ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2011, том 49, № 5, с. 658-662
УДК 537.525.5:533.6.011.5
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА НА НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ОБТЕКАНИИ ПЛОСКОЙ ПРЕГРАДЫ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕЙ ВОЗДУХА И МЕТАНА © 2011 г. В. М. Фомин, Б. В. Постников, К. А. Ломанович
Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск Поступила в редакцию 01.06.2010 г.
Исследованы особенности обтекания плоской преграды сверхзвуковой струей воздуха и метана в сопровождении электрического разряда. Рассматриваемое течение характеризуется рядом нестационарных эффектов, выраженных в колебаниях ударно-волновых фронтов с различной амплитудой и частотой в зависимости от геометрии системы сопло—преграда и газодинамических параметров струи. При приближении преграды к кромке сопла, увеличении относительного диаметра преграды и давления торможения сверхзвуковой струи частота колебаний головной ударной волны повышается. Инициирование области энерговыделения на границе сверхзвуковой струи приводит к изменению частоты колебания головной ударной волны, а на некоторых режимах к изменению всей ударно-волновой картины течения.
ВВЕДЕНИЕ
Неустойчивые газодинамические режимы могут оказывать существенное влияние на выход конечных продуктов в плазмохимических реакторах и работу газофазных установок различного назначения. Полученные в работе результаты применимы для модернизации и разработки перспективных высокоскоростных плазмохимических реакторов и газофазных установок [1—5], а также полезны в решении задач прикладной газовой динамики, магнитоплазменной аэродинамики, при управлении параметрами сверхзвуковых струй и их взаимодействием с преградами.
Исследованию стационарного и нестационарного режимов обтекания газовыми струями преград посвящено достаточно много работ, например [6—12]. В перерасширенных струях в зависимости от степени нерасчетности возможны три характерных режима течения на начальном участке. При малом перерасширении реализуется регулярное отражение падающего скачка уплотнения от оси струи. Уменьшение степени нерасчетности ниже некоторого значения приводит к нерегулярному отражению. При расположении преграды в дозвуковой зоне за центральным скачком головной скачок на преграде не формируется.
В работах [7—9] показано, что в широком диапазоне газодинамических и геометрических параметров сопло—преграда при истечении перерасширенной и недорасширенной струй могут возникать нестационарные режимы. Авторами [8] исследован диапазон степеней нерасчетности п = = 1—55, чисел Маха М = 1.0—2.0, относительного размера преграды й/Б = 1—8, относительных расстояний от кромки сопла до преграды Н/Б = 1—12.5,
где й — диаметр преграды, Б — диаметр сопла, Н — расстояние от кромки сопла до преграды, при нате-кании недорасширенной струи на торец цилиндра. В определенном диапазоне основных параметров, когда преграда влияет на центральный скачок уплотнения, возникает нестационарный режим обтекания, характеризующийся колебаниями системы скачков уплотнения. Существует диапазон степеней нерасчетности недорасши-ренной струи, когда колебания носят периодический характер с большим размахом по амплитуде, вне этого диапазона они имеют апериодический "шумовой" характер. В [9] исследовалось обтекание безграничной преграды сверхзвуковой недорасширенной струей при п = 1.5—40, М = 1—3. Измерялись пульсации давления на преграде. На нестационарных режимах в зависимости от расстояния до преграды происходили изменения частотных и амплитудных характеристик осцилляций волновой структуры в струе перед преградой, что отражалось в колебании давления на преграде. Колебания малой амплитуды зафиксированы на частотах до 20 кГц, при частотах порядка 4 кГц амплитуда колебаний возрастала в пять раз.
Анализ возникновения колебаний большой амплитуды приведен, в частности, в [6]. Причины, приводящие к таким нестационарным режимам обтекания, до конца не изучены. Одна из гипотез связывает появление нестационарности с движением тройной конфигурации ударных волн. О механизме колебаний тройной точки пока нет единого мнения.
Рис. 1. Схема эксперимента: 1 — клапан опорного давления, 2 — камера опорного давления, 3 — камера высокого давления, 4 — "быстрый" клапан, 5 — рабочая часть, 6 — область инициирования электрического разряда, 7 — преграда, 8 — пилон, 9 — камера низкого давления, 10 — форвакуумный насос, р — баллон с газом опорного давления, Р2 — баллон с рабочим газом, ПУ — пульт управления, ГЗИ — генератор задержанных импульсов, ИП — источник питания; ОСЦ — осциллограф, ТЕПЛ — теневой прибор, РС01200И8 — скоростной видеорегистратор, ПК — персональный компьютер.
ИНИЦИИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕ
Эксперименты проводились на плазмохими-ческом стенде ИТПМ СО РАН (рис. 1). Форкаме-ра объемом 2 дм3 заполняется рабочим газом. После инициирования "быстрого" пневмоклапана в сопле устанавливается сверхзвуковой режим течения продолжительностью до 500 мс. Ниже по потоку размещена преграда. Подвод энергии в сверхзвуковой поток осуществляется через систему основных и вспомогательных электродов, причем кромки сопла и преграды могут быть одними из них. В качестве инструментария для наблюдения за ударно-волновой структурой вблизи преграды использовался теневой прибор стандартной оптической схемы. Визуализация производилась скоростной камерой РСО 1200И8 с частотой регистрации до 10 тыс. кадров в секунду. Исследованы режимы обтекания сплошной цилиндрической преграды разных относительных диаметров й/В = 1/3, 1.0, 1.5, 2.0. Преграда размещалась на относительном удалении к/В от 0.3 до 2.0 (В = 30 мм), давление в форкамере Р изменялось в пределах от 390 кПа до 1.18 МПА, коническое сверхзвуковое сопло с углом раскрытия 12° было выполнено с числом Маха М = 3.5 (по воздуху). Исследования проводились на метане и воздухе. Ввод энергии в высокоскоростной поток осуществлялся в импульсном электрическом разряде длительностью до 300 мс. Типичная осциллограмма тока и напряжения приведена на рис. 2.
Через 40—60 мс после подачи напряжения на разрядный промежуток перемычка, медная проволока диаметром 50 мкм, предварительно растянутая между электродами и проходящая через ось симметрии потока, взрывается. За счет градиента давления разряд смещается приблизительно в течение 5—15 мс на периферию струи, продолжая
и, В
Рис. 2. Осциллограмма тока (1) и напряжения (2) разряда: I — область без разряда, II — инициирование разряда и его смещение на периферию струи.
660
ФОМИН и др.
Рис. 3. Схема источника питания: T1 — лабораторный трансформатор; Vd — диодный мост; K1, K2 — коммутатор; L — дроссель; R — шунт, Vs — тиристор.
гореть в слое смешения. Растяжка проволоки обеспечивает начальное инициирование и горение разряда в сверхзвуковом потоке. Установившийся продольно-поперечный газовый разряд низкого давления имеет напряжение в пределах 60—80 В и ток 45—50 А с возможными кратковременными пиковыми колебаниями напряжения 100—150 В в зависимости от режима горения разряда. Форма кривой тока после инициирования разряда периодична в результате особенности используемого источника питания. Схема источника питания приведена на рис. 3. Источник тока подключается к промышленной электросети через лабораторный трансформатор и выпрямитель на диодном мосте. Последовательно разрядному промежутку в схему включен дроссель с большой индуктивностью L = 980 мГн. В заданный момент времени от генератора задержанных импульсов приходит управляющий импульс, инициирующий открытие тиристора. Измерение напряжения на разрядном промежутке проводилось с помощью стандартного осциллографического щупа Tektronix P5100 (осциллограф Tektronix TDS 2024B). Ток измерялся посредством токового шунта с сопротивлением R = 5 мОм.
При исследуемом числе Маха реализуется перерасширенный режим истечения сверхзвуковой струи как для воздуха, так и для метана (рис. 4). При расположении преграды выше по потоку регулярного отражения, на расстоянии XC от сопла наблюдалась тройная конфигурация ударных волн (диск Маха), ниже по потоку за диском Маха — головная ударная волна.
Рис. 4. Теневой снимок натекания рабочего газа на преграду при инициировании электрического разряда: 1 — кромка сопла, 2 — разряд, 3 — преграда, Xc — расстояние от кромки сопла до прямого скачка уплотнения (диска Маха), Xt — расстояние до головной ударной волны, d/D = 1.5, h/D = 1.0, n = 0.9, P = = 590 кПа, поток направлен слева направо.
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАЗРЯДА НА УДАРНО-ВОЛНОВУЮ КАРТИНУ ТЕЧЕНИЯ
Подбор источника питания, электрических параметров разряда, геометрии расположения электродов и настройка схемы инициирования разряда позволили обеспечить устойчивое инициирование и горение электрического разряда на протяжении исследуемого режима работы установки (150 мс) в пространстве между соплом и преградой (рис. 2).
Кроме "штатных" режимов обтекания, соответствующих рис. 2, обнаружены аномальные режимы с резкой сменой конфигурации ударных волн. На рис. 5 приведены последовательные кадры смены режима обтекания преграды при инициированном в сверхзвуковом потоке метана электрическом разряде. Преграда была размещена вблизи точки регулярного отражения ударных волн свободной струи. Без разряда смены режима не наблюдалось. Видно, что возможен переход, когда течение с прямым скачком уплотнения — диском Маха — сменяется устойчивым режимом без диска Маха. Обратный переход также возможен. Вероятным фактором, воздействующим на переход, можно считать изменение степени не-расчетности струи за счет влияния теплового следа разряда в слое смешения. При этом точка возникновения регулярного отражения от оси струи смещается вверх и преграда оказывается хотя и ниже нее, но также в сверхзвуковом потоке.
Рис. 5. Смена режима течения при инициированном вблизи границы сверхзвуковой струи метана электрическом разряде: d/D = 1/3, h/D = 1.0, P = 590 кПа; (a) — режим обтекания с центральным скачком — диском Маха и головным скачком на преграде; (б) — режим без диска Маха с головным скачком.
(а)
При одинаковых начальных давлениях торможения частота колебаний головного скачка различна на в
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.