Экспериментальное исследование объемных электрических разрядов в сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках газа тема автореферата и диссертации по , 01.00.00 ВАК РФ

Введение

1. Современное состояние исследуемой проблемы

1.1. Локальный подвод энергии как средство воздействия на аэродинамические характеристики тел при сверхзвуковом обтекании

1.2. Распространение ударных волн в неравновесной плазме

1.3. Объемный электрический разряд в сверхзвуковых потоках

1.4. Выводы и программа исследований

2. Создание объемных электрических разрядов в сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках газа

2.1. Требования, предъявляемые к разряду, электродам и конструкции модели

2.2. Разряд в сверхзвуковых потоках газа: технология создания

2.3. Получение разрядов в гиперзвуковых потоках газа

3. Пространственно-энергетические характеристики объемных электрических разрядов в сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках газа

3.1. Вольт-амперные характеристики

3.2. Распределение электрического потенциала в плазме разряда

3.3. Распределение температуры торможения в разряде. Определение основных параметров плазмы разряда

4. Объемные электрические разряды в сверхзвуковых и гиперхзвуковых потоках с точки зрения газодинамики

4.1. Влияние объемного электрического разряда на волновую структуру обтекания затупленных осесимметричных тел

4.2. Влияние объемного электрического разряда на давление торможения при обтекании осесимметричных затупленных

4.3. Особенности взаимодействия сверхзвукового потока с плазменным телом. Тепловая модель 114 Заключение 125 Литература

Целью настоящей работы являлось создание объемного тлеющего разряда в сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках газа, изучение его физики и влияния на газодинамику сверхзвукового и гиперзвукового обтекания тел.

Анализ опубликованных работ, посвященных тепловому воздействию на газодинамику обтекания тел (глава 1), показывает, что именно объемный источник тепловыделения наибольшим образом воздействует на ударные волны. Таким источником может являться объемный тлеющий разряд с большой плотностью тока. Однако, его реализация представляет значительные трудности и требует создания определенных технологических и газодинамических условий. Так как такие условия не были получены в проанализированных экспериментах, разряд в сверхзвуковом потоке не был стабилен или был шнуровым, а не объемным. В гиперзвуковом потоке даже не было попыток создать объемный тлеющий разряд с большой плотностью тока.

Мы смогли найти рабочие параметры, технологии и геометрии, которые позволили получить объемный стационарный тлеющий разряд не только в сверхзвуковом, но и в гиперзвуковом потоке. Проведенная визуализация и другие эксперименты подтвердили устойчивость и стационарность полученных разрядов, длительность существования которых была достаточно большой, что позволило добиться хорошей воспроизводимости результатов. В главе 2 представлены описание экспериментальных установок, конструкций электродов и методик исследований.

В главе 3 приведены результаты изучения физики объемных тлеющих разрядов в сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках газа. Были исследованы вольт-амперные характеристики и влияние на них параметров сверхзвукового и гиперзвукового потоков и геометрии электродов. Впервые было получено двумерное распределение электрического потенциала и температуры торможения в объеме плазмы разряда. Это позволило определить электрическое поле разряда и фундаментальные параметры его плазмы, такие, как степень ионизации, концентрация электронов, их средняя энергия, скорость дрейфа. Полученные результаты показали, что параметры тлеющего разряда в сверхзвуковом и гиперзвуковом потоках газа сильно отличаются от параметров тлеющего разряда в покоящемся или движущемся с небольшой скоростью газе.

Влияние объемного тлеющего разряда на газодинамику сверхзвукового и гиперзвукового обтекания тел изучено в главе 4. Показано, что тлеющий разряд существенным образом воздействует на ослабление головного скачка уплотнения. Визуализация подтверждает его полное исчезновение в некоторых случаях. Снижение интенсивности или исчезновение головного скачка уплотнения приводит к значительному снижению сопротивления тела. Давление торможения на поверхности модели было измерено при наличии и отсутствии разряда. Сопоставление данных показало существенное уменьшение давления (в шесть раз) в результате воздействия разряда. Сравнение теоретических оценок и экспериментальных зависимостей позволило сделать вывод, о том,что механизм взаимодействия объемного разряда с ударными волнами может иметь тепловой характер. Полученные результаты являются важными с точки зрения сверхзвуковой и гиперзвуковой аэродинамики.

Данные для сверхзвукового течения были получены в ИТПМ СО

РАН.

Результаты для гиперзвуковых течений были получены в Лаборатории аэродинамических исследований г. Пуатье (Франция).

Результаты исследований отражены в следующих публикациях:

1. В.М. Фомин, А.В. Лебедев, А.И. Иванченко. Пространственно-энергетические характеристики электрического разряда в сверхзвуковом потоке газа // Доклады Академии наук.-1998.-Т.361, № 1.-С. 58-60.

2. В.М. Фомин, Т. Алзиари де Рокфор, А.В. Лебедев, А.И. Иванченко. Самостоятельный тлеющий разряд в гиперзвуковом потоке воздуха // Доклады Академии наук.-2000.-Т.370, № 5.- С. 623-626.

3. В.М. Фомин, Т. Алзиари де Рокфор, А.В. Лебедев, А.И. Иванченко. Катодные явления в самостоятельном тлеющем разряде в сверхзвуковом потоке воздуха // Доклады Академии наук.-2000.-Т.374, № 3.- С. 340-342.

4. V.M. Fomin, A.V. Lebedev, A.I. Ivanchenko. Spatial-energetic structure of glowing discharge in a supersonic gas flows // 9th International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR'98): Proc.-Novosibirsk, 1998.-Pt. 2.-P. 54-57.

5. V.M. Fomin, T. Alziary de Roquefort, A.V. Lebedev, A.I. Ivanchenko. Streamwise electric discharge in a supersonic gas flow // 8th International Symposium on Flow Visualization (Sorrento, Italy):Proc.-S.I., 1998.-P. 214.1-214.4.

6. V.M. Fomin, T. Alziary de Roquefort, A.V. Lebedev, A.I. Ivanchenko. Gasdynamics and electric phenomena on glow discharge in supersonic air flow // 10th International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR'2000): Proc.-Novosibirsk, 2000.-Pt. l.-P. 79-84.

7. V.M. Fomin, T. Alziary de Roquefort, A.V. Lebedev, A.I. Ivanchenko. Influence of a hypersonic air flow on electric characteristics of the self-sustaining glow discharge // 10th International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR'2000): Proc.-Novosibirsk, 2000.-Pt. l.-P. 85-88.

8. V.M. Fomin, Т. Alziary de Roquefort, A.V. Lebedev, A.I. Ivanchenko. Influence of near-electrode region on the effect of interaction of the glow discharge and supersonic air flow // 10th International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR'2000): Proc.-Novosibirsk, 2000.-Pt. l.-P. 89-93.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые экспериментально был получен стационарный тлеющий разряд с большой плотностью тока в сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках газа.

2. Была изучена физика такого разряда. Определено влияние на вольт-амперные характеристики параметров внешнего сверхзвукового и гиперзвукового потоков, а также геометрии электродов. Впервые получено двумерное распределение электрического потенциала в объеме плазмы разряда. Было показано, что параметры тлеющего разряда в сверхзвуковом и гиперзвуковом потоках существенно отличаются от имеющих место в тлеющих разрядах в неподвижных и движущихся с малыми скоростями газах.

3. Впервые было осуществлено двумерное исследование температуры в тлеющем объемном разряде в сверхзвуковом потоке газа. Установлено, что область максимальных температур (ДТтах ~ 1000 К) находится в прикатодной зоне разряда.

4. Определены фундаментальные параметры плазмы разряда, такие, как степень ионизации, концентрация электронов и ионов, их средняя энергия, скорость дрейфа.

5. Было изучено влияние объемного тлеющего разряда на газодинамику сверхзвукового (М=3,2) и гиперзвукового (М=8,15) обтекания тел. Было открыто сильное влияние тлеющего разряда на прямой скачок уплотнения, что вызывает его значительное ослабление вплоть до полного исчезновения.

6. Экспериментально установлено, что разряд вызывает сильное уменьшение давления (до 6 раз) на поверхности обтекаемого тела, что не имеет места при течении без разряда. Это вызывает снижение сопротивления тел в сверхзвуковом и гиперзвуковом потоках.

7. Была произведена теоретическая оценка параметров взаимодействия объемного тлеющего разряда со сверхзвуковыми потоками. Это позволило сделать заключение о том, что механизм взаимодействия объемного разряда с ударными волнами может иметь тепловой характер.

1. Георгиевский П.Ю., Левин В.А. Сверхзвуковое обтекание тел при наличи внешних источников тепловыделения // Письма в ЖТФ.-1988.-Т.14, В.8.-С.684-687.

2. Георгиевский П.Ю., Левин В.А. Сверхзвуковое обтекание объемных источников энерговыделения// Механика: Современные проблемы.-М.: Изд-во МГУ.-1987.-С.93-99.

3. Георгиевский П.Ю., Левин В.А. Сверхзвуковое обтекание тела при подводе тепла перед ним // Труды Математического института АН СССР.-1989.-Т.186.-С. 197-202.

4. Левин В.А., Терентьева Л.В. Сверхзвуковое обтекание конуса при теплоподводе в окрестности его вершины // МЖГ.-1993.-№ 2.-С. 110-114.

5. Georgievsky P.Yu., Levin V.A. Gas dynamics effects for supersonic flow over space-distributed energy sources of high power // Второе совещание по магнитной и плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях.-Москва, 5-7 апреля 2000.

6. Левин В., Афонина Н., Георгиевский П. Возможность управления течением около летательных аппаратов с помощью внешнего подвода энергии // Институт механики МГУ, Препринт № 24-27.- 1997.

7. Korotaeva Т.А., Fomin V.M., Shishkin А.P. The effect of a local energy source on the aerodynamic characteristics of pointed bodies at supersonic flow // Proc. of ICMAR' 98, Novosibirsk.-1998.-PP. 111-116.

8. Вузов В.Ю., Рыбка И.В., Юрьев A.C. Оценка энергозатрат при снижении лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке // ИФЖ.-1992.-Т.63, № 6.-С. 659-664.

9. Арафайлов С.И. Влияние энерговыделения в ударном слое на сверхзвуковой полет тел // Изв. АН СССР,-1987.-№ 4.-С. 178-181.

10. Борзов В.Ю., Рыбка И.В., Юрьев А.С. Влияние локального энергоподвода в гиперзвуковой поток на лобовое сопротивление тел с различным затуплением //ИФЖ.-1994.-Т. 67, №5-6.-С. 355-361.

11. Артемьев В.И., Бергельсон В.И., Немчанов И.В., Орлова Т.И., Смирнов В.А., Хазинс В.М. Эффект «тепловой» иглы перед затупленным телом в сверхзвуковом потоке//ДАН.-1990.-Т.310, № 1.-С.47-50.

12. Артемьев В.И., Бергельсон В.И., Немчанов И.В., Орлова Т.Н., Смирнов В.А., Хазинс В.М. Измененние режима свехзвукового обтекания препятствия при возникновении перед ним тонкого разреженного кананла // МЖГ.-1989.-№ 5.-С. 146-151.

13. Nemchinov I.V., Artem'evV.I.,Bergelson V.I., Khazins V.M., Orlova T.I., Rybakov V.A. Rearrangment of the bow shock shape using a "hot spike" // Shock waves.-1994.-Vol. 4, No. l.-PP. 35-40.

14. Бергельсон В.И., Медведюк С.А., Немчинов И.В., Орлова Т.И., Хазинс В.М. Аэродинамические характеристики обтекаемого тела при различной локализации «тепловой иглы» // Математическое моделирование.-1996.-Т.8, № 1.- С.3-10.

15. Мирабо JL, Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н. Расчет и теория подобия эксперимента, моделирующего эффект «air-spike» в гиперзвуковой аэродинамике // ТВТ.-1998.-Т. 36, № 2.-С.304-309.

16. Lukianov G.A. Drag and heat exchange of an object in a supersonic flow with a source of energy in front of the object // Второе совещание по магнитной и плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях.-Москва, 5-7 апреля 2000.

17. Третьяков П.К., Грачев Г.П., Иванченко А.И., Крайнов B.JL, Пономаренко А.Г., Тищенко В.Н. Стабилизация оптического разряда в сверхзвуковом потоке аргона // ДАН.-1994.-Т.36, № 4.- С. 466-467.

18. Третьяков П.К., Гаранин А.Ф., Грачев Г.П., Крайнев B.JL, Пономаренко А.Г., Тищенко В.Н., Яковлев В.И. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического пульсирующего разряда// ДАН.-1996.-Т.351, № 3,- С.339-340.

19. Борзов В.Ю., Михайлов В.М., Рыбка И.В., Савищенко Н.П., Юрьев А.С. Экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания препятствия при эгнергоподводе в невозмущенный поток // Инженерно-физический журнал.-1994.-Т.66, № 5.- С. 515-520.

20. Бычков В.Л., Грачев Л.П., Есаков И.И., Дерюгин А.А., Забродин А.В., Климов А.И., Кочетов И.В., Луцкая Т.Ю., Луцкий А.Е., Напартович

21. A.П., Ходатаев К.В., Черкашин В.А. Расчетно-экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания затупленного тела при наличии продольноого электрического разряда // Препринт № 27 ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, Москва.-1997.

22. Мишин Г.И., Климов А.И., Гридин А.Ю. Продольный электрический разряд в сверхзвуковом потоке газа // Письма в ЖТФ.-1992.-Т.18, Вып. 15,-С. 86-92.

23. Гридин А.Ю., Ефимов Б.Г., Забродин А.В., Климов А.И., Кузин К.А., Кузнецов Ю.Е., Луцкий А.Е., Северин А.В., Скворцов

24. B.В.,Суковаткин Н.Н., Ходатаев К.В., Черкашин В.А. Расчетно-экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания затупленноготела с иглой при наличии электрического разряда в его головной части // Препринт № 19 ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, Москва.-1995.

25. Alexandrov A.F., Ardelyan N.V., Chuvashev S.N., Ershov A.P., Kukhadze A.A., Timofeev I.B., Timofeev B.I., Shibkov V.M. Supersonic plasma flows and their influence on aerodynamics of flight // Journ. Tech. Phys., 41, 1, Special Issue.-2000.-PP. 533-550.

26. Гордеев В.П., Красильников A.B., Лагутин В.И., Отменников В.Н. Экспериментальное исследование возможности снижения аэродинамического сопротивления при сверхзвуковых скоростях с использованием плазменной технологии // МЖГ.-1996.-№ 2.- С. 177-182.

27. Евтюхин Е.В., Маргочин А.Д., Шмелев В.М. О природе ускорения ударных волн в плазме тлеющего разряда // Хим. физика.-1984.-Т. 3, № 9.-С. 1322-1327.

28. Грачев Л.П., Есаков И.И., Мишин Г.И., Никитин М.Ю., Ходатаев К.В. Взаимодействие ударной волны с распадающейся плазмой безэлектролного СВЧ разряда // Журнал техническойфизики.- 1985.- Т. 55, Вып. 5.- С. 972-975.

29. Горшков В.А., Климов А.И., Мишин Г.И., Федотов А.Б., Явор И.П. Особенности поведения электронной плотности в слабоионизованной неравновесной плазме при распространеннии в ней ударной волны // ЖТФ.-1987.-Т. 57, Вып. 10,- С. 1893-1898.

30. Горшков В. А., Климов А.И., Федотов А.Б., Шугаев Ф.В. Формироваение активных зон за ударной волной в слабоионизованной неравновесной плазме // ЖТФ.-1989.-Т. 59, Вып. 4.- С. 135-137.

31. Мишин Г.И., Серов Ю.Л., Явор И.П. Обтекание сферы при сверхзвуковом движении в газоразрядной плазме // Письма в ЖТФ.- 1991.Т. 17, Вып. 11.- С. 65-71.

32. Бедин А.П., Мишин Г.И. Баллистические исследования аэродинамического сопротивления сферы в ионизованном воздухе // Письма в ЖТФ.- 1995.- Т. 21, Вып. 1.-С. 14-19.

33. Мишин Г.И. Полное давление за ударной волной в слабоионизованном воздухе // Письма в ЖТФ.- 1994.- Т. 20, Вып. 21.- С. 915.

34. Гридин А.Ю., Климов А.И., Молевич Н.Е. Распространение ударных волн в плазме тлеющего разряда // Журнал технической физики.-1993.-Т. 63, Вып. З.-С. 157-162.

35. Гридин А.Ю., Климов А.И. Структура ударной волны в неравновесной плазме //. Хим. физика.- 1993.- Т. 12, № 3.- С. 363-365.

36. Гридин А.Ю., Климов А.И., Ходатаев. Исследование распространения ударных волн в неоднородном поперечном плазменном разряде // ТВТ.-1994.-Т. 32, № 4.- С.486-490.

37. Гридин А.Ю., Климов А.И Самоорганизация энергоемких плазменных структур за отраженной ударной волной в газоразрядной плазме (выделение энергии, запасенной в разрядной плазме за ударной волной)//Хим. физика.-1993.-Т. 12, № З.-С. 316-319.

38. Аляпин А.А., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Филюгин И.В. Ударная труба, сопряженная с разрядной камерой наносекундного разряда, для исследований распространения ударных волн в плазме // Хим. физика.-1993.-Т. 12, № З.-С. 351-353.

39. Бабаева Н.Ю. О структуре ударных и взрывных волн в неоднородной плазме газового разряда // Хим. физика.-1993.-Т. 12, № 3.-С. 357-360.

40. Войнович П.А., Ершов А.П., Пономарева С.Е., Шибков В.М. Влияние радиальной неоднородности газовой температуры на распространение ударной волны в плазме тлеющего разряда // Хим. физика.-1993.-Т. 12, № з. с. 394-396.

41. Ganguly B.N., Bletzinger P., Garscadden A. Shock wave damping and dispersion in nonequilibrium low pressure argon plasmas // Phys. Lett., A 230.-1997.-P. 218-222.

42. Bletzinger P., Ganguly B.N. Acoustic shock wave propagation in nitrogen and argon glow discharges // AIAA 8 th International Space Planes 8 Hypersonic System and Technologies Conference.-1998.-Nerfolk, Virginia, USA, AIAA-98-1572.

43. Мишин Г.И. Уравнение состояния слабоионизованной газоразрядной плазмы // Письма в Ж ТФ.-1997.-Т. 23 , № 14,- С. 81-88.

44. Мишин Г.И. Слабоионизованная газоразрядная плазма является двухфазной средой // ДАН.- 2000.-Т. 372 , № 5.- С. 612-614.

45. Алферов В.И., Калачев Б.В. Визуализация сверхзвуковых течений при помощи предпробойного разряда // ПМТФ.- 1968.-№ 4.- С. 117-119.

46. Алферов В.И., Окерблам Т.И., Саранцев А.И. Экспериментальное исследование вихревого течения около крыльев малого удлинения и круглых конусов при числе Маха, равном двум // МЖГ.-1967.- № 5.- С. 113-121.

47. Алферов В.И., Верникрва И.Г., Подмазов А.В. Исследование распределения плотности газа в вихревом жгуте около модели треугольного крыла под углом атаки при М=2 // МЖГ.-1982.- № 1 .-С. 119125.

48. Masatomi Nishio. New method for visualising three-dimentional shock shapes around hypersonic vechicles using an electric discharge // AIAA Journal.- 1990.-Vol. 28, No. 12.-PP. 2085-2091.

49. Masatomi Nishio. Methods for visualising hypersonic shock wave / Boundary layer interaction using electrical discharges // AIAA Journal.- 1996.-Vol. 34, No. 7.- PP. 1464-1467.

50. Знаменская И.А. Экспериментальные методы и результаты исследований структуры нестационарных течений газа с ударными волнами // Автореферат дис. докт. физ-мат. наук, МГУ, Москва.- 1999.

51. Алферов В.И., Бушмин А.С. Электрический разряд в сверхзвуковом потоке воздуха//ЖЭТФ.-1963.-Т. 44, Вып. 6.- С. 1775-1779.

52. Алферов В.И., Бушмин А.С., Калачев Б.В. Экспериментальное исследование свойств электрического разряда в потоке воздуха // ЖЭТФ.-1966.-Т. 51, Вып. 5 (11).-С. 1281-1287.

53. Алферов В.И., Дмитриев J1.M. Электрический разряд в потоке газа при наличиии градиентов плотности // ТВТ.-1985.-Т. 23, № 4.- С. 677-682.

54. Грачев Л.П., Грицов Н.Н., Мишин Г.И., Харламов А.А., Ходатаев И.В. Поперечный разряд в сверхзвуковой струе воздуха // ЖТФ.-1991.-Т. 61, Вып. 9.- С.185-189.

55. Rothard L. // Mber. Dt. Akad. Wiss.-1961.-Bd. 3.-S. 18-19.

56. Розенштейн В.Б., Ушанский С.Я., Гершензон Ю.М. Гетерогенная релаксация колебательной энергии молекул // Сб. : Плазмохимические процессы.-М.: Наука.-1979.-е. 44-63.

57. Бондаренко А.В., Лебедев Ф.В., Смакотин М.М. Стационарный токовый шнур в самостоятельном продольном разряде, стабилизированный встречным потоком газа // Письма в ЖЭТФ.-1982.-Т.8, В. 11.-С. 648-653.

58. Алферов В.И., Бушмин А.С. Экспериментальное исследование влияния электростатического поля на показание термопары // Инженерно-физический журнал.-1964.-Т. 7, № 6.-С. 135-136.

59. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах / М.: Мир.-1967.-832 с.

60. Хаксли JL, Кремптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газах / М.: Мир.-1977.-672 с.

61. В.М. Фомин, А.В. Лебедев, А.И. Иванченко. Пространственно-энергетические характеристики электрического разряда в сверхзвуковом потоке газа // Доклады Академии наук.-1998.-Т.361, № 1.- С. 58-60.

62. В.М. Фомин, Т. Алзиари де Рокфор, А.В. Лебедев, А.И. Иванченко. Самостоятельный тлеющий разряд в гиперзвуковом потоке воздуха // Доклады Академии наук.-2000.-Т.370, № 5.- С. 623-626.

63. В.М. Фомин, Т. Алзиари де Рокфор, А.В. Лебедев, А.И. Иванченко. Катодные явления в самостоятельном тлеющем разряде в сверхзвуковом потоке воздуха // Доклады Академии наук.-2000.-Т.374, № З.-С. 340-342.

64. V.M. Fomin, A.V. Lebedev, A.I. Ivanchenko. Spatial-energetic structure of glowing discharge in a supersonic gas flows // 9th International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR'98): Proc.-Novosibirsk, 1998.-Pt. 2.-P. 54-57.

65. V.M. Fomin, Т. Alziary de Roquefort, A.V. Lebedev, A.I. Ivanchenko. Streamwise electric discharge in a supersonic gas flow // 8th International Symposium on Flow Visualization (Sorrento, Italy):Proc.-S.l., 1998.-P. 214.1214.4.

66. ГОСУДАРСТВЕННА** БИБЛИОТЕКА/схь