Расчетно-экспериментальные исследования лазерного зажигания кислородно-водородной смеси в модельной камере сгорания

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассматриваются результаты исследования по определению оптимальных зон для обеспечения лазерного зажигания кислородно-водородной топливной смеси в модельной камере сгорания (КС) при фокусировке излучения с инициированием искры оптического пробоя в выбранной области. Приводятся результаты численного моделирования нестационарного процесса смешения газообразных компонентов — кислорода и водорода — с определением параметров получаемой смеси в объеме модельной КС, проведенного в программном комплексе ЛОГОС-Препост. Из рассматриваемых зон, в которых возможна фокусировка излучения при реализации лазерного зажигания, предпочтительными для воспламенения выбраны области обратных токов с более близкими к стехиометрическому составами топливной смеси и низкими скоростями потока компонентов. Преимущественное использование выбранных по результатам численного моделирования зон для лазерного зажигания подтверждено огневыми испытаниями.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Сергей Григорьевич Ребров

Акционерное общество Государственный научный центр Российской Федерации «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша» (АО ГНЦ «Центр Келдыша»)

Автор, ответственный за переписку.
Email: rebrov_sergey@mail.ru

 (р. 1958) — доктор технических наук, начальник отдела

Россия, 8 Onezhskaya Str., Moscow 125438

Виктор Александрович Голубев

Акционерное общество Государственный научный центр Российской Федерации «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша» (АО ГНЦ «Центр Келдыша»)

Email: golubev.va@mail.ru

(р. 1985) — кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Россия, 8 Onezhskaya Str., Moscow 125438

Андрей Николаевич Голиков

Акционерное общество Государственный научный центр Российской Федерации «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша» (АО ГНЦ «Центр Келдыша»)

Email: andgolikov@mail.ru

(р. 1954) — доктор технических наук, начальник сектора

Россия, 8 Onezhskaya Str., Moscow 125438

Игорь Анатольевич Ганин

Приволжский филиал акционерного общества «НПО Энергомаш имени академика В. П. Глушко»

Email: pfenergo@samtel.ru

(р. 1965) — директор — главный конструктор

Россия, 29 Zavodskoe Shosse, Samara 443009

Владимир Владимирович Кошлаков

Акционерное общество Государственный научный центр Российской Федерации «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша» (АО ГНЦ «Центр Келдыша»)

Email: kerc@elnet.msk.ru

(р. 1977) — доктор технических наук, генеральный директор

Россия

Александр Витальевич Блошенко

Госкорпорация «Роскосмос»

Email: info@roscosmos.ru

(р. 1984) — кандидат физико-математических наук, заместитель генерального директора по космическим комплексам и науке Госкорпорации <<Роскосмос>>

Россия, 42, b. 1, 2, Shchepkina Str., Moscow 129110

Список литературы

  1. Choudhary G., Hansen H. Human health perspective on environmental exposure to hydrazines: A review // Chemosphere, 1998. Vol. 37. No. 5. P. 801–843. doi: 10.1016/ s0045-6535(98)00088-5.
  2. Епифанов И. К., Кондратьев А. Д., Дорошина С. В. Экологический ущерб при аварии ракет-носителей на активном участке полета // Национальные интересы: приоритеты и безопасность, 2009. Т. 5. № 24. С. 53–57.
  3. Звонов В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1981. 160 с.
  4. Ross M., Mills M., Toohey D. Potential climate impact of black carbon emitted by rockets // Geophys. Res. Lett., 2010. Vol. 37. No. 24. Art. L24810. 6 p. doi: 10.1029/ 2010GL044548.
  5. Ross M., Vedda J. A. The policy and science of rocket emissions. — Arlington, VA, USA: Aerospace Corp., Center for Space Policy and Strategy, 2018. 12 p.
  6. Wintner E. Laser ignition of engines: Technology, benefits and challenges // Latin America Optics and Photonics Conference, 2014. Paper LFP.1. doi: 10.1364/ LAOP.2014.LFP.1.
  7. Wintner E., Kofler H., Agarwal A. K., Deneva M. A., Nenchev M. N. Laser ignition of engines — a contribution to environmental protection and a challenge to laser technology // Annual J. Electronics, 2014. Vol. 8. P. 1–4.
  8. Hasegawa K., Kusaka K., Kumakawa A., Sato M., Tadano M. Laser ignition characteristics of GOx/GH and GOx/GCH propellants. AIAA Paper No. 2003-4906, 2003. doi: 10.2514/6.2003-4906.
  9. Ребров С. Г., Голиков А. Н., Голубев В. А. Лазерное воспламенение ракетных топлив в модельной камере сгорания // Труды МАИ, 2012. № 53. Ст. 10. http://trudymai.ru/published.php?ID=29491.
  10. Белов Е. А., Голиков А. Н., Голубев В. А., Дубовик Д. И., Иванов Н. Г., Клюева О. Г., Лёвочкин П. С., Ребров С. Г., Ромасенко Е. Н. Экспериментальное исследование влияния расположения зоны фокусировки лазера на воспламенение топлива кислород–керосин // Труды НПО Энергомаш имени академика В. П. Глушко, 2013. № 30. С. 120–134.
  11. Чванов В. К., Ганин И. А., Иванов Н. Г., Лёвочкин П. С., Ромасенко Е. Н., Сурков Б. А. Экспериментальное исследование лазерного воспламенения топлива кислород–керосин в камерах ЖРД // Труды НПО Энергомаш, 2015. № 32. C. 113–133.
  12. Ребров С. Г., Голубев В. А., Голиков А. Н. Лазерное зажигание топлива кислород–керосин в ракетной технике: от запальных устройств к маршевым ракетным двигателям // Труды МАИ, 2017. № 95. Ст. 12. https://trudymai.ru/upload/iblock/030/Rebrov_Golubev_Golikov_rus.pdf?lang=ru&issue=95.
  13. Borner M., Manfletti C., Hardi J., et al . Laser ignition of a multi-injector LOx/methane combustor // CEAS Space J., 2018. Vol. 10. No. 2. P. 273–286. doi: 10.1007/ s12567-018-0196-6.
  14. Ребров С. Г., Голубев В. А., Голиков А. Н. Лазерное зажигание кислородно-углеводородных топлив в ракетных двигателях // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018. № 7. С. 77–91. doi: 10.18698/0536-1044-2018-7-77-91.
  15. Ребров С. Г., Голубев В. А., Космачев Ю. П., Космачева В. П. Лазерное зажигание топлива жидкий кислород – газообразный водород в крупноразмернойкамере сгорания // Известия высших учебных заведений, 2019. № 12. С. 104–114. doi: 10.18698/0536-1044-2019-12-104-114.
  16. Shynkarenko O., Simone D. Oxygen–methane torch ignition system for aerospace applications // Aerospace, 2020. Vol. 7. No. 114. P. 1–10. doi: 10.3390/aerospace7080114.
  17. Андронов А. А., Гурин В. А., Маругин А. В. и др. Лазерное зажигание в двигателях внутреннего сгорания: безыскровый поджиг // Письма в ЖТФ, 2014. Т. 40. Вып. 15. С. 66–70.
  18. Richardson S., McMillian M., Woodruff S., McIntyre D. Misfire, knock and NOx mapping of a laser spark ignited single cylinder lean burn natural gas engine. SAE Technical Paper 2004-01-1853, 2004. doi: 10.4271/2004-01-1853.
  19. Maillard M., Hudebine G. A., Orain M., et al. Ignition of a Safran’s helicopter engine with a compact nanosecond laser system // Turbomachinery Technical Conference and Exposition, 2023. Paper GT2023-103897. 8 p. doi: 10.1115/GT2023-103897.
  20. Patil S. S., Patane P. M., Nandgaonkar M. R. Laser ignition and flame propagation of methanol–air mixture in a constant volume combustion chamber // Energ. Source. Part A, 2023. Vol. 45(4). P. 11142–11154. doi: 10.1080/15567036.2023.2255156.
  21. Zhang Wei, Zang Hongwei, Wang Shuo, Chen Junyan. Non-resonant photochemical ignition of lean methane/air mixtures by femtosecond laser filamentation // Combust. Flame, 2024. Vol. 266. Article No. 113542. doi: 10.1016/j.combustflame.2024.113542.
  22. Островская Г. В., Зайдель А. Н. Лазерная искра в газах // Успехи физических наук, 1973. Т. 111. № 4. С. 579–615.
  23. Хитрин Л. Н. Физика горения и взрыва. — М.: Изд-во МГУ, 1957. 453 с.
  24. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах / Пер. с англ. — М.: Мир, 1968. 592 с. ( Lewis B., von Elbe G. Combustion, flames and explosions of gases. — New York, London: Academic Press Inc., 1961. 739 p.)
  25. Раушенбах Б. В., Белый А. А., Беспалов И. В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. — М.: Машиностроение, 1964. 526 с.
  26. Lim E H., McIlroy A., Ronney P. D., Syage J. A. Detailed characterization of minimum ignition energies of combustible gases using laser ignition sources // 8th Symposium (International) on Transport Phenomena in Combustion Proceedings. — San Franscisco, CA, USA, 1995. P. 176–184.
  27. Ребров С. Г., Голубев В. А., Голиков А. Н., Моргунов А. Е. Исследование влияния параметров топливных смесей кислород–водород и кислород–метан на возможность лазерного зажигания // Горение и взрыв, 2022. Т. 15. № 4. С. 10–18. doi: 10.30826/CE22150402.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Модельная КС: 1 — смесительная головка; 2 — модуль лазерного зажигания; 3 — проставка для боковой установки модуля зажигания на КС; 4 — КС; 5 — сопло; 6 — посадочное место для осевой установки модуля зажигания; 7 — заглушка; т. № 1, т. № 2 и т. № 3 — возможные зоны воспламенения. Размеры указаны в миллиметрах

Скачать (439KB)
Метаданные
3. Рис. 2 Смесительная головка модельной КС: 1 — три отверстия подачи окислителя; 2 — 24 отверстия подачи горючего

Скачать (255KB)
Метаданные
4. Рис. 3 Расчетная сеточная модель

Скачать (225KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Расчетные распределения массовой доли горючего в разные моменты времени: (а) 0,01 с; (б) 0,5; (в) 1 с

Скачать (205KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Расчетные векторные поля скорости потока в разные моменты времени: (а) 0,01 с; (б) 0,5; (в) 1 с

Скачать (513KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Расчетные графики изменения коэффициента избытка окислителя (а) и скорости потока компонентов (б) в зонах лазерного зажигания: 1–3 — т. №№ 1–3

Скачать (364KB)
Метаданные
8. Рис. 7 Графики изменения рабочих параметров КС в ходе проведения испытания с опережением подачи горючего: 1 — давление в КС; 2 — расход горючего; 3 — расход окислителя; 4 — фотодатчик лазера; 5 — фотодатчик КС

Скачать (142KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».