О работах по исследованию стационарных и нестационарных волн горения водородно-кислородной смеси на терагерцовом новосибирском лазере на свободных электронах
Изучение распространения волн в химически активных средах. Моделирование нестационарных процессов перехода от дозвукового горения к сверхзвуковой детонации на терагерцовом новосибирском лазере. Исследование распределения паров воды в пламени горелки.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 08.11.2018 |
Размер файла | 708,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Сибирское отделение Российской академии наук
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера
Институт химической кинетики и горения
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный университет»
О работах по исследованию стационарных и нестационарных волн горения водородно-кислородной смеси на терагерцовом новосибирском лазере на свободных электронах
Васильев А.А., Пальчиков Е.И., Кубарев В.В.,
Чесноков Е.Н., Кошляков П.В., Долгих А.В.,
Красников И.Ю., Тен К.А.
Введение
Мотивация. Совместная система уравнений газодинамики и химической кинетики, описывающая распространение волн в химически активных средах, неустойчива. Реализуемые волны горения и детонации и их структуры являются существенно неодномерными.
Пространственная неоднородность фронта значительно усложняет корректные исследования кинетики химических реакций в условиях горения и детонации и поиск ответа на вопрос - каков контур зоны реакции в такой структуре? Знание детальной динамики химических процессов в волнах горения и детонации позволяет создавать более качественные модели для их описания и точнее моделировать (рассчитывать) нестационарные процессы перехода от дозвукового горения к сверхзвуковой детонации.
Постановка задачи. В данной работе сделана попытка преодоления существующих трудностей в регистрации детальной динамики реакций за фронтом дозвукового горения газовых смесей с помощью лазера на свободных электронах (Новосибирск).
В терагерцовом диапазоне длин волн от 120 до 200 микрон находятся большое число линий поглощения полярных молекул воды и радикалов ОН. Большинство исходных компонентов горения могут быть неполярными молекулами и являются прозрачными (например, О2 , Н2)
Лазер на свободных электронах может быть настроен на любую из линий поглощения излучения в данном диапазоне, что позволит исследовать кинетику волн горения и детонации в газовых смесях.
Таким образом, с помощью лазера в терагерцовом диапазоне могут быть созданы уникальные методики измерения.
Выбор линий поглощения воды, на которых проводилась регистрация
Обычно для измерений концентрации горячего водяного пара рекомендуется линия на 129,4 мкм.
По техническим причинам (в связи с текущим состоянием ЛСЭ) работа проводилась в диапазоне 140-250 мкм. Для данного диапазона понадобилось определить подходящую для измерений линию поглощения. Сложность с выбором линии обусловлена различным изменением поглощения в зависимости от температуры. Для некоторых линий поглощение падает с ростом температуры, для некоторых - растет.
Рисунок 1. Поглощение паров воды на линии 166,81 мкм
В данных экспериментах использовалась линия на 166,81 мкм.
Для измерения поглощения в пламени кислородно-водородной смеси использовалась охлаждаемая горелка, шириной 20 мм, длиной вдоль луча ЛСЭ - 80 мм. Пучок ЛСЭ модулировался механическим прерывателем, проходил через пламя и поступал на пироприемник ПМ-4. Сигнал с пироприемника поступал на синхродетектор, туда же поступал опорный сигнал с прерывателя.
Таким образом, исключалось влияние ИК-излучения от пламени на пироприемник. Из рисунка 1 видно, что поглощение парами воды на линии 166,81 км составило порядка 50-60%.
Исследование пространственного распределения паров воды в пламени
Для регистрации пространственного распределения поглощения парами воды использовалась матрица пироприемников Pyrocam III, с разрешением 124х124 пикселей.
Рисунок 2. Пространственное распределение интенсивности излучения ЛСЭ, прошедшего через пламя горелки. Темные области соответствуют повышенной концентрации паров воды.
На рисунке 2 показана картина поглощения парами воды на длине волны 166,81 мкм. Пламя стехиометрической смеси 2H2 + O2 , толщина горящего слоя вдоль пучка ЛСЭ - 80 мм, ширина 20 мм. Высота пламени - 5 мм. Видно, что области охлажденного водяного пара находятся с краев горелки и выше, по центру. Непосредственно вблизи поверхности горелки горячие пары воды на используемой линии достаточно прозрачны, однако видны мелкие флуктуации, порядка 1 мм непосредственно в зоне горения. Интерференционные полосы в правом верхнем углу не относятся к пламени, а являются особенностью тракта регистрации.
Динамический эксперимент с распространяющимся пламенем
В настоящее время для скоростной съемки в терагерцовом диапазоне излучения отсутствуют серийно выпускаемые координатно-чувствительные детекторы.
Рисунок 3. Схема динамического эксперимента: а) с пироприемником. б) с детектором на диоде Шоттки
Даже для точечных детекторов выбор невелик, и, как правило, они измеряют косвенные параметры, связанные с терагерцовым излучением. Нами было выбрано два типа детекторов.
На рисунке 3 показаны схемы динамических экспериментов с распространяющимся пламенем. Стакан из полипропилена высотой 155 мм и внутренним диаметром 39 мм, открытый снизу, заполнялся стехиометрической смесью 2H2 + O2.
Оптический тракт прохождения пучка лазера заполнялся осушенным воздухом для исключения потерь по пути следования. Луч проходил на половине высоты стакана. Воспламенение смеси осуществлялось электрической искрой в нижней части сосуда.
С помощью пироприемника и с помощью детектора с диодом на барьере Шоттки измерялся уровень сигнала, прошедшего через канал с пламенем.
В случае с детектором на барьере Шоттки применялось синхродетектирование.
Опорный сигнал, соответствующий частоте следования банчей брался с ускорительного тракта. Постоянная времени интегрирования при синхродетектировании составляла 0,3 мкс.
Данные, полученные помощью пироприемника ПМ-4, показаны на рисунке 4.
Сигнал с пироприемника обрабатывался с учетом инерционности данного конкретного детектора и канала регистрации (нагрузочного сопротивления).
В связи с емкостным характером пироприемника, исходный сигнал носил интегральный характер с некоторым характерным временем интегрирования.
Рисунок 4. Данные, полученные с помощью пироприемника после простого дифференцирования и после обратной свертки с учетом аппаратной функции.
Интегральное уравнение для него имеет вид:
(*)
Где f *(t) - измеренный сигнал, f (t) - исходный сигнал, A (t) - аппаратная функция измерительного тракта.
Для восстановления исходного сигнала применялась обратная свертка (деконволюция) с использованием аппаратной функции системы регистрации.
Для этого аппаратная функция канала регистрации была измерена с помощью одиночного наносекундного импульса СО2-лазера. Аппаратная функция в первом приближении представляет собой предельно короткую ступеньку с экспоненциальным спадом с измеренным временем спада в е раз - 21 мс. При вычислении исходного сигнала интегральное уравнение (*) заменялось системой линейных уравнений, легко приводимой к треугольному виду.
Результаты простого дифференцирования сигнала фотоприемника и результаты обратной свертки с учетом аппаратной функции, показанные на рисунке 4, отличаются незначительно. Единственная разница - при обратной свертке минимум пропускания наступает на 50 мс, а не на 30 мс, как при дифференцировании.
Рисунок 5. Данные, полученные на детекторе с барьером Шоттки
горение пламя волна лазер детонация
На рисунке 5 показан сигнал при прохождении фронта пламени в стехиометрической смеси 2H2 + O2 с помощью сверхбыстрого приемника на основе диода на барьере Шоттки. Длина волны лазера 167 мкм.
Результаты, полученные с помощью различных типов датчиков, сопоставимы по характерным временам и общему виду сигнала.
Через 5 мс после поджига наступает просветление на время порядка 10-15 мс из-за нагрева паров воды в канале и их вытеснения. Далее наблюдается рост поглощения из-за охлаждения и образования паров воды в результате горения, с минимумом пропускания на 50 мс. По интервалу времени между поджигом и приходом фронта горения скорость волны горения равна 15 м/с, что в 1,5 раза превышает скорость ламинарного пламени для стехиометрической смеси при атмосферном давлении и свидетельствует о некоторой затурбулизованности смеси в исследуемом стакане.
Выводы
• Разработаны схемы экспериментов и приведены предварительные результаты по регистрации горения водородно-кислородной смеси с использованием терагерцового излучения.
• Определены линии поглощения, оптимальные для регистрации в текущем режиме работы ЛСЭ. Проведены эксперименты на линиях поглощения воды с длинами волн 149 и 167 мкм.
• С помощью детектора на основе матрицы пироприемников получено пространственное распределение паров воды по сечению водородно-кислородного пламени при стационарном горении стехиометрической смеси 2H2 + O2 . На длине волны 167 мкм в пламени на толщине горящего слоя 80 мм в разных участках пламени получено поглощение излучения от 50 до 80 %.
• В динамических экспериментах с распространяющимся пламенем использованы одиночные пироприемники и сверхбыстрые фотоприемники на основе барьера Шоттки. Исследована динамика горения смеси 2H2 + O2 в цилиндрическом канале со скоростями фронта горения до 15 м/с. Данные, полученные с помощью пироприемников и приемников на барьере Шоттки дают схожие результаты на временах больших 3 мс.
• Усовершенствование методики регистрации позволит перейти от наблюдения низкоскоростных процессов горения (ламинарного и турбулентного) к ускоряющимся пламенам, вплоть до перехода горения в детонацию.
Благодарности: Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта СО РАН № 143, Минобрнауки России и при использовании оборудования ЦКП СЦСТИ. Авторы также благодарны Прууэлу Э.Р. за помощь при обработке исходных данных.
Аннотация
О работах по исследованию стационарных и нестационарных волн горения водородно-кислородной смеси на терагерцовом новосибирском лазере на свободных электронах. Васильев А.А.1,4, Пальчиков Е.И.1,4, Кубарев В.В.2,4, Чесноков Е.Н.3, Кошляков П.В.3, Долгих А.В.1, Красников И.Ю.1, Тен К.А.1
1. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук; 2. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук; 3. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук; 4. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный университет»
В работе приводятся схемы, методики экспериментов, и первые результаты по регистрации фронта горения водородо-кислородной смеси с использованием терагерцового излучения. Обсуждаются проблемы, связанные с выбором линий поглощения, на которых проводится регистрация. Проведено исследование распределения поглощения на длине волны 166,81 мкм по сечению стационарного водородно-кислородного пламени на горелке. В динамическом эксперименте с распространяющимся вдоль трубы пламенем были сопоставлены результаты, полученные с помощью пироприемников и с помощью детекторов на барьере Шоттки.
Abstract
About works on research of stationary and non-stationary waves of burning in the hydrogen-oxygen mix on the novosibirsk free electron laser. A.A. Vasiliev 1,4, E.I. Palchikov 1,4, V.V. Kubarev 2,4, E.N. Chesnokov 3, P.V. Koshlyakov 3, A.V. Dolgikh 1, I.Yu. Krasnikov 1, K.A. Ten 1.
1. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics SB RAS
2. Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS
3. Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS
4. Novosibirsk State University
This work presents schemes, techniques of experiments and the first results on registration of burning front of hydrogen-oxygen mixture with the use of terahertz radiation. The problems of choice of absorption lines, on which registration is carried out, are discussed. The investigation of distribution of absorption at wavelength of 166.81 microns over the cross-section of stationary hydrogen-oxygen flame above the burner is carried out. In the dynamic experiment, the diagrams of flame propagating along the pipe obtained with both pyrodetector and Shottky detectors were compared.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Основные методы описания распространения электромагнитных волн в периодических средах с использованием волновых уравнений. Теории связанных волн, вывод уравнений. Выбор метода для описания генерации второй гармоники в периодически поляризованной среде.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 17.03.2014Физико–химические основы горения и взрыва. Тепловая, цепная и диффузная теории горения веществ, взрывчатые вещества. Свойства твердых топлив и продуктов сгорания, термодинамические свойства продуктов сгорания. Виды пламени и скорость его распространения.
курс лекций [1,7 M], добавлен 05.01.2013Расчет напряжения и токов в узлах в зависимости от времени. Графики напряжений, приходящих и уходящих волн. Метод бегущих волн и эквивалентного генератора. Перемещение и запись волн в массивы. Моделирование задачи в Matlab. Проектирование схемы в ATP.
лабораторная работа [708,4 K], добавлен 02.12.2013Типы волн и их отличительные особенности. Понятие и исследование параметров упругих волн: уравнения плоской и сферической волн, эффект Доплера. Сущность и характеристика стоячих волн. Явление и условия наложения волн. Описание звуковых и стоячих волн.
презентация [362,6 K], добавлен 24.09.2013Изучение процессов распространения электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере, космическом пространстве и толще Земли. Рефракция радиоволн, космическая, подземная и подводная радиосвязь. Особенности распространения гектометровых (средних) волн.
презентация [218,0 K], добавлен 15.12.2011Базовые сведения о необычном эффекте туннельной интерференции полей волн произвольной физической природы, проявление которой необходимо при изучении и физико-математическом моделировании условий распространения указанных волн в поглощающих средах.
реферат [43,6 K], добавлен 30.01.2008Преобразование исходной системы уравнений к расчётной форме. Зависимость длины волны от скорости распространения. Механизмы возникновения волн на свободной поверхности жидкости. Зависимость между групповой скоростью волн и скоростью их распространения.
курсовая работа [451,6 K], добавлен 23.01.2009Исследование оптических характеристик интерференционных покрытий. Физика распространения электромагнитных волн оптического диапазона в диэлектриках. Интерференция электромагнитных волн в слоистых средах. Методики нанесения вакуумно-плазменных покрытий.
дипломная работа [6,1 M], добавлен 27.06.2014Нахождение показателя преломления магнитоактивной плазмы. Рассмотрение "обыкновенной" и "необыкновенной" волн, исследование их свойств. Частные случаи распространения электромагнитных волн в магнитоактивной плазме. Определение магнитоактивных сред.
курсовая работа [573,6 K], добавлен 29.10.2013Основные положения и исходные данные теории детонации Михельсона. Расчет температуры зажигания от раскаленных микротел. Нормальная скорость горения, скорость детонации и концентрация вещества. Неразрывность потока, скорость диффузии и закон импульсов.
контрольная работа [274,8 K], добавлен 24.08.2012Основы теории диффузионного и кинетического горения. Анализ инновационных разработок в области горения. Расчет температуры горения газов. Пределы воспламенения и давления при взрыве газов. Проблемы устойчивости горения газов и методы их решения.
курсовая работа [794,4 K], добавлен 08.12.2014Оптический диапазон длин волн. Скорость распространения волн в однородной нейтральной непроводящей среде. Показатель преломления. Интерференция световых волн. Амплитуда результирующего колебания. Получение интерференционной картины от источников света.
презентация [131,6 K], добавлен 18.04.2013Определение теплоты сгорания для газообразного топлива как суммы произведений тепловых эффектов составляющих горючих газов на их количество. Теоретически необходимый расход воздуха для горения природного газа. Определение объёма продуктов горения.
контрольная работа [217,6 K], добавлен 17.11.2010Параметры упругих гармонических волн. Уравнения плоской и сферической волн. Уравнение стоячей волны. Распространение волн в однородной изотропной среде и принцип суперпозиции. Интервалы между соседними пучностями. Скорость распространения звука.
презентация [155,9 K], добавлен 18.04.2013Понятие и назначение СО2-лазера, его технические характеристики и составляющие части, принцип работы и выполняемые функции. Порядок расчета основных показателей СО2-лазера. Способы организации несамостоятельного разряда постоянного тока, расчет его КПД.
контрольная работа [627,3 K], добавлен 11.05.2010Кинетика горения. Влияние влажности на горение капли углеводородных топлив. Критическое условие воспламенения капли и его зависимость. Метод Зельдовича. Гистерезис горения. Срыв пламени. Горение в потоке воздуха. Естественная и вынужденная конвекция.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 28.03.2008Оценка адиабатической и действительной температур пламени. Знакомство с особенностями проведения теоретического расчета основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов. Характеристика компактного газового фонтана, основное предназначение.
контрольная работа [267,7 K], добавлен 22.04.2014Определение объемного состава, удельной газовой постоянной, плотности, средней молярной массы и объема смеси. Условия воспламенения горючего материала в результате теплообмена излучением. Коэффициент теплообмена между продуктами горения и поверхностью.
контрольная работа [164,7 K], добавлен 04.03.2012Схема устройства котла пульсирующего горения. Общий вид камеры сгорания. Технические характеристики котлов. Перспективные разработки НПП "Экоэнергомаш". Парогенератор пульсирующего горения с промежуточным теплоносителем паропроизводительностью 200 кг.
презентация [153,2 K], добавлен 25.12.2013Анализ взаимодействия электромагнитных волн с биологическими тканями. Разработка вычислительного алгоритма и программного обеспечения для анализа рассеяния монохроматических электромагнитных волн неоднородными контрастными объектами цилиндрической формы.
дипломная работа [3,3 M], добавлен 08.05.2012