ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 425, № 2, с. 174-177
== ФИЗИКА
УДК 533.6.011.72+537.523
ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА УДАРНУЮ ВОЛНУ ПРИ САМОЛОКАЛИЗАЦИИ СИЛЬНОТОЧНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА ПЕРЕД ЕЕ ФРОНТОМ
© 2009 г. И. А. Знаменская, И. Э. Иванов, Д. М. Орлов, Н. Н. Сысоев
Представлено академиком О.В. Руденко 09.09.2008 г. Поступило 26.09.2008 г.
Для коррекции сверхзвуковых высокоэнталь-пийных течений эффективным представляется направленное использование плазмы локализованных электрических разрядов при условии быстрой конверсии энергии тока разряда в поступательную энергию молекул газа. Частотно-периодический режим энергоподвода является наиболее эффективным для квазистационарного локального воздействия на разрывы, пограничный слой, зоны отрыва потока [1]. При использовании электрических актуаторов предлагается прямое преобразование электрической энергии на обтекаемой поверхности в энергию газа. Такое воздействие на пограничный слой достаточно эффективно при дозвуковых режимах обтекания [2, 3]. Интерес к управлению характеристиками трансзвукового и сверхзвукового обтекания различных элементов конструкций с помощью внешнего подвода энергии ведет к поиску мощных источников энергетического воздействия. Интенсивность источника энерговклада может оцениваться как отношение энергии, поглощенной газом за один импульс, к полной энтальпии набегающего потока в объеме источника.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводили на ударной трубе 24 х 48 мм2 с разрядной камерой такого же внутреннего сечения. Числа Маха ударной волны М = 2-5. Начальное давление в камере низкого давления 5-100 Тор. В канале с ударной волной на верхней и нижней стенках реализован импульсный поперечный поверхностный разряд - квазинепрерывная система параллельных каналов, скользящих по диэлектрику (плазменный лист). Рабочее напряжение на разрядном промежутке 24 кВ, ток до 1000 А. Длительность протекания
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
тока разряда и время свечения плазмы в диапазоне 380-700 нм составляет 200 нс, т.е. разряд является мгновенным энерговложением с точки зрения газодинамических временных масштабов. Схема синхронизации позволяет инициировать разряд при различном положении набегающей ударной волны (X) в разрядном промежутке (рис. 1). Проводили интегральную по времени регистрацию свечения поверхностного разряда, инициированного в момент, когда ударная волна находилась в области разрядного промежутка, при различных расстояниях от волны до конца разрядного промежутка X и значениях давления перед ударной волной.
Исследованный разряд локализуется на поверхностях противоположных стенок канала, как правило, в областях, ограниченных фронтом ударной волны и концами областей электродов [4]. Свечение перераспределяется в область перед фронтом ударной волны (рис. 2). Таким образом, судя по свечению, энергия разряда локализуется в области низкого давления, а ударная волна является границей области поверхностной ионизации. Инициирование разряда при различных положе-
-
^^ III
I : II
- ,
, -' III
Рис. 1. Схема течения в начальный момент времени. I - невозмущенный неподвижный газ перед фронтом падающей ударной волны; II - область за фронтом падающей волны; III - пристеночные области -"плазменные листы"; УВ - ударная волна; X - расстояние между фронтом ударной волны и концом разрядного промежутка.
Рис. 2. Эффект свечения перед фронтом ударной волны.
ниях ударной волны позволяло получать различные плотности энерговклада перед ударной волной - при постоянном значении полной энергии разряда плотность энерговклада возрастала по мере уменьшения разрядной области перед ударной волной. При определенных параметрах эксперимента свечение поверхностного разряда частично перераспределялось в область поверхностного разряда за ударной волной [4]. Это свидетельствовало о достижении предельной плотности энерговклада в газ перед волной при данных условиях эксперимента. Предельные значения плотности энергии достигаются при минимальных значениях параметра X (расстояния между фронтом ударной волны и концом разрядного промежутка). На это значение влияют также параметры Р0 и М. Экспериментально было получено предельное значение X ~ 1 см. Оценки предельно достигаемой при этом плотности энергии на единицу поверхности газа при условии введения в среду 100% энергии, запасенной в конденсаторе, при напряжении и = 24 кВ и емкости С = = 2300 пФ дают
№ Си2 2
- = _ - 0.1 Дж/см.
Экспериментально исследовали и численно моделировали взаимодействие плоской ударной волны 1.8 < М < 3.5 с разрывным течением, возникшим от области локализованного поверхностного импульсного энерговклада. Для визуализации газодинамических процессов в разрядной камере проводили теневую съемку в однократном режиме с управляемой задержкой от момента разряда т на длине волны 532 нм длительностью импульса 6 нс. Получены теневые снимки различных стадий взаимодействия при различных начальных давлениях и различных X и т. Теневые снимки демонстрируют эволюцию сложного симметричного двумерного течения, возникающего после воздействия импульсного локализованного энерговклада на верхней и нижней поверхностях канала (рис. 3).
Рис. 3. Теневое изображение ударно-волновой конфигурации после разряда перед ударной волной. 1 -набегающая ударная волна; 2, 3 - ударные волны, образованные энерговкладом, распространяющиеся вверх и вниз по потоку соответственно; 4 - границы вихрей; 5 - поверхности тангенциального разрыва. Стрелкой показано направление распространения ударной волны.
Пусть в начальный момент времени плоская ударная волна находится на расстоянии X от конца разрядного промежутка (рис. 1). В начальный момент времени существуют четыре области с постоянными значениями газодинамических величин: невозмущенный неподвижный газ перед фронтом падающей ударной волны (I), область за фронтом падающей волны (II), пристеночные области - "плазменные листы" (III). В эксперименте в плазменные листы около стенок (области III на рис. 1) вкладывалось по 0.33 Дж. На границах этих областей в начальный момент происходит распад разрывов, возникших на границах области разряда, ограниченного ударной волной с образованием волн разрежения, ударных волн и тангенциальных разрывов [5]. Равномерное по пространству вложение энергии в область III приво-
. (у -1 )АЕ
дит к росту давления на величину Ар = ——-^г-
(E - вводимая энергия) при сохранении плотности и скорости. В последующие моменты времени течение характеризуется достаточно сложным процессом движения и взаимодействия этих вторичных разрывов и проходящей ударной волны (рис. 3).
Рассмотрим случай P0 = 25 Тор, M = 2; область энерговклада X = 1 см; вложенная энергия на единицу объема в этом случае примерно в 15 раз превосходит удельную энергию самого потока (полную энергию газа за фронтом падающей ударной волны).
Набегающая ударная волна 1 (рис. 3) испытывала воздействие со стороны ударных волн 2, 3, а точки взаимодействия волн перемещались к цен-
176
ЗНАМЕНСКАЯ и др.
Рис. 4. Слева - теневой снимок; справа - расчет градиента плотности (численный теневой снимок). Черный прямоугольник - область, исключаемая теневой схемой. М = 2.4, X = 2 см, Р0 = 75 Тор, т = 25-30 мкс. Стрелкой показано направление распространения ударной волны.
тру канала навстречу друг другу. Между образовавшимися в результате взаимодействия волнами формировалась поверхность 5 тангенциального разрыва, на которой претерпевала разрыв тангенциальная составляющая скорости потока. В области неравновесного газа под воздействием набегающей ударной волны происходил отрыв потока с образованием двух крупных вихрей, стелющихся вдоль стенок канала 4. Экспериментально зарегистрировано возникновение неустойчивости тангенциального разрыва на поздних стадиях взаимодействия, после образования трехударной конфигурации. На теневых снимках тангенциальный разрыв визуализировался сначала в виде гладкой поверхности, затем в виде волнистой линии, а затем в виде вихревой структуры (цепочки), расплывающейся со временем (рис. 4).
Наличие достаточно четкой плоскости симметрии на снимках свидетельствует о модельном двумерном характере течения, что является его замечательной особенностью, если учитывать специфику разрядных плазменных конфигураций, как правило, неустойчивых. Благодаря этому полученные теневые снимки могут сравниваться с результатами численного 2Б-моделирования течения, ограниченного расчетом полуплоскости поля течения. Решалась нестационарная задача на основе уравнений Навье-Стокса с начальными и граничными условиями при импульсом профилированном энергоподводе. В расчетах плотность и давление были отнесены к величинам в невозмущенном газе (область 1 на рис 2). При такой нормировке безразмерная единица времени соответствует 3.47 ■ 10-5 с.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В целом, очевидно совпадение экспериментального поля с численным в течение 40-50 мкс. Прямое сравнение экспериментальных теневых
изображений поля течения с расчетным позволило установить, какая доля всей запасенной в электрической схеме энергии выделяется в тепло в среду на стадии, соответствующей протеканию тока разряда. Численный обсчет при условиях эксперимента теневых изображений потока позволил установить долю энергии мгновенно вводимой в среду в ~30%.
Сравнивались одинаковые стадии по форме и положению разрывов: расстояния между участками волн, идущих вверх и вниз по потоку; положения тангенциальных разрывов и вихрей. Мгновенный нагрев газа является основной характеристикой, определяющей степень воздействия разряда на газодинамические процессы. Реальное воздействие разряда на ударную волну - сложный физический процесс, протекающий в течение конечного времени и включающий, кроме газодинамических явлений, учитываемых предлагаемой моделью, процессы, связанные с релаксацией возбужденных состояний молекул, электронным возбуждением, взаимодействием плазмы с поверхностью, неоднородностью зоны разряда и т.д. Адекватность численной модели подтверждается совпадением численной и экспериментальных конфигураций потока,
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.