Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения



Скачать 69.05 Kb.
Дата09.01.2013
Размер69.05 Kb.
ТипДокументы
Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения.
Развитие цивилизации продолжает ставить перед наукой новые задачи даже в традиционных, сложившихся направлениях. Это – глобальное потепление климата, требующее перехода к новым технологиям сжигания природных горючих с пониженным выбросом СО2 в атмосферу в энергетике и промышленности, это – продолжающиеся взрывы газа в шахтах и жилых домах, уносящие человеческие жизни, это – необходимость дальнейшей интенсификации процессов горения, в том числе сжигания низкокалорийных углей, разработки более теплонапряженных и эффективных камер сгорания и решение связанных с этим экологических проблем, создание мощных лазерных систем с использованием реакций горения и т. д.

В связи с этим необходим поиск новых подходов к проблеме интенсификации процессов горения. Актуальность этого направления связана, в том числе, с относительно низкой реакционной способностью природных газообразных углеводородов, в связи с чем процесс горения в современных камерах сгорания полностью не завершается и в атмосферу выбрасывается много экологически вредных продуктов неполного горения.

Перспективным решением этой проблемы может оказаться переход на новые принципы сжигания углеводородов, основанные на частичном предварительном пиролизе горючего с целью увеличения его реакционной способности. Недавние исследования закономерностей распространения волн пиролиза и горения по лазерному лучу показали, что предварительный частичный термоокислительный и термический пиролиз пропана приводит к значительному повышению реакционной способности горючего и, в результате, скорость распространения волны горения по лазерному лучу увеличивается в 6 - 7 раз! Отсюда следует важный фундаментальный вывод: для дальнейшей интенсификации процессов горения целесообразно перейти на новые принципы сжигания природных углеводородов, основанные на предварительном преобразовании горючего. Это позволяет по иному отнестись к турбулентному горению и рассматривать турбулентность как эффективный механизм преобразования исходной горючей смеси, значительно повышающий ее реакционную способность и поэтому приводящий к существенному кинетическому усиливающему эффекту, значительно перекрывающему эффект интенсификации процессов горения за счет интенсификации только процессов переноса во фронте пламени.

Исследования также показали, что для зажигания горючих смесей ряда углеводородов с воздухом достаточно небольшой мощности лазерного излучения - всего нескольких ватт, что открывает возможность для разработки и создания достаточно миниатюрных и эффективных лазерных систем зажигания.

Особенно широкие перспективы открываются в лазерохимических технологических процессах, в том числе связанных с распространением волн синтеза вдоль лазерного луча от подложки.
Например, в газообразных смесях углеводородов это приводит к росту твердых углеродных структур в направлении лазерного луча, что открывает принципиальные возможности для управляющего воздействия на химические процессы, приводящие к получению новых материалов и структур ( в том числе и наноструктур), возможно, с уникальными свойствами.

Использование лазерного излучения в исследовательских целях оправдано всегда. Практическое же использование лазерного излучения в процессах горения может быть оправдано разумеется только в том случае, если малая мощность лазерного излучения может привести к существенному эффекту. Это может иметь место в цепных процессах с большой длиной цепи, когда даже малой концентрации генерированных лазерным излучением активных атомов и радикалов будет достаточно, чтобы “переработать” большие количества исходных реагентов.

Такая ситуация, вероятно, возникает при инициировании горения, например, пропано-воздушных смесей в поле сфокусированного лазерного излучения, когда наблюдается взрывной режим горения. Анализ результатов экспериментальных и численных исследований позволил установить, что причина взрывного горения в общем-то бедных и недетонирующих смесей связана с диссоциацией молекул пропана. В поле лазерного излучения за счет поглощения фотонов происходит неравновесный колебательный разогрев молекул пропана и их распад с образованием водорода и генерацией активных атомов и радикалов, что приводит к значительному изменению кинетики и ускорению реакций горения. Однако главная причина взрывного характера протекания процесса связана с тем, что в изначально однородной горючей среде под действием неоднородного по длине лазерного луча формируются неоднородные температурные и концентрационные поля, порождают градиент периода индукции горения вдоль лазерного луча. В результате неравномерного протекания реакции по длине луча происходит развитие газодинамических процессов, приводящих к образованию ударных волн и возникновению детонации.

Таким образом, степень фокусировки лазерного луча является эффективным инструментом регулирования химического процесса в пространстве и, соответственно, инструментом управления режимами горения горючих смесей и твердых топлив. Практически важно то, что с помощью лазерного излучения, сформированного в заданном направлении в слабо поглощающей излучение горючей смеси газов, можно возбудить направленные по лучу сильныхедетонационные волны. Вне луча во всех направлениях детонация в недетонирующих средах распространяться не может, так как нет условий для ее возбуждения и поддержания. Заметим, что нестационарную ситуацию в данном случае легко можно преобразовать в импульсно-периодическую.

Все это важно с точки зрения разработки механизмов управления процессами горения в том числе и при создании новых эффективных камер сгорания. Необходим поиск эффективных присадок-сенсибилизаторов, которые бы под воздействием относительно маломощного лазерного излучения служили бы источниками необходимых активных частиц-атомов и радикалов, существенно интенсифицирующих протекание реакций горения.

Лазерное излучение не только может оказывать существенное влияние на механизм и кинетику процессов горения, но и наоборот процессы горения могут быть использованы для накачки мощных газодинамических и химических лазеров. Большая часть фундаментальных исследований, по крайней мере относящихся к HF/DF, CO2, иодному и частично к СО - лазерам, в основном завершены и больше того инженерами уже созданы мощные непрерывные лазерные системы для технических и специальных приложений. Это прежде всего касается СО2-газодинамических лазеров мегаваттной мощности с использованием процессов горения углеводородных и твердых топлив. Но самым продвинутым в настоящее время из непрерывных хемогазодинамических лазеров на смешении несомненно является HF/DF- лазер, генерирующий мощности порядка нескольких МВт. В хемогазодинамических лазерах газовая динамика позволяет с помощью быстрых сверхзвуковых потоков управлять физико-химической кинетикой, приводит к неравновесному возбуждению колебательных уровней молекул и формированию инверсной среды.

Что касается сверхзвуковых химических СО- лазеров, имеющих ряд существенных преимуществ перед HF/DF-лазерами, то, несмотря на достигнутое понимание основных процессов, определяющих работу этого лазера, пока не удалось создать достаточно мощных и эффективно работающих лазерных устройств. Главная трудность, сдерживающая дальнейшее развитие химических СО-лазеров большой мощности, связана с поиском простого и дешевого источника активных частиц, в качестве которых на первых порах рассматривался главным образом, атомарный кислород, а в последнее время и атом S. Разрабатывается несколько альтернативных источников активных частиц, среди которых особого внимания заслуживают следующие. Один из них основан на образовании сверхравновесных концентраций атомарного кислорода в процессах горения серы и сероуглерода. Такой источник, несмотря на свою внешнююпривлекательность, связанную с возможностью создания автономного химического СО-лазера, обладает принципиальными недостатками, обусловленными нецепным характером инициирования процесса и необходимостью поддержания относительно низкого давления на входе в сопло ( менее 100 мм.рт.ст.), что делает необходимым использование принудительной системы откачки продуктов реакции из резонатора. С этой точки зрения более перспективным для мощных химических СО-лазеров представляются схемы, в которых в качестве исходных используются радикалы CS и S, при смешении которых с молекулярным кислородом реализуется цепной механизм с длиной цепи, превышающей 10. Поэтому в данном случае можно использовать равновесный источник CS и S, что создает благоприятные условия для реализации схем сверхзвукового химического СО-лазера ( СО - СХЛ ) с высокими давлениями торможения и значениями чисел Маха.

Уникальность СО - СХЛ, о чем свидетельствуют результаты теоретических исследований, заключается в том, что он позволяет поднять давление в резонаторе вплоть до атмосферного; при этом колебательная релаксация не оказывает сколько-нибудь существенного влияния и все определяют каскадные переходы. Несмотря на то, что ситуация представляется весьма обнадеживающей, предстоит еще решить целый ряд задач, прежде чем можно будет перейти к созданию эффективного СО - СХЛ.

К числу первоочередных задач следует отнести следующие:

1. Необходимо экспериментально подтвердить результаты численных расчетов, указывающих на возможность достижения в СО - СХЛ значений удельного энергосъема порядка 50 - 60 Дж/г.

2. Определить потенциальные возможности радикала CS как активной частицы, что при положительном результате позволит существенно снизить температуру торможения.

3. Экспериментально доказать возможность эффективной работы СО - СХЛ при повышенных значениях давления в резонаторе ( от 100 до 760 мм.рт.ст. ).

Следует подчернуть, что одно из неоспоримых преимуществ СО - СХЛ и вообще химических СО-лазеров - это исключительно большое время жизни колебательно- возбужденных молекул СО по отношению к столкновительной дезактивации. Но следует также иметь в виду, что содержащийся в атмосфере водяной пар, а также окись углерода и углекислый газ заметно поглощают излучение в области 4,8 - 8,0 мкм. Поэтому при передаче излучения СО - СХЛ на большие расстояния через атмосферу необходимо одним из способов сдвигать излучательные переходы СО- лазера к длинам волн менее 5 мкм. В целом СО - СХЛ представляет собой, несомненно, эффективный лазер, обладающий рядом существенных преимуществ.
Подготовлено Г.И. Козловым.

Похожие:

Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconЛабораторная работа №1 Модель окисления пленки хрома сканирующим пучком непрерывного лазерного излучения
Целью лабораторной работы является приобретение студентами представлений о термохимическом воздействии лазерного излучения на металлические...
Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconФормирование наномасштабных периодических структур при взаимодействии фемтосекундных импульсов лазерного излучения с металлами
Действие длинных импульсов лазерного излучения обычно приводит к формированию микроструктур с периодами
Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconК вопросу о возможности использования фемтосекундного лазерного излучения в экспериментальной и клинической онкологии
В 1982г по его инициативе была создана лаборатория лазерной хирургии в фиане, в которой началось изучение спектрально-селективного...
Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconКонспект лекций под редакцией В. П. Вейко Часть I поглощение лазерного излучения в веществе Санкт-Петербург
Яковлев Е. Б., Шандыбина Г. Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Конспект лекций. Часть I. Поглощение...
Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconРеферат Целью данной работы являлось исследование динамики процессов при взаимодействии мощного лазерного излучения со стеклом, мрамором, гранитом и Ag(серебром)

Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconРасчет горения твердого и жидкого топлива
Для расчета процессов горения твердого и жидкого топлива составляют материальный баланс процесса горения
Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconМатематическая модель крупномасштабного горения газовых смесей
Ош – от 50 до 800 м, время горения – от 6 до 100 с. Воздействие теплового излучения от высокотемпературных продуктов химических реакций...
Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconГенерация оптических гармоник в нелинейных кристаллах
Целью данной лабораторной работы является ознакомление с физическими основами процессов генерации гармоник и суммарных частот лазерного...
Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconТермодинамическая теория автоволновых процессов в слое катализатора и ламинарного горения
Динамической теории автоволновых процессов (авп) в неподвижном слое катализатора и ламинарного горения. Объединение методов и подходов...
Актуальные проблемы взаимосвязи процессов горения и лазерного излучения iconНелинейно-оптическое взаимодействие лазерного излучения с гетерогенными жидкофазными средами на основе наночастиц α-Al 2 o 3
Нелинейно-оптическое взаимодействие лазерного излучения с гетерогенными жидкофазными средами на основе наночастиц α-Al2O3
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org