ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2011, том 37, № 12, с. 1130-1135
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.9.02
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ В ВОЗДУХЕ МЕЖДУ ПОДВИЖНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ © 2011 г. В. В. Андреев, Ю. П. Пичугин, В. Г. Телегин, Г. Г. Телегин
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова,Чебоксары, Россия Поступила в редакцию 14.04.2011 г.
Исследован барьерный электрический разряд, возникающий между неподвижным и вращающимся электродами в воздухе при атмосферном давлении. Вращающийся электрод покрыт слоем диэлектрика. При этом возникающий в разрядном промежутке барьерный разряд отличается той особенностью, что он поддерживается при постоянном напряжении на электродах. Преимущество предлагаемого способа создания плазмы в пограничном слое подвижного электрода при моделировании, в частности, воздействия плазмы на воздушный поток, состоит в разнообразии форм и условий организации газового разряда, простоте конструкции электроразрядной установки и доступности ее практической реализации.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время интенсивно развиваются исследования способов воздействия электрических разрядов различных типов на характеристики пограничного слоя при обтекании поверхности объектов высокоскоростными потоками воздуха, а также способов управления процессами горения в потоках газов [1, 2]. Актуальными здесь являются как поиск оптимальных режимов развития разряда в условиях газодинамических течений, так и определение величины вкладываемой энергии, изучение влияния разряда на поверхностное трение, теплообмен, локальную структуру пограничного слоя в потоке газа, а также оптимизация плазмохимических атомно-молекуляр-ных процессов в разрядах. С практической точки зрения, эти процессы можно использовать для перестройки структуры ударных волн, порожденных летательным аппаратом, управления процессами обтекания или использовать как эффективный способ воспламенения воздушно-топливных смесей.
Целью данной работы является исследование электрических разрядов между электродами в условиях их относительного движения в воздухе при атмосферном давлении. Работа направлена на изучение специфических особенностей пространственно-временных характеристик разрядов нового типа (с подвижными электродами), а также на оптимизацию их параметров для решения некоторых частных задач плазменной аэродинамики.
душно-плазменный поток набегает на поверхность исследуемого объекта, однако на практике встречается немало случаев, когда сам объект движется в атмосфере. Экспериментальные исследования последней ситуации можно проводить с моделями, движущимися в атмосферном воздухе. Такой случай имеет место в разработанной нами электрогазодинамической установке [3—5] (см. рис. 1).
Устройство, представленное на рис. 1, содержит: диэлектрический вращающийся барьер — диск 1; электрод 2 для визуализации структуры барьерного разряда; электрод 3, имеющий скользящий контакт с барьером 1; высоковольтный источник постоянного напряжения 4, к которому подключены электроды 2 и 3; электродвигатель 5, вращающий барьер 1; сплошной электрод 8. Электроды 2 и 3 расположены по одну сторону барьера, а с другой стороны к вращающемуся ба-
вид сверху
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Во многих работах, относящихся к данному направлению, исследуются случаи, когда воз-
Рис. 1. Схематическое изображение электрогазодинамического устройства с подвижным сплошным электродом, который непосредственно примыкает к вращающемуся барьеру.
и
и
О +
Сх
О
п
1 Д
Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема электрогазодинамического устройства при горящем разряде. Разрядный промежуток здесь формально заменен идеальным источником ЭДС и ё. Вращающийся с угловой скоростью О диэлектрический барьер 1 (см. рис. 1) формально поделен на две области с емкостями С\ и С2. Область барьера, находящаяся в области действия электрода 2, обладает емкостью С\ и сопротивлением В результате вращения барьера указанная область уходит из области действия электрода 2, неся на своей поверхности электрический заряд. Этот заряд "снимается" через скользящий на поверхности барьера электрод 3, с которым разные участки поверхности барьера 1 вступают в контакт вследствие его вращения.
рьеру непосредственно примыкает подвижный сплошной электрод 8.
Это устройство, эквивалентная электрическая схема которого приведена на рис. 2, работает следующим образом. При достаточной напряженности электрического поля в зазоре между вращающимся барьером и передней кромкой электрода 2, на которую набегает барьер, возникает барьерный электрический разряд, состоящий из канала микроразряда 6 и прибарьерного пятна 7. Такой разряд носит фронтальный характер и состоит из отдельных серий микроразрядов, а каждый микроразряд длится десятки наносекунд. В предлагаемом устройстве стабильному повторению картины микроразрядов способствует использование электродов 3, имеющих скользящий контакт с вращающимся диэлектрическим барьером 1. В этом случае перезарядка поверхности движущегося барьера будет более однородной из-за практического отсутствия газоразрядных процессов на границе скользящий электрод — барьер. Таким образом, ликвидируется влияние на перезарядные процессы пробивного напряжения, напряжения гашения газоразрядного промежутка и их статистических характеристик. Более того, со стороны барьера, где расположен подвижный сплошной электрод 8, перезарядный ток определяется только емкостной составляющей. В этом случае электрическая цепь состоит из высоковольтного источника постоянного напряжения 4, электрода 2, исследуемого разрядного промежутка, барьерной емкости, зависящей от площади барьерного разряда и электрических характери-
Рис. 3. Фотография пространственной структуры барьерного разряда: (а) сверху находится металлический электрод (электрод 2 на рис. 1) отрицательной полярности; (б) сверху находится металлический электрод положительной полярности; (в) сверху находится металлический электрод отрицательной полярности, ориентированный под углом 45° относительно радиального направления диска — барьера 1 (см. рис. 1).
стик барьера (таких, как толщина и диэлектрическая проницаемость), непосредственно токопро-водящим сплошным электродом 8, второй барьерной емкостью, определяемой площадью скользящего контакта с электродом 3. В этом устройстве при формировании барьерного разряда создаются условия, близкие к распространенному типу озонатора: первый электрод—барьер— разрядный промежуток—второй электрод.
Преимуществом предлагаемого нами способа создания плазмы в пограничном слое подвижного электрода (например, для моделирования воздействия на воздушный поток) является разнообразие форм и условий организации газового разряда, достаточная простота конструкции электроразрядной установки и доступность ее практической реализации.
В наших экспериментах слоем диэлектрика был покрыт вращающийся электрод. При этом между электродами создавался барьерный разряд с отличительной особенностью, состоящей в том, что разряд поддерживается при постоянном напряжении на электродах, в то время как в случае неподвижных электродов разряд возникает только при переменных напряжениях. Следует отметить, что и в нашей установке с подвижными электродами электрический ток между ними также имеет характер импульсных микроразрядов.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
На рис. 3 представлены фотографии пространственных структур барьерного разряда. В создан-
1132
АНДРЕЕВ и др.
ной экспериментальной установке с вращающимся и неподвижными электродами (см. рис. 1), как уже выше было отмечено, достигается стабильное повторение картины микроразрядов. В связи с этим пространственную структуру барьерного разряда удается фотографировать с помощью обычного цифрового фотоаппарата. В ходе экспериментов по исследованию пространственной структуры барьерного разряда на электроды подавалось постоянное электрическое напряжение в 10 кВ. Возможность использования постоянного электрического напряжения является следствием вращения барьера и его перезарядки. Скорость вращения барьера равнялась 2500 об/мин. Вращающийся барьер был изготовлен из стеклотекстолита толщиной 2 мм. Средний радиус от оси вращения до середины электрода 2 на рис. 1 составляет 12.5 см. Вся ширина области разряда на рис. 3 (т.е. расстояние между крайними светящимися точками на данных рисунках) составляет примерно 5 см.
Фотография структуры барьерного разряда, представленная на рис. 3а, получена, когда неподвижный электрод 2 (см. рис. 1) находился под отрицательным напряжением. Расстояние от неподвижного электрода 2 до барьера равнялось 3.5 мм. Здесь наблюдается довольно четкая картина структуры микроразряда, на которой выделяются канал цилиндрической формы и расширенная область прибарьерного пятна.
В случае барьерного разряда, фотография пространственной структуры которой представлена на рис. 3б, неподвижный электрод 2 находился под положительным напряжением. Расстояние от неподвижного электрода 2 до барьера составляло 1.5 мм. Здесь наблюдается более густое расположение каналов микроразряда и менее выражены области, прилегающие к поверхности барьера. Это связано с тем, что анодное пятно слабо локализуется на электроде, в отличие от катодного пятна (см. рис. 3а).
В случае барьерного разряда, фотография пространственной структуры которого представлена на рис. 3в, неподвижный электрод 2 находился под отрицательным напряжением. Расстояние от неподвижного электрода 2 до барьера составляло 3.5 мм. В отличие от условий, при которых получена фотография на рис. 3а, в данном эксперименте неподвижный электрод 2 (см. рис. 1) ориентирован над поверхностью диска — барьера 1 относительно его радиального направления под углом 45°. Здесь, как и на рис. 3а, четко различаются канал микроразряда (диаметр, как и на рис. 3а, порядка 1 мм) и расширенная прибарьер-ная часть микроразряда (радиус порядка 4 мм, что больше аналогичного радиуса на рис. 3а).
Область прибарьерного пятна играет важную роль в процессах плазмохимических реакций. Так, в работе [3] приведены результаты экспери-
ментальных исследований по синтезу озона в озонаторе, основанном на использован
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.