ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 2, с. 186-197
УДК 533;543.422
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ РАСПАДЕ КАНАЛА СУБМИКРОСЕКУНДНОГО ИСКРОВОГО РАЗРЯДА
© 2014 г. М. А. Шурупов, С. Б. Леонов, А. А. Фирсов, Д. А. Яранцев, Ю. И. Исаенков
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступила в редакцию 12.02.2013 г.
Работа посвящена изучению динамики пробоя субмикросекундного высоковольтного электрического разряда, сопутствующих разряду гидродинамических явлений, а также анализу возможности его применения для ускорения смешения компонент при решении задачи высокоскоростного горения. В статье изложены результаты экспериментального и численного исследований развития газодинамических возмущений при распаде послеразрядного канала. Основные параметры разряда: характерная длина — 50—60 мм, напряжение пробоя — до 120 кВ, длительность — 80—100 нс, энергия — до 2 Дж, мгновенная мощность по порядку величины — 100 МВт. Впервые подробно изучены и описаны неустойчивости струйного типа. Показано, что развитие крупномасштабных неустойчивостей тесно связано с геометрической формой разрядного канала. Обсуждается механизм развития пробоя и связанная с ним возможность управления формой канала разряда.
Б01: 10.7868/80040364414010190
ВВЕДЕНИЕ
Реализация управления смешением, воспламенением и горением в высокоскоростных, предварительно не перемешанных потоках является одной из наиболее важных задач при создании прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД и ГПВРД). Задача сложна, в частности, из-за короткого времени нахождения газа в камере сгорания ограниченной длины. Большинство практических схем ВРД предполагает прямую ин-жекцию топлива в высокоскоростной поток окислителя. Процесс смешения компонент проходит две стадии: кинематического перемешивания и диффузии, на каждую из которых требуется определенное время, которое должно быть менее или сравнимо с характерным газодинамическим временем ^ = Ь/У, где Ь — длина камеры сгорания, V — скорость газа. Из-за конечной скорости химических реакций и смешения, с одной стороны, и из-за ограниченности доступного для завершения процесса горения времени — с другой, возникает необходимость во внешнем воздействии для интенсификации этих процессов при минимальных потерях полного давления [1, 2, 3, 4].
Анализ ситуации, проведенный с точки зрения воздействия электрического разряда на динамику газа в камере сгорания, показывает, что импульс-но-периодический разряд длительностью меньше микросекунды может быть эффективным низкоэнергетическим методом ускорения смешения и, возможно, интенсификации горения. Эффект быстрого турбулентного расширения послераз-рядного канала в высокоскоростном потоке был
зафиксирован экспериментально и детально описан в работах [5, 6, 7]. Можно выделить несколько механизмов воздействия короткоимпульсного высоковольтного разряда на параметры газа и структуру газового потока, ограниченного стенками камеры сгорания:
— быстрый локальный нагрев газа приводит к уменьшению времени индукции зажигания смеси и возникновению градиентов давления;
— генерация ударных волн локально увеличивает температуру и давление, улучшает смешение за счет развития газодинамических неустойчиво-стей, особенно в двухфазном потоке;
— диссоциация и ионизация молекул электронным ударом, а также фотодиссоциация и фотоионизация воздуха и топлива приводят к наработке химически активных радикалов;
— генерация вихревого движения и турбулентное расширение послеразрядного канала ускоряют смешение газов.
В данной работе основное внимание уделяется последнему механизму из приведенных выше. Выбор типа разряда (длинная искра субмикросекунд-ной длительности) обусловлен, с одной стороны, малой по сравнению с газодинамическими временами длительностью — ? < 100 нс, а с другой — низким полным энерговкладом (Е < 2 Дж/импульс) при значительной мгновенной мощности (до 100 МВт). Влияние последнего параметра существенно сказывается на динамике распада послеразрядного канала. В охлаждающемся канале происходит развитие турбулентности, которая, как известно, может заменять молекулярную теплопровод-
Рис. 1. Схема эксперимента по исследованию динамики распада канала высоковольтного разряда: 1 — высоковольтный источник (10—12 кВ), 2 — конденсатор первичного контура С1 (1 мкФ), 3 — управляемый газовый разрядник, 4 — трансформатор Теслы (до 120 кВ во вторичной обмотке), 5 — сборка высоковольтных конденсаторов (С2 = 367 пФ), 6 — теневая система, 7 — дополнительные электроды, 8 — разрядный канал, 9 — высокоскоростная камера.
ность при охлаждении газа, резко увеличивая скорость охлаждения [8]. В результате неустойчивый распад перегретого канала происходит значительно быстрее, а возникающее турбулентное движение существенно интенсифицирует кинематическую фазу смешения компонент. Другой важной особенностью описываемого разряда является развитие крупномасштабных вихревых и струйных течений в газе после электрического разряда [7]. Развитие неустойчивостей такого сорта приводит к появлению разнонаправленных газовых течений, распространяющихся со значительной скоростью ¥> 100 м/с и влияющих на состояние газа в объеме, существенно превышающем начальную область электрического пробоя.
Таким образом, комбинация ударных волн, скоростных течений в масштабе продольного размера разрядного канала и возникающей при его охлаждении мелкомасштабной турбулентности позволяет рассматривать субмикросекундный искровой разряд как перспективный инструмент для интенсификации смешения и стабилизации фронта пламени в условиях высокоскоростных камер сгорания. В настоящей статье приводятся данные экспериментального изучения динамики распада канала импульсного разряда и результаты соответствующего численного моделирования.
1. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема эксперимента по исследованию механизмов распада канала высоковольтного разряда представлена на рис. 1. Экспериментальный стенд состоит из высоковольтного импульсного источника питания разряда, системы электродов, помещенной в герметичную тестовую камеру с длиной основного промежутка 1—6 см (8) и средств проведения измерений. Описанная схема позволяет получать мощный (см. ниже) искровой разряд длиной до 6 см. Отдельно проводились эксперименты с дополнительными электродами 7. Потенциалы на этих электродах благодаря установке дополнительных емкостей в цепи заземления оставались не слишком высокими — до 10 кВ. Такая схема позволяла управлять начальным пространственным рас-
пределением напряженности электрического поля, направлением развития электрического пробоя и, соответственно, конечной формой разряда.
Основу диагностики газодинамических процессов составляет теневая система 6, настроенная по схеме Теплера и позволяющая визуализировать газодинамические процессы: структуру возникающих течений и характер возмущений. Временное разрешение составляет 100 нс, пространственное разрешение зависит от применяемого объектива и в ряде случаев было не более 0.1 мм. В эксперименте использовались также съемка скоростной камерой, стрик-теневая съемка и система измерений электрических параметров разряда.
Особенностью описываемого разряда является высокий уровень плотности вкладываемой энергии. В основе схемы источника питания лежит трансформатор Теслы, работающий в режиме ударного возбуждения. Высоковольтный конденсатор (С1 = 1 мкФ, до 12 кВ) коммутируется на первичную обмотку трансформатора при помощи управляемого газового разрядника высокого давления. Нагрузкой для трансформатора является сборка высоковольтных конденсаторов общей емкостью около С2 = 367 пФ. Для синхронизации источника с системой измерений и визуализации использовался генератор импульсов с оптическими выходами и оптоволоконными линиями связи. По приходу оптического синхроимпульса схема управления разрядником (на рис. 1 не показана) генерирует высоковольтный и ~ 7 кВ импульс, коммутируя таким образом первичный контур трансформатора Теслы. Данная схема позволяет получить напряжение на нагрузке до иа ~ 120 кВ с фронтом около 500 нс при запасаемой энергии до 2.5 Дж. При достижении пробойного напряжения происходит разряд через газовый промежуток с постоянной времени, определяемой емкостью С2 и индуктивностью разрядного контура: < 100 нс. Разрядное напряжение измерялось при помощи высоковольтного делителя Р6015А, ток — посредством пояса Роговского.
Типичная осциллограмма разряда показана на рис. 2. Параметры разряда находятся в следующих пределах: разрядный промежуток d = 30—60 мм, дав-
Напряжение, кВ
100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60
Ток, А 2000
1500
- 1000
500
'— 0
0 200 400 600 800 1000
Время, нс
Рис. 2. Типичная осциллограмма электрических параметров разряда.
ление окружающего воздуха Р = 1-0.05 атм., пробойное напряжение иа = 80-120 кВ, длительность разряда по полуширине основного импульса разрядного тока = 80-100 нс, амплитуда разрядного тока I = 0.5-2.0 кА, мощность = 10-200 МВт, энерговклад Еа = 1-2.5 Дж. Серьезные проблемы возникают при определении радиуса разрядного канала, существенным образом влияющего на величину плотности вкладываемой электрической мощности и оценку температуры плазмы. Корректное рассмотрение задачи об эволюции поперечного сечения сильноточного канала в фазе после распространения стримерного пробоя требует учета процессов электронной и амби-полярной теплопроводности и переноса излучения, что трудно сделать в рамках данной работы. Малая длительность разрядного импульса и умеренный уровень протекающего электрического тока позволяют исключить влияние газодинамического расширения и собственного магнитного поля. В дальнейших расчетах авторы принимают радиус токового канала равным г = 0.25 мм, исходя из данных визуализации, косвенных оценок по взаимному соответствию измеренных параметров и литературных источников [9, 10, 11, 12, 13].
2. МЕЛКОМАСШТАБНАЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ГРАНИЦЫ ПОСЛЕИСКРОВОГО КАНАЛА
Наиболее важным процессом, приводящим к воздействию рассматриваемого разряда на окружающий газ, является быстрый Джоулев нагрев.
Результатом является мгновенный по меркам газодинамически
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.