ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 461, № 6, с. 653-656
ФИЗИКА
УДК 533.6.011.5
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ ПРИ ТОРМОЖЕНИИ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИ НА ПРЕГРАДЕ
© 2015 г. Академик РАН В. М. Фомин, К. А. Ломанович, Б. В. Постников
Поступило 24.09.2014 г.
DOI: 10.7868/S0869565215120105
Сверхзвуковая газовая струя достаточно интенсивно излучает акустические колебания, что однако не приводит к развитию режимов с интенсивными автоколебаниями [1]. При взаимодействии сверхзвуковой газовой струи с плоской осе-симметричной преградой в зависимости от газодинамических параметров потока и геометрии преграды могут быть реализованы различные виды неустойчивого течения. Существует два основных механизма, описывающие нестационарное обтекание плоской непроницаемой преграды сверхзвуковым потоком [2—9]. Первый механизм возникновения автоколебаний обусловлен наличием внешней акустической обратной связи [24]. Этот механизм реализуется вследствие потери устойчивости течения к малым возмущениям, когда звуковая волна, порожденная границей веерной струи, распространяется в сторону сопла, взаимодействует со струей и порождает в ней возмущение. Распределение давлений на поверхности преграды имеет колоколообразную форму с максимумом в центре преграды и минимумом на периферии. Второй механизм обусловлен возникновением внутренних вихревых течений в сжатом слое струи [5, 6]. В этом случае вблизи поверхности преграды наблюдается течение, направленное от периферии к центру преграды. Создаются благоприятные условия для прилипания тангенциального разрыва к поверхности. Распределение давлений на поверхности преграды имеет максимум в точке прилипания тангенциального разрыва с падением давления при смещении к периферии и центру преграды.
В работе [7] авторами на основе экспериментальных данных выявлены закономерности и по-
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича
Сибирского отделения Российской Академии наук,
Новосибирск
E-mail: fomin@itam.nsc.ru
строена область, которая определяет интенсивные автоколебания ударно-волновой структуры струи в обобщенных координатах Ы— X, где N — обобщенная нерасчетность, X — обобщенное удаление преграды от сопла (рис. 1). В работе [9] показано, что механизм с внешней акустической обратной связью работает на периферии области, в центральной части — механизм с периодическим запиранием потока. Вблизи границы раздела 2 задействованы оба механизма.
В силу малой инерционности одним из перспективных способов управления высокоскоростными потоками считается воздействие на течение плазмой электрического разряда. Область иссле-
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
N
Рис. 1. Обобщенная область существования автоколебаний (Ы, X) с нанесенными экспериментальными данными: 1 — граница области существования автоколебаний; 2 — граница влияния механизмов; 3 — М=
= 3.25, — = 1.2, — = 1.2; 4- М = 3.0, — = 1.2, — = 1.2; В В в в
5 - М = 1.0, — = 3.0, — = 2.0.
в в
0
654
ФОМИН и др.
Рис. 2. Схема эксперимента: 1 — сопло, 2 — электроды, 3 — головная ударная волна, 4 — тройная точка, 5 — граница веерной струи, 6 — тангенциальный разрыв, 7 — преграда с дренажными отверстиями, 8 — сжатая область струи, 9 — датчики давления и АЦП, 10 — источник питания.
дований способов магнитоплазменного управления высокоскоростными потоками активно развивается [10—12].
В настоящей работе исследовано воздействие плазмы электрического разряда постоянного тока, инициированного вблизи границы сверхзвуковой струи, на смену газодинамических режимов ударно-волнового обтекания преграды. Экспериментальные исследования были проведены на струйных установках периодического действия со временем установившегося течения продолжительностью до одной минуты. Число Рей-нольдса по диаметру кромки сопла Яе = 5 • 105, числа Маха на выходе из сопла для перерасширенных струй М = 3.0 и 3.25, для недорасши-ренных струй М = 1.0. Параметр нерасчетности п варьировался от 0.9 до 40. Схема эксперимента приведена на рис. 2. Сверхзвуковое профилированное или звуковое коническое сопло формировало осесимметричный поток, тормозящийся на плоской непроницаемой цилиндрической преграде. При натекании струи на преграду возникала система скачков уплотнения или ударных волн при нестационарном режиме обтекания. В случае перерасширенных струй истечение происходило из объема с атмосферным давлением в вакууми-рованную емкость. Недорасширенные струи истекали из емкости с давлением до 40 • 105 Па в
окружающую среду с атмосферным давлением. Вблизи кромки сопла за пределами струи на двух разрядных промежутках, расположенных симметрично относительно оси струи, инициировался дуговой разряд. Величина измеренного тока на одном разрядном промежутке 50—60 А и напряжение 25—30 В. Время горения разряда составляло 0.5 с. Визуализация ударно-волновой структуры струи осуществлялась при помощи теневого прибора с адаптивным визуализирующим транспарантом. Полученное изображение регистрировали скоростной цифровой видеокамерой с максимальной частотой регистрации изображений до 24 • 103 кадр/с. Регистрация поля скоростей в струе осуществлялась посредством цифровой трассер-ной визуализации PIV (Particle Image Velocimetry). Маркерами служили пары глицерина.
Для измерения распределения давлений была изготовлена алюминиевая преграда с дренажными отверстиями, которые пневматическими трассами были соединены с тензометрическими датчиками давления. Сигнал с датчиков давления и вольт-амперные характеристики разряда регистрировали при помощи осциллографов и анало-гово-цифровых преобразователей (АЦП).
Любой автоколебательный процесс можно прекратить, разорвав обратную связь. Так, в [3] течение в струе, натекающей на преграду, было стаби-
воздействие плазмы электрического разряда
655
Р, кПа
70 г
60
50
40
30
20
—о— 1
2
—О— 3
—■— 4
0.1
0.3
0.4 2г Б
Рис. 3. Распределение давлений на поверхности преграды диаметром — = 1.2, находящийся на удалении к
— = 1.2. 1 — М = 3.25, без разряда; 2 — М = 3.25 , с разрядом; 3 — М = 3.0, без разряда; 4 — М = 3.0, с разрядом.
Р, кПа 220
200
180
160
140
120
100
80
1.0 2г Б
Рис. 4. Распределение давлений на поверхности прей О А
грады диаметром — = 2.0, находящейся на удалении к
— = 3.0 при М = 1.0 и п = 6.0. 1 — без разряда; 2 — с разрядом.
0
лизировано установкой диафрагменного экрана на пути акустической обратной связи. В данной работе на месте диафрагменного экрана установлен электродный узел. Реализован режим течения с автоколебаниями ударно-волновых фронтов для чисел Маха М = 3.0 и 3.25 и параметров нерасчетно-сти п = 0.9 и 0.95. Исследованы диапазоны относительных диаметров преграды — от 1.0 до 2.4 и
к
расстояний между соплом и преградой — от 0.6 до
2.0, где Б — диаметр внутреннего выходного сечения сопла. Визуализация ударно-волновой структуры струи показала, что при инициировании электрического разряда осцилляции ударных волн прекращаются с последующим возобновлением при выключении разряда. Частота автоколебаний варьировалась от 0.8 • 103 до 1.6 • 103 Гц, удвоенная амплитуда колебаний достигала 0.8 Б. Время реакции потока на присутствие разряда и смену режима течения (подавление автоколебаний) не превышает 50 мс, в некоторых случаях до 1 мс. При выключении разряда автоколебания восстанавливаются с существенной задержкой по времени, до 200 мс, что характерно для установления газодинамических процессов.
На рис. 3 приведены измеренные распределения давления на поверхности преграды при включении разряда. Зависимости 1, 2 соответствуют точке 3 на диаграмме рис. 1. Это область преимущественного
влияния акустической обратной связи. Из графиков рис. 3 видно, что разряд несущественно изменяет колоколообразное распределение давления. В то же время при включенном разряде для условий эксперимента, характеризующихся точкой 4 диаграммы, наблюдается существенное изменение в распределении давления (кривые 3, 4). Минимум давления в центральной области переходит в максимум при горящем разряде, что свидетельствует об отсутствии тороидального вихря.
Задача плазменного воздействия на нестационарную ударно-волновую картину течения в струе, в которой осцилляции ударных волн обусловлены внутренними вихревыми течениями, сильно усложняется отсутствием возможности прямого воздействия на обратную связь. В этом случае распределение давлений на поверхности преграды (рис. 4) аналогично [5] и имеет максимум в точке прилипания к поверхности преграды тангенциального разрыва. Распределение давления (кривые 1, 2), характерно для центральных областей диаграммы существования автоколебаний (точка 5 рис. 1). В экспериментах с недорасширенными струями использовались стальные цилиндрические преграды с диаметрами — от 2.0 до 6.0, установлен-
к
ные на расстоянии от кромки сопла — от 1.0 до
6.0. При включении разряда наблюдалось увеличение давления в центральной области преграды, тогда как на периферии на относительных радиу-
656
ФОМИН и др.
сах — > 0.8 изменения незначительны. Это пока-В
зывает снижение интенсивности вихревого течения в сжатом ударном слое струи. В ряде экспериментов с недорасширенными струями при инициировании электрического разряда автоколебания были также подавлены. Здесь механизм воздействия разряда, по всей видимости, тепловой. Тепловой след от разряда в слое смешения струи взаимодействует с тройной точкой и оказывает воздействие на развитие внутренних течений в сжатом ударном слое вблизи поверхности преграды.
Таким образом, в работе исследован новый способ плазменного управления с помощью электрического разряда сверхзвуковыми струйными течениями, натекающими на преграду. Показана возможность стабилизации нестационарного течения путем инициирования электрического разряда вблизи кромки сопла, за пределами струи. Измерения распределения давления на преграде показали, что электрический разряд оказывает воздействие на развитие автоколебательного процесса как по механизму с внешней акустической обратной связью, так и с внутренней, когда происходит взаимодействие рециркуляционного течения с тепловы
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.