ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2010, том 48, № 5, с. 643-652
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗМУЩЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПОВЕРХНОСТНОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА В ВОЗДУХЕ
© 2010 г. А. Ф. Александров, В. М. Шибков, Л. В. Шибкова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет
Поступила в редакцию 22.07.2008 г.
Исследованы газодинамические возмущения, возникающие в окрестности диэлектрической антенны, на внешней поверхности которой создается СВЧ-разряд при высоких давлениях воздуха, когда частота столкновений электронов с молекулами много больше круговой частоты электромагнитного поля. Получен временной ход температуры газа при различных значениях подводимой мощности, и показано, что в стадии формирования разряда при атмосферном давлении воздуха газ нагревается со скоростью 30—70 К/мкс. Концентрация электронов в плазменных каналах при атмосферном давлении не превышает 1015—1016 см-3. Изучена эволюция ударных волн, возникающих в условиях поверхностного СВЧ-разряда при различных давлениях окружающего газа, длительностях воздействия и подводимых к разряду мощностях. Показано, что вблизи антенны скорость ударной волны достигает 1 км/с.
ВВЕДЕНИЕ
Поиск и разработка новых эффективных средств, позволяющих уменьшать время воспламенения и управлять процессом горения высокоскоростных потоков горючего, актуальны для развития современной авиации, в частности для оптимизации работы сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Одним из новых решений данной проблемы является использование различного типа газовых разрядов. Поэтому в последнее время интенсивно развивается новое направление в физике плазмы, а именно, сверхзвуковая плазменная аэродинамика. Ежегодно по этому направлению проводятся международные конференции (The International Workshops on Weakly Ionized Gases. American Institute of Aeronautics and Astronautics, USA, Colorado — 1997, Norfolk - 1998, 1999, Anaheim - 2001, Reno -2002-2008, Orlando - 2009, 2010. The International Workshops on Magneto- and Plasma Aerodynamics for Aerospace Applications. High Temperature Institute of RAS, Russia, Moscow, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2005, 2007, 2009, 2010. The International Workshops "Thermochemical and plasma processes in aerodynamics". Hypersonic Systems Research Institute, LENINETZ Holding Company, Russia, Saint-Petersburg, 2003, 2004, 2006, 2008). При этом для целей уменьшения времени воспламенения горючего в гиперзвуковом прямоточном двигателе предлагается использовать неравновесную газоразрядную плазму. С целью изучения возможности эффективного применения газового разряда для инициирования быстрого воспламенения высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков необходимо отыскание оптимального спосо-
ба создания низкотемпературной неравновесной плазмы. Как было показано в работах [1-11], импульсные разряды, существующие при больших значениях приведенного электрического поля, приводят к эффективной диссоциации и нагреву молекулярных газов, а также наработке большого количества возбужденных частиц и радикалов. Эти обстоятельства являются важными при использовании газоразрядной плазмы для быстрого объемного воспламенения химически активных смесей.
В разных институтах для этой цели применяются различные типы электродных и безэлектродных, объемных и поверхностных, несамостоятельных и самостоятельных разрядов, а также различные их комбинации - электродные разряды постоянного тока, высоковольтные и низковольтные импульсные поперечные и продольные электродные разряды, высокочастотные и сверхвысокочастотные разряды, скользящие, барьерные и поверхностные разряды. Электродные разряды постоянного тока, а также импульсно-периодические и высокочастотные разряды в сверхзвуковом потоке воздуха приводят к сильной эрозии электродов и поверхности модели и надежно не воспроизводятся в различных экспериментах.
С точки зрения воздействия на процессы быстрого воспламенения воздушно-углеводородных смесей особый интерес представляют сверхвысокочастотные разряды, так как они существуют в широком диапазоне мощностей и давлений, дают возможность создания плазмы в свободном пространстве, в них отсутствует загрязнение плазмы продуктами эрозии помещенных в нее тел. Кроме того СВЧ-разряды характеризуются большими значениями приведенного электриче-
ского поля, что очень перспективно с точки зрения быстрого нагрева и воспламенения, в частности, углеводородных смесей.
Возникла задача поиска оптимальных способов создания неравновесной плазмы в сверхзвуковом потоке газа. С этой целью в [1] был предложен новый тип сверхвысокочастотного разряда, а именно, микроволновый разряд, который создается поверхностной волной на диэлектрическом теле, обтекаемом сверхзвуковым потоком воздуха. Основные свойства поверхностного СВЧ-разряда при низких (р < 1 Тор) и средних (р = 1—40 Тор) давлениях воздуха, когда частота столкновений электронов с нейтральными молекулами меньше или порядка круговой частоты электромагнитной энергии, подробно рассмотрены в [1—11]. В [12] изучена динамика развития разряда при высоких давлениях воздуха.
В данной работе исследованы эволюция газодинамических возмущений, возникающих в условиях микроволнового разряда, создаваемого поверхностной волной на диэлектрическом теле, и параметры разряда при высоких, вплоть до атмосферного, давлениях воздуха.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ
Для измерения параметров плазмы поверхностного СВЧ-разряда при высоких давлениях воздуха и возникающих при этом газодинамических возмущениях использовалась экспериментальная установка, описанная в [7]. Установка включает в себя вакуумную камеру, магнетрон-ный генератор, систему ввода СВЧ-энергии в камеру, устройство откачки и напуска газа и диагностическую систему. Вакуумная система позволяла производить исследования в широком диапазоне давлений воздуха от 1 до 760 Тор. При изучении свойств поверхностного СВЧ-разряда при атмосферном давлении вакуумный колпак с установки снимался и эксперименты проводились в свободном пространстве. В качестве источника СВЧ-излучения использовался импульсный маг-нетронный генератор сантиметрового диапазона длин волн. Магнетрон имел следующие характеристики: длина волны X = 2.4 см; отдаваемая в тракт импульсная СВЧ-мощность IV < 100 кВт; длительность импульсов т = 5—200 мкс, частота повторения импульсов / = 1—100 Гц, скважность в режиме повторяющихся импульсов О = 1000; при этом средняя мощность не превышала 100 Вт. Поверхностный СВЧ-разряд создавался на кварцевой антенне прямоугольного сечения 9.5 х 19 мм2. В экспериментах использовалась антенна длиной 115 мм. Для предотвращения электрического пробоя внутри прямоугольного волноводного тракта, с помощью которого СВЧ-мощность подводи-
лась к антенне, он наполнялся элегазом SF6 при давлении 4 атмосферы.
Для измерения газовой температуры проводилась регистрация спектра излучения плазмы поверхностного СВЧ-разряда с использованием двух-канального спектрографа AvaSpec-2048-2-DT фирмы Avantes, а также монохроматоров ДФС-12 и МДР-23 (обратные линейные дисперсии 0.5 нм/мм и 1.3 нм/мм соответственно). Излучение плазмы из определенного поперечного сечения разряда при помощи системы световодов, линз и зеркал проецировалось на входные щели спектральных приборов.
При низких и средних давлениях воздуха температура газа в условиях поверхностного СВЧ-разряда определялась спектроскопическим методом, основанным на регистрации распределения интенсивностей полностью или частично разрешенных линий вращательной структуры молекулярных полос. Для определения температуры газа использовалась полоса (0, 2) с длиной волны канта X = 380.5 нм второй положительной системы азота. При увеличении давления воздуха интенсивность свечения молекулярных полос второй положительной системы азота резко уменьшается, поэтому в таких условиях получить полностью разрешенную вращательную структуру молекулярного спектра становится невозможно. Это связано с тем фактом, что, во-первых, в плазме из-за различных механизмов спектральные линии сильно уширяются, а, во-вторых, из-за малой интенсивности исследуемого сигнала в эксперименте приходится регистрировать спектр с использованием широкой входной щели спектрального прибора, что также приводит к сильному уширению регистрируемых спектральных линий.
Несмотря на огромное разнообразие физических систем, в которых генерируются те или иные случайные процессы, подавляющее большинство последних удается описать сравнительно небольшим числом математических моделей. При этом модель должна правильно учитывать основные физические характеристики. В качестве уширяющей функции нами использовался гауссовский контур. К гауссову процессу приводит тепловое движение в плазме при максвелловском распределении по скоростям. При регистрации слабых сигналов необходимо использовать широкую входную щель. При этом основной вклад в аппаратную функцию спектрального прибора вносит уширение за счет конечной ширины входной щели. В результате вид аппаратной функции сильно изменяется. Она из гауссовской трансформируется в трапецеидальную функцию с полушириной, пропорциональной ширине входной щели.
В случае частично или полностью не разрешенной вращательной структуры молекулярных полос применение описанного выше метода измерения температуры газа становится невозмож-
ным. В таком случае температура газа определялась с помощью сравнения измеренного молекулярного спектра с модельным спектром неразрешенной вращательной структуры, рассчитанным при заданных значениях газовой и колебательной температур и известной аппаратной функции спектрального прибора.
В данной работе при высоких давлениях воздуха (р > 100 Тор), когда интенсивность полосы (0, 2) с длиной волны канта X = 380.5 нм второй положительной системы азота становится недостаточной для измерения Т&, моделирование проводилось для различных секвенций молекулярных полос циана (0,0) с длиной волны канта X = 388.3 нм и (1, 1) с длиной волны канта X = 387.1 нм. Распределение по вращательным и колебательным уровням предполагал
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.