Диффузионное пламя

Диффузионное пламя

Шифр эксперимента: Диффузионное пламя
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Ламинарное диффузионное пламя в спутном потоке
Цель эксперимента:

Получение экспериментальных данных высокой точности для изучения ламинарного диффузионного пламени в спутном потоке горючего и окислителя.  

Описание эксперимента:

Порядок проведения КЭ. Эксперимент проводится на американском сегменте МКС в интегрированной стойке для экспериментов по горению (Combustion Integrated Rack). В состав оборудования входят:

-Камера со свободным объемом порядка 85л и диапазоном рабочих давлений от 1 до 3 атм с двумя ортогональными оптическими окнами с полем зрения 120мм обеспечивает пространство, необходимое для проведения эксперимента;

- Горелка с инжекцией топлива через трубку O 2.1 мм, расположенную в трубке большего диаметра O 25 мм в которой создан спутный поток воздуха для формирования ламинарного диффузионного пламени;

-Резистивная система воспламенения (50Вт/0.5с), позиционируемая шаговым двигателем, позволяет инициировать реакцию горения в определенной области пространства;

- Система подачи и утилизации газов, включающая три массовых расходомера, обеспечивает наполнение камеры сгорания инертным газом с окислителем (O2 и N2), топливом (СН4, С2Н4) с расходами 0-0.3 л/мин ±5% для топлива и 0-11.0л/мин ±5%, соответственно, а также утилизацию продуктов реакции;

-Измерительная аппаратура предназначена для визуально-инструментальной регистрации свойств, структуры и динамики диффузионного пламени и включает в себя: (1) систему контроля давления в камере (0.1-4бар ±1%); (2) термопары (0-700С±2С), которые расположены как вблизи горелки (4 шт.), так и на периферии (6 шт.) камеры сгорания; (3) акселерометр SAMS; (4) радиометры (0.2-11 мкм), один фиксированный широкоугольный и пять съемных; (5) камеры: аналоговая цветная со светодиодной подсветкой, цифровая цветная (12-бит, до 30 кадров/с, 1360х1024) с набором фильтров (сине-зеленый, 430- и 450 - нм для съемки излучения СН*), монохромная камера с усилителем яркости изображения (310 нм, до 30 кадров/с, 512х512) для съемки излучения ОН*; (6) три широкоугольных ФЭУ (230-700 нм, 310 нм и 430 нм); (7) система лазерной экстинкции на основе лазерных диодов с волоконным выходом и монохромной цифровой камеры (30 кадров/с, 1024х1024); (8) система пирометрии на основе перемещающейся сетки из 5 кремний-карбидных волокон, расположенных на расстоянии 5мм, и дополнительной сетки для калибровки; (9) газовый хроматограф для анализа состава свежей смеси и продуктов горения;

- блок управления, блок обработки и хранения данных.

Оборудование обеспечивает получение данных о форме пламени, высоте, на которой стабилизируется “подвешенное” пламя, его температуре, сажеобразовании и пределов существования в зависимости от скорости потока и разбавления смеси. Получение данных о диффузионном пламени, образующего сажу, путем измерения формы пламени, температуры газа в свободной от сажи зоне пламени, светимости сажи, температуры сажи и объёмной доли сажистых частиц в зависимости от скорости потока и разбавления смеси.

 

Новизна эксперимента:

Исследования структуры диффузионных пламён в спутном потоке воздуха в условиях продолжительной микрогравитации высокого качества ранее не проводились ни отечественными, ни зарубежными исследователями.

Информация, полученная в ходе выполнения эксперимента, окажет существенное влияние на развитие и разработку высокоэффективных систем сгорания с низким уровнем выбросов для наземного применения и построить модели сажеобразования.

 

 

Научная аппаратура:

НА предназначена для формирования ламинарного диффузионного пламени в спутном потоке воздуха, образуемого путем подачи топливной смеси через центральную трубку O 2.1 мм в окружении ламинарного потока воздуха, протекающего в трубе O 25 мм, и визуально-инструментальной регистрации его свойств, структуры и динамики.

НА реализована в виде интегрированной стойки для экспериментов по горению АС МКС. Разработка и создание НА не требуется. НА и контейнеры с газами изготовлены и находятся на борту АС МКС и удовлетворяют требованиям к месту установки и эксплуатации.

В состав НА входят:

- камера с двумя ортогональными оптическими окнами,

- горелка из двух коаксиальных трубок,

- система воспламенения,

- система подачи и утилизации газов,

- система создания и контроля высокого напряжения (до 10 кв) между горелкой и круглой сеткой помещенной над горелкой,

- измерительная аппаратура (камеры в оптическом и ультрафиолетовом диапазоне, радиометр, датчики давления и ускорения, термопары, установка лазерной экстинкции и пирометрии, газовый хроматограф),

- блок управления,

- блок обработки и хранения данных.

Камера со свободным объемом порядка 85л и диапазоном рабочих давлений от 1 до 3 атм с двумя ортогональными оптическими окнами с полем зрения 120мм обеспечивает пространство, необходимое для проведения эксперимента.

Резистивная система воспламенения (50Вт/0.5с), позиционируемая шаговым двигателем, позволяет инициировать реакцию горения в определенной области пространства.

Система подачи и утилизации газов, включающая три массовых расходомера, обеспечивает наполнение камеры сгорания инертным газом с окислителем (O2 и N2), топливом (СН4, С2Н4) с расходами 0-0.3 л/мин ±5% для топлива и 0-11.0л/мин ±5%, соответственно, а также утилизацию продуктов реакции.

Измерительная аппаратура предназначена для визуально-инструментальной регистрации свойств, структуры и динамики диффузионного пламени и включает в себя систему контроля давления в камере (0.1-4бар ±1%);

-термопары (0-700С±2С), которые расположены как вблизи горелки (4 шт.), так и на периферии (6 шт.) камеры сгорания;

-акселерометр SAMS;

-радиометры (0.2-11 мкм), один фиксированный широкоугольный и пять съемных;

-камеры: аналоговая цветная со светодиодной подсветкой, цифровая цветная (12-бит, до 30 кадров/с, 1360х1024) с набором фильтров (сине-зеленый, 430- и 450 - нм для съемки излучения СН*), монохромная камера с усилителем яркости изображения (310 нм, до 30 кадров/с, 512х512) для съемки излучения ОН*; три широкоугольных ФЭУ (230-700 нм, 310 нм и 430 нм); система лазерной экстинкции на основе лазерных диодов с волоконным выходом и монохромной цифровой камеры (30 кадров/с, 1024х1024);

-система пирометрии на основе перемещающейся сетки из 5 кремний-карбидных волокон, расположенных на расстоянии 5мм и дополнительной сетки для калибровки; газовый хроматограф для анализа состава свежей смеси и продуктов горения.

 

Ожидаемые результаты:

В результате проведения эксперимента будут получены новые исходные данные высокой точности, с помощью которых возможно будет оценить адекватность существующих моделей химической кинетики и транспорта, а также провести коррекцию существующих моделей.

Характеристики диффузионного пламени пламени метана и этилена в спутном потоке воздуха будут получены как для очень разбавленных составов, так и при условиях сажеобразования в зависимости от входной скорости газа и разбавления смеси.

В экспериментах планируется исследовать также структуру “приподнятого” (lifting) пламени, чтобы избежать теплопотерь в горелочное устройство. Результаты этих экспериментов будут непосредственно применимы к практическим вопросам, связанным с турбулентным горением, воспламенением, стабилизацией пламени и многими другими.

Общие цели исследования CLD пламени следующие:

 

разработать и верифицировать эффективные вычислительные методы, модели транспорта компонентов, радиационного переноса и модифицированных кинетических механизмов горения углеводородных топлив, которые способны эффективно описать структуру диффузионного пламени в более широких диапазонах условий, чем это возможно в настоящее время.

 

Сроки проведения: 2017 – 2018 гг.
Состояние эксперимента: Анализируется
Организация постановщик: ФГУП ЦНИИмаш
Публикации по эксперименту:

1. A. Katoch, M. Asad, S. Minaev, S.Kumar, “Measurement of laminar burning velocities of methanol-air mixtures at elevated temperatures”, Fuel, (2016), 182, pp. 57-63.

2. T. Miroshnichenko, V. Gubernov, K. Maruta, S. Minaev, “Diffusive–thermal oscillations of rich premixed hydrogen–air flames in a microflow reactor”, Combustion Theory and Modelling, (2016), pp. 1-15.

3. B. Aravind, R.K. Velamati, A.P. Singh, Y. Yoon, S. Minaev, S. Kumar, “Investigations on flame dynamics of premixed H2-air mixtures in microscale tubes” , RSC Advances, Volume 6, Issue 55, (2016), pp. 50358-50367

4. R. Fursenko, S. Mokrin, S. Minaev, K. Maruta, “Diffusive-thermal instability of stretched low-Lewis-number flames of slot-jet counterflow burners”, Proceedings of the Combustion Institute, (2015).

5. V.V. Gubernov, S.S. Minaev, V.I. Babushok, A.V. Kolobov, “The effect of depletion of radicals on freely propagating hydrocarbon flames”, Journal of Mathematical Chemistry Volume 53, Issue 10, (2015), Pages 2137-2154.

6. Fursenko, R., Minaev, S., Nakamura, H., Tezuka, T., Hasegawa, S., Kobayashi, T., Takase, K., Katsuta, M., Kikuchi, M., Maruta, K., “Near-lean limit combustion regimes of low-Lewis-number stretched premixed flames”, (2014), Combustion and Flame, 162 (5), pp. 1712-1718.

7. Sereshchenko, E., Fursenko, R., Minaev, S., Shy, S., “Numerical simulations of premixed flame ignition in turbulent flow”, (2014) Combustion Science and Technology, 186 (10- 11), pp. 1552-1561.

8. Fursenko, R., Minaev, S., Nakamura, H., Tezuka, T., Hasegawa, S., Takase, K., Li, X., Katsuta, M., Kikuchi, M., Maruta, K., “Cellular and sporadic flame regimes of low- Lewis-number stretched premixed flames” (2013), Proceedings of the Combustion Institute, 34 (1), pp. 981-988.

9. Minaev, S., Fursenko, R., Sereshchenko, E., Fan, A., Kumar, S., “Oscillating and rotating flame patterns in radial microchannels”, (2013) Proceedings of the Combustion Institute, 34 (2), pp. 3427-3434.

10. Nakamura, H., Fan, A., Minaev, S., Sereshchenko, E., Fursenko, R., Tsuboi, Y., Maruta, K., ”Bifurcations and negative propagation speeds of methane/air premixed flames with repetitive extinction and ignition in a heated microchannel”, (2012) Combustion and Flame, 159 (4), pp. 1631-1643.

11. Fursenko, R., Minaev, S., “Flame balls dynamics in divergent channel”, (2011) Combustion Theory and Modelling, 15 (6), pp. 817-825.

12. Fan, A., Minaev, S., Sereshchenko, E., Fursenko, R., Kumar, S., Liu, W., Maruta, K., Experimental and numerical investigations of flame pattern formations in a radial microchannel//(2009) Proceedings of the Combustion Institute, 32 II, pp. 3059-3066.

13. Fan, A., Minaev, S., Kumar, S., Liu, W., Maruta, K., Regime diagrams and characteristics of flame patterns in radial microchannels with temperature gradients//(2008) Combustion and Flame, 153 (3), pp. 479-489.

14. Fursenko, R.V., Minaev, S.S., Chang, K.C., Chao, Y.C., Analytical and numerical modeling of a spherical diffusion microflame//(2008) Combustion, Explosion and Shock Waves, 44 (1), pp. 1-8.

15. Minaev, S., Maruta, K., Fursenko, R.,Nonlinear dynamics of flame in a narrow channel with a temperature gradient//(2007) Combustion Theory and Modelling, 11 (2), pp. 187-203.

16. Maruta, K., Kataoka, T., Kim II, N., Minaev, S., Fursenko, R.,Characteristics of combustion in a narrow channel with a temperature gradient//(2005) Proceedings of the Combustion Institute, 30 II, pp. 2429-2436.

17. Kagan, L., Minaev, S., Sivashinsky, G., On self-drifting flame balls//(2004) Mathematics and Computers in Simulation, 65 (4-5), pp. 511-520.

18. Minaev, S., Fursenko, R., Ju, Y., Law, C.K., Stability analysis of near-limit stretched premixed flames//(2003) Journal of Fluid Mechanics, (488), pp. 225-244.

19. Ju, Y., Minaev, S.,Dynamics and flammability limit of stretched premixed flames stabilized by a hot wall//(2002) Proceedings of the Combustion Institute, 29 (1), pp. 949-956.

20. Minaev, S., Kagan, L., Joulin, G., Sivashinsky, G.,On self-drifting flame balls//(2001) Combustion Theory and Modelling, 5 (4), pp. 609-622.

 

Последнее обновление: 17.11.2017
Задачи эксперимента:

1.Экспериментальное изучение характеристик диффузионного пламени метана и этилена в спутном потоке воздуха в условиях микрогравитации. Получение данных о форме пламени, высоте, на которой стабилизируется “подвешенное” пламя, его температуре, сажеобразовании и пределах существования в зависимости от скорости потока и разбавления смеси. Получение данных о диффузионном пламени, образующем сажу, путём измерения формы пламени, температуры газа в свободной от сажи зоне пламени, светимости сажи, температуры сажи и объёмной доли сажистых частиц в зависимости от скорости потока и разбавления смеси.

2.Разработка методик анализа экспериментальных данных на основе теоретических расчётов характеристик и структуры диффузионного пламени в условиях микрогравитации и сравнения расчётных данных с полученными в процессе проведения КЭ.

3.Выдача научно-обоснованных рекомендаций по изменению режимов выполнения КЭ.

4.Получение и обработка экспериментальных данных, решение ряда обратных задач для извлечения кинетических данных для детальных и редуцированных моделей диффузионного пламени в условиях микрогравитации.

Страна: Россия