Электрическое пламя

Электрическое пламя

Шифр эксперимента: Электрическое пламя
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Контроль горения электрическими полями
Цель эксперимента:

Получение экспериментальных данных высокой точности для изучения влияния электрических полей на диффузионное пламя.

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,

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

-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 и динамики диффузионного пламени при влиянии электрических полей, 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 пламя, сажеобразовании, пределов существования в зависимости от скорости потока, разбавления смеси, напряжения электрического поля. 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 влияния электрического поля, изучение закономерностей производства ионов в пламени, исследование как ионы могут использоваться для контроля неперемешанных пламен 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 позволит построить модели контроля горения с помощью электрических полей.

 

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 степень влияния электрического поля нa характеристики диффузионного пламени, использование электрических свойств для контроля пламен, и исcледования процессов сажеобразования и образования загрязняющих веществ. Характеристики диффузионного пламени пламени 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.

Результаты этих экспериментов будут непосредственно применимы к практическим вопросам, связанным с контролем процессов горения, воспламенением, стабилизацией пламени и многими другими.

Общие цели исследования влияния электрического поля нa пламенa следующие: понимание механизма хеми-ионизации и генерируемого ионного ветра с тем чтобы электрические свойства неперемешанных пламен могли использоваться для получения их свойств и для их контроля.

Принципиально то, что планируемые эксперименты не могут быть проведены в условиях земной гравитации.

 

Сроки проведения: 2018-2019 гг.
Состояние эксперимента: Реализуется
Организация постановщик: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет»
Организации участники: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет»
Научный руководитель: Минаев С. С., Дальневосточный федеральный университет - Инженерная Школа , зав.лаб., д.ф.-м.н.
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. Takahashi, F., Katta, V.R., Linteris, G.T., Babushok, V.I., “Combustion inhibition and enhancement of cup-burner flames by CF3Br, C2HF5, C2HF3Cl2 and C3H2F3Br”, (2015), Proc.Combust.Inst., 35,2741-2748.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

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

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

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

19. 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.

20. 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.

21. 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: 22.07.2019
Задачи эксперимента:

1.Экспериментальное изучение характеристик диффузионного пламени метана и этилена под действием постоянного электрического поля и переходных процессов при изменении электрического поля в условиях микрогравитации. Получение данных о форме пламени, его температуре, сажеобразовании и пределах существования в зависимости от скорости потока, разбавления смеси и напряжённости электрического поля.

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

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

1.3.Получение и обработка экспериментальных данных, решение ряда обратных задач для извлечения кинетических данных для моделей диффузионного пламени в электрическом поле, учитывающих эффекты ионного ветра, хеми-ионизации и другие факторы, в условиях микрогравитации
Страна: Россия