МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА <4 • 2008
УДК 533.6.08:537.52
© 2008 г. А. П. ЕРШОВ, С. А. КАМЕНЩИКОВ, Е. Б. КОЛЕСНИКОВ, А. А. ЛОГУНОВ, А. А. ФИРСОВ, В. А. ЧЕРНИКОВ
О ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА С ПОМОЩЬЮ МАЛОМОЩНОГО ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
Предложен и экспериментально апробирован прямой метод измерения скорости потока в сверхзвуковом аэродинамическом канале с помощью создания в нем маломощного импульсно-пе-риодического разряда.
Ключевые слова: сверхзвуковой поток, скорость, импульсно-периодический разряд.
Необходимый элемент диагностики при исследовании высокоскоростных потоков с подводом тепла или тепловыделением - измерение скорости потока. Примером может служить одна из актуальных задач современной аэродинамики - резкое сокращение времени индукции горения топливно-воздушной смеси в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Как правило, модельные эксперименты проводятся в сверхзвуковом аэродинамическом канале с соплом Лаваля, где необходимое число Маха достигается за счет охлаждения истекающего газа, а инициатор воспламенения - электрический разряд того или иного типа. Переход к горению приводит к резкому выделению большого количества энергии, скачкам температуры и давления газа, а значит, и возможности "запирания" канала. Происходит ли дальнейшее горение в сверхзвуковом потоке или поток становится дозвуковым? Ответ на этот вопрос и требует измерения скорости сверхзвукового потока.
В экспериментах, как правило, скорость потока определяется косвенным образом. Обычный метод измерения скорости электротермоанемометром, основанный на зависимости электрического сопротивления нагретой проволочки от температуры, практически неприменим в случае сверхзвуковых потоков. Чаще всего в аэродинамических трубах скорость определяется по перепаду давления, размещением по длине и сечению канала системы датчиков давления [1]. Однако такая система достаточно громоздка, и в результате непрямого метода измерений требует определения тарировочных коэффициентов.
В лазерных измерителях скорости используют либо эффект Доплера, либо модуляцию рассеянного света на системе интерференционных полос [2]. Однако такие схемы измерений достаточно сложны, кроме того, с целью увеличения интенсивности рассеянного света в поток вводят аэрозоли определенных размеров в больших количествах. При этом возникают сомнения, равна ли скорость рассеивающих частиц скорости потока. Ввиду этого, в последнее время возрос интерес к методам измерения скорости, основанным на использовании вспомогательных разрядов [3]. Примером может служить метод, предложенный в [4]. В исследуемую зону течения параллельно ему помещают два электрода с малым углом расхождения. При подаче на них серии высоковольтных импульсов с коротким интервалом (5 мкс в [4]) первый импульс обеспечивает пробой между концами электродов, последующие пробои происходят уже в его следе (распадающейся плазме). Поскольку поток сносит след, регистрация смещения разрядных каналов позволяет измерить составляющую скорости газа вдоль электродов. Однако такой способ, как и введение аэрозолей, мало применим для горючих смесей.
11
Фиг. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - барокамера, 2 - компрессор, 3 - вентиль, 4 - шланг высокого давления, 5 - смеситель, 6 - дополнительные баллоны, 7 -манометры, 8 - электромагнитный клапан, 9 - сверхзвуковое сопло, 10 - сверхзвуковой канал, 11 - датчики давления, 12 - иллюминаторы, 13 - люк для монтажа генераторов плазмы, 14 - фланцы подачи топлива, 15 - система подачи топлива
В настоящей работе предлагается прямой способ измерения скорости потока как и = As/At, основанный на создании в потоке маломощного импульсно-периодического разряда. Величиной At является длительность импульса разряда, а в качестве As выступает протяженность разряда вдоль потока. Поскольку скорости процессов переноса плазмы при давлениях p > 0.1 атм много меньше сверхзвуковых, скорость распространения разряда практически совпадает со скоростью и направлением потока газа.
1. Экспериментальная установка. Эксперименты проведены на аэродинамической установке, предназначенной для исследования плазменно-стимулированного воспламенения и горения сверхзвукового потока углеродно-воздушных смесей (фиг. 1). Она представляет собой баллонно-вакуумную систему кратковременного (порядка 3 с) действия. Компрессор с ресивером 2 позволяют создавать давление до 16 атм в объеме 520 л, барокамера 1 объемом около 3 м3 может откачиваться до давления 1 Тор. Аэродинамический канал 10 служит для формирования сверхзвукового течения воздуха, ввода топливной смеси и проведения диагностических измерений и состоит из нескольких секций. За сверхзвуковым соплом 9, рассчитанным на число Маха М = 2, размещена формирующая секция, представляющая собой канал внутренним диаметром 25 мм и длиной 25 см. С ней соединяется рабочая секция с внезапным расширением (обратным уступом) прямоугольного сечения размерами 25 х 40 мм2 и длиной 20 см. На боковых стенках этой секции расположены иллюминаторы 12, что позволяет визуально наблюдать инициирующий горение разряд и проводить различные диагностические измерения. За рабочей секцией следуют две одинаковые измерительные секции, имеющие прямоугольное сечение, аналогичное рабочей секции, и длину 20 см. Весь канал выполнен из нержавеющей стали.
Канал оборудован системой подачи топлива 15, которое вводится через топливораз-даточные фланцы как непосредственно в сверхзвуковой тракт, так и в область за уступом. Топливно-воздушная смесь воспламеняется при помощи различных генераторов плазмы, размещаемых в зоне за уступом и вводимых в камеру сгорания через нижний фланец 13.
Для определения профиля давления по длине канала и расчета скорости потока используются 20 датчиков абсолютного давления 11, размещенные во всех секциях рабочего канала.
Через иллюминаторы из полированного оргстекла в канал вводились два вольфрамовых электрода диаметром 0.8 мм, заключенных в керамические трубки диаметром 1.5 мм с расстоянием между центрами 10 мм. Импульсно-периодический разряд создавался с помощью регулируемого источника питания с напряжением U = 10 кВ, позволяющего менять длительность импульса от 3 до 100 мкс при отношении периода импульс-но-периодического сигнала к длительности импульса Q = 103. Величина тока задавалась балластным сопротивлением R = (1-1.5) кОм. Таким образом, средняя потребляемая электрическая мощность U2/(QR) не превышала 100 Вт. Скоростная съемка разряда осуществлялась цифровой камерой, длительность кадра которой можно изменять от 3 мкс до 1 с при частоте повторения 50 кадров в секунду.
2. Обоснование метода. Еще 200 лет назад опыт продемонстрировал, что разрядный канал между соосными горизонтальными электродами, расположенными на расстоянии в несколько сантиметров, соединяет их не кратчайшим путем, а под действием конвективного потока изгибается вверх. Именно отсюда в физике газовых разрядов появилось понятие "дуга" [5]. Принудительный поперечный поток воздуха может действовать подобным образом, формируя характерную П-образную конфигурацию разрядного канала, причем как при дозвуковых скоростях [6], так и в сверхзвуковых потоках [7]. Переход к импульсному режиму не меняет принципиально эту конфигурацию. Свойства поперечного импульсного разряда в сверхзвуковых струях воздуха в режиме генератора тока были детально исследованы в [8-10]. За время импульса разрядный канал выносится воздушным потоком в соответствии с величиной и направлением его скорости, причем даже при наличии препятствия на пути движения зарядов. Такая особенность поперечного разряда объяснима с точки зрения механизма распространения разрядов в пространстве [8, 11].
Скорость распространения разряда определяется суперпозицией двух скоростей: потока и ионизации, определяемой процессами переноса. При больших давлениях и относительно небольших токах, когда излучение не играет заметной роли, скорости процессов переноса существенно меньше скорости потока, и скорость распространения разряда определяется скоростью нейтрального газа. В результате части разрядного канала за электродами выстраиваются вдоль линий тока набегающего газового потока, а замыкающая их поперечная часть разрядного канала сносится потоком с его скоростью. Ввиду этого положение поперечной части разрядного канала к концу импульса At (фактически протяженность импульсного разряда в аксиальном направлении As) может служить для непосредственного определения скорости потока как u = As/At. Найденная таким образом скорость локальная, усредненная по интервалу времени At.
Два фактора влияют на возмущение скорости нейтрального газа при организации разряда в потоке - наличие электродов и тепловыделение в разряде.
Изменение скорости потока в канале Au за счет введения электродов можно оценить согласно [12]
Au = AS 1
u S M 2 - 1
где Б - площадь поперечного сечения канала, ДБ - площадь поперечного сечения электродов. В условиях эксперимента (Б = 103 мм2, ДБ = 30 мм2, М = 2) возмущающее действие электродов пренебрежимо мало (около 1%).
Численное моделирование влияния разряда на параметры сверхзвукового потока показало [13], что заметное изменение параметров течения в разрядной зоне имеет место, если мощность тепловыделения, определяемая механизмом быстрого нагрева газа, порядка или больше потока энтальпии газа, набегающего через характерное сечение теплового источника. С учетом доли быстрого нагрева в энергобалансе разряда [14], вкладываемая электрическая мощность должна быть на порядок больше. Влияние энерговклада на область течения между разрядными каналами требует еще больших мощностей [13]. Ввиду этого, при маломощных и коротких разрядных импульсах скорость потока в межэлектродном промежутке практически не будет отличаться от скорости невозмущенного потока.
3. Методика измерения скорости потока. Собственно процедура измерения скорости потока исключительно проста и заключается в съемке импульсно-периодического разряда скоростной камерой, измерении его аксиальной протяженности Ьг и вычислении скорости как частного от деления протяженности на
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.