ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2007, том 45, № 4, с. 580-587
УДК 533.6.011.72+537.523
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ЭНЕРГОВКЛАДА В ГАЗ ПРИ ИНИЦИИРОВАНИИ НАНОСЕКУНДНОГО РАСПРЕДЕЛЕННОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДА
© 2007 г. Т. В. Баженова*, И. А. Знаменская**, А. Е. Луцкий***, И. В. Мурсенкова**
*Институт теплофизики экстремальных состояний (ИТЭС) ОИВТ РАН, Москва **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет ***Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва Поступила в редакцию 06.03.2006 г.
Проведен анализ доли энергии, непосредственно вводимой в газ при инициировании поверхностного распределенного импульсного разряда типа "плазменный лист", на основе исследования динамики возникших при этом ударных волн. Представлены результаты численного расчета развития течения в рамках модели теплового энерговклада. Показано, что экспериментальные значения скорости движения возмущений хорошо согласуются с результатами расчета в предположении, что 40 ± 10% энергии поверхностного электрического разряда наносекундной длительности переходит в тепловую энергию на стадии энергоподвода, т.е. за время существенно меньше 1 мкс.
PACS: 52.80.-s, 52.30.-q, 52.35.Tc
ВВЕДЕНИЕ
Энергоподвод в приповерхностную область течений газа используется для изменения условий обтекания, включая воздействие на поверхностное трение [1], температуру [2], коррекцию локальной структуры пограничного слоя (зоны отрыва, скачки уплотнения) [3], управление зоной ламинарно-турбулентного перехода [4]. Образование ударной волны на поверхности летательного аппарата при мощном скользящем электрическом разряде изменяет характер обтекания поверхности потоком воздуха и может создать усилие для управления траекторией полета летательного аппарата [5]. Эффективным способом ввода энергии в газ является импульсно-периоди-ческий режим [6, 7]. Характерные временные масштабы высокоскоростных газодинамических течений газа микросекундного диапазона предполагают импульсно-периодический энергоподвод с длительностью импульса в сотни наносекунд. Распределенный приповерхностный энерговклад такого типа может обеспечить СВЧ-разряд [8], барьерный разряд [9], скользящий разряд на поверхности раздела твердого и газообразного диэлектриков [10, 11]. Высокооднородным плазменным образованием большой протяженности является плазменный лист, а именно система скользящих по поверхности диэлектрика каналов. Разряды такого типа используются, в частности, в газоразрядных и эксимерных лазерах в качестве плазменных электродов [12, 13]: они являются хорошими распределенными источниками ультрафиолетового излучения для однородной
предыонизации основного разрядного объема [14, 15]. В газодинамическом потоке такой разряд дает возможность экспериментально моделировать импульсный энерговклад в области пограничного слоя в течении газа [2, 16].
Для учета влияния поверхностного энергоподвода на течение в пограничном слое необходим анализ динамики нагрева газа после инициирования плазменного листа. Исследование перехода электрической энергии импульсного разряда в энтальпию потока связано с расчетом сложной кинетики неравновесно возбуждаемой области. Альтернативным подходом к исследованию динамики нагрева газа является анализ газодинамических возмущений, вызванных инициированием разряда.
При любом способе возбуждения импульсного разряда в среде возникают газодинамические возмущения, вызванные быстрым введением энергии в ограниченный объем. В частности, исследование среды в разрядном промежутке СО2-лазера с двумя плазменными электродами показало, что после инициирования плазменных листов образуются возмущения в виде слабых ударных волн с числом Маха М = 1.2 - 1.3 [17]. Исследование разрядного промежутка методом голографической интерферометрии выявило гладкость фронта образующихся ударных волн и значительную ширину фронта волны, что могло быть следствием большой величины оптического пути зондирующего луча вдоль возмущенной области (800 мм): оптическое зондирование проводилось в направ-
лении, поперечном к направлению распространения скользящих разрядов.
Несмотря на большой объем полученных к настоящему времени результатов, связь интенсивности возмущений с величиной поверхностного энерговклада на основе импульсного разряда не выяснена.
Цель настоящей работы - анализ доли энергии, вводимой в приповерхностную зону газа при инициировании наносекундного разряда типа "плазменный лист", на основе исследования динамики ударных волн, возникших при энерговкладе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ДИНАМИКИ ВОЗМУЩЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ИНИЦИИРОВАНИИ СКОЛЬЗЯЩИХ ПО ПОВЕРХНОСТИ РАЗРЯДОВ
Для создания плазменного листа, т.е. системы разрядов, скользящих по поверхности диэлектрика, используется конфигурация электродов, показанная на рис. 1. При приложении к электроду Э1 высоковольтного импульса напряжения на поверхности диэлектрика Д возникает ток смещения, который определяется величиной напряжения, крутизной его нарастания и переменной емкостью между поверхностным разрядом и электродом Э2, покрывающим противоположную сторону диэлектрика. Импульс напряжения с крутизной нарастания 10п-1012 В/с инициирует развитие наносекундного скользящего разряда, характеристики которого не соответствуют критерию Пашена. При напряжении выше пробойного для данного разрядного промежутка вдоль поверхности диэлектрика Д формируется система каналов скользящего разряда. Скорость развития каналов ~106 м/с [18]. Вследствие быстрого энерговклада в слой газа толщиной ~0.5-0.7 мм от плазменного листа распространяются слабые ударные волны [17, 19]. Динамика этих волн определяется величиной и распределением удельного энерговклада по поверхности.
Экспериментально исследовалась динамика возмущений от плазменных листов, образованных скользящими по поверхности разрядами. Процесс регистрировался в газодинамическом канале в направлении, совпадающем с направлением распространения скользящих разрядов. Эксперименты проводились на ударной трубе с разрядной камерой (рабочей секцией) (рис. 2). Внутренняя область разрядной камеры являлась продолжением камеры низкого давления ударной трубы сечением 24 х 48 мм2. На участке длиной 17 см противоположные стенки рабочей секции были заменены плоскопараллельными кварцевыми стеклами без изменения поперечного сечения канала. Плазменные листы площадью 30 х 100 мм2 ини-
Рис. 1. Расположение и форма электродов для создания системы разрядов в виде плазменного листа.
циировались на двух противоположных стенках рабочей секции на расстоянии 24 мм друг от друга. Рабочим газом служил воздух, начальное давление составляло около 100 Тор.
Система электродов скользящего разряда была изготовлена из двухстороннего фольгирован-ного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Разрядный промежуток имел ширину 3 см и длину 10 см. В электрической схеме использовался конденсатор емкостью 2700 пФ и одноканальный разрядник. На электроды скользящих разрядов подавалось импульсное напряжение 30 кВ. Эксперименты проводились при положительной полярности высоковольтного электрода Э1. Ток разряда регистрировался с помощью шунта специальной конструкции.
Фотография свечения плазмы поверхностных разрядов на двух стенках рабочей камеры при давлении 100 Тор и зарядном напряжении 30 кВ показывает высокую степень однородности диффузного свечения плазменных листов с ярко светящимися отдельными каналами (рис. 3). По экспериментальным осциллограммам тока было определено, что энерговклад в завершенный поверхностный разряд происходит за время ~100 нс.
Вкладываемая в два плазменных листа энергия принималась равной электрической энергии, запасенной в основной накопительной емкости при рабочем напряжении, в предположении отсутствия потерь в цепи за время разряда.
Для визуализации приэлектродных ударных волн от плазменных листов и с целью анализа динамики их движения были получены теневые и шлирен-изображения разрядного промежутка в различные моменты времени после инициирования скользящих разрядов. В качестве диагностирующего излучения использовался многомодовый рубиновый лазер с параметрами: Ж = 0.64 Дж, т1/2 = 20 нс, X = 0.6943 мкм. Схема синхронизации позволяла зондировать разрядный объем в интервале задержки 0-100 мкс относительно импульса тока скользящего разряда.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - канал камеры низкого давления ударной трубы, 2 - рабочая (разрядная) камера, 3 - блок питания разряда, 4 - система регистрации и синхронизации процессов в ударной трубе, 5 - схема оптического зондирования разрядного промежутка.
Анализ экспериментальных данных показал, что за время -100 нс в каждый из двух плазменных листов вкладывается энергия 0.6 Дж. Скачок давления в области энерговклада инициирует вблизи поверхности набор полуцилиндрических ударных волн, фронты этих волн интерферируют друг с другом в течение ~10 мкс с образованием гладкого квазиплоского фронта огибающей ударной волны, движущейся от области энерговклада. За фронтом визуализировались множественные треху-дарные конфигурации, возникшие в результате взаимодействий ударных волн. На рис. 4 приведены теневые изображения возмущенной области через 4, 12 и 15 мкс после инициирования поверх-
Рис. 3. Фотография свечения плазмы поверхностных разрядов на двух стенках рабочей камеры.
ностных разрядов. Регистрировалось изображение центральной части разрядной области протяженностью 35 мм. Искривления фронта волны соответствуют полуцилиндрическим фронтам ударных волн от отдельных (наиболее интенсивных) скользящих разрядов.
Динамика движения фронтов волн исследована путем цифровой обработки и анализа теневых и шлирен-изображений, полученных при различных временах задержки относительно момента инициирования поверхностных разрядов. Значения положения фронта огибающей квазиплоской ударной волны от каждого плазменного листа получены путем усреднения соответствующих координат волны по видимому полю изображения. На рис. 5 точками показаны экспериментальные значения положения фронта огибающей ударной волны от поверхностного разряда, полученные как среднее двух значений дл
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.