Плазменно-стимулированное воспламенение высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Константиновский, Роман Сергеевич

• Константиновский, Роман Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Константиновский, Роман Сергеевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор литературы

Глава 2. Экспериментальная установка и методы диагностики

Глава 3. Воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков в

условиях низкотемпературной плазмы газового разряда

§3.1. Импульсный поперечный электродный разряд

§ 3.2. Каверна как способ стабилизации горения сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях поперечного электродного разряда

постоянного тока

§ 3.3. Воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях

свободно локализованного СВЧ-разряд

§ 3.4. Влияние поверхностного СВЧ-разряда на воспламенение

высокоскоростного пропан-воздушного потока

§ 3.5. Комбинированный СВЧ-разряд в высокоскоростном пропан-воздушном

потоке

Глава 4. Моделирование воспламенения газовых топливных смесей в условиях

поверхностного СВЧ-разряда

§ 4.1. Численное моделирование в случае однородной смеси

§ 4.2. Численное моделирование сверхзвуковых течений с подводом тепла

электрическим разрядом

Глава 5. Результаты численного моделирования и сравнение с экспериментом

§5.1. Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой

пропан-воздушной смеси

§ 5.2. Воспламенение водородно-кислородной смеси

§ 5.3. Воспламенение пропан-воздушной смеси

§ 5.4. Влияние низкотемпературной плазмы на период индукции сверхзвуковой

пропан-воздушной смеси

§ 5.5. Применение программированного режима для уменьшения минимально

необходимого удельного энерговклада в воспламеняемую газовую смесь.. 85 § 5.6. Исследование основных механизмов воспламенения пропан-воздушной смеси в присутствии низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда

Выводы

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Плазменно-стимулированное воспламенение высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда»

Введение

Для развития современной авиации требуется поиск и разработка новых эффективных средств, позволяющих управлять характеристиками газового потока вблизи поверхности летательного аппарата, контролировать передачу тепла и массоперенос в пограничном слое, снижать поверхностное трение, задерживать ламинарно-турбулентный переход, управлять отрывом потока, уменьшать время воспламенения и управлять процессом горения сверхзвуковых потоков горючего в прямоточном двигателе. Одним из новых решений данных проблем является использование различного типа газовых разрядов. При этом для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов предлагается создавать перед ними и на их несущих поверхностях плазменные образования, а для целей уменьшения времени воспламенения горючего в гиперзвуковом прямоточном двигателе использовать неравновесную газоразрядную плазму.

В области сверхзвуковой плазменной аэродинамики различными научными группами в различных российских и зарубежных институтах проводятся интенсивные исследования, связанные с использованием газоразрядной плазмы для воспламенения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков. Изучаются разряды постоянного тока, наносекундные высоковольтные, микроволновые, высокочастотные разряды, создаваемые на поверхности диэлектрических тел либо в объеме газа. Интенсивно ведется математическое моделирование изучаемого явления. Возникла задача поиска оптимальных способов создания низкотемпературной плазмы в высокоскоростных потоках газа, изучения влияния газового разряда на газодинамические характеристики потока вблизи обтекаемого тела и выявления механизма быстрого воспламенения углеводородных топлив. Исследование влияния различных типов газовых разрядов на эти процессы актуально с точки зрения необходимости в условиях высокоскоростных потоков обеспечить быстрое объемное воспламенение углеводородного топлива, что актуально для развития современной авиации. Изучение процесса воспламенения и горения углеводородных смесей в условиях низкотемпературной плазмы важно как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, так и с точки зрения оптимизации плазмохимических процессов. Самостоятельные сверхвысокочастотные разряды, существующие при больших значениях приведенного электрического поля, являются одним из перспективных способов создания низкотемпературной плазмы для различных практических приложений, в частности, для решения задач сверхзвуковой

плазменной аэродинамики. СВЧ-разряды, создаваемые в молекулярных газах, приводят к эффективной диссоциации молекул, наработке активных радикалов и нагреву рабочей среды. Эти процессы в разрядах в горючих воздушно-углеводородных смесях могут привести к полному изменению первоначального состава, что связано, в частности, с процессами воспламенения и горения. Для более глубокого понимания физико-химических процессов, протекающих при воспламенении углеводородных смесей в газовой фазе с помощью низкотемпературной плазмы, актуальным является проведение как экспериментальных исследований, так и сопоставление их с расчетами в рамках физических моделей влияния СВЧ-разряда на инициирование горения.

Диссертация посвящена исследованию возможности применения неравновесной низкотемпературной плазмы самостоятельных поверхностного и объемного СВЧ-разрядов, а также импульсного поперечного электродного разряда для инициирования воспламенения сверхзвукового воздушно-углеводородного потока.

Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование фундаментальной научной проблемы, связанной с изучением физических процессов, протекающих в движущейся неравновесной низкотемпературной плазме, создаваемой в многокомпонентных смесях химически активных молекулярных газов с помощью самостоятельных сверхвысокочастотных и импульсных электродных разрядов.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

• реализация быстрого плазменно-стимулированного воспламенения и горения газообразных углеводородов с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы импульсного поперечного по отношению к газовому потоку электродного разряда, объемного свободно локализованного СВЧ-разряда и поверхностного СВЧ-разряда в высокоскоростных пропан-воздушных потоках;

• определение зависимости времени задержки воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха М= 2 от приведенного электрического поля в условиях нестационарной низкотемпературной газоразрядной плазмы;

• проведение математического моделирования с целью выявления основного механизма, ответственного за воспламенение углеводородного топлива в условиях газоразрядной плазмы поверхностного СВЧ-разряда.

Для решения поставленных задач применялись как бесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследования проводились с временным и пространственным разрешением с помощью диагностического комплекса, состоящего из монохроматоров и спектрографов с цифровой регистрацией спектра, блока зондовой

диагностики с цифровой регистрацией вольт-амперных характеристик, датчиков давления, термопар, установки теневой диагностики, рефракционных лазерных датчиков, системы измерения проводимости пламени, цифровых фотоаппаратов, высокоскоростной цифровой видеокамеры, цифровых осциллографов; компьютеров.

Математическое моделирование влияния низкотемпературной плазмы сверхвысокочастотного разряда на период индукции проводилось на основе разработанной в диссертации кинетической модели воспламенения водородно-кислородной и пропан-воздушной смеси в условиях неравновесной плазмы поверхностного СВЧ-разряда при учете влияния электрического поля на функцию распределения электронов по энергиям, на процессы диссоциации молекул и наработку активных радикалов, возбужденных и заряженных (электронов, положительных и отрицательных ионов) частиц.

Экспериментальные результаты получены с помощью комплекса независимых диагностических методик на различных экспериментальных установках, подтверждаются сравнением измеренных величин с результатами теоретических и экспериментальных работ других исследователей, а также данными численного моделирования. Таким образом, полученные результаты являются вполне обоснованными и достоверными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение сверхзвукового (М= 2) пропан-воздушного потока в условиях импульсного поперечного по отношению к газовому потоку электродного разряда, объемного свободно локализованного СВЧ-разряда и поверхностного СВЧ-разряда и проведено исследование этого явления;

- экспериментально получена зависимость времени воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока от приведенного электрического поля;

- впервые реализована стабилизация горения сверхзвукового пропан-воздушного потока внутри аэродинамического канала в условиях программированного СВЧ-разряда;

- на основе математического моделирования показано влияние плазменных эффектов на быстрое воспламенение углеводородного топлива в условиях низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ-разряда.

Полученные в работе результаты представляют не только академический интерес, но являются научной базой для выработки рекомендаций по использованию газоразрядной плазмы при создании летательных аппаратов нового поколения, в

частности для быстрого воспламенения и стабилизации горения сверхзвуковых воздушно-углеводородных потоков.

Автором проведены экспериментальные исследования влияния плазменных эффектов на процесс быстрого воспламенения в условиях плазмы импульсного поперечного по отношению к потоку электродного разряда, объемного и поверхностного СВЧ-разрядов, а также разработана программа расчета воспламенения в условиях самостоятельного СВЧ-разряда, проведено численное моделирование изучаемого явления и выполнен анализ полученных результатов. Квалификационная ценность результатов исследований признана российским и международным научными сообществами. Результаты, полученные автором и вошедшие в диссертацию, являлись базовыми для отчетов по грантам РФФИ (№ 05-02-16532-а, № 08-02-01251-а), по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН (Р-09) «Исследование вещества в экстремальных условиях», по проекту МНТЦ (№ 2248), по гранту Нидерландского научного общества №047-016.019) и гранту СКОБ (№ 1ШР-1514-МО-06). Вклад

соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим.

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, достоверность полученных результатов и личный вклад автора, а также приведены сведения об апробации работы и публикациях. Приведено краткое содержание работы.

В первой главе диссертации анализируются работы, посвященные экспериментальному изучению влияния низкотемпературной газоразрядной плазмы на воспламенение воздушно-углеводородных неподвижных смесей или их высокоскоростных потоков. Приведен также обзор теоретических работ, посвященных математическому моделированию автовоспламенения различных углеводородных топлив, и рассматриваются различные кинетические модели, используемые для расчета плазменно-стимулированного горения различных углеводородов в их смеси с кислородом или воздухом в условиях неподвижной среды, а также высокоскоростного потока.

Во второй главе диссертации описывается экспериментальная установка, использованная в данной работе, и методики измерений. Экспериментальная установка включает в себя вакуумную камеру, ресивер высокого давления воздуха, ресивер высокого давления пропана, систему для создания сверхзвукового потока, два магнетронных генератора, две системы для ввода СВЧ-энергии в камеру, цилиндрический и прямоугольный аэродинамические каналы, два высоковольтных источника питания,

систему синхронизации и диагностическую аппаратуру. Основой установки является откачиваемая металлическая цилиндрическая барокамера с внутренним диаметром 1 м и длиной 3 м. Вакуумная система позволяет проводить исследования в широком диапазоне давлений р= 10-760 Тор. Экспериментальная установка оснащена измерительной аппаратурой, позволяющей проводить исследования процесса воспламенения газообразных углеводородов. Диагностический комплекс состоит из цифровых монохроматоров и спектрографов, оптических рефракционных датчиков, импульсной теневой установки, коллимированных фотоэлектронных умножителей, электрических зондов, термопар, датчиков давления, системы для измерения проводимости пламени, двухпроводной линии, цифровых осциллографов, цифровых фото- и видеокамер и др.

В третьей главе диссертации исследовано воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков в условиях низкотемпературной плазмы газового разряда. В первом параграфе рассматривается воспламенение с помощью поперечного импульсно-периодического электродного разряда. Во втором параграфе рассмотрена стабилизация горения пропан-воздушного потока в условиях газоразрядной плазмы, создаваемой в аэродинамическом канале с каверной. В качестве застойной зоны в эксперименте использовалась прямоугольная каверна с различными отношениями длины Ь каверны к ее глубине к {ЫЬ - 1-10). В третьем параграфе приведены данные о плазменно-стимулированном воспламенении с помощью свободно локализованного СВЧ-разряда. Описание экспериментов по воспламенению с помощью поверхностного СВЧ-разряда приведено в четвертом параграфе. В конце главы приведено описание экспериментов по использованию для интенсификации и стабилизации горения сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси программированного СВЧ-разряда, создаваемого в различных застойных зонах аэродинамического канала.

Для выявления механизма, приводящего к воспламенению сверхзвукового пропан-воздушного потока в четвертой главе диссертации описываются математическая модель и программа расчета, позволяющие моделировать процесс автовоспламенения пропан-воздушной смеси при пристеночном выделении тепла, а также рассчитывать процесс плазменно-стимулированного горения водородно-кислородной и пропан-воздушной смесей.

В пятой главе диссертации представлены результаты математического моделирования и их сравнение с экспериментом. В этой же главе диссертации на основе сравнения результатов математического моделирования и экспериментальных данных по инициированию горения пропан-воздушного сверхзвукового потока в условиях

низкотемпературной плазмы, создаваемой различными разрядами, анализируется механизм быстрого плазменно-стимулированного воспламенения газообразных углеводородов. Проведен поиск наиболее существенных механизмов развития и замедления автовоспламенения пропан-воздушной смеси и инициации в условиях низкотемпературной плазмы поверхностного сверхвысокочастотного разряда и осуществлена редукция кинетической схемы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, в том числе: на Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 2003); на Всероссийской конференции по физической электроники (Махачкала, 2003); на Международных симпозиумах "Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике" (Санкт-Петербург, 2004, 2006); на Международных конференциях по физике слабоионизованных газов (Weakly Ionized Gases Workshops (USA) Reno, 2004, 2005, 2006, 2007, Orlando, 2009, 2010); на научных школах-конференциях "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Алушта, 2004, 2005, 2006, 2008); на Международных конференциях "Мощное СВЧ излучение в плазме" (Strong microwave in plasmas - Нижний Новгород, 2005, 2006); на Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2005, 2006, 2008, 2010); на Международных совещаниях по магнитной и плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Magneto-plasma-aerodynamics in aerospace applications - Москва, 2005, 2008, 2009, 2010); на международной конференции "СВЧ разряды: основные свойства и применения", (VI International Workshop "Microwave discharges: Fundamentals and applications" - Звенигород, 2006); на Международной конференции по термохимическим и газодинамическим явлениям (Thermophysical and gasdynamical phenomena - Киев, 2006), на Московской конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики" в рамках Российского Научного Форума "Демидовские чтения" (Москва, 2006); на научных конференциях МГУ "Ломоносовские чтения" (Москва, 2006, 2009, 2010, 2011) и на научных семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Основные результаты, включенные в диссертацию, представлены в 23 научных публикациях, в том числе: в 5 статьях в реферируемых научных журналах и в 18 статьях в книгах, сборниках, материалах международных и российских конференций.

1. В.М.Шибков, А.Ф.Александров, А.П.Ершов, А.А.Карачев, Р.С.Константиновский Роман, И.Б.Тимофеев, В.А.Черников, Л.В.Шибкова. Воспламенение сверхзвукового потока углеводородного топлива с помощью сверхвысокочастотных разрядов. // Вестник Московского университета, Серия 3. Физика. Астрономия. 2004, № 5, с. 67-69.

2. Р.С.Константиновский, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова. Влияние газового разряда на воспламенение водородно-кислородной смеси. // Кинетика и катализ, 2005, т. 46, № 6, с. 821-834.

3. В.М.Шибков, С.А.Двинин, А.П.Ершов, Р.С.Константиновский, О.С.Сурконт, В.А.Черников, Л.В.Шибкова. Поверхностный сверхвысокочастотный разряд в воздухе. // Физика плазмы, 2007, т. 33, № 1, с. 77-85.

4. В.М.Шибков, Л.В.Шибкова, А.А.Карачев, Р.С.Константиновский. Воспламенение с помощью поверхностного СВЧ-разряда жидких углеводородов в условиях высокоскоростных воздушных потоков. // Теплофизика высоких температур. 2010, т. 48, № 1 (приложение), с. 23-34.

5. В.М.Шибков, Л.В.Шибкова, В.Г.Громов, А.А.Карачев, Р.С.Константиновский. Влияние поверхностного СВЧ разряда на воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков. // Теплофизика высоких температур. 2011, т. 49, № 2, с. 163-176.

6. V.M.Shibkov, V.A.Chernikov, A.P.Ershov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, I.B.Timofeev, A.V.Yoskanyan, V.V.Zlobin. Propane-air mixture ignition with the help of the surface discharge. // International Conference on Physics of Low Temperature Plasma PLTP-03, Kiev, Ukraine, May 11-15, 2003. Invited Paper, p.1-6.

7. V.M.Shibkov, A.D.Abramova, V.A.Chernikov, A.P.Ershov, V.G.Gromov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, I.B.Timofeev, A.V.Voskanyan. Microwave discharges in supersonic plasma aerodynamics. // 42 AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 5-8 January 2004, Reno, Nevada, USA, 75-WIG-3, AIAA-2004-0513, p.1-11.

8. V.M.Shibkov, V.A.Chernikov, A.P.Ershov, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, V.V.Zlobin. Propane-butane-air mixture ignition and combustion in the aerodynamic channel with the stagnant zone. // 42 AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 5-8 January 2004, Reno, Nevada, USA, 123-WIG-5, AIAA-2004-0838, p. 1-9.

9. V.M.Shibkov, A.F.Alexandrov, V.A.Chernikov, V.G.Gromov, A.P.Ershov, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, I.B.Timofeev, V.V.Zlobin. Kinetics of the hydrocarbon fuels ignition under conditions of the gas discharge low temperature plasma. // Invited Report on IV Workshop "Thermochemical and plasma processes in aerodynamics. Saint-Petersburg, 12-14 July 2004, p. 1-8.

10. V.M.Shibkov, V.A.Chernikov, A.P.Ershov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, A.V.Voskanyan, V.V.Zlobin. Influence of low temperature non-equilibrium gas discharge plasma on ignition and burning of the supersonic flow of the combustible hydrocarbon fuels. // XV International Conference on MHD Energy Conversion and VI International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics. Moscow, Russia, May 24-27

2005, v.3,p.711-730.

11. В.М.Шибков, В.А.Черников, А.П.Ершов, А.А.Карачев, Р.С.Константиновский, Л.В.Шибкова, А.В.Восканян, В.В.Злобин. Влияние комбинированного СВЧ разряда и разряда постоянного тока на горение сверхзвукового потока углеводородного топлива. // Доклад на 3-ей научной школе-конференции "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", г.Алушта, Крым, 19-25 сентября 2005г., с. 1-16.

12. V.M.Shibkov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, A.V.Voskanyan, V.V.Zlobin. Microwave plasma assisted of supersonic hydrocarbon fuel combustion. // In Book: "Strong Microwaves in Plasmas". Edited by A.G.Litvak, in two volumes. Institute of Applied Physics of the RAS, Nizhny Novgorod, Russia, 2006, v. 2, p. 686-691.

13. V.M.Shibkov, A.D.Abramova, V.A.Chernikov, A.S.Dvinin, A.P.Ershov, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, O.S.Surkont, A.V.Voskanyan. Microwave discharge on external surface of dielectric antenna. // In book: "Strong microwaves in plasmas". Edited by A.G.Litvak, in two volumes. Institute of applied physics of the Russian Academy of Sciences. Nizhny Novgorod, 2006, v. 2, p. 742-747.

14. V.M.Shibkov, A.F.Alexandrov, V.A.Chernikov, V.G.Gromov, A.P.Ershov, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, V.V.Zlobin. Influence of gas discharge plasma on combustion of a supersonic hydrocarbon flow. // Invited Report on V Workshop "Thermochemical and plasma processes in aerodynamics. Saint-Petersburg, 19-22 June

2006, No.25, p.1-7.

15. Шибков B.M., Громов В.Г., Ершов А.П., Константиновский Р.С., Черников В.А., Шибкова JI.B., Злобин В.В. Нетепловое воспламенение сверхзвукового потока углеводородного топлива в условиях неравновесной газоразрядной плазмы. //Доклад на 4-ой научной школе-конференции "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", г.Алушта, Крым, 18-24 сентября 2006г., с. 1-12

16. Shibkov V.M., Alexandrov A.F., Chernikov V.A., Ershov A.P., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Zlobin V.V. Freely localized and surface microwave discharges in highspeed flows. //VI International Workshop "Microwave discharges: Fundamentals and

applications", September 11-15, 2006, Zvenigorod, Russia. Proceedings. Edited by Yu.A.Lebedev. Yanus-K, Moscow, 2006, p. 95-100.

17. Y.M.Shibkov, A.F.Aleksandrov, V.A.Chernikov, S.A.Dvinin, A.P.Ershov, R.S.Konstantinovskij, L.V.Shibkova, O.S.Surkont, V.V.Zlobin. Microwave Discharges: Fundamentals and Applications. //Report on 45 AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2007, Reno, Nevada, USA, AIAA-2007-427, p. 1-6.

18. V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij. Surface Microwave Discharge at High Pressures of Air. //47th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 5-8 January 2009. Orlando. Florida. American Institute of Aeronautics and Astronautics. AIAA-2009-490.

19. V.M.Shibkov, L.V.Shibkova, R.S.Konstantinovskij. Ignition of Thin Films of Liquid Hydrocarbons under Conditions of a Surface Microwave Discharge. //47th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 5-8 January 2009. Orlando. Florida. American Institute of Aeronautics and Astronautics. AIAA-2009-492.

20. Шибков B.M., Шибкова JI.B., Карачев A.A., Константиновский Р.С. Параметры плазмы поверхностного СВЧ разряда в воздухе и воздушно-углеводородных смесях. //Научная конференция Ломоносовские чтения. МГУ, апрель 2009, Подсекция «Газодинамика, термодинамика, ударные волны», с. 239-243.

21. V.M. Shibkov, L.V.Shibkova, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij. Ignition of gaseous and liquid hydrocarbon fuel under condition of a high-speed air stream with help of a surface microwave discharge. //8th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Institute of High Temperature of RAS, Moscow, 2009, p. 26-49.

22. Константиновский P.С., В.М.Шибков, Шибкова Л.В. Плазменно-стимулированное воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда. //Научная конференция Ломоносовские чтения. МГУ, апрель 2010, Подсекция «Газодинамика, термодинамика, ударные волны», с. 207-211.

23. V.M.Shibkov, A.F.Aleksandrov, L.V.Shibkova, A.A.Karachev, R.S.Konstantinovskij. Internal and External Ignition under Condition of Combined Discharge. //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 3-7 January 2010. Orlando. FL. American Institute of Aeronautics and Astronautics. AIAA-2010-0265, p. 1-12.

Глава 1 Обзор литературы

Механизм окисления углеводородов, а также водорода в газовой фазе к настоящему времени достаточно хорошо исследован (см., например, [1-8]). В этих работах основное внимание уделяется механизмам воспламенения различных газообразных горючих. При этом в подавляющем числе работ рассматривались механизмы, определяющие период индукции смеси при самовоспламенении. Однако в научной литературе уже в течение нескольких десятилетий обсуждается вопрос о поиске возможных способов эффективного управления процессами горения с помощью различных физических воздействий. Так, еще Н.Н.Семенов в [1,9] исследовал расширение границ воспламенения водородно-кислородной смеси под действием коротковолнового излучения или примеси атомов кислорода. Было показано, что добавление атомов кислорода приводит к значительному расширению области самовоспламенения стехиометрической Н2-О2 смеси. В работе [10,11] было экспериментально показано, что при воздействии ультрафиолетового излучения (Л< 175 нм) на стехиометрическую смесь кислорода и водорода полуостров воспламенения расширяется и смещается в сторону низкой температуры. С целью инициирования ион-молекулярных и ион-атомарных реакций в работах [12-14] было предложено использовать низкотемпературную плазму, создаваемую в условиях газового разряда. В этих же работах рассмотрена возможность применения для воспламенения сверхзвуковых потоков углеводородных топлив плазменных струй и лазерного инициирования горения. В [15] методами численного моделирования изучалось влияние начальной концентрации свободных радикалов (атомов Н и О) и скорости радиолиза молекулярного водорода и кислорода на смещение пределов воспламенения стехиометрической водород-кислородной газовой смеси. Показано, что наиболее чувствительной к скорости радиолиза молекулярного водорода и кислорода является температура воспламенения в области первого предела. В работе [16] было проведено численное моделирование влияния добавления синглетного кислорода Ö2(a1Äg) на увеличение скорости водородно-кислородного пламени. Было показано, что при добавках в смесь синглетного кислорода относительное возрастание скорости пламени качественно отвечает наблюдаемому в опытах, причем эффект промотирования имеет нелинейный характер: при добавках вдвое большего количества синглетного кислорода расчетная скорость распространения пламени увеличивается только на одну треть.

Воспламенение горючих смесей при их нагреве лазерным излучением или при лазерном пробое рассмотрено в [17-25] для различных углеводородных смесей, их давлений и длин волн лазерного излучения. Однако этот метод, оказывающий достаточно большое влияние на инициацию воспламенения, имеет применительно к гиперзвуковому прямоточному двигателю существенный недостаток, связанный с невозможностью инициации воспламенения в большом объеме. Принцип искрового воспламенения известен давно и успешно применяется в автомобильной промышленности. В последнее время существенно усилился интерес к интенсификации горения газофазных систем с использованием различных форм газового разряда применительно к сверхзвуковой плазменной аэродинамике [12-14]. В условиях низкотемпературной газоразрядной плазмы появляется возможность генерации активных частиц в результате диссоциации молекул электронным ударом, электрон-ионных и ион-молекулярных реакций, а также диссоциативного тушения электронных возбужденных состояний молекул и снижения порога химических реакций при колебательном возбуждении реагентов. Поэтому возможен принципиально нетермический режим горения, когда наработка активных частиц практически на всем протяжении реакции осуществляется электронным ударом. В [26] проведен численный анализ и экспериментальное исследование воспламенения Н2-О2, Нг-воздух и СН4-О2 смесей разбавленных аргоном или гелием в условиях наносекундного высоковольтного разряда при различных значениях температуры, состава и давления смеси, а также вкладываемой в разряд энергии. Показано сильное отличие равновесного и неравновесного возбуждения смесей. Методы управления горением воздушно-углеводородных потоков, основанные на генерации электрических разрядов, представляются в настоящее время наиболее перспективными [12-14].

Разнообразие типов электрических разрядов позволяет в широких пределах менять соотношение между вкладами различных механизмов. Применение комбинированных разрядов различного типа может обеспечить необходимую скорость и интенсивность горения. Изучение процесса воспламенения и горения углеводородных смесей в условиях низкотемпературной плазмы имеет большое значение как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, гак и анализа ряда прикладных аспектов. Одной из практических проблем является разработка физических принципов прямоточного реактивного двигателя. Для уменьшения его продольного размера необходимо обеспечить быстрое объемное сгорание углеводородного топлива в условиях высокоскоростных потоков, а для этого максимально сократить период индукции.

В работах [26-36] для воспламенения используется высоковольтный наносекундный разряд, развивающийся в виде высокоскоростной волны ионизации и создающий сильно возбужденную плазму в разрядном промежутке на характерных временных масштабах в десятки наносекунд. Данный тип разряда обладает большой скоростью распространения и обеспечивает объемное воспламенение неподвижных горючих смесей. В [26-28] проведено систематическое исследование сдвига воспламенения и инициирования горения при одновременном воздействии на газ ударной волны и импульсного неравновесного разряда. Оценивается относительный вклад термического и неравновесного возбуждения газа. Показано, что в неравновесном разряде происходит электронное возбуждение компонентов газа, приводящее к образованию активных частиц и последующему ускорению процессов, определяющих скорость горения и распространения пламени. В [29,30] исследуется возможность использования высоковольтного наносекундного разряда, создаваемого в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения импульсов до 50 кГц, для воспламенения дозвуковых воздушно-углеводородных потоков. Экспериментально показано, что с увеличением скорости дозвукового потока эффективность горения резко падает, при этом при скорости потока больше 70 м/с воспламенения не происходит. Применение застойной зоны в виде прямоугольной каверны, куда вводилось дополнительное количество горючего, повышает эффективность горения, однако пламя из каверны стационарно не выходит в основной поток, а процесс горения в канале происходит отдельными вспышками. В работах [37,48] изучается плазменно-стимулированное горение в до- и сверхзвуковых пропан-воздушных потоках. Рассматриваются проблемы, связанные с использованием газового разряда для перемешивания топлива с высокоскоростным потоком воздуха. Продемонстрирован эффект воспламенения неперемешанного топлива при низкой температуре газа с помощью неоднородного многоэлектродного разряда. На основе численного моделирования продемонстрировано влияние химически активных частиц, нарабатываемых в условиях плазмы самостоятельного разряда, на воспламенение углеводородного топлива. В [49-51] исследуются возможности применения микроволнового факельного разряда для воспламенения и стабилизации горения воздушно-углеводородных дозвуковых потоков. В [52-59] была продемонстрирована возможность создания аномально долгоживущих плазмоидов в химически активной среде, получены данные об их характеристиках и высказано предположение, что подобные плазменные образования будут более эффективно осуществлять воспламенение газовых горючих смесей в высокоскоростных потоках за счет длительного взаимодействия с химически активной средой. Воспламенение пропан-воздушного потока

14

в условиях подкритического СВЧ-разряда, возбуждаемого с помощью различного типа инициаторов, исследуется в [60,61]. Вопросы, связанные с применением газоразрядной плазмы, обсуждаются в [62-67]. Кроме того, широко обсуждается в литературе влияние различных активных частиц на механизм воспламенения [68-73].

Даже этот краткий обзор литературы показывает, что существует множество способов, которые интенсифицируют цепной механизм горения углеводородов. Однако до настоящего времени кинетика воспламенения углеводородного топлива в условиях низкотемпературной плазмы газового разряда, существующей при высоких значениях приведенного электрического поля, остается не до конца выясненной. Поэтому для более глубокого понимания физико-химических процессов, протекающих при инициировании воспламенения газообразного горючего с помощью низкотемпературной плазмы, необходимо наряду с математическим моделированием проводить экспериментальные исследования влияния газового разряда на инициирование горения.

Для этой цели применяются различные типы электродных и безэлектродных, объемных и поверхностных, несамостоятельных и самостоятельных разрядов. Исследуются свойства электродных разрядов постоянного тока, высоковольтных и низковольтных импульсных поперечных и продольных электродных разрядов, высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядов, скользящих, барьерных и поверхностных разрядов, создаваемых в сверхзвуковом потоке. Электродные разряды постоянного тока, а также импульсно-периодические и высокочастотные разряды в сверхзвуковом потоке воздуха приводят к сильной эрозии электродов и поверхности модели и надежно не воспроизводятся в различных экспериментах. Возникла задача поиска оптимальных способов создания неравновесной плазмы в сверхзвуковом потоке газа.

В нашей лаборатории для целей плазменной аэродинамики была предложена новая разновидность сверхвысокочастотного разряда, а именно, микроволновый разряд, который создается поверхностной волной на диэлектрическом теле, обтекаемом сверхзвуковым потоком воздуха [74-91]. Известно, что при создании СВЧ-разряда внутри заполненной газом трубки с диэлектрическими стенками, подводимая к системе электромагнитная энергия трансформируется в поверхностную волну. При этом возникает самосогласованная система, когда для существования поверхностной волны необходима плазменная среда, создаваемая самой поверхностной волной. Волна распространяется в пространстве до тех пор, пока ее энергия достаточна для создания плазмы с концентрацией электронов не меньше, чем критическая концентрация пес=т(й)2+ \?)/(4ле2), где е и т - заряд и масса электрона, со - круговая частота поля, V -

15

частота столкновений электронов с нейтральными молекулами газа. За границу области пространства, где концентрация электронов уменьшается до значения пес, поверхностная волна не проникает и поверхностный разряд в этих местах не существует. Этот способ достаточно подробно исследован и широко используется, например, в плазмохимии. В этом случае мы имеем систему плазма-диэлектрик-свободное пространство, т.е. внутри разрядной трубки, заполненной газом при пониженном давлении, существует создаваемая поверхностной волной плазма, ограниченная стенками диэлектрической трубки, разделяющими плазму и окружающее разрядную трубку свободное пространство. В [8386], по аналогии с [92], предлагается вывернуть рассмотренную выше систему наизнанку. В этом случае внутри располагается диэлектрик, на поверхности которого создается плазма, существование которой поддерживается поверхностной СВЧ-волной. Плазменная область может быть сформирована различной протяженности и формы.

Для целей плазменной аэродинамики в лаборатории кафедры физической электроники физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова используются различные типы самостоятельных газовых разрядов, а именно: СВЧ-разряд, создаваемый поверхностной волной на диэлектрическом теле, которое обтекается высокоскоростным газовым потоком, свободно локализованный СВЧ-разряд, создаваемый сфокусированным пучком электромагнитной энергии, а также импульсные поперечные поверхностный или объемный электродные разряды [74-91]. Известно, что поверхностный СВЧ-разряд, также как и высоковольтный наносекундный электродный разряд [26-30], существует при высоких значениях приведенного электрического поля [87]. Однако в отличие от наносекундного высоковольтного разряда высокое значение приведенного электрического поля в условиях поверхностного СВЧ-разряда можно поддерживать в течение длительного (сотни микросекунд) времени. Поэтому такой разряд должен приводить к быстрому воспламенению углеводородного топлива. Необходимо было выявить эффективность данного типа разряда для воспламенения высокоскоростных горючих потоков.

В Институте механике МГУ в течение ряда лет разрабатывается технология численного моделирования течений высокотемпературного газа [93]. Разрабатываемая технология основана на комплексе программ численного интегрирования уравнений Навье-Стокса для большого числа моделей газовой среды, интегрированном с базами данных по термодинамическим, транспортным и кинетическим свойствам индивидуальных газов и газовых смесей. Высокая эффективность и высокая степень надежности такого подхода подтверждена решением широкого круга прикладных задач. На первом этапе в этих исследованиях использована наиболее простая, так называемая

16

тепловая модель разряда, интерпретируемого как локальный тепловой источник заданной интенсивности и конфигурации. Тем не менее, эта модель позволяет выделить и учесть главный фактор, определяющий воздействие разряда на поток.

Для успешного применения газового разряда в сверхзвуковой плазменной аэродинамике необходимо, прежде всего, ответить на ряд важнейших вопросов, среди которых следующие вопросы являются главными. С помощью какого типа газового разряда можно обеспечить быстрое и полное перемешивание сверхзвуковых потоков углеводородного топлива с воздухом? Возможно ли с помощью разряда реализовать быстрое и надежное воспламенение сверхзвукового потока газообразного горючего? Можно ли с помощью газового разряда обеспечить стабильное горение и полноту сгорания при минимальной электрической энергии, подводимой к сверхзвуковому потоку?

В данной работе на примере модельной водородно-кислородной смеси будет рассмотрен только вопрос, связанный с определением механизма воспламенения газообразного топлива в условиях неравновесной газоразрядной плазмы. Известно, что воспламенение горючих газообразных смесей может быть реализовано или из-за нагрева газа до высокой температуры (самовоспламенение), или из-за нетепловой наработки радикалов и активных частиц, осуществляемой внешним источником энергии. Нахождение механизмов, ответственных за воспламенение газообразного топлива в присутствие неравновесной плазмы разряда при высоких значениях приведенного электрического поля является одной из главных целей работы. Важной задачей является также оценка влияния параметров разряда на кинетику воспламенения газообразных горючих и моделирование их горения в присутствии разряда.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Константиновский, Роман Сергеевич

Выводы

1. Экспериментально исследовано влияние низкотемпературной неравновесной газоразрядной плазмы на период индукции по отношению к воспламенению сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха М- 2. Эксперименты проводились в условиях поперечного по отношению к газовому потоку импульсного электродного разряда, существующего при малых значениях приведенного электрического поля ЕШ = 10-30 Тд, и создаваемого в различных (каверны открытого и закрытого типа) застойных зонах, формируемых на стенке аэродинамического канала, объемного свободно локализованного разряда, создаваемого в заданном месте свободного пространства сфокусированным пучком мощного микроволнового излучения, и поверхностного СВЧ разряда, генерируемого на диэлектрической антенне, обтекаемой сверхзвуковым потоком, существующих при больших значениях приведенного электрического поля Е/Ы = 100-200 Тд. Показано, что период индукции изменяется от миллисекундного масштаба времени для разряда постоянного тока до нескольких десятков микросекунд в условиях свободно локализованного и единиц микросекунд для поверхностного СВЧ разрядов.

2. Экспериментально получена стабилизация горения сверхзвукового (М= 2) пропан-воздушного потока в условиях СВЧ разряда, создаваемого в режиме программированного импульса в различных застойных зонах, формируемых в качестве стабилизатора пламени на стенке аэродинамического канала: в виде обратной ступеньки, прямоугольной каверны, прямоугольной каверны с различными глубинами передней и задней стенок, прямоугольной каверны с наклонной передней стенкой.

3. Разработана кинетическая модель воспламенения водородно-кислородной смеси в условиях неравновесной плазмы существующего длительное (десятки и сотни микросекунд) время СВЧ разряда, учитывающая влияние электрического поля на процессы диссоциации молекул и наработку активных радикалов, возбужденных и заряженных (электронов, положительных и отрицательных ионов) частиц. Математическое моделирование показало, что эффект нетеплового влияния разряда на воспламенение проявляется наиболее отчетливо при низких температурах газа, когда время теплового самовоспламенения велико. Так, при начальной газовой температуре Гг=900 К и атмосферном давлении стехиомстрической Н2-О2 смеси период индукции изменяется от ~1 мс при электронной температуре Те=0.1 эВ до ~1 мкс при 7/= 1.6 еУ. Рассмотрены четыре редуцированные кинетические схемы и показано влияние различных компонент и реакций на нетепловое инициирование воспламенения Н2-О2 смеси в условиях низкотемпературной неравновесной плазмы СВЧ разряда.

103

4. Проведено моделирование автовоспламенения сверхзвукового (М= 2) пропан-воздушного потока при пристеночном выделении тепла вблизи поверхности пластины длиной 15 см, на которой создается СВЧ разряд, рассматриваемый в расчетах только как тепловой источник без учета плазменных эффектов. Показано, что в этих условиях быстрое в течение 100 мкс воспламенение может быть осуществлено только при нагреве газа до 3000 К. При нагреве газа до температур меньших 3000 К или при использовании импульсного источника тепла длительностью меньше 100 мкс автовоспламенение не происходит, тогда как плазменно-стимулированное воспламенение сверхзвукового пропан-воздушного потока в условиях поверхностного СВЧ разряда происходит при длительности 5-20 мкс и нагреве газа до 10001500 К. В условиях поверхностного СВЧ-разряда проведено моделирование процесса плазменно-стимулированного воспламенения пропан-воздушной смеси с составом СзН8'.02=1:5 и 02:М2=21:79 при начальной газовой температуре 300 К, начальном давлении 98 Тор, начальной концентрации электронов 103 см"3 и различных значениях 130-200 Тд приведённого электрического поля. Показано, что рассчитанная зависимость периода индукции от приведенного электрического поля удовлетворительно согласуется с данными, полученными из эксперимента.

5. Промоделировано плазменно-стимулированное горение стехиометрической пропан-воздушной смеси в условиях СВЧ разряда, создаваемого в режиме программированного импульса. Показано, что в этих условиях возможно уменьшение минимально необходимого для поддержания горения удельного энерговклада ценой увеличения времени воспламенения. Результаты выполненных экспериментальных исследований и данные математического моделирования позволяют сделать вывод о том, что низкотемпературная неравновесная газоразрядная плазма микроволновых разрядов является перспективным средством для инициирования воспламенения, а использование программированного режима создания разряда эффективно для поддержания стационарного горения сверхзвуковых потоков углеводородного топлива.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Шибкову Валерию Михайловичу и научному консультанту д.ф.-м.н. Шибковой Лидии Владимировне.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Константиновский, Роман Сергеевич, 2011 год

Список литературы

1. Семенов Н.Н. // Цепные реакции, М.: Наука, 1986.

2. Льюис Б., Эльбе Г. // Горение, пламя и взрывы в газах, М.: Мир, 1968.

3. Coffee T.R., Kinetic mechanisms for premixed, laminar, steady state methane/air flames // Combustion and Flame, (1984), Vol. 55, N. 2, pp. 161-170.

4. Frenklach M., Bornside D.E., Shock-Initiated Ignition in Methane-Propane Mixtures // Combustion and Flame, (1984), Vol. 56, N. 1. pp. 1-27.

5. Seery D.J., Bowman C.T., An experimental and analytical study of methane oxidation behind shock waves // Combustion and Flame, (1970), Vol. 14, N. 1, pp. 37-47.

6. Азатян B.B. // Новые закономерности в газофазных разветвленно-цепных процессах. Дис. на соиск. уч. степ, д-ра хим. Наук, М., 1978.

7. Даутов Н.Г., Старик A.M., К вопросу о выборе кинетической схемы при описании объемной реакции метана с воздухом // Кинетика и катализ, (1997), т. 38, N. 2, с. 207-230.

8. Старик A.M., Титова Н.С., Яновский JI.C., Особенности кинетики окисления продуктов термического разложения С3Н8 и Н-С4Н10 в смеси с воздухом // Кинетика и катализ, (1999), т. 40, N. 1, с. 11-26.

9. Семенов Н.Н. // О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности, М.: изд-во АН СССР, 1958.

10. Налбандян А.Б., Фотохимическое окисление водорода // ЖФХ, (1946), т. 20, N. 11, с. 1259-1272.

11. Nalbandyan А.В., Voevodskii V.V. // Mechanism of oxidation and burning of hydrogen, Moscow-Leningrad: AN SSSR, 1949.

12. The International Workshops on Weakly Ionized Gases // American Institute of Aeronautics and Astronautics, USA, Colorado - 1997; Norfolk - 1998, 1999, Anaheim -2001, Reno - 2002-2008, Orlando - 2009,2010.

13. The International Workshops on Magneto- and Plasma Aerodynamics for Aerospace Applications // High Temperature Institute of RAS, Russia, Moscow, 1999; 2000, 2001, 2002,2003, 2005, 2007, 2009.

14. The International Workshops "Thermochemical and plasma processes in aerodynamics" // Hypersonic Systems Research Institute, LENINETZ Holding Company, Russia, Saint-Petersburg, 2003, 2004, 2006,2008.

15. Селезнев А.А., Алейников А.Ю., Ярошенко В.В., Влияние радиолиза на смещение пределов воспламенения водород-кислородной газовой смеси // Химическая физика, (1999), т. 18, N. 5, с. 65-71.

16. Басевич В .Я., Беляев А.А., Расчет увеличения скорости водородно-кислородного пламени при добавках синглетного кислорода // Химическая физика, (1989), т. 8, №. 8, с. 1124-1127.

17. Tanoff М.А., Smooke M.D., Teets R.E., Sell J.A., Computational and experimental studies of laser-induced thermal ignition in premixed ethylene-oxidizer mixtures // Combustion and Flame, (1995), Vol. 103, N. 4, p. 253-280.

18. Ma J.X., Alexander D.R., Poulain D.E., Laser spark ignition and combustion characteristics of methane-air mixtures // Combustion and Flame, (1998), Vol. 112, N. 4, p. 492-506.

19. Morsy M.H., Ко Y.S., Chung S.H., Laser-induced ignition a conical cavity in CFLi-air mixtures // Combustion and Flame, (1999), Vol. 119, N. 4, p. 473-482.

20. Jean-Luc Beduneau, Bonggyu Kim, Laurent Zimmer, Yuji Ikeda. Measurements of minimum ignition energy in premixed laminar methane-air flow by using laser induced spark. // Combustion and Flame, (2003),132, p.653-655.

21. П.К.Третьяков, С.С.Воронцова, А.Ф.Гаранин, Г.Н.Грачёв, А.Л.Смирнов, А.В.Тупикин. Инициирование горения пропано-воздушных смесей импульсно-периодическим излучением СОг-лазера. // Доклады Академии Наук, (2002), т. 385, №5, с. 618-620.

22. Г.И.Козлов, ВУ.А.Кузнецов, А.Д.Сокуренко. Сильное воздействие мощного излучения СОг лазера на горение пропано-воздушных смесей // Письма в ЖТФ, т. 16, вып. 9, с. 55-59.

23. С.Ю.Казанцев, И.Г.Кононов, И.А.Коссый и др. Воспламенение горючей газовой смеси в замкнутом объеме, инициированное свободно локализованной лазерной искрой. // Физика плазмы, (2009), т. 35, №3, с. 281-288.

24. A.M. Старик, П.М. Кулешов, Н.С.Титова. К вопросу об инициировании горения водородно-воздушных смесей лазерным излучением. // ЖТФ, 2009, т. 79, вып.З, с.28-38.

25. Belevtsev А.А., Firsov K.N., Kazantsev S.Yu., Kononov I.G. Dynamics of a self-sustained volume discharge in laser-shock-disturbed SF6-based mixtures. // J.Phys.D: Appl. Phys. (2009), v. 42, 215205.

26. Bozhenkov S.A., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu., Nanosecond gas discharge ignition of H2- and CH4-containing mixtures // Combustion and Flame, (2003), Vol. 133, pp. 133-146.

27. Starikovskaia S.M., Plasma assisted ignition and combustion // J. Phys. D: Appl. Phys., (2006), Vol. 39, N. 16, pp. R265-299.

28. Starikovskii A.Yu., Anikin N.B., Kosarev I.N. et.al., Nanosecond-Pulsed Discharges for Plasma-Assisted Combustion and Aerodynamics // Journal of Propulsion and Power, (2008), Vol. 24, N. 6, pp. 1182-1197.

29. Adamovich I.V., Lempert W.R., Nishihara M. et.al., Repetitively Pulsed Nonequilibrium Plasmas for Magnetohydrodynamic Flow Control and Plasma-Assisted Combustion // Journal of Propulsion and Power, (2008), Vol. 24, N. 6, pp. 1198-1215.

30. Dutta A., Choi I., Uddi M. et.al., Cavity Flow Ignition and Flameholding in Ethylene-Air by a Repetitively Pulsed Nanosecond Discharge // Proceedings of 47th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 5-8 January 2009, Orlando, FL, USA, AIAA-2009-0821.

31. Anikin N.B., Minroussov E.I., Pancheshnyi S.V., Roupassov D.V., Sych V.E., Starikovskii A.Yu. Nonequilibrium plasmas and its applications for combustion and hypersonic flow control. //41 A1AA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (Reno, Nevada, USA, 2003, Paper AIAA-2003-1053.

32. Anikin N.B., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Study of the oxidation of alkenes in their mixtures with oxygen and air under the action of a pulsed volume nanosecond discharge //Plasma Phys. Rep. 2004, v. 30, p. 1028-1042.

33. N.Anikin, E.Kukaev, S.Starikovskaia, A.Starikovskii. Ignition of hydrogen-air and methane-air mixtures at low temperatures by nanosecond high voltage discharge. //AIAA-2004-0833.

34. E.Mintoussov, S. Starikovskaia, A.Starikovskii. Liquid fuel atomization and heterogeneous combustion of fuel-oxidizer mixtures using nanosecond discharge. //AIAA-2006-0613.

35. A.Krasnochub, E.Mintoussov, A.Nikipelov et al. Rapid combustion achievement by nanosecond barrier discharge. //AIAA-2006-0614.

36. Зацепин Д.В., Стариковская C.M., Стариковский А.Ю. //Химическая физика. 2001, т. 20, № 7, с. 66.

37. Bityurin V.A., Optimization of plasma generators for plasma assisted combustion // Proceedings of 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2001, Reno, NV, USA, AIAA-2001 -2874.

38. Bocharov A., Bityurin V., Klement'eva I., Klimov A., Experimental and numerical study of MHD assisted mixing and combustion // Proceedings of 44th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2006, Reno, NV, USA, AIAA-2006-1009.

39. A.Klimov, V.Bityurin, A.Kuznetsov t alunov, N.Vystavkin, M.Vasiliev. External and internal plasma assisted combustion. //AIAA-2004-1014.

40. A.I.Klimov. Non-premixed plasma assisted combustion of hydrocarbon fuel in highspeed airflow. //AIAA-2006-0617.

41. V.Bityurin, A.Bocharov, E.Filimonova. Effects of nitrogen oxide on ignition of non-premixed system. //AIAA-2006, 1218.

42. A.I.Klimov. Non-premixed plasma-assisted combustion. //AIAA-2007-1388.

43. A.I.Klimov, V.A.Bityurin, A.S.Kuznetsov, B.Tolkunov, N.N.Sukovatkin, N.V.Vistavkin. External and internal plasma-assisted combustion. //5th International Workshop on Magneto- and Plasma Aerodynamics for Aerospace Applications. High Temperature Institute of RAS, Russia, Moscow, 2003, p.33-38.

44. A.I.Klimov, V.Bityurin. Non-premixed plasma assisted combustion in airflow. //AIAA-2005-0599.

45. A.Klimov, V.Bityurin, A.Kuznetsov et al. External and internal plasma assisted combustion. //AIAA-2004-1014.

46. V.Bityurin, A.Bocharov, S.Leonov, I.Klement'eva. Experimental and numerical study of MHD assisted mixing and combustion in non-premixed supersonic flow. //AIAA-2004-1017.

47. Каменщиков C.A. Горение сверхзвуковой топливной смеси, инициированное продольно-поперечным разрядом постоянного тока и плазмодинамическим импульсным разрядом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (2011).

48. Кочетов И.В., Напартович А.П., Леонов С.Б., Плазменное инициирование горения в сверхзвуковом потоке в топливно-воздушных смесях. Проблемы моделирования // Химия высоких энергий, (2006), т. 40, N. 2, сс. 1-8.

49. Kossyi I.A., Microwave torch as a tool for an airflow chemical transformation // Proceedings of 45th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2007, Reno, NV, USA, AIAA-2007-0429.

50. Vinogradov V.A., Shikhman Y.M., Kossiy I.A. et.al., Effect of input energy level on ignition performance of MW surface discharge spark plug // Proceedings of 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Aerospace Exhibit, 5-8 January 2009, Orlando, Florida, USA, AIAA 2009-494.

51. N.K.Berezhetskaya, S.I.Gritsinin, V.A.Kop'ev, et al. Microwave Discharge as a Method for Igniting Combustion in Gas Mixtures // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2005, Reno, Nevada, Report AIAA-2005-0991.

52. I.A.Kossyi, V.P.Silakov, N.M.Tarasova. Methane-Oxygen Mixture Combustion Initiated by High-Current Gliding Surface Discharge // 41st Aerospace Sciences Meeting, Reno, Nevada, (2003), Report AIAA 2003-700.

53. И.А.Коссый, В.П.Силаков, Н.М.Тарасова и др. Долгоживущие плазмоиды, как инициаторы горения газовых смесей. // Физика плазмы, 2004, т. 30, № 3, с. 1-10.]

54. И.А.Коссый, В.П.Силаков, Н.М.Тарасова. Горение метан-кислородных и метан-кислород-фреоновых смесей, инициированное сильноточным скользящим поверхностным разрядом. // Физика Плазмы, 2001, т. 27, № 8, с. 757-768.

55. S.I.Gritsinin, I.A.Kossyi, M.A.Misakyan, et al. Features of Gaseous Mixtures Combustion Initiated by High-Current Slipping Surface Discharge. // Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2002, v. 16, No 3, p. 450-454.

56. I.A.Kossyi, V.P.Silakov and N.M.Tarasova. Methane-Oxygen Mixture Combustion Initiated by High-Current Gliding Surface Discharge. //41st Aerospace Sciences Meeting, Reno, Nevada, (2003), Report AIAA 2003-700.

57. I.A.Kossyi, N.K.Berezhetskaya, S.I.Gritsinin, et al. Long-Lived Plasmoids as Initiators of Combustion in Gas Mixtures // 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2004, Reno, Nevada, Report AIAA-2004-836.

58. И.А.Коссый, В.П.Силаков, Н.М.Тарасова, Д. Ван Ви. Аномально долгоживущие плазмоиды, генерируемые поверхностной лазерной искрой в газовых смесях // Физика плазмы, 2006, т. 32, № 4, с. 382-384.

59. Н.К. Бережецкая, С.И. Грицинин, В.А. Копьев и др. Воспламенение горючей газовой смеси в замкнутом объеме, инициированное мощным электрическим разрядом. // Физика плазмы, 2009, т. 35, №6, с. 520-532.

60

61,

62

63

64

65,

66

67,

68

69,

70.

71,

72,

73.

Esakov I., Grachev L., Khodataev K., Van Wie D. Experiments on propane ignition in high-speed airflow using a deeply undercritical microwave discharge // Proceedings of 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2004, Reno, NV, USA, AIAA-2004-0840. Khodataev K.V., Various types of initiators for attached undercritical MW discharge ignition // Proceedings of 45th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2007, Reno, NV, USA, AIAA-2007-0431.

С.Т.Суржиков. Физическая механика газовых разрядов. Москва. Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2006. 640с.

С.Т.Суржиков. Оптические свойства газов и плазмы. Москва. Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2004. 576с.

С.Т.Суржиков. Тепловое излучение газов и плазмы. Москва. Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2004. 544с.

S.Surzhikov, J.Shang. Glow discharge in flow of neutral gas and external magnetic field. //AIAA-2006-1371.

S.Surzhikov, J.Shang. Physics of the direct current discharge interaction with supersonic gas flow. //AIAA-2004-0176.

S.Surzhikov, J.Shang. Supersonic flow around wing with localized surface gas discharge. //AIAA-2006-0406.

Попов H.A., Воздействие импульсного сильноточного разряда на водородо-воздушные смеси // Физика плазмы, (2008), т. 34, N. 5, сс. 414-430. Попов Н.А. Физико-химические процессы в газоразрядной плазме смесей азота, кислорода и водорода, Дис. на соиск. уч. степ, д-ра физ.-матем. Наук, М.: 2009. Popov N.A., Kossyi I.A. Nonequilibrium excitation of hydrogen-oxygen mixture and its influence on ignition // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition (8-12 January, 2007, Reno). AIAA 2007-1031. 27 p.

Kossyi I.A., Gritsinin S.I., Guschin P.A., Knyazev V.Yu., Popov N.A. Microwave torch as tool for an airflow chemical transformation // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition (8-12 January, 2007, Reno). AIAA 2007-0429.

Попов Н.А. Влияние неравновесного возбуждения на воспламенение водород-кислородных смесей // ТВТ. (2007), т. 45, № 2, с. 296-315.

Попов Н.А. Реакции с участием синглетного кислорода 02(alAg) и их влияние на воспламенение Н2-О2 смесей // V Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (3-8 сентября, г. Иваново, 2008). Т. 1. С. 266-269.

74. Шибков В.М., Александров А.Ф., Ершов А.П. и др., Воспламенение сверхзвукового потока углеводородного топлива с помощью сверхвысокочастотных разрядов // Вестн. МГУ. Сер. 3. Физика. Астрономия, (2004), т. 45, N. 5, сс. 67-69.

75. Шибков В.М., Александров А.Ф., Ершов А.П. и др., Свободно локализованный сверхвысокочастотный разряд в сверхзвуковом потоке газа // Физика плазмы, (2005), т. 31, N. 9, сс. 857-864.

76. Shibkov V.M., Abramova A.D., Chernikov V.A. et al., Microwave discharges in supersonic plasma aerodynamics // Proceedings of the 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2004, Reno, NV, USA, AIAA-2004-0513.

77. Shibkov V.M., Alexandrov A.F., Chernikov A.V. et al., Influence of Surface Microwave Discharge on the Characteristics of Supersonic Flow near Streamlined Body // Proceedings of 43rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2005, Reno, NV, USA, AIAA-2005-0779.

78. Шибкова JI.B. // Физические процессы в движущейся плазме многокомпонентных инертных и химически активных смесей. Дис. на соиск. уч. степ. д-ра. физ.-матем. Наук, М.: ОИВТ РАН, 2007.

79. Александров А.Ф., Шибков В.М., Шибкова JI.B., Поверхностный СВЧ-разряд в высокоскоростных воздушно-углеводородных потоках // Вестн. МГУ. Сер. 3. Физика. Астрономия, (2008), т. 63, N. 5, сс. 68-69.

80. Shibkov V.M., Aleksandrov A.F., Chernikov V.A. et al., Microwave and Direct-Current Discharges in High-Speed Flow: Fundamentals and Application to Ignition // Journal of Propulsion and Power, (2009), Vol. 25, N. 1, pp. 123-137.

81. Shibkov V.M., Gromov V.G., Konstantinovskij R.S., Influence of gas discharge plasma on combustion of a high-speed hydrocarbon flow // Advanced Combustion and Aerothermal Technologies. Environmental Security. Springer, 2007, pp. 413-424.

82. Константиновский P.С., Шибков B.M., Шибкова JI.B., Влияние газового разряда на воспламенение водородно-кислородной смеси // Кинетика и катализ, (2005), т. 46, N. 6, сс. 821-834.

83. Шибков В.М., Виноградов Д.А., Восканян А.В. и др., Поверхностный СВЧ-разряд в сверхзвуковом потоке воздуха // Вестн. МГУ. Сер. 3. Физика. Астрономия, (2000), т. 41, N. 6, сс. 65-66.

84. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Ershov А.Р. et.al., Surface microwave discharge in supersonic airflow // Proceedings of the 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers

Conference and 4th Weakly Ionized Gases Workshop. 2001, Anaheim, С A, USA, AIAA-2001-3087.

85. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Dvinin S.A. et.al., Dense large-diameter uniform plasma of a surface microwave discharge // Proceedings of 15th International Symposium on Plasma Chemistry. France, 2001, Vol. 1. p. 179-184.

86. Shibkov V.M., Chernikov A.V., Chernikov V.A. et.al., Surface microwave discharge on dielectric body in a supersonic flow of air // Microwave discharges: Fundamentals and applications. Yanus-K, Moscow, 2001, pp. 145-153.

87. Шибков B.M., Ершов А.П., Черников B.A., Шибкова JI.B., Сверхвысокочастотный разряд на поверхности диэлектрической антенны // ЖТФ, (2005), т.75, N. 4, с.67-73.

88. Шибков В.М., Двинин С.А., Ершов А.П., Шибкова JI.B., Механизмы распространения поверхностного сверхвысокочастотного разряда // ЖТФ, (2005), т.75, N. 4, сс. 74-79.

89. Двинин С.А., Шибков В.М., Михеев В.В., К теории сверхвысокочастотного разряда на поверхности диэлектрической антенны // Физика плазмы, (2006), т. 32, N 7, сс. 654-665.

90. Шибков В.М., Двинин С.А., Ершов А.П. и др., Поверхностный сверхвысокочастотный разряд в воздухе // Физика плазмы, (2007), т. 33, N. 1, с. 7785.

91. Шибкова JI.B. Поверхностный сверхвысокочастотный разряд при высоких давлениях воздуха // Вестн. МГУ. Сер. 3. Физика. Астрономия, (2007), т. 48, N. 5, с.62-64.

92. Rauchle Е., Duo-plasmaline, a surface wave sustained linearly extended discharge // Journal de Physique IV, France, (1998), Vol. 8, N. 7, pp. 99-108.

93. Громов В.Г., Афонина H.E., Сахаров В.И., Отчет № 3 о научно-исследовательской работе «Численное моделирование сверхзвуковых течений с подводом энергии электрическим разрядом». М.: НИИМех. МГУ, 2003.

94. Зарин А.С., Кузовников А.А., Шибков В.М. // Свободно локализованный СВЧ-разряд в воздухе, М.: Нефть и газ, 1996.

95. Л.В.Шибкова, В.М.Шибков. Разряд в смесях инертных газов. Москва, Физматлит, 2005.

96. Kossyi LA., Kostinsky A.Yu., Matveyev A.A., Silakov V.P., Kinetic scheme of the non-equilibrium discharge in nitrogen-oxygen mixtures // Plasma Sources Science and Technology, (1992), Vol. 1, N. 3, pp. 207-220.

97. S. Pal, S. Prakash, S. Kumar, Determination of partial single differential electron ionization cross sections of H2 // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, (2000), Vol. 109, N. 3, pp. 227-232.

98. Tisone G.C., Branscomb L.M., Detachment of Electrons from H" and O" Negative Ions by Electron Impact // Physical Review, (1968), Vol. 170, N. 1, pp. 169-183.

99. Brunger M.J., Buckman S.J., Electron-molecule scattering cross-sections. I. Experimental techniques and data for diatomic molecules // Physics Reports, (2002), Vol. 357, pp. 215— 458.

100. Deutsch H., Becker K., Matt S., Mark T.D., Theoretical determination of absolute electron-impact ionization cross sections of molecules // International Journal of Mass Spectrometry, (2000), Vol. 197, pp. 37-69.

101. Kosarev I.N., Aleksandrov N.L., Kindysheva S.V. et.al., Kinetics of ignition of saturated hydrocarbons by nonequilibrium plasma: C2H6- to C5Hi2-containing mixtures // Combustion and Flame, (2009), Vol. 156, N. 1, pp. 221-233.

102. S. Pal, S. Prakash, S. Kumar, Dissociative ionisation of methane by electron impact // International Journal of Mass spectrometry and Ion Processes, (1996), Vol. 153, pp. 7986.

103. S. Pal, S. Prakash, S. Kumar, Ionization of CO molecule by electron impact // International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, (1997), Vol. 164, pp. 1317.

104. Christophorou L.G., Olthoff J.K., Electron interactions with plasma processing gases: present status and future needs // Applied surface science, (2002), Vol. 192, pp. 309-326.

105. Thompson W.R., Shah M.B., Gilbody H.B., Single and double ionization of atomic oxygen by electron impact // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, (1995), Vol. 28, N. 7, pp. 1321-1330.

106. Tian C., Vidal C.R., Cross sections of electron impact ionization of ethylene // Chemical Physics Letters, (1998), Vol. 288, pp. 499-503.

107. Tian C., Vidal C.R., Cross sections of the electron impact dissociative ionization of CO, CH4 and C2H2 // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, (1998), Vol. 31, N. 4, pp. 895-909.

108. Newson K.A., Luc S.M., Price S.D., Mason N.J., Electron-impact ionization of ozone // International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, (1995), Vol. 148, N. 3, pp. 203-213.

109. Мак-Ивен M., Филлипс JI. // Химия атмосферы, М.: Мир, 1978.

110. Александров H.JL, Трехчастичное прилипание электрона к молекуле // Успехи физических наук, (1988), т. 154, N. 2, ее. 177-206.

111. Kostinsky A. Y., Matveev А.А., Silakov V.P. // Kinetical processes in the non-equilibrium nitrogen-oxygen plasma. Academy of Science of USSR, General Physics Institute. Preprint N 87, Moscow, 1990.

112. Matveev A.A., Silakov V.P. // Non-equilibrium kinetic processes in low-temperature hydrogen plasma. Russian Academy of Science. General Physics Institute. Preprint N 8, Moscow, 1994.

113. Anicich V.G., Wilson P.F., McEwan M.J., An ICR Study of Ion-Molecules Reactions Relevant to Titan's Atmosphere: An Investigation of Binary Hydrocarbon Mixtures up to 1 Micron // Journal of the American Society for Mass Spectrometry, (2006), Vol. 17, N. 4, pp. 544-561.

114. Акишев Ю.С., Дерюгин A.A., Каральник В.Б., Экспериментальное исследование и численное моделирование тлеющего разряда постоянного тока атмосферного давления // Физика плазмы, (1994), Vol. 20, N. 6, pp. 571-584.

115. Исламов Р.Ш., Кочетов И.В., Певгов В.Г., Анализ процессов взаимодействия электронов с молекулой кислорода, Академия наук СССР. Физический институт им. П.Н. Лебедева. Препринт №169. М.:, 1977.

116. Зацепин Д.В., Стариковская С.М., Стариковский А.Ю., Окисление водорода в стехиометрической водородовоздушной смеси в высокоскоростной волне ионизации II // Хим. Физика, (2001), т. 20, N. 7, сс. 66-99.

117. Lee М.-Т., Brescansin L. М., Machado L. Е., Theoretical studies on electron-carbon monoxide collisions in the low and intermediate energy range // Journal of Molecular Structure: Theochem, (2002), Vol. 585, N. 1-3, pp. 181-187.

118. Sobrinho A.A., Machado L.E., Michelin S.E., Elastic and excitation cross sections for electron-formaldehyde collisions // Journal of Molecular Structure: Theochem, (2001), v. 539, N. 1-3, p. 65-74.

119. Itikawa Y., Cross Sections for Electron Collisions with Nitrogen Molecules // J. Phys. Chem. Ref. Data, (2006), v. 35, N. 1, p. 31-53.

120. Itikawa Y., Cross Sections for Electron Collisions with Water Molecules // J. Phys. Chem. Ref. Data, (2005), Vol. 34, N. 1, pp. 1-22.

121. Shirai Т., Tabata Т., Tawara H., Itikawa Y., Analytic Cross Sections for Electron Collisions with Hydrocarbons // Atomic Data and Nuclear Data Tables, (2002), Vol. 80, N. 2, pp. 147-204.

122. Matveev A.A., Silakov V.P., Theoretical study of the role of ultraviolet radiation of the non-equilibrium plasma in the dynamics of the microwave discharge in molecular nitrogen. Russian Academy of Science. General Physics Institute. Preprint N 7. Moscow, 1998.

123. Старик A.M., Титова H.C., О кинетике инициирования детонации в сверхзвуковом потоке смеси Н2 + 02 (воздух) при возбуждении молекул 02 резонансным лазерным излучением // Кинетика и катализ, (2003), Vol. 44, N. 1, pp. 35-46.

124. Словецкий Д.И., Диссоциация молекул электронным ударом // Химия плазмы / Под ред. Смирнова Б.М. М.: Атомиздат, 1974, pp. 156-202.

125. Steinfeld J.I., Adler-Golden S.M., Gallagher J.W., Critical Survey of Data on the Spectroscopy and Kinetics of Ozone in the Mesosphere and Thermosphere // J. Phys. Chem. Ref. Data, (1987), Vol. 16, N. 4, pp. 911-951.

126. Kumakura M., Ito A., Sugiura Т., Ion-Molecule Reactions in Ethylene Oxide // Mass Spectroscopy, (1974), Vol. 22, N. 1, pp. 61-70.

127. Person J.C., Ham D.O., Removal of S02 and NOx from stack gases by electron beam irradiation // Radiation Physics and Chemistry, (1988), Vol. 31, N. 1-3, pp. 1-8.

128. Бычков В.Л., Гордеев O.A. // Хим. Физика. 1992. т. 11. N. 8. с. 1064.

129. Kumakura М., Arakawa К., Thermal ion-molecule reactions in oxygen-containing molecules. Condensation-elimination reactions involving CH3+ and C2H40+ in acetaldehyde and ethylene oxide // International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics, (1978), Vol. 26, N. 3, pp. 303-320.

130. Peart В., Forrest R., Dolder K.T., Measurements of cross sections for detachment of electrons from C- and O- ions by electron impact // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, (1979), Vol. 12, N. 5, pp. 847-854.

131. Deutsch H., Becker K., Probst M., Calculated absolute cross-sections for the electron-induced detachment of the B2~, 02 , BO~, and CN~ anions using the Deutsch-Mark (DM) formalism // International Journal of Mass Spectrometry, (2008), Vol. 277, N. 1-3, pp. 151-154.

132. Henderson W.R., Fite W.L., Braekmann R.T., Dissociative Attachment of Electrons to Hot Oxygen // Physical Review, (1969), Vol. 183, N. 1, p. 157-166.

133. Atkinson R., Baulch D.L., Cox R.A., Evaluated kinetic and photochemical data for atmospheric chemistry: supplement VIII, halogen species a IUPAC subcommittee on gas kinetic data evaluation for atmospheric chemistry // J. Phys. Chem. Ref. Data, (2000), v. 29, N. 2, p. 167-266.

134. Ortiz J.V., Electron affinity calculations on NH2~, PH2~, CN~, SH", ОН", С Г, and F-: Basis sets and direct VS indirect methods // Journal of Chemical Physics, (1987), v. 86, N.l, p. 308-312.

135. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочник // Под ред. Глушко В.П., Гурвича JI.B., Бергмана Г.А. и др., М.: Наука, 1978, т. 1, 1979, т.2.

136. Favre A., Equations des gaz turbulents compressibles // Journal de Mecanique, (1965), v. 4, N. 3, pp. 361-390.

137. Coakley T.J., Development of Turbulence Models for Aerodynamic Applications // AIAA Paper 97-2009,1997,1 lp

138. Гиршфельдер Дж., Кертис Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей. Пер. с англ., М., ИЛ, 1961.

139. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т., Свойства газов и жидкостей. Ленинград, Химия, 1982.