Работы автора

Интерес к одностадийной конверсии метана, составляющего большую часть в составе природного газа, сохраняется уже многие годы и десятилетия. Одним из активно развивающихся направлений является плазмохимическая конверсия метана в метанол. За это время были предложены разнообразные лабораторные конструкции реакторов, преимущественно барьерного типа разряда, исследовано влияние температуры, давления, расходов, энерговклада и других параметров в реакторе на эффективность процесса, выраженную в степени конверсии метана, селективности по метанолу, выходе метанола и удельном энерговкладе на единицу полезного продукта. В данном обзоре приводятся основные результаты, полученные авторами по всему миру за последние 30 лет как в экспериментальных, так и в численных исследованиях процесса получения метанола из метана в одностадийных процессах.

Экспериментально исследовано развитие электрического пробоя в воде с проводимостью 255 мкСм/см при воздействии ультразвуковых волн для геометрии электродов «острие–штырь» с межэлектродным промежутком 8 мм. Обнаружено, что при одинаковом напряжении, близком к минимальному пробойному, вероятность инициации пробоя и замыкания разрядом промежутка увеличивается в два раза при воздействии ультразвуком без создания кавитации, а время допробойной стадии сокращается по сравнению с пробоем без ультразвука.

Экспериментально исследовано развитие электрического пробоя через границу раздела двух жидкостей с различной электропроводностью и различной диэлектрической проницаемостью: слой трансформаторного масла над слоем воды в импульсном электрическом поле, направленном по нормали к границе раздела. Обнаружено, что сначала под действием электрического поля поверхность воды начинает прогибаться в слой масла, затем развивается конусообразная неустойчивость границы раздела жидкостей и конус воды быстро втягивается в масло вблизи высоковольтного электрода, погруженного в масло. Слой масла у электрода становиться тонким, либо конус воды достигает электрода, в результате чего возникает пробой.

Методом Particle Image Velocimetry (PIV) исследована нестационарная картина обтекания капли диэлектрической жидкости дибутилфталата окружающей водой слабой проводимости под действием импульса тока микросекундной длительности. Обнаружено, что время существования индуцированного завихренного течения в воде значительно превышает длительность импульса тока. Во время действия импульса тока на поверхности капли развиваются только малые возмущения, в то время как конечные возмущения поверхности развиваются на значительно бóльших временах, превосходящих длительность импульса тока на два и более порядка, и связаны с эволюцией течения воды вокруг капли. Показано, что на величину максимальной скорости в индуцированном течении воды влияет потенциал иглы при неизменной длительности и амплитуде импульса тока.

Методом Particle Image Velocimetry (PIV) с высокими пространственным и временным разрешениями исследовано формирование и эволюция течения в воде с проводимостью 5 мкСм/см вблизи электрода под действием импульса напряжения микросекундной длительности. Движение воды на ранних временах после подачи импульса (от 2 мкс) происходит от поверхности иглы. Тонкая струя у кромки цилиндра, направленная по диагонали от поверхности, появляется около 64 мкс. Вовлечение в нее жидкости из-под торца, приводит к развороту течения и формированию одного из нескольких сопутствующих струе вихрей. Результаты моделирования согласуются с наблюдаемой картиной течения и позволяют сделать выводы о распределении силы, действующей со стороны электрического поля, и результирующего давления в жидкости. Наличие области, в которой вектор силы меняет направление, приводит к смещению струи от своего первоначального направления в сторону под торец. Рассчитанные размеры и положение вихря с разумной точностью совпадают с зафиксированными в эксперименте.

Приведены экспериментальные данные обтекания и разрушения вольфрамового
стержня плазменной струей из щелевого выходного отверстия плазмотрона посто-
янного тока. Предложена методика оптической онлайн-диагностики изменения фор-
мы и объема обтекаемого образца на основе теневого метода с лазерной подсветкой.
За время эксперимента 100 с на боковой (цилиндрической) поверхности стержня диа-
метром 2 мм сформировалась выраженная эрозия, а его масса уменьшилась на 0,2 г при
обтекании плазмой из аргона (расход 2 г/с, среднемассовая скорость около 140 м/с, ток
150 А, напряжение 44 В). Контрольное измерение массы на точных весах показало хо-
рошее совпадение результата обработки изображений с истинным значением.
С помощью предложенного метода показана динамика изменения массы вольфрамо-
вого стержня за время эксперимента.

Экспериментально исследуется процесс истечения высокоэнтальпийной затопленной струи газа из щелевого выходного отверстия плазмотрона постоянного тока. С по-мощью лазерного оптического теневого метода выполнена визуализация картины истечения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях струи. Предложен метод об-работки цифровых изображений струи, который позволил определить границы струи, углы её раскрытия и их динамику – средние значения углов составили (19  2) и (11  2) в плоскостях вдоль и поперек длинной стороны щели соответственно. На основе полученных данных определен режим истечения и проведено сравнение
с известными литературными данными.

Исследуется электрогидродинамический процесс движения в системе двух несмеши-
вающихся жидкостей – проводящая вода и трансформаторное масло, под воздей-
ствием импульсного электрического поля, ориентированного перпендикулярно границе
раздела. Показано, что при импульсном воздействии наблюдается более интенсивное
движение проводящей воды, что приводит к её проникновению в слой более легкого
масла, расположенного над водой. Это движение приводит к образованию и росту ко-
нуса воды в масле. Высота конуса зависит от амплитуды и длительности импульса
приложенного напряжения. В результате экспериментов и моделирования определе-
ны характерное время достижения водяным конусом верхнего потенциального элек-
трода. Результаты моделирования в хорошей степени совпадают с эксперименталь-
ными результатами.