научная статья по теме ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА УДАРНУЮ ВОЛНУ ПРИ САМОЛОКАЛИЗАЦИИ СИЛЬНОТОЧНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА ПЕРЕД ЕЕ ФРОНТОМ Математика

Текст научной статьи на тему «ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА УДАРНУЮ ВОЛНУ ПРИ САМОЛОКАЛИЗАЦИИ СИЛЬНОТОЧНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА ПЕРЕД ЕЕ ФРОНТОМ»

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.

Показать целиком