ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 427, № 1, с. 32-34
== ФИЗИКА
УДК 533.6:533.9
ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПОПЕРЕЧНЫЙ РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ НАНОСЕКУНДНЫЙ РАЗРЯД В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ
© 2009 г. И. А. Знаменская, Д. Ф. Латфуллин, И. В. Мурсенкова
Представлено академиком В.А. Левиным 21.01.2009 г. Поступило 30.01.2009 г.
Энергоподвод в пограничный слой на обтекаемой высокоскоростным потоком газа поверхности может быть использован для управления обтеканием путем воздействия на зоны отрыва [1, 2], положение ламинарно-турбулентного перехода [3], области интерференции пограничного слоя с ударной волной. Наиболее эффективными являются импульсный, импульсно-периодический режимы энергоподвода в поток [2, 3]. Для реализации импульсного и частотного энергоподвода в пограничный слой предлагается использовать сильноточный разряд типа "плазменный лист" -систему параллельных разрядов, скользящих по поверхности диэлектрика [3, 4].
Скользящий поверхностный распределенный разряд длительностью около 200 нс инициировался в сверхзвуковом потоке воздуха за плоской ударной волной в области пограничного слоя (рис. 1). Разряд развивался поперек потока в тонком приповерхностном слое газа площадью 30 х х 100 мм2. К электродам прикладывалось импульсное напряжение 25 кВ, ток разряда достигал 1000 А. Эксперименты проводили при числах Маха потока 1.1-1.5, плотности в потоке 0.060.20 кг/м3, давлении 150-400 Тор. Длительность однородного течения за фронтом ударной волны составляла 600-250 мкс; длина потока - около 30 см, толщина плазменного слоя при указанных условиях - около 0.5 мм. Интегральное свечение разряда в пограничном слое регистрировали цифровым фотоаппаратом. Длительность свечения и послесвечения разряда в видимом диапазоне, определяемая при помощи стробируемой электронно-оптической цифровой камеры, не превышает 4 мкс. Если сравнивать с характерными газодинамическими временами, энерговложение в газ при инициировании плазменных листов происходит мгновенно.
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Вследствие быстрого ввода энергии в малый объем газа возникают ударные волны, визуализацию которых проводили теневым методом. Полученные в экспериментах серии теневых изображений поля течения позволили исследовать динамику идущих от плазменного листа ударных волн. Фронты этих волн формируются в течение 3-5 мкс в результате интерференции ударных волн от отдельных каналов разряда [4]. В сверхзвуковом потоке фронты образовавшихся ударных волн движутся со скоростью 500-750 м/с; на поперечное движение в канале ударной трубы накладывается движение в направлении потока. Исследования динамики ударных волн, распространяющихся от плазменного листа, показали, что в пристеночный слой газа вкладывалась энергия до 0.2 Дж [4].
Исследовался поверхностный разряд и возмущения от него как в ламинарном, так и в турбулентном пограничном слое (ламинарно-турбулентный переход происходит на расстоянии 10-15 см от фронта ударной волны [5]). Инициирование разряда значительно влияет на структуру потока, но поскольку время высвечивания разряда во много раз меньше характерных времен протекания газодинамических процессов в ударной трубе, за время свечения разряда структура приповерхностного слоя течения не изменяется.
Исследования показали, что тип пограничного слоя влияет на характер развития разрядных каналов поперек потока. Инициирование поверхностного разряда производилось в потоке за ударной волной после того, как она выходила за пределы разрядной области (рис. 1). Анализ полученных изображений показал, что непосредственно за фронтом ударной волны (в зоне ламинарного пограничного слоя) свечение плазмы разряда диф-фузно-однородное и гладкое (рис. 1 слева), без видимых разрывов свечения. На расстоянии более 15 см от фронта ударной волны (в зоне турбулентного пограничного слоя) характер разряда менялся. Разряд становился неоднородным: турбулентная среда ионизовалась с образованием
ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПОПЕРЕЧНЫЙ РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ РАЗРЯД
33
Рис. 1. Схема течения в канале ударной трубы: 1 - фронт проходящей ударной волны; 2 - область ламинарного течения в пограничном слое; 3 - переходная область течения в пограничном слое; 4 - область турбулентного течения в пограничном слое; 5 - интегральное свечение плазменного листа при инициировании в соответствующей области течения (число Маха потока 1.2, плотность 0.19 кг/м3).
плазменных структур масштаба, соответствующего масштабу турбулентности; визуализировались также отдельные криволинейные плазменные каналы (рис. 1 справа). В некоторых зонах происходило локальное усиление свечения разряда, увеличение энерговклада и образование усиленной ударной волны от соответствующего участка плазменного листа. Однако через 5-7 мкс фронт ударной волны от поверхностного разряда выравнивался. На рис. 2 приведены теневые изображения ударных волн от плазменного листа при инициировании в ламинарном и в турбулентном пограничном слое.
Рис. 2. Теневые изображения поля течения через 11 мкс после инициирования разряда (плотность 0.14 кг/м3): а - неподвижный воздух; б - сверхзвуковой поток, ламинарная область; в - сверхзвуковой поток, турбулентная область; поток направлен справа налево (число Маха потока 1.2). Треугольным маркером показан край разрядного промежутка; слева на изображении 8 виден фронт проходящей ударной волны.
Анализ экспериментальных данных показал, что динамика фронтов ударных волн (и, соответственно, величина энерговклада в пограничный слой) практически не зависит от типа пограничного слоя (рис. 3). Исследования показали, что энерговклад в область пограничного слоя газа сравним с энтальпией газа за ударной волной и достигал 70-110% этой величины за время протекания разряда как в ламинарном, так и в турбулентном слое. Толщина плазменного листа (зоны энерговыделения) в потоке около 0.5 мм, т.е. порядка толщины пограничного слоя. Турбулиза-ция пограничного слоя в поперечном потоке приводит к потере диффузного характера разряда, формированию криволинейных каналов за счет возникновения неоднородностей плотности и коэффициента ионизации. Изменение типа пограничного слоя не оказывает заметного влияния на величину и плотность энерговклада в поток в исследованном диапазоне параметров. Адекватность модели мгновенного однородного энергоподвода для анализа воздействия данного разряда
Координата, мм
15 г
10
• 1
♦ 2
о3
• •
0
10
15
Время, мкс
Рис. 3. Координата фронта огибающей ударной волны в зависимости от времени после инициирования разряда (плотность 0.09 кг/м3): 1 - неподвижный воздух; 2 - сверхзвуковой поток, ламинарная область; 3 -сверхзвуковой поток, турбулентная область. Число Маха потока 1.5.
5
3 ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 427 < 1 2009
34
ЗНАМЕНСКАЯ и др.
на поток подтверждается при анализе динамики ударных волн от области разряда для обоих типов пограничного слоя.
Основные плазменные неустойчивости не успевают развиться за время разряда (менее 1 мкс), что отличает данный разряд от стационарных типов разряда [6]. Модель теплового источника [1] в пограничном слое соответствует случаю стационарного разряда, где реальная эффективность энерговложения может снижаться развитием контракции. В результате контракции разряда после достижения некоторой критической величины плотности разрядного тока возникают каналы повышенной электропроводности, которые шунтируют основной разряд [6]. Переход к турбулентному режиму в случае стационарного разряда способствует некоторому снижению контракции.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 08-08-90003-Бел_а и Программы 09 Президиума РАН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ларин ОБ, Левин В А. // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. В. 5. С. 1-6.
2. Третьяков П К., Гаранин А.Ф., Грачев Г.Н. и др. // ДАН. 1996. Т. 351. № 3. С. 339-340.
3. Аульченко С.М., Замураев В.П., Знаменская И.А. и др. // ЖТФ. 2009. Т. 79. В. 3. С. 17-27.
4. Знаменская И.А., Латфуллин Д. Ф., Луцкий А. Е. и др. // ЖТФ. 2007. Т. 77. В. 5. С. 10-18.
5. Знаменская И.А., Латфуллин Д.Ф., Мурсенко-ва И.В. // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. В. 15. С. 7580.
6. Пенязьков О.Г., Храмцов П.П., Черник М.Ю. и др. // Инж.-физ. журн. 2008. Т. 81. № 1. С. 55-62.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 427 < 1 2009
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.