Effect of an axial electric field on detonation waves

The present thesis reports an investigation of the effects of an axial electric field (200V/cm – 8000V/cm) on the propagation of detonation waves in mixtures of 2CO+O₂ and C₂H₂+O₂+85%Ar. High speed streak camera together with photodiodes was used for detonation velocity and position measurements. Additionally, the voltage across the axial electrodes and the current in the field circuit were also monitored as the detonation traversed the electric field region. The experimental results show that the charged particles within the detonation reaction zone are attracted to the surface of the electrode creating a sheath at the boundary of the electrode that shields the bulk of the detonation plasma from further influence of the DC electric field of the electrode. The present results also show that the neither the detonation structure nor its velocity are influenced bythe presence of the sheath and the resulting current to the electrode. It is also found that the conducting gas behind the detonation wave carries the voltage across the test section to the second (ground) electrode. In an axial electrode configuration the detonation wave essentially reduces the gap between the two electrodes progressively as it propagates in the test section. The increase of the electric field ahead of the detonation may result in a breakdown of the unburned mixture ahead of the detonation and the development of a discharge. For a sufficiently high electric field an arc discharge occurs ahead of the detonation igniting the unburnt mixture upstream of the detonation. The lack of fresh mixture ahead of the detonation results in failure of the detonation, but subsequent reinitiation of the detonation may occur. The present study also indicates that contrary to the previous observations by Bone et el, no significant effect of the applied electric field on the detonation is observed except for cases where breakdown of the unburned mixture ahead of the detonation occurs.Cette étude décrit une analyse expérimentale dans le but de déterminer les effets que produit un champ électrique axiale ( 200 V/cm – 8000 V/cm) sur la propagation d'une vague de détonation gazeuse dans les mélanges stoechiométriques de 2CO + O₂ et C₂H₂ + O₂, dilué avec 85% d'argon. Des photographies de haute vitesse ainsi que des photodiodes ont été utilisées pour obtenir des mesures de la vitesse et de la position de la détonation. De plus, des mesures du voltage entre les électrodes positionnées axialement ainsi que du courant passant par le circuit du champs électrique ont été enregistrées durant la traversée de la détonation dans la zone du champs électrique. Les résultats expérimentaux montrent que les particules chargées dans la zone de réaction de la détonation sont attirées vers la surface de l'électrode. Ce phénomène crée une couche de protection à la frontière de l'électrode qui rends ainsi le coeur du plasma de détonation impérméable à l'influence du champs electrique DC provenant de celle-ci. Ces résultats permettent aussi de démontrer que ni la structure de la détonation ni sa vitesse ne sont influencées par la présence de cette couche de protection ainsi que par le courant généré par le mouvement des ions. Il se dégage de ces expériences que le gas conducteur derrière l'onde de chocde la détonation conduit le voltage le long de la section de test jusqu'à la seconde électrode ( terre). Dans ce type de configuration, l'onde de choc en se propageant dans la section de test réduit la distance inter-électrode progressivement. L'augmentation du champs électrique devant la détonationpeut être interprété par la rupture diélectrique du mélange non brûlés devant la détonation, ce qui entraine le développement d'une décharge électrique. Pour un champ électrique assez fort, un arc électrique peut allumer le mélange non brûlé en amont de la détonation. Le manque de mélange frais (non-brûlé) devant la détonation entraine l'échec de celle-ci, mais un réallumage peut se produire ultérieurement. L'étude démontre ainsi que contrairement à l'observation précédente faites par Bone & al, le champs electrique appliqué n'a que peu d'effet sur la détonation sauf lorsque les gazs frais rompent diélectriquement en amont de l'onde de détonation