Внедрение: 2021 г.

В работе [1] проведено измерение времен задержки воспламенения в пропан-воздушных смесях. Эксперименты проводились на ударной трубе за фронтом отраженной ударной волны в интервале температур T = 1050÷1780 K при давлении p = 30 атм и коэффициентах избытка топлива Φ = 0,5,1,0 и 2,0. Показано, что в области исследованных температур время задержки воспламенения в пропане растет с увеличением Φ. Проведено сравнение полученных данных с результатами других измерений, которое показывает, что при низких температурах (T ≤ 1000 K) зависимость времени задержки воспламенения от Φ имеет противоположный характер.

Эксперименты проводились на ударной трубе, входящей в состав экспериментального комплекса «Ударная труба» НИИ механики МГУ. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1. 

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: КВД – камера высокого давления; КНД – камера низкого давления; D – медная диафрагма с калиброванными насечками; F1, F2 – УФ световоды; P1‑P3 – пьезоэлекрические датчики давления.

При разрыве диафрагмы, отделяющей КВД от КНД, в исследуемом газе формируется падающая ударная волна, скорость которой определяется непосредственно перед торцевой стенкой КНД ударной трубы. Для этих целей используются пьезоэлектрические датчики давления. Время задержки воспламенения горючей смеси (время индукции) τ_ind определялось за отраженной ударной волной. Для этих целей в торце ударной трубы были установлены два УФ световода F1 и F2 (SSU 1.1), фиксирующие начало воспламенения по излучению радикала OH на длине волны 308 нм, и датчик давления P3 (PCB113B24). Расположение световодов позволяло с учетом диаграммы направленности регистрировать излучение на ФЭУ‑100, возникающее как из области на оси трубы, так и из пристеночной области. Датчик давления P3 позволял определять момент прихода ударной волны к торцу трубы, измерять давление в отраженной ударной волне и регистрировать момент воспламенения смеси.

Сигналы с датчиков давления и ФЭУ регистрировались модулями АЦП Е20‑10 (L‑Card). Временные зависимости сигналов со световодов F1, F2 и датчика давления P3 для двух режимов (числа Маха M = 3,06 и 3,3, начальное давление p₀ = 0.51 и 0.37 атм) представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Осциллограммы давления и сигналы со световодов за фронтом отраженной ударной волны: M = 3,06 , p₀ = 0,51 атм (слева); M = 3,3, p₀ = 0,37 атм (справа).

Экспериментальное исследование высокотемпературного воспламенения пропана было проведено в различных пропан-воздушных смесях. Результаты измерений времен задержки воспламенения τ_ind в зависимости от обратной температуры смеси и коэффициента избытка топлива приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Измеренные времена задержки воспламенения в пропан-воздушной смеси при давлении p = 30 атм и различных коэффициентах избытка топлива: точки – экспериментальные данные, линии – аппроксимирующие кривые.

На рисунке 4 результаты измерения величины τ_ind, полученные в настоящей работе при давлении p = 30 атм в стехиометрической пропан-воздушной смеси (коэффициент избытка топлива Φ = 1,0), сравниваются с экспериментальными данными других авторов, полученными при разных давлениях.

Рисунок 4. Сравнение полученных экспериментальных данных для стехиометрических смесей (Φ = 1,0) с данными измерений других авторов при более низких давлениях: точки – экспериментальные данные, линии – аппроксимирующие кривые (слева). Сравнение полученных экспериментальных данных для бедных смесей (Φ = 0,5) с данными измерений других авторов при более низких давлениях: точки – экспериментальные данные, линии – аппроксимирующие кривые (справа).

Полученная экспериментальная информация расширяет диапазон имеющихся экспериментальных данных, являющихся основой для тестирования редуцированных кинетических механизмов, которые используются для моделирования процесса горения пропана в различных камерах сгорания. Особенно это касается богатых смесей (Φ = 2,0), для которых отсутствуют экспериментальные данные по временам задержки воспламенения.

Работа выполнена по гранту РФФИ № 20‑51‑00003 (Бел_а), а также рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ «Экспериментальное и теоретическое исследование кинетических процессов в газах» (номер гос. регистрации АААА-А19-119012990112-4).

Источник:
Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. Воспламенение пропан-воздушных смесей в ударной трубе при давлении 30 атм // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. – 2021. – Т. 22, № 3. – С. 42‑53.

Разработчик: Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. (НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва)