Кидин НИ., Фиалков А.Б., К теории метода определения первичных и промежуточных ионов в основной зоне хемоионизации пламени, IX научно-практический семинар «Электрофизика горения», Караганда, 1986, Тез. докл., с.34

62. Кидин Н.И., Теоретические исследования электрофизических, электрогазо- и гидродинамических аспектов горения. IX научно-практический семинар «Электрофизика горения», Караганда, 1986, Тез. докл., с.35

63. Кидин Н.И., Китаев А.И., Кузьмин А.И., Гафуров P.A., Либрович В.Б., Медведев H.A. Анализ резонансных колебаний в горелочных системах с помощью источника внешних динамических возмущений. IX научно-практический семинар «Электрофизика горения», Караганда, 1986, Тез. докл., с.48

64. Кидин Н.И., Китаев А.И., Гафуров P.A., Медведев H.A. Частотные характеристики плазмотронов с различными катодами. IX научно-практический семинар «Электрофизика горения», Караганда, 1986, Тез. докл., с.49

65. Кидин Н.И., Медведев H.A., Вуллермоз М.Л., Дж. П. Роберте, Радиочастотный модулированный разряд как средство контроля неустойчивости горелочных систем. Сб. «Структура газофазных пламен». Материалы П Межд.семинара по структуре газофазных пламен. Новосибирск, 1986., с.236-241.

66. Kidin N.I., Librovich V., Medvedev N., Roberts J., Vuiliermoz M. An AntiSound Technique for Controlling Combustion Systems Instabilities, ibid. c. 229235.

67. Кидин Н.И., Афанасьев B.B. О переменной составляющей тока при резонансном горении в постоянном электрическом поле. Физика горения и взрыва, 1986,1, с. 65-71.

68. Кидин Н.И., Филимонов И.А. Спонтанное распространение фронта экзотермической реакции в условиях джоулева подогрева. X Научно-практический семинар по электрофизике горения, Караганда, 1987, с. 29

69. Кидин Н И. Медведев Н.Л., Китаев А.И., Кузьмин А.К. Исследование снеклра колебаний давления в гармоничной системе с шмотью модулированного электрического разряда. У Научно-практический семинар но электрофизике горения, Караганда, 1987, с. 99

70. Kidin N.I., Macquisíen М., Librovich V., Roberts J., Vutllermoz M. Possible Acoustic Sources in Turbulent Combustion, Abstraéis of (be XI Int. Colloquim on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Poland, 1987.

71. Kidin N.I., Macquisíen M., Librovich V., Roberts J., Vuiilermoz M. Possible Acouslic Sources in Turbulent Combustion ((Progress in Astronautics and Aeronautics»(v.ll3), 1988, Dynamics ofReactive Systems, Part I: Flames, pp. 336-348,

72. Кидин Н И,, Китаев А.И., Кузьмин А.И., Гафуров Р.А., Медведев Н А. Электроакустические характеристики ВЧ-дугового плазмотрона. Сб. «Физика аэродисперсных систем», ОГУ, 1988, с.32-36.

73. Kidin N.I,, Librovich V., Makliviladze G.3 Myshenkov V, Some aspects of the electrogas dynamics of combustion. Abstraéis of the VI 1COGERS, Sweden Stockholm, 1977.

74. Adams D., Coigrave P., Kidin N.Í., Roberts J., Vuiilermoz M. Non-linear acoustic driving mechanisms as a source of resonans in combustion chambers. Ill Int. Seminaron Flame Structure, Alma-Ata, 1989. Book of abstracts, p.7-19.

75. Adams D., Coigrave P., Kidin N.Í., Robots J., Vuiilermoz M. Non-linear acoustic driving mechanisms as a source of resonans in combustion chambers. Book «Flame structure», Novosibirsk, «Nauka»,v.l, 1991, p.400-403.

76. Афанасьев B.B., Терентъев A.A., Абруко» С.А., Кидин Н.И., Сафин Р.С., Фрост R A. Воздействие электрических разрядов на зону горения углеводородных топлив. YT Всесоюзп. сем. но эл. обр. материалов Кишинев, 1990г., с. 300-303.

77. Кидин Н.И., Филимонов И. А О ширине зоны интенсивного тепловыделения химической реакции и способы воздействия на ее величину. Сб. «Горение и электродинамические явления», ЧТУ им. Н.И.Ульянова, 1990, с 4-9.

78. Теренгьев А.А., Кидин Н.И., Афанасьев В.В., Гафуров Р.А. Влияние состава смеси на ампл -частотные характеристики углеводородных топлив. Тез. 14 Всесоюзи. семинара но электрофизике горения. Челябинск. 1991, с. 52.

79. Gillespi А., КЫшШ., Roberts J,, Vuiliensoz М. The Control of Combustion System Instabilities Using Adaptive Feedback. Joint Meeting of Sov. And Italian Sections of the Combustion Inst., Pisa, 1990, p. 320-323.

80. Afkriasiev V.V., Gafurov R.A., Kidin N.I., Frost V.A., Terentiev A.A. Diagnostics and Controlc of Instabilities in Combustors by Electrical Discharges and Plasma Jets. Abstracts of 13th ICDERS, Nagoya, 1991, p. 163

81. Афанасьев B.B., Виллермоуз M., Кидин Н.И., Медведев Н.А., Роберте Дж.; Терентьев А.А., Фрост В.А. Диагностика неустойчивости и управление процессом горения в энергетических установках физическими методами// Тез. докл. X симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка. 1992.

82. Китаев А.И., Абруков С А.» Кидин Н И., Медведев Н.А. О диагностике и управлении неустойчивостью в камерах сгорания с помощью модулированного плазмотрона // Тез. докл. X симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка. 1992.

83. Китаев А.И., Абруков С.А., Гафуров Р.А., Кидин Н.И. Положительное решение по заявке N 4937991/28, МКИ 01 Н 17/00. Способ определения резонансных частот камеры сгорания. 1992.

84. Afanasiev V.V., Frost V.A., Kidin N.I., Kitaev A.I., Terentiev A,A., Vuillennoz M. On Diagnostics and Control of Acoustic Instabilities in Combustors by Physical Methods. Abstracts of the XIV ICDERS Portugale, 1993.

85. Kidin N.I., Roberts J., Vuillennoz M. Active controls of combustion system instabilities. Proc. Inst. Of Acoustics, p.! 1(9), 1989, p. 365-376.

86. Kidin N.I., Roberts J., Vuillennoz M. Non-linearity in pyro-acoustic amplification. Proc. Inst. Of Acoustics, p. 11(9), 1989, p. 377-385,

87. Афанасьев В .В. Кидин Н.И,, Гафуров Р.А., Терентьев А.А. Влияние состава смеси на амплитудно-частотные характеристики углеводородных топлив. Тез. XIV Всесоюзн. Семинара по электрофизике горения, Челябинск, 1991, с.52.

88. Афанасьев В.В., Кидин II.И., Медведев Н.А., Петухов В.Е., Абруков С.А. Переменная составляющая электрического тока при резонансном горении в постоянном электрическом поле. В сб.: Горение в потоке. Казань. КАИ, 1986г.

89. Кидин Н.И., Медведев Н.А. Модулированный электрический разряд пламени с дисперсной добавкой как средство управления резонансным горением. Сб.: Физика аэродисперсных систем. 1987г., Киев, с. 14.

90. Абруков С.А., Афанасьев В.В., Гафуров Р.А., Кидин Н.И., Кузьмин А.К., Терентьев А.А. Влияние электрических разрядов на рабочий процесс в энергетических установках. Ш Всесоюзн. шк.-сем. по макроскопической кинетике, хим. и маг. газодинамике. Томск-Красноярск, 1990г.

91. Абруков С.А. Афанасьев В.В., Терентьев А.А., Кидин Н.И., Николаев Л.Н. О возможности прогнозирования акустической неустойчивости горения в камерах сгорания топливосжигающих устройств // Тез. докл. научи.-техн. семинара "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика", КВВКИУРВ. Казань, 1993г„ стр. 21-23.

92. Afanasyev V.V., Terentycv А.А., Kidin N.I. On tlie predictability of the stability of burning in combustion chambers of power systems International Conference on Combustion, Moscow, St.-Petersburg, 1993, p.58.

93. Afanasycv V.V., Kitaev A.I., Kuzmin A.K., Frost V.A., Kidm N.I. Diagnostics and Control of Acoustic in Combustors by Physical Methods // 25th sintem. Symp. on Combustion, Abstracts of Work-in-Progress poster session presentations The Combustion Institute, Pittsburgh, 1994, p.75,

94. Afanasyev V V., Ilyin S.V., Tarasov N.A., Kidin N.I Experimental Investigation into the Conditions of Excitation of a Laminar Kinetic Singing Maine. Abstracts of work-in-progr. 26th Int fiymp. On Combustion, Napoli, Campi Phlcgraci, 28 July, 1996,

95. Афанасьев В.В., Кидин II,И., Кузьмин А.К. Генерирование акустических колебаний зоной горения, помещенной в переменное электрическое поле. Мат XI Сим поз. по гор. и взрыву. Хнм физика проц. гор. и взрыва. Черноголовка, 1996, т. 1.4.1, с.98-104.

96. Афанасьев В В., Кидин НИ. К вопросу о механизме возбуждения ламинарного кинетического поющего пламени. Мат. X! Симпоз. по гор. и взрыву, Хнм. физика проц. гор. и взрыва. Черноголовка. 1996, т. 1.4.1, с. 7984.

97. Afanasyev V.V., Terentyev А.А., Kidin N.I. On Predictability of stationary combustion in power unit combustors. International Conference on Combustion (JCoc 93), Moscow-St .Peterburg, Russia, 1996, p.130-137.

98. N,Kidin, G.Roberts, M Vuillennoz. Acoustic Interactions Within the Combustion Process, in tfie book "Dynamics of Exothemiicity". Ed. R.J, Bowen. Gordon and Breach Publishers, 1995, pp,201 -229,

99. B.B. Афанасьев, С. А. Абруков, Н.И. Кидин, А.К. Кузьмин. Исследовагтие условий возбуждения ламинарного кинетического поющего пламени. ФГВ, 1995, т.31, 4, стр.34-39.

100. А.И.Китаев, С.А.Абруков, НИ. К л дин. Диагностика и управление неустойчивым горением в энергетических установках с помощью модулированного плазмотрона. ФГВ, 1995, т.З!, N 1, сгр.45-50,

101. V.V. Afanasiev, V.A. Frost, N.I. Kidin, A.I. Kitaev, A.A. Kuzmin. Diagnostics and Active Controle of Acoustic Instabilities in Combustors by Electrical Discharges and Plasma Gets. The IV International Symp. 011 Special Topics in Chemical Propulsion. Challenges in Combustion and Propellants - 100 Years after Nobel. Stockholm, Sweden, 1996, p. 152.

102. V.V. Afanasiev, V.A. Frost, N.I. Kidin, A.I. Kitaev, A.A. Kuzmin. Diagnostics and Active Controle of Acoustic Instabilities in Combustors by Electrical Discharges and Plasma Gets. In the book «Challenges in Combustion and Propellants - 100 Years after Nobel.» Ed. K.Kuo, Beggel House, Inc. 1997, 20pp.

103. N.I. Kidin,V.V. Afanasiev, S.V.llyin Active Control of Combustion Instabilities by Electric Discharges. Tenth QNR Propulsion Meeting. NPS, Monterey, 1997, 118-119.

104. V.V. Afanasiev, N.I. Kidin. Diagnostics and Active Control of Combustors by Physical Methods. 1st Meeting of Creek Section of the Combustion Institute. Athen, 1997, lp.

Рис 1. Распределение кошдагграшт положительных ионов (сплошная кривая) и электронов (пунктирная кривая ) в ламинарном пламени, распространяющемся по смеси заранее перемешанных газов Вертикальными пунктирными прямыми помечены условные границы между зоной холодного газ» (область I), зоной прогрева (область И), заной рекомбинации наряженных частиц (область Ш) и мной продуктов горения (область IV). Двойной пунктир при х-0 обозначает положешгс узкой зоны химической реакции, в которой происходит хсмавояюация.

Рис.2. Пространственные распределения электронов п,, ионов п, и напряженности внутреннего электрического поля Е во фронте высокоионизованного ламинарного пламени. Двойной пунктир при х = 0 соответствует положению узкой зоны хемоионизации. Пунктирные кривые - истинные распределения концентраций электронов и .напряженности электрического поля. Сплошные кусочно-гладкие кривые - распределения заряженных частиц и напряженности внутреннего электрического поля, полученное аналитически. т у и/ X Иг -Не V

Л X

Рис, 3 Распределение температуры Т. концентрации иенои щ и электронов пс, объемного заряда п, -г^ н напряженности собственного электрическою ноля Е в пламени с малой степенью ионизации - первое приближение а разложении по малому параметру е - (гц - энергетический коэффициент Таунсёвда). струй окислителя ( 0 ) и горючего ( Г ); заштрихованная область в плоскости X = 0 собственного электрического поля ( Е, Е, ) в высокоионизованном диффузионном пламени противонаправленных цилиндрических струй окислителя и горючего.

Рис, 6 Ионизашгонно-термнчевкая структура ламинарного фронта пламени, исследованная в работе Д.А.Гусака, Е.С.Семенова (IV Всесоюзный Симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 1974, Аннотации докладов, с, 37; ФГВ, 1975. 11,6, КЗО

838).

Рис. 7. Распределения концентраций заряженных частиц ( п^ , гч ) и температуры Т при распространении пламени в постоянном продольном электрическом поле. А и Б -сетчатые электроды, расположенные на расстоянии Ь от фронта пламени, на которые подается постоянное напряжение. Двойной пунктир при х = 0 -положение зоны реакций хемоионизации 1,2- прогретый слой пламени, 3 - зона рекомбинации, 4 и 5 -зоны реагентов и продуктов сгорания на достаточном удалении от фронта пламени, где можно пренебречь диффузионными процессами. Индексы 0 и 1 вверху относятся соответственно к случаям, когда на электроды не подается напряжение (внешнее электрическое поле отсутствует) и когда левый электрод заряжен положительно.

60

Рис. $ Л ростра нстненные раслрезелсшw напряженности электрического поля в случае слабых Hs) н Сильных Е, полей Е* - распределение напряженности а ну грен него Электрического поля.

Рис. 9. Распределение напряженности Е и потенциала V электрического поля, а также

Е2 ~Ег электрогидродинамического давления Др =-- вне фронта ламинарного пламени

- решение внешней задачи. В области [-Ь,0] присутствуют электроны, п, - 0; в области х>0 [0,Ь] - ионы Пс = 0. Относительные масштабы изменения величин в электронной (х<0) и ионной (х>0) областях отличаются примерно в раз.

Рис. 10 Взаимодействие внешнего Е[ и внутреннего Во электрических полей. Штрихом нанесены распределения концентраций заряженных частиц и напряженности собственного электрического поля, когда внешнее поле отсутствует Более топкие линии показывают распределения концентраций заряженных частиц И напряженности поля при увеличении приложенной разности потенциалов; к = 0 - юна хемоионнзашш

Рис 1! Распределения концентраций электронов г^ и ионов п во фронте ламинарного пламени в сильных электрических полях при переходе к токам насыщения; плоскость х = 0 - зона хемоио низании r

A £

УстсОчаССить 1 I

Рис. 13 Гидродинамическая устойчивость пламени в поле постоянного ускорения. О -параметр ускорения; к - волновое число возмущений, кс -- характерное волновое число, определенное по ширине прогретого слои пламени; к / 1 - граница устойчивости, когда ускорения нет {<5=0 ) А

Рнс. 14 Распространение г.пгмени в горизокшяыгай тру&е- в продольном электрическом поле (146) н без поля (14а) при поджигании горючей смеси в центре трубы (Г. Д. Саламандра).

Рис. 15. Распространение бегущих вдоль поверхности пламени волн, аналогичных гравитационным волнам в тяжелой жидкости. Массовая электрическая сила над поверхностью пламени уравновешивает действие силы тяжести. Под поверхностью сила тяжести эффективно увеличивается. При р^ = £ - жидкость под поверхностью пламени можно рассматривать как тяжелую. = -«п«Ж , = ^-р- при * = 0, и, з - ^ л р 0 к

Рис. 16 Простейший акустический резонатор Заштрихованная область - зона горе нет. На расст оянии 1! от зоны горения располош& сетчатый электрод, на который подается постоянное и переменное напряжений; Ь- длина трубы.

Рис. 17. Эволюция «горба» потенциала, для которого также можно получить уравнение Бюргерса. Более крутой профиль соответствует большей по абсолютной величине постоянной интегрирования в решении. Со временем импульс расплывается.

Рис. 18. Эволюция импульса треугольной формы для напряженности электрического поля. Заштрихованная площадь остается постоянной.

68

Рис 19. Область 1: /Ш > ^пР/р, область 2: /ЬЕ/ < фтРТр, штриховая линия -, нулевая шОклина: /ЬЕ/ = -¡¡пР! р, на которой скорости распространения малых возмущений совпадают о О А

Рис. 20. Схематическое изображение динамики изменения формы и «исчезновения» возмущенного акустическим излучателем пламени на бунзеновской горелке. г\.

Т " I *

Рис. 21. Осцилограмма записи звукового давления на расстоянии 60 см от бунзеновской горелки. Первый пик соответствует видимому «исчезновению» ножки «гриба» (или шейки пламени), второй - «исчезновению» сферического пламени, распространяющегося внутрь.

Рис 22 Схематическое изображение излучения звука в слаботурбулсктном (или сморщенном) пламени

Рис, 23. Шл I ipe > i-фото I рафия открыт го турбулентного пламени.

K N.Btay '(Turbulent flows with premiNed reactants» in book «Turbulent Reacting Plows»,

Ed Libby PA ami Williams F, A Springer-Verlag{ 1980), p ¡15)

71 г

0, 2 0. 4 0-5 в. s

BUBBLE RADIUS PRIOR EXPLOSION

Рис. 24. Экспериментальные данные по измерению максимума акустического давления как функции радиуса сферы в момент видимого «исчезновения» для городского (натурального) газа (воздух/газ =4.58 : 1)

LU 3

СП

СО

Ш '

IX а. со о

CJ <

С 21.21 X by volume N. G. С. >

LENGTH OF NECK PRIOR EXPLOSION - mrr mm X в

Рис. 25. Максимальное акустическое давление как функция длины шейки пламени в момент видимого «исчезновения» (воздух /газ = 3.171:1)

Рис. 26. Экспериментальные данные но корреляции между излучением звуковой волны (верхние о с пило граммы) и изменением светового потока 0'1 пламени (Нижние осцилограммы)

Рис. 27. Качественные зависимости мощности излучаемого звука от частоты приложенного переменного напряжения (частоты модуляции) для случая сферической (¡3=0) и цилиндрической (Р 0) симметрии. 2 k

ГЧ £ j о л

Рис. 2S. Экспериментальные данные по измерению уровня акустического дайлеяия для бедного бутане-(шздуштгого пламени как функция квадрата мощности приложенного напряженно по ——---

105

I 95 сч £С а

Z & is 0|J

I # 1

S 7а

TJ g 65 ъш

50 55

50

Як 0.К ' .400 №«)

FCM^itlYi^

Рис. 29 Типичный спектр акустического давления при постоянной электрической мощности с использованием трехоктавного цифрового епеюрализатора (Bmel&Kjat'r

Рис. 30. Спектр колебаний давления у сопла керосино-кислородного струйного двигателя.

Рис. 31. Спектр колебаний давления в камере сгорания около инжектора топлива для керосино-кислородного струйного двигателя.

76

1С«

МГ[ ^

0.0 0,5 1,0 1.5 2,0 2"5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 кНг ' РКЕСУЕМСУ

Рнс, 32. Возбуждение резонансных частот в камере сгорания и их подавлении при использовании обратной связи (область А по времени).

Рис 33. а) экспериментальные данные по временной зависимости уровне колебаний давления Р, тока I и напряжения II б) зависимость величины амплитуды колебаний давления для различных гармоник от врсмени.(использовалась многофорсуночная звездообразная форсунка для пропано-кислоролнон смеси с коаксиальным угольным электродом).

0.3 1.0 1.9- 2.6 3.4 4.2 5.0 РНЕОиЕМСУ (кНг)

Рис. 34. Отклик (избирательная чувствительность) зоны горения пропано-воздушного пламени по отношению к возмущениям от .модулированного разряда как функция концентрации и соответствующая топограмма процесса.

78 с <0 о 0° * (К <г~ О ? а \ <) ■> 0 ¿и

--Та ^ 5' а £ ' <3 { <е) "С ж Щ ж I > г | V да Я

Ж и* ) г о § 4 X 0 а * 4\ ) дд! Ш

0.3 1.0 1.9 2.6 3.4 4.2 РЯЕОиЕЫСУ (кНг)

Рис. 35. Отклик (избирательная чувств стельность) зоны горения бензиио- воздушного пламени и соответствующая томограмма.

7 9

Рис. 36. Спектр колебаний давления в резонансной трубе при изменении длины для пропано-воздушной смеси.

Рис. 37. Спектр колебаний давления в резонансной трубе при изменении длины для бензино-воздушной смеси.

Рис 36. Спектр колебании давления в резонансной трубе при изменении длины для пропано-воздушной смеси.

Рис. 37 Спектр колебаний давления в резонансной трубе при изменении длины для бензино-воздушной смеси.

Кидин Николай Иванович

Зяектрогидро- и газодинамика горений;

Диссертации в виде научного доклада ли соискание ученой с тепени доктора физико-математических наук.

Подписано к печати 12 ноября 1997 г. Заказ N 55-97. Тираж 100 экз. Отпечатано иа ризографе Института проблем мехагптки РАН Москва, 117526, проспект Вернадского, 101