Шифр эксперимента: | s-FLAME |
Информационная справка: | ИС_s-Flame_ФИАН_2018.doc |
Направление НПИ: | 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса |
Секция КНТС: | Космическое материаловедение |
Наименование эксперимента: | Структура и динамика сферических диффузионных пламен |
Цель эксперимента: |
-Верификация химических кинетических механизмов и моделей переноса, используемых при моделировании газодинамических термохимических явлений.
-Исследование свойств, структуры, устойчивости и динамики сферических диффузионных пламён. |
Описание эксперимента: |
Порядок проведения КЭ. Эксперимент проводится на американском сегменте МКС в интегрированной стойке для экспериментов по горению (Combustion Integrated Rack) на оборудовании «s-FLAME». В состав оборудования «s-FLAME» 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; -Сферическая пористая горелка с радиусом 3.2-6.4 мм необходима для формирования сферически симметричного одномерного 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 окислителем, подачу топлива и инертного газа с расходами 0-0.5л/мин ±5% и 0-1.0л/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 «s-FLAME» обеспечивает изучение свойств, структуры, устойчивости и динамики сферических диффузионных пламен. |
Новизна эксперимента: |
Исследования сферических диффузионных пламен в условиях продолжительной микрогравитации высокого качества ранее не проводились ни отечественными, ни зарубежными исследователями. Информация, полученная из эксперимента «s-FLAME», окажет существенное влияние на развитие и разработку высокоэффективных систем сгорания с низким уровнем выбросов для наземного применения. |
Научная аппаратура: |
НА «s-FLAME» предназначена для формирования сферически симметричного одномерного ламинарного диффузионного пламени, образуемого путем подачи топливной смеси через сферическую горелку в неподвижную окислительную среду и визуально-инструментальной регистрации его свойств, структуры и динамики. НА «s-FLAME» 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 «s-FLAME» входят:- камера с двумя ортогональными оптическими окнами, - пористая горелка, - система воспламенения, - система подачи и утилизации газов, - 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. Сферическая пористая горелка с радиусом 3.2-6.4 мм необходима для формирования сферически симметричного одномерного 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 окислителем, подачу топлива и инертного газа с расходами 0-0.5л/мин ±5% и 0-1.0л/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 экспериментов s-FLAME 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. Будут получены новые данные в области исследования диффузионных пламен. - Данные, полученные в ходе экспериментов, позволят верифицировать существующие модели кинетики реакций горения и процессов переноса, что необходимо для развития и разработки прикладных высокоэффективных, экологически чистых технологий и устройств для энергетики, транспорта и промышленности, основанных на горении углеводородных топлив в наземных условиях. |
Сроки проведения: | 2019 – 2020 гг. |
Состояние эксперимента: | Реализуется |
Организация постановщик: | АО «ЦНИИмаш» |
Организации участники: |
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН), ПАО «РКК «Энергия»; ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А.Гагарина». Проводится совместно с НАСА в соответствии с Протоколом PSF и Планом совместных исследований НАСА-Роскосмос. |
Научный руководитель: | Губернов В. В., ведущий научный сотрудник, д.ф.-м.н., ФИАН. Организация, осуществляющая научное руководство с российской стороны – ФИАН. |
Публикации по эксперименту: |
1. A.I. Korsakova, V.V. Gubernov, A.V. Kolobov, V. Bykov, U. Maas, “Stability of rich laminar hydrogen-air flames in a model with detailed transport and kinetic mechanisms” Combustion and Flame, 2016, 163, 478-486. 2. V.V. Gubernov, A.V. Kolobov, V. Bykov, U. Maas, “Investigation of rich hydrogen–air deflagrations in models with detailed and reduced kinetic mechanisms” Combustion and Flame, 2016, 168, 32-38. 3. A.I. Korsakova, V.V. Gubernov, A.V. Kolobov, V. Bykov, U. Maas, “The effect of Soret diffusion on stability of rich premixed hydrogen-air flames”, International Journal of Hydrogen Energy, в печати (2016). 4. V.V. Gubernov, J.S. Kim, "The fast-time instability map of Linan’s diffusion-flame regime", Journal of Mathematical Chemistry, 2014, 53, 220-235. 5. V.V. Gubernov, A.V. Kolobov, A.A. Polezhaev, H.S. Sidhu, "Analysing the stability of premixed rich hydrogen–air flame with the use of two-step models", Combustion and Flame, 2013, 160, 1060-1069 6. V.V. Gubernov, A.V. Kolobov, A.A. Polezhaev and H. S. Sidhu, "Stability of combustion waves in the Zeldovich-Linan model", Combustion and Flame, 2012, 159, 1185-1196 7. J.S. Kim, V.V. Gubernov, "On the fast-time oscillatory instabilities of Linan's diffusion-flame regime'', Combustion Theory and Modelling, 2006, 10, 749-747.
|
Последнее обновление: | 14.11.2017 |