Исследование распространения, локализации и распада субмикросекундного разряда в неоднородных средах и высокоскоростных потоках

Шурупов, Михаил Алексеевич

Исследование распространения, локализации и распада субмикросекундного разряда в неоднородных средах и высокоскоростных потоках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Шурупов, Михаил Алексеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование распространения, локализации и распада субмикросекундного разряда в неоднородных средах и высокоскоростных потоках»

Автореферат диссертации на тему "Исследование распространения, локализации и распада субмикросекундного разряда в неоднородных средах и высокоскоростных потоках"

На правах рукописи

Шурупов Михаил Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ, ЛОКАЛИЗАЦИИ И РАСПАДА СУБМИКРОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА В НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ И ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОТОКАХ

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

17 ОКТ 2013

Москва-2013

005535137

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Леонов С.Б.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Василяк Л.М. (ОИВТ РАН); кандидат физико-математических наук, доцент

Судаков В.Г. (ЦАГИ)

Ведущая организация: МГУ им Ломоносова, физический факультет

Защита состоится " Л0 " К/Х^УрЦ^ 2013 г. в мин. на заседа-

нии диссертационного совета Д 002.110.02 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур РАН по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН. Автореферат разослан " 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совет

д.ф.-м.н. / '-//Аа. А.Л. Хомкин

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013

Общая характеристика работы.

Искровой разряд привлекает внимание исследователей в связи с многообразием форм существования, значительной интенсивностью воздействия на среду и малым временем отклика. Изучение сильноточных плазменных каналов связано с широким кругом практических задач, к числу которых относятся - физика молнии и молниезащиты, физика импульсных плазменных устройств, безопасность высоковольтного оборудования. Импульсные разряды высокой мощности были детально исследованы рядом авторов [1, 2, 3]. Диапазон токов разряда распространяется от импульсов наносекундного разряда ~ 1 А до токов атмосферных разрядов -100 МА. Исследуемый в работе разряд — протяженная искра суб-микросекундной длительности занимает промежуточное положение между атмосферными разрядами молнии и относительно слабыми разрядами наносекундного диапазона как по времени протекания тока, так и по удельному энерговкладу.

Настоящая квалификационная работа включает в себя результаты исследования процессов взаимодействия искровых каналов с неоднородными газовыми средами и с высокоскоростными газовыми потоками; исследование стримерной, переходной и сильноточной фазы разряда; особенностей распада послеразряд-ной тепловой каверны и зависимости указанного распада от геометрии энерговклада в разрядный канал; а также возможностей применения исследуемого разряда для интенсификации смешения компонентов неоднородной среды.

Актуальность темы.

В настоящее время активно развиваются смежные с физикой газовых разрядов области науки, такие, например, как плазменная аэродинамика [4]. Широко известным фактом является то, что электротехнические устройства обеспечивают на порядки более быстрый отклик на управляющее воздействие, нежели механические, что для задач практической аэродинамики играет решающее значение. Применение электрических разрядов различного типа в перспективе позволит решать задачи, недоступные для механических устройств. Более того, в ряде случаев интенсивное воздействие на среду (в данном случае газовую) затруднительно или невозможно осуществить механическими средствами. Примерами такого воздействия может является локальное инициирование сильных возмущений в газовой среде без потери полного давления, смешение компонентов неоднородной среды, наработка активных радикалов, а также плазменное поддержание горения. Задача интенсификации смешения компонентов неоднородной среды особенно актуальна при создании прямоточных двигателей.

Поставленные задачи предлагается решить при помощи плазменного акту-атора на основе высоковольтного субмикросекундного разряда. Таким образом, актуальной становится задача исследования механизмов взаимодействия импульсного разряда с неоднородными газовыми средами.

Задачи диссертационной работы.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование механизмов взаимодействия импульсного филаментарного электрического разряда субмикросекундной длительности с неоднородной средой, в том числе в высокоскоростном потоке, включая изучение процессов его распространения, локализации и распада. В соответствии с поставленной целью, перед автором были поставлены следующие научные задачи:

1. Изучение динамики распространения филаментарного электрического разряда субмикросекундной длительности и формирования сильноточного канала.

2. Исследование особенностей локализации канала протекания разрядного тока в неоднородной среде и высокоскоростном газовом потоке;

3. Изучение динамики и морфологии неустойчивого распада послеразряд-ного горячего канала.

В силу практической направленности работы к числу решаемых задач относятся также:

4. Разработка методов управления распространением и локализацией импульсного разряда; оптимизация конфигурации разрядного филамента для повышения эффективности воздействия на среду;

5. Разработка и экспериментальная проверка метода определения локального соотношения концентраций газов на основе спектроскопии излучения пробного разряда;

6. Экспериментальное исследование процесса интенсификации смешения двухкомпонентной газовой среды мощным импульсным разрядом.

Научная новизна работы.

В данной диссертационной работе изложены экспериментальные результаты по исследованию поведения нестационарных электрических разрядов в неоднородной среде и высокоскоростном потоке. Некоторые из них были получены впервые. В частности:

1. Детально исследован процесс распада послеразрядного канала филаментарного разряда субмикросекундной длительности. Подробно исследованы и описаны неустойчивости мелкого масштаба (неустойчивость Рэлей-Тейлора) и крупномасштабные (струйные) неустойчивости. Струйный тип высокоскоростных неустойчивостей обнаружен и описан впервые. На основе экспериментальных данных и результатов численного моделирования проведен анализ динамики развития обнаруженных неустойчивостей. Предложена физическая модель развития газодинамических возмущений, индуцированных импульсным разрядом.

2. Впервые описан и исследован эффект специфической локализации разряда при различных типах неоднородности среды. Исследован механизм распространения субмикросекундного разряда длительностью <100 не в неоднородной среде с градиентом концентрации компонентов и в высокоскоростном потоке. Распространение разряда происходит в две стадии - распространения разветвленного стримерного «дерева» и непосредственный энерговклад в один из возможных каналов пробоя. Экспериментально установлены два типа взаимодействия импульсного разряда с градиентом концентрации, определяющие специфическую локализацию разрядного канала - взаимодействие на стадии распространения стримеров, и на стадии развития ионизационно-перегревной неустойчивости.

3. Экспериментально изучен процесс интенсификации смешения топлива с окислителем при помощи филаментарного разряда в широком диапазоне условий. Исследованы возможные схемы построения плазменного актуатора смешения на основе импульсного субмикросекундного разряда.

4. Разработан комплекс диагностики включающий в себя систему визуализации газодинамических возмущений и метод определения локального соотношения концентрации газов. Визуализация газодинамических возмущений основана на теневой съемке по схеме Теплера с импульсной подсветкой. Предложен и реализован метод измерения локального соотношения концентраций газов на основе спектроскопии излучения пробного разряда. Разработанный комплекс диагностики применен для детального исследования процессов распространения, локализации и распада канала импульсного разряда. Возможности диагностического комплекса позволили исследовать процесс интенсификации смешения в неподвижном газе и в дозвуковом и сверхзвуковом газовых потоках.

Научно-практическая ценность работы.

В настоящий момент плазменно-инициированное горение является перспективным направлением в области прикладной плазменной аэродинамики. Перемешивание топлива с окислителем в потоке является одной из лимитирующих стадий горения в целом. Разработанные на основе экспериментальных данных плазменные актуаторы могут стать ключевым элементом системы поддержания горения в высокоскоростном потоке, необходимой для создания гиперзвукового двигателя. Использование электрических разрядов в высокоскоростном потоке в перспективе может решить задачу интенсификации смешения топлива с окислителем в высокоскоростном потоке без потери полного давления.

Полученные результаты могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся импульсными газоразрядными технологиями и техникой высоких напряжений. Механизм распространения стримеров и локализация филамента высоковольтного разряда, работающего в импульсном режиме, оказывают влияние на пробойные напряжения и геометрию энерговклада в разряд.

Исследование газодинамического распада канала тесно связано с восстановлением диэлектрической прочности промежутка. Результаты исследования газодинамического распада послеразрядного канала могут быть использованы для генерации интенсивных газодинамических возмущений среды, с целью, например, интенсификации смешения компонентов среды. В тех областях техники, где требуется высокая скорость возбуждения возмущений и малое время отклика, исследованные эффекты играют решающую роль в работе всей системы.

Объединение первых двух частей работы позволяет разрабатывать комплексную систему управляемого возбуждения газодинамических возмущений в различных типах сред. Разработанные основы применения излучения пробного разряда для анализа степени смешения газов могут быть использованы для создания модульной системы измерения с гибкими параметрами.

Достоверность полученных результатов.

Приведенные в диссертации экспериментальные результаты получены на трех экспериментальных установках с привлечением различных измерительных методик. Аналогичные наблюдения и измерения выполнены в Принстонском университете, США. Результаты в значительной степени совпадают в части пересечения постановки эксперимента. Часть результатов сравнивается с данными численного анализа, показывающего качественное и, в ряде случаев, количественное совпадение. Результаты обсуждались с ведущими мировыми специалистами в области развития неустойчивости и распространения электрических разрядов. Таким образом, достоверность изложенных экспериментальных результатов является весьма высокой.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены лично автором и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, симпозиумов, рабочих совещаний и семинаров, из которых наиболее значимыми являются: (1) International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, Moscow, Russia (2009-2013); (2) 7th International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations, St. Petersburg, Russia, (3) October 4-8, 2010; FLUCOME 2011, National Taiwan University, Keelung, Taiwan, December 5-9, 2011; (4) Proceedings of 19th International Conference on Gas Discharges and Their Applications, Beijing, Sept 2012, paper 159.

Квалификационная ценность результатов исследований признана международным научным сообществом, в частности, посредством обсуждения результатов в рамках грантов Международного Научно-Технического Центра (проект МНТЦ №3793) и РФФИ (№10-08-00952-а). Результаты также использованы при выполнении Программ Президиума РАН №20 и №09.

Публикации и личный вклад автора. Основное содержание и результаты диссертационного исследования изложены в 24 работах, в том числе в 2 статьях в рекомендованных ВАК журналах. Во всех работах соискателю принадлежит

участие в постановке и проведение эксперимента, обработке данных и аналитическом анализе результатов. Все положения, выносимые на защиту, получены лично соискателем.

Структура н объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения, содержащего список публикаций по теме диссертации. Работа изложена на 130 страницах и включает 50 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, её научная и практическая значимость, сформулированы цели и основные задачи работы.

В главе 1 (обзор публикаций по теме диссертационной работы) рассмотрение субмикросекундного разряда разделено на 2 части: (1) распространение и локализация разрядного филамента, (2) газодинамический распад послеразряд-ного канала. Проведен обзор модели распространения стримеров. Проведен анализ методов интенсификации смешения газов механическими средствами. Проанализирована совокупность газодинамических неустойчивостей и вызывающих их причин, возникающих при распаде тепловой неоднородности после импульсного энерговклада. Произведен обзор методик измерений степени смешения двухкомпонентной газовой среды при наличии высоковольтного разряда.

В отличие от мощных разрядов атмосферного электричества [5], лабораторные искры небольшой протяженности (1-10 см) распространяются посредством стримерного механизма [2]. Воздействие на стримерную стадию разряда является одним из возможных способов управления локализацией разрядного канала. Пример реализации подобного воздействия рассмотрен в [6].

Газодинамическое действие импульсного энерговклада приводит к возникновению нескольких групп возмущений, отличающихся характерными пространственным и временным масштабами: (1) мелкомасштабные возмущения обусловленные неустойчивостью Рэлей-Тейлора, (2) возмущения среднего масштаба, и (3) крупномасштабные «струйные» возмущения. Впервые неустойчивость Рэлей-Тейлора, как причина возникновения мелкомасштабных возмущений границы канала, была рассмотрена в статьях М.Н.Шнейдера [7]. Возмущения второй группы экспериментально и численно рассмотрены в [9, 10]. Возмущения третьей группы впервые описаны в [11]. Результатами этих исследований является широко известный факт, что динамика остывания перегретого после-разрядного канала определяется не молекулярной теплопроводностью, а интенсивной генерацией вихревых движений и турбулентности при остывании канала. Подробному исследованию и анализу возмущений первой и третьей групп посвящена глава 3 данной работы.

Глава 2 посвящена описанию экспериментальных установок и методов исследования. Подробно описаны источник питания разряда, постановка эксперимента в неподвижном воздухе, постановка эксперимента в высокоскоростном потоке, методы электрических измерений и визуализации. Описан способ определения локального соотношения концентраций газов по спектру излучения пробного разряда.

Основные экспериментальные результаты были получены на трех экспериментальных установках: 1) ИПНВ (импульсные процессы в неподвижном воздухе) - ОИВТ РАН; 2) ИАДТ-50 (импульсный аэродинамический тракт) - ОИВТ РАН; 3) импульсный высоковольтный стенд - департамент МАЕ Принстонского университета США (в диссертации не описан). Для возбуждения разряда на всех экспериментальных стендах использован импульсный высоковольтный источник питания, основанный на трансформаторе Тесла, работающем в режиме ударного возбуждения. Характерная осциллограмма электрических параметров исследуемого разряда показана на рис.1. Источник питания обеспечивает следующие параметры разрядного импульса:

• Максимальное напряжение:

итях= 120 кВ,

• Фронт нарастания напряжения:

Дт = 500 не, сШ/сИ ~ 108 В/с,

• Длительность импульса тока:

т = 70 — 100 не,

• Длина разрядного промежутка:

в = 10-60 мм,

• Максимальный ток:

1тах= 1,5-2 КА,

• Максимальная мощность:

\У„,ах=1ЮМВт,

• Типичный энерговклад: ± - ----------,

Е<1= 1-2,5 Дж. 4 сопротивление

Применение описанного источника для возбуждения протяженного высоковольтного разряда позволяет достигать высоких значений удельного энерговклада в разрядный канал ~1,6><108 Дж/м3, при малых, по газодинамическим меркам, временах ~ 100 не.

Технические параметры газодинамического стенда ИАДТ-50 характеризуются следующими величинами: поперечные размеры тестовой секции 72*60 мм; число Маха потока - М = 0,3 - 2,5; начальное давление - Р51= 0,2 - 0,8 Бар; температура торможения потока — То= 300 К; время работы - 300 — 500 мс.

Во всех экспериментах использован диагностический комплекс для проведения электрических и газодинамических измерений, получения изображений -

220 240 260 280 300 320 340 Т.ПБ

Рис.1. Типичная осциллограмма исследуемого разряда:

/ и(1ПП<1^Р1Ш(»' ") ТЛГ Ч м ш ч иглгтт."

разряда и визуализации газодинамических процессов. Комплекс диагностики включает в себя:

• Электрические измерения: Высоковольтный делитель Aktakom-ACA-6039; пояс Роговского; Осциллограф Tektronix DPO-7000C - 20 GS/s, 500 МГц;.

• Газодинамические измерения: сканер датчиков давления, дифференциальные датчики давления.

• Визуализация: Теневая система визуализации по схеме Теплера с импульсной подсветкой - X = 812 нм, т-,Ксп = 92 не, Д х = 0,1 мм; высокоскоростная камера IMPERX-VGA210GCCN - тэ«сп = Юмкс, fps = 210 к/с; камера Basler-A504k - тЭКсп = 10 мке, fps = 500 к/с.

• Спектроскопические измерения: Монохроматор МДР-2 - решетка 1200 штрих/мм, AU Ах = 2 нм/мм; спектроскопическая камера Andor-DU420 -Тэксп = 2 мс; ФЭУ — Hamamatsu HI 0493-013 - 185-850 нм, 8 МГц.

В рамках исследования задач смешения компонентов в дополнение к описанному диагностическому комплексу был предложен и реализован метод определения локального соотношения концентраций газов на основе спектроскопии излучения пробного разряда. Метод основан на возбуждении среды высоковольтным импульсным разрядом с низким энерговкладом ~ 0,05 - 0,1 Дж. Низкий энерговклад позволяет избежать высокой температуры разряда и, соответственно, снижает интенсивность излучения континуума. После калибровки системы, по соотношению интенсивностей характеристических линий (полос) излучения для различных компонент газовой среды оказывается возможным определить соотношение концентрации последних в исследуемом объеме. Временное разрешение предложенного метода составило 100 не, пространственное — не более 1x0,5 см.

Глава 3 посвящена исследованию механизмов распространения и локализации разрядного филамента в пространстве. Проведен анализ двух-стадийного механизма распространения разрядного филамента. На основании экспериментальных данных проведено аналитическое описание стримерной стадии распространения разряда. Обработка экспериментальных данных включает в себя использование известной аналитической модели стримера как сильной волны ионизации [2]. Проведен анализ развития ионизационно-перегревной неустойчивости. Полученное теоретически время согласуется с временем потери сопротивления каналом, т.е. временем его разогрева ~ 25 не. Проведена серия экспериментов по исследованию эффекта специфической локализации разрядного филамента в среде с градиентом концентрации компонентов. Выявлены особенности взаимодействия различных стадий распространения разряда с модельными неод-нородностями среды. Отдельная серия посвящена экспериментальному исследованию локализации разрядного канала в высокоскоростном потоке (как дозвуко-

вом, так и сверхзвуковом) при прямой инжекции стороннего газа со стенки. Эффект специфической локализации разряда в модельной среде и в реальном потоке проявляется аналогично - в зоне смешения струи стороннего газа с окружающей средой.

Для короткоимпульсного разряда физический механизм распространения разряда представляется следующим (рис.2). Первая стадия пробоя искры заключается в развитии многочисленных стримеров, распространяющихся от высоковольтного электрода по направлению к заземленному и наоборот. Ввиду неустойчивости распространения стримера в сильном поле, каналы стримеров имеют тенденцию ветвиться, что определяет динамику и морфологию стример-ного «дерева». В случае источника питания высокой мощности эти стримеры занимают значительный объем газа, образуя множество возможных путей пробоя.

Описанные выше стримерные «деревья» образуют систему плазменных каналов, изначально обладающих конечной, достаточно низкой, проводимостью ~ 3 х 10 3 Ом ' см 1. Наличие напряжения на электродах приводит к нарастанию тока в системе. Указанное нарастание тока в системе плазменных каналов определяется ионизационно-перегревной неустойчивостью.

Для инкремента нарастания пере-гревной неустойчивости можно получить

выражение [1] (использована формула 'Гаунсенда - а = г^ = Арехр (П

Рнс.2. Теневая визуализация распространения стримеров (слева). Схема распространения стримеров (справа)

аапуд

У V Е у

где у — показатель адиабаты, а — начальная проводимость канала, В - коэффициент в интерполяционной формуле Таунсенда. Используя экспериментальные значения параметров, получим величину инкремента нарастания неустойчивости и, соответственно, времени ее развития: Г2 = 4 X 107 [^/с]> т = = 25 не. Из анализа экспериментальных осциллограмм оценка времени потери сопротивления (разогрева) канала составляет - 20 -25 не, что согласуется с величиной, полученной аналитическим путем.

Двухстадийный механизм развития пробоя субмикросекундного разряда вкупе с ионизационно-перегревной неустойчивостью приводят к двум основным типам взаимодействия исследуемого разряда с неоднородной средой. Первый — взаимодействие на стримерной стадии разряда. Второй тип взаимодействия определяется механизмом переходного процесса от стримерного дерева к плазменному филаменту. Так как стримерная фаза разряда покрывает большой объем

неоднородной среды, то во время развития перегревной неустойчивости различные стримерные каналы находятся в разных условиях. Если среда неоднородна, оптимальный путь может оказаться не самым коротким, что определяет специфическую локализацию пробоя при различных типах неоднородности среды.

Описанные выше механизмы специфической локализации разряда в среде с градиентом концентрации компонентов исследованы в серии модельных экспериментов. В качестве модели неоднородной среды использован атмосферный воздух с ламинарной струей вторичного газа. Были исследованы взаимодействия как стримерной, так и искровой стадии разряда со струями азота, гелия, углекислого газа и нагретого воздуха. Сравнительные характеристики различных стадий разряда и смешения и их взаимодействия с неоднородными средами сведены табл. 1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики различных стадии разряда и смешения и их специфическая локализация в неоднородных средах

( 1* Стримерная Эиерговклад Автомодельное расширение Восстановление давления Изобарическое расширение

Времена 400-500 не 500-600 не 0-20 мкс 20-100 мкс 0,1-10 мс

Ток, А 1-2 1500 <50 А -

Характерные размеры Гсфнм = 0.2 мм К-дерева~ЛХпром Я = 0,2 -0,25 мм Иув = 15 мм Ггорзопы=0.8 ММ Яув=30 мм Ггор.юны==3,5 ММ АХвозмущ— 30-50 мм

Тип неустойчивости Ветвление стримера Ионизаци-онно-пере-гревная Необходимо дополнительное исследование Рэлей-Тейлора Струйная

Смешение Отсутствует Отсутствует Генерация турбулентно- Крупномасштабные сти и завихренности, течения и диффузия

Специфическая локализация На стримерной стадии На стадии ионизационно-перегревной неустойчивости

Струя азота При попадании стримера в струю Отсутствует

Струя С02 Выделенные направления распространения в зоне смешения струи с воздухом Наличие максимума эффективного коэффициента ионизации

Струя гелия Локализация сильного стримера непосредственно в струе Отсутствует неопределенность выбора канала

Струя нагретого воздуха Отсутствует Снижение плотности - возмущение для развития неустойчивости

Взаимодействие разряда со струей азота можно объяснить отсутствием прилипания электронов; со струей СОг - наличием максимума эффективного коэффициента ионизации при определенном соотношении концентраций с воздухом [12]; со струей гелия - низким потенциалом ионизации; горячая струя вносит непосредственное возмущение в цепочку причинно-следственных связей иони-зационно-перегревной неустойчивости.

Серия экспериментов на установке ИАДТ-50 при прямой инжекции стороннего газа показала, что локализация разряда в потоке, как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом, проявлялась аналогично локализации в неподвижном воздухе. Отдельно необходимо отметить пуски с инжекцией С2Н4, моделировавшие ин-жекцию топлива в поток. В указанных пусках разряд локализуется в зоне смешения струи с потоком. Как и в случае струи С02, этот факт объясняется не монотонностью эффективного коэффициента ионизации смеси СгН,(-воздух в зависимости от относительной концентрации компонент [12].

В главе 4 рассматривается распад сформировавшегося плазменного канала после окончания энерговклада. Процесс распада канала проанализирован в рамках автомодельной теории сильного взрыва. Экспериментально визуализированы начальная стадия распада канала; промежуточная стадия распада - неустойчивость Рэлея-Тейлора и зарождение струйных течений; завершающая стадия - крупномасштабные струйные течения. Описаны результаты визуализации стадии энерговклада в разрядный канал и начальной стадии распада последнего - до 3 мкс. На средних временах I = 30 - 100 мкс распад канала сопровождается развитием неустойчивости по механизму Рэлея-Тейлора, что подтверждается экспериментальными данными. На более поздних стадиях (0,3 - 10 мс) происходит развитие интенсивных струйных неустойчивостей. Анализ экспериментальных данных производился в сопоставлении с результатами численного моделирования.

В отличие от автомодельной теории, распад реального канала - это комплексная проблема, включающая в себя множество газодинамических эффектов, связанных, с одной стороны, с большим количеством различных типов неоднородности разряда и, соответственно, энерговклада, и, с другой стороны, с рядом газодинамических неустойчивостей, которые могут иметь положительный инкремент даже для идеально ровного цилиндрического канала. Детальное исследование динамики распада послеис-крового разряда в неподвижной среде было проведено на установке ИПНВ в ОИВТ РАН.

На рис.3 показана серия теневых снимков, полученных с разной задержкой первого кадра относительно разрядного импульса и иллюстрирующих динамику распада послеискрового канала.

Рис 3. Развитие неустойчивости Рэлей Тейлора при распаде послеразрядного канала (30, 100 и 250 мкс соответственно). На последнем кадре видно начало формирования струйной неустойчивости

На первом снимке (30 мкс) отчетливо видно мелкомасштабное, регулярное возмущение границы перегретой зоны. Это возмущение характерно для всех пусков и остается устойчивым вплоть до 45-50 мкс. Механизмом формирования подобного возмущения могут быть неоднородность энерговклада по длине канала и неустойчивое расширение канала на этапе до отхода ударной волны от зоны горячего газа.

На последующей стадии (50-100 мкс) граница центральной горячей зоны становится неустойчивой. На теневых фотографиях (см. рис.3) видно развитие структур, характерных для неустойчивости Рэлей-Тейлора (РТ). Эти структуры представляют собой взаимное проникновение плотной и разреженной сред друг в друга. Процесс развития РТ неустойчивости проанализирован с использованием данных одномерного расчета.

Для улучшения временного разрешения был применен шлириен-стрик метод при условиях неподвижного воздуха и высокоскоростного потока. Камера линейного сканирования обладает частотой линий 2х105линий/с. Результаты измерений представлены на рис.4. Хорошо видно, что расширение центральной зоны в высокоскоростном потоке ограничено, по сравнению с режимом в покоящемся воздухе. Этот эффект связан с пониженным статическим давлением в потоке, что подтверждается экспериментами в неподвижном воздухе при пониженном давлении.

В экспериментах было также обнаружено, что на поздних стадиях расширение центральной зоны, помимо описанной выше неустойчивости Рэлей-Тейлора, сопровождается появлением крупномасштабных струйных течений и распространяется на расстояния, сравнимые с разрядным промежутком. Развитие подобных неустойчивостей, называемых «струйными» [11], видно на рис.5. Струи развиваются на квази-изобарической стадии, когда градиенты давления невелики: р(гД) = ро, хотя начальное ускорение газ получает на стадии расширения в процессе восстановления давления.

Механизм формирования описанных струй представляется следующим. Взаимодействие сходящихся ударных волн приводит к повышению давления в области прямого скачка (см. рис.5). Образовавшийся скачок движется быстрее ударных волн, отошедших от других частей разрядного канала. Инерция газа, разогнанного сильной ударной волной, приводит к возникновению области пониженного давления за сильным скачком. С другой стороны разряда ситуация

«0-

70 -

г.о -

50 -

г 40 -

х' 30-

20 -

1(1 -

0 -

-ю-

3}|ыо|| расширении! -■»•- 500 м/с I -•-170 м/с

—И—1'1'< нтокн

2011 300 Время, мкс

Рис.4. Движение тепловой каверны (сплошные линии) и расширение (пунктирные линии) при скорости потока М = 0, 0.5 и 2.0

противоположная. Ударная волна является расходящейся и, как следствие, слабой. Разрежение за такой волной почти отсутствует. Описанный механизм приводит к формированию градиента давления, направленного противоположно распространению сильной ударной волны. Газ, находящийся в послеразрядной области, начинает разгоняться вслед за сильной ударной волной.

Рис.5. Быстрое возмущение, вызванное взаимодействием ударных волн. Эксперимент а 40 мкс. 6 2 мс (предвестник); к 200 мкс, начальная структура быстрого возмущения

Для проверки справедливости предложенного механизма образования не-устойчивостей струйного типа были проведены эксперименты с установкой дополнительных электродов, позволяющих управлять формой разрядного канала. В некоторых пусках удалось зафиксировать быстрое возмущение (предвестник), следующее за сильной ударной волной, по крайней мере на ранней стадии образования струи (см. рис.5,б). Кроме того, во многих экспериментах зафиксирована начальная структура такого возмущения, выделенная на рис.5,е.

В Главе 5. предложен и экспериментально опробован метод управления формой разрядного канала посредством введения в межэлектродное расстояние дополнительных электродов. Представлены результаты экспериментов по ускорению смешения компонент в неоднородной среде и высокоскоростном потоке. Основное внимание уделялось экспериментам по взаимодействию разряда с ламинарной струей вторичного газа в воздухе и экспериментам в многокомпонентном потоке, а также анализу результатов экспериментов и расчётов, как аналитических, так и численных.

Процесс турбулентного перемешивания можно разделить на три более-менее различимых по масштабам стадии (Eckart 1948 г.) условно называемые -начальной, переходной и конечной (диффузия). Как было показано в предыдущей главе, газодинамическое действие импульсного субмикросекундного разряда также можно разделить по масштабам. Неустойчивость Рэлей-Тейлора приводит в генерации мелкомасштабных возмущений на границе горячей централь-

ной зоны (раздел диссертации 4.3). В работах [13, 7, 10] описаны возможные механизмы генерации турбулентности и завихренности, в том числе при распаде несимметричных каналов энерговклада. С другой стороны, описанные в разделе диссертации 4.4, струйные неустойчивости являются крупномасштабными возмущениями, сравнимыми с размером всей зоны смешения. Таким образом, использование мощного импульсного разряда для интенсификации смешения выглядит перспективным, с точки зрения воздействие на первые две стадии процесса перемешивания. Однако возможности ускорения смешения неоднородных сред при помощи мощного импульсного разряда требуют дополнительной экспериментальной проверки.

Разработанный комплекс диагностики был применен для изучения процесса смешения компонент, инициированного импульсным высоковольтным фила-ментарным разрядом. Постановка эксперимента включала в себя возбуждение импульсного (смешивающего) разряда при наличии ламинарной струи СОг в покоящемся воздухе. Для определения соотношения концентраций воздуха и СОг в исследуемой зоне применен метод спектроскопии излучения пробного разряда. Спектр пробного разряда измерялся при варьировании задержки между смешивающим и пробным разрядами. Типичные эмиссионные спектры показаны рис.6.

Наличие углеродосодержащих соединений и молекулярного азота в разрядной области приводит к наработке циана (СТЧ) в пробном разряде. Соотношение интенсивностей линий колебательно возбужденных N2 и СИ характеризует отношение концентрации воздуха и С02. Если пробному разряду не предшествовал основной разряд, то в спектре отсутствуют полосы СЫ. Применение смешивающего разряда для смешения струи СОг с воздухом приводит к появлению в спектре пробного разряда характерных полос СЫ. Интенсивность указанных полос растет с ростом задержки пробного разряда, что объясняется увеличением концентрации С02 в исследуемой области. Кроме того, интенсивность полос N2 имеет тенденцию к снижению по мере того, как газодинамические возмущения достигают области измерений, что также иллюстрируется рис.6.

На рис.7 показана зависимость отношения интенсивности линий N2 и СИ от задержки между смешивающим разрядом и пробным. Фактически, представленный график показывает динамику распространения струйных возмущений. Основными параметрами представленной зависимости являются положение

3761) 3780 3800 3820 384» 3860 3880

Длина волны, Рис.6. Спектры пробного разряда при различных задержках между импульсами смешивающего и пробного разрядов

500 750 1000 и

Задержка, мкс

Рис.7. Отношение интенсивностей излучения СЫ (3883А) и N2 (3804А) в зависимости от задержки между основным и пробным разрядами

фронта, т.е. момент прихода струи в области измерений, и плато при больших задержках, которое соответствует максимально достижимому коэффициенту ю смешения.

Экспериментальное исследование возможности интенсификации смешения в высокоскоростном потоке было исследовано на тестовой секции установки ИАДТ-50 при прямой инжекции топлива (СОг) со стенки с использованием разработанного метода спектроскопии излучения пробного разряда. Инжектор, расположенный на нижней стенке в первом окне секции, был совмещен с заземленным электродом высоковольтного разряда. Электроды пробного разряда были расположены ниже по потоку на 150 мм —во втором окне тестовой секции. Область измерений спектроскопической системы располагалась в верхней половине потока и, в отсутствии смешивающего разряда, не содержала углекислого газа. Последнее подтверждается отсутствием характерных линий циана в спектре пробного разряда. При возбуждении смешивающего разряда перед пробным в спектре пробного разряда появляется циан, что говорит о проникновении СОг в область измерений и, соответственно, об увеличении области смешения инжектируемого топлива с потоком.

При переходе к частотному режиму работы, необходимая электрическая энергия остается на уровне в несколько процентов от полного потока энтальпии в канале (W3„t ~ 200 КВт). Таким образом высоковольтный субмикросекундный разряд может быть использован для интенсификации смешения топлива с окислителем в высокоскоростных потоках.

Положения выносимые на защиту (заключение):

1. Результаты экспериментального исследования газодинамических не-устойчивостей, возникающих при распаде послеразрядного канала. Детальный анализ причин возникновения неустойчивости Рэлей-Тейлора на основании экспериментальных данных, аналитической модели и численного расчета. Результаты экспериментального исследования струйной неустойчивости, возникающей в процессе распада послеразрядного канала при наличии сильной геометрической нерегулярности последнего. Детальный анализ причин возникновения указанной газодинамической неустойчивости на основании экспериментальных данных, аналитической модели и численного расчета.

2. Результаты экспериментального исследования механизмов взаимодействия стримерной и переходной стадии распространения разряда в условиях

среды с градиентом концентрации компонентов, в частности: струи стороннего газа (СО2, N2, Не) в атмосферном воздухе и высокоскоростном потоке, горячей струи в воздухе, аэрозолей жидкого топлива в атмосферном воздухе. Обнаружен эффект специфической локализации разрядного филамента в среде с градиентом концентрации веществ — филамент локализуется в зоне смешения стороннего газа с окружающей средой. Для объяснения явления предложены кинетическая и динамическая модели. В случае струи горячего воздуха разрядный канал локализуется внутри тепловой неоднородности, что определяется динамикой иониза-ционно-перегревной неустойчивости.

3. Создание диагностического комплекса включающего визуализацию газодинамических возмущений инициированных высоковольтным импульсным разрядом; визуализацию взаимодействия разряда с неоднородными средами; определение локального соотношения концентраций газов на основе спектроскопии излучения пробного разряда.

4. Результаты экспериментального исследования процесса интенсификации смешения при помощи актуатора на основе высоковольтного импульсного разряда в неподвижном воздухе и высокоскоростных дозвуковом и сверхзвуковом потоках.

5. Методы возбуждения импульсного разряда с управляемой формой разрядного канала. Практические схемы плазменного актуатора смешения компонент в газовой фазе.

Список цитированной литературы.

1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1992.

2. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. - М.: МФТИ. 1997.

3. Месяц Г.А. - Импульсная энергетика и электроника. - M.: Наука, 2004.

4. Битюрин В.А., Бочаров А.Н., Климов А.И., Колесниченко [ОФ., Леонов С.Б. Магнитоплазменная аэродинамика // ОИВТ РАН Итоги и перспективы. М.: 2010. С. 203-212.

5. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. — М.: Физматлит, 2001.

6. Апполонов B.D., Василяк Л.М., Казанцев С.Ю., Кононов И.Г., Поляков Д.Н., Сайфулин A.B., Фирсов КН. Напрвление электрического разряда сплошной лазерной искрой при фокусировке излучения С02-лазера коническим зеркалом // Квантовая электроника. 2002. Т. 32. №2. С. 115-120.

7. Shneider M. N. Turbulent decay of after-spark channels // Phys. Plasmas. 13. 073501. 2006 r.

8. Шнейдер M.H. Развитие канала искрового разряда и восстановление электрической прочности после протекания импульсного тока // Физико-технические проблемы передачи электрической энергии, [ред.] Дьяков А.Ф. М.: МЭИ, 1998. № 1. С. 234-253.

9. Creig J.R., Pechacek R.E., Raleigh M. Channel cooling by turbulent convective mixing. // Experimental Plasma Physics Branch. Plasma Physycs Devision, Washington. 1985.

10. Picone J.M., Boris J.P., Greig J.R. Convective cooling of lightning channels // Journal of atmospheric science. 1980. V. 38. P. 2056-2062.

11. Leonov S.B., Isaenkov Y. I., Firsov, A. A., Nothnagel S. L., Gimelshein S. F, Shneider M. N. Jet regime of the afterspark channel decay // Phys. Plasmas. 17. 053505. 2010.

12. Shurupov M.A., Firsov A. A., Isaenkov Yu. I., Leonov S. В., Yarantsev D. A., Shneider M.N., Kochelov I.V., Napartovich A.P. Gasdynamic Effects of High-Voltage Breakdown in Non-Homogeneous Atmosphere. // FLUCOME 2011. Paper No. 064. December 5-9.

13. GreigJ.R., Pechacek R.E. and Raleigh M. Channel cooling by turbulent convective mixing. // Experimental Plasma Physics Branch. Plasma Physycs Devisio. Washington. 1985 r.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Leonov S.B., Firsov А.А., Shurupov М.А., Michael J.В., Shneider M.N., Miles R.В., and Popov N.A. Femtosecond laser guiding of a high-voltage discharge and the restoration of dielectric strength in air and nitrogen // PHYSICS OF PLASMAS, vol.19. 123502. 2012. Юрр

2. Шурупов M.A., Леонов С.Б., Фирсов А.А., Яранцев Д.А., Исаенков Ю.И. Газодинамические неустойчивости при распаде канала субмикросекундного искрового разряда // ТВТ. Москва. 2013.в печати.

3. Leonov S., Isaenkov Yu.I., Firsov A.A., Shurupov М.А., Yaranlsev D.A. Plasma-Based Fast Mixing and Ignition in Supersonic Combustor // Paper AIAA-2011 -2327.

4. Shurupov M.A., Michael J., Shneider M.N., Miles R., LeonovS.B., Firsov A.A. Femtosecond laser guiding of high-voltage discharge and the restoration of dielectric strength. // 43rd AIAA Plasmady-namics and Lasers Conference. Paper AIAA 2012-3178. 2012.

5. Leonov S B., Firsov AA„ Isaenkov Y.I., Shurupov M.A., Yarantsev D.A., Shneider M.N. Plasma-Based Fast Mixing and Ignition in Supersonic Flow. // 17th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. April 11-14,2011.

6. Firsov A.A, Shurupov M.A., Yarantsev D.A., Leonov S.B. Mixing Actuation by Unstable Filamentary Discharge // AIAA 2013. 1188

7. Leonov S.B., Isaenkov Y.I., Firsov A.A., Shurupov M.A., Yarantsev D.A., Shnider M.N., Kochelov I. V. Gasdynamic Effects of High-Voltage Breakdown in Non-Homogeneous Atmosphere. // FLU-COME 2011. National Taiwan University. Keelung. Taiwan. December 5-9. 2011.

8. Leonov S., Isaenkov Yu„ Yarantsev D„ Shurupov M., Michael J., Dogariu A., Shneider M„ Miles R. High-Voltage Breakdown, Guided by Femtosecond Laser and Gas Inhomogeneity. - Proceedings of 19th International Conference on Gas Discharges and Their Applications. Beijing. Sept 2012. paper 159.

9. Leonov S.B., Firsov A.A., Shurupov M.A., Yarantsev D.A. MIXING EFFICIENCY ESTIMATION by PROBE DISCHARGE SPECTROSCOPY. // PPPS 2013. Book of abstracts. Paper P3-29. 16-21 June. 2013. SanFrancisco

10. Firsov A. A., Shurupov M.A., Yarantsev D.A. and Leonov S.B. MIXING EFFICIENCY ESTIMATION BY PROBE BREAKDOWN FLUORESCENCE // AIAA Paper 2013-2765. 44th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. SanDiego. 24-27 June 2013.

Шурупов Михаил Алексеевич

Автореферат

Подписано в печать 18.09.2013

Печать офсетная

Тираж 100 экз._

Уч.-изд.л. 1.1 Заказ №

Формат 60x84/16 Усл.-печ.л. 0.96 Бесплатно

ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шурупов, Михаил Алексеевич, Москва

На правах рукописи

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР РАН

04201364911 Шурупов Михаил Алексеевич

01.04.08 - физика плазмы

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, Леонов Сергей Борисович

Москва 2013

Оглавление

Введение.............................................................................................................................................3

Глава 1 (литературный обзор).....................................................................................................14

1.1. Физический механизм формирования канала длинного искрового разряда....................14

1.2. Распад послеразрядной тепловой каверны...........................................................................18

1.3. Обзор методов интенсификации смешения в высокоскоростном потоке........................21

1.4. Особенности экспериментальных методов изучения быстропротекающих газодинамических процессов........................................................................................................25

Глава 2. Описание постановки эксперимента и методик проведения измерений............31

2.1. Установка для исследования динамики распространения и распада импульсного разряда в неподвижном воздухе....................................................................................................................31

2.2. Методы визуализации............................................................................................................37

2.3. Определение степени смешения по спектру излучения пробного разряда......................38

Глава 3. Локализация разрядного филамента.........................................................................45

3.1. Механизм распространения и локализации разрядного филамента..................................45

3.2. Исследование особенностей локализации разрядного филамента в неподвижном воздухе........56

3.3. Исследование особенностей локализации разрядного филамента в многокомпонентном потоке..............................................................................................................................................67

3.4. О возможных механизмах локализации импульсного разряда..........................................75

Глава 4. Газодинамический распад послеразрядного канала...............................................80

4.1. Общая картина явления..........................................................................................................80

4.2. О радиусе канала энерговклада при разряде........................................................................86

4.3. Релей-Тейлоровская неустойчивость границы послеразрядного канала..........................96

4.4. Струйные неустойчивости распада послеразрядного канала...........................................107

4.5. Анализ неустойчивостей распада послеразрядного канала. Сравнение с расчетом......110

Глава 5. Смешение.......................................................................................................................115

5.1. Постановка задачи смешения..............................................................................................115

5.2. Исследование возможностей интенсификации смешения неоднородных сред при помощи импульсного разряда в неподвижном воздухе..........................................................................116

5.3. Практическая схема актуатора............................................................................................123

Выводы...........................................................................................................................................127

* г

Введение

Искровой разряд привлекает внимание исследователей в связи с развитием различных газоразрядных технологий. Среди них можно отметить следующие: возбуждение плазмохимических реакций в системах очистки сбросных газов, генерацию озона в барьерном разряде, создание высокоскоростных мощных искровых коммутаторов, модификацию условий обтекания скользящим разрядом различных тел для снижения газодинамического сопротивления, применение искровых разрядов для увеличения отдачи нефти в скважинах и т.д. В сферу интересов автора входят процессы развития и взаимодействия искровых каналов с неоднородными средами и высокоскоростными газовыми потоками. Искровой разряд характеризуется многообразием форм существования, и к настоящему времени не существует законченной теории, способной полностью описать все его проявления.

Исследованиям плазменных разрядов посвящено большое количество трудов. Широкий круг проблем физики газовых разрядов рассмотрен Ю.П.Райзером в [1]. Исследование сильноточных плазменных каналов связано с множеством практических задач, к числу которых относятся: физика молнии и молниезащиты, физика импульсных плазменных устройств, восстановление диэлектрической прочности промежутка после пробоя. Большой объем теоретических и экспериментальных данных собран в трудах [1,2,3,4,5], согласно которым большинство сильноточных плазменных каналов характеризуются высокой температурой [3,4], достаточной для термической ионизации [6]. Высокие температуры 20 кК), развивающиеся в разрядном канале, соответствую высокой степени ионизации газа ~ 0,2, что определяет его макроскопические свойства. Классической работой по физике сильно-ионизированных газов является монография Л.Спитцера [7].

Высокие темпы ввода энергии приводят к резкому расширению разрядного канала и формированию сильной ударной волны (УВ), отходящей от его поверхности. На начальном этапе такая УВ может нагревать газ до температур,

достаточных для термической ионизации. Механизм быстрого расширения проводящей зоны импульсного разряда впервые был рассмотрен Драбкиной С.И [8] и дополнен Брагинским С.И. [9]. При столь значительных темпах ввода энергии геометрия проводящего канала импульсного разряда оказывается критически важной с точки зрения газодинамического распада послеразрядного горячего канала [10]. Этот процесс является фундаментальным по отношению к восстановлению диэлектрической прочности разрядного канала. С газодинамической точки зрения распад послеразрядной тепловой каверны определяет то газодинамическое возмущение, которое можно инициировать в окружающей среде.

Импульсные разряды наносекундной длительности были исследованы многими авторами [3, 11, 12]. Диапазон токов разряда распространяется от токов молнии ~100 МА до импульсов наносекундного разряда ~ 1 А. Одним из часто применяемых подходов является разрядка высоковольтной емкости через разрядный канал. В расчетах чаще имеют дело с напряжениями ~20 кВ и ёмкостями 20 - 25 пФ, т.е. с относительно небольшой максимальной мощностью энерговклада. В данной работе постановка отличалась на порядок большими напряжениями и емкостью: 120 кВ и 367 пФ - соответственно, что обеспечивает суммарный энерговклад на уровне 2,5 Дж. Поэтому можно ожидать на несколько порядков больших темпов энерговклада и суммарной вложенной энергии в разрядный канал. Исследования импульсного разряда повышенной мощности являются актуальными благодаря идее использования сильноточной искры для внесения интенсивных возмущений в окружающую среду.

Реализация управления смешением, воспламенением и горением в высокоскоростных предварительно не перемешанных потоках является одной из наиболее важных задач при создании прямоточного реактивного двигателя (ПВРД и ГПВРД). Задача сложна, в частности, из-за короткого времени нахождения газа в камере сгорания ограниченной длины. Большинство практических схем ВРД предполагает прямую инжекцию топлива в высокоскоростной поток окислителя.

Процесс смешения компонент проходит две стадии: кинематического перемешивания и диффузии, на каждую из которых требуется определенное время, которое должно быть меньше или сравнимо с характерным газодинамическим временем - ¿/V, где Ь - длина камеры сгорания, V- скорость газа. Из-за конечной скорости химических реакций и смешения, с одной стороны, и из-за ограниченности доступного для завершения процесса горения времени, с другой стороны, возникает необходимость во внешнем воздействии для интенсификации этих процессов при минимальных потерях полного давления [13, 14, 15].

Плазменные разряды различных типов широко применяются для решения задач плазменной аэродинамики. Одними их первых работ по исследованию свойств плазменного разряда в потоке газа были работы Алферова В.И. [16]. Со времени указанных работ произведено много попыток осуществление плазменно инициированного воздействия как на структуру потока [17,18,19], так и на процесс горения топлива в потоке [20]. Для поддержания горения в потоке газа используются различные типы разрядов: разряды постоянного тока [21], СВЧ-разряда [22, 23], наносекундные и стримерные разряды [20, 24], а также их комбинации [25].

Анализ ситуации, проведенный с точки зрения воздействия электрического разряда на динамику газа в камере сгорания [26], показывает, что импульсно периодический разряд длительностью меньше микросекунды может быть эффективным низкоэнергетическим методом ускорения смешения и, возможно, интенсификации горения. Эффект быстрого турбулентного расширения послеразрядного канала в высокоскоростном потоке был зафиксирован экспериментально и детально описан в работах [27, 28, 29]. Можно выделить несколько механизмов воздействия коротко импульсного высоковольтного разряда на параметры газа и структуру газового потока, ограниченного стенками камеры сгорания:

быстрый локальный нагрев газа приводит к уменьшению времени индукции зажигания смеси и возникновению градиентов давления;

генерация ударных волн локально увеличивает температуру и давление, улучшает смешение за счет развития газодинамических неустойчивостей, особенно в двухфазном потоке;

диссоциация и ионизация молекул электронным ударом, а также фотодиссоциация и фото-ионизация воздуха и топлива приводит к наработке химически активных радикалов;

генерация вихревого движения и турбулентное расширение послеразрядного канала ускоряет смешение газов.

В данной работе основное внимание уделяется последнему механизму из приведенных выше. Выбор типа разряда (длинная искра субмикросекундной длительности) обусловлен, с одной стороны, малой по сравнению с газодинамическими временами длительностью / < 100 не, а с другой стороны -низким полным энерговкладом Е < 2 Дж/импульс при значительной мгновенной мощности (до 100 МВт). Влияние последнего параметра существенно сказывается на динамике распада послеразрядного канала. В охлаждающемся канале происходит развитие турбулентности, которая, как известно [29], может заменять молекулярную теплопроводность при охлаждении газа, резко увеличивая скорость охлаждения. В результате, неустойчивый распад перегретого канала происходит значительно быстрее, а возникающее турбулентное движение существенно интенсифицирует кинематическую фазу смешения компонент. Другой важной особенностью описываемого разряда является развитие крупномасштабных вихревых и струйных течений в газе после электрического разряда [28]. Развитие неустойчивостей такого сорта приводит к появлению разнонаправленных газовых течений, распространяющихся со значительной скоростью У> 100 м/с и влияющих на состояние газа в объеме, существенно превышающем начальную область электрического пробоя.

Таким образом, комбинация ударных волн, скоростных течений в масштабе продольного размера разрядного канала и возникающей при его охлаждении мелкомасштабной турбулентности позволяет рассматривать субмикросекундный

искровой разряд как перспективный инструмент для интенсификации смешения и стабилизации фронта пламени в условиях высокоскоростных камер сгорания. В данной работе приводятся данные экспериментального изучения динамики распада канала импульсного разряда и результаты соответствующего численного моделирования.

Целями диссертационной работы являются:

- фундаментальные исследования процесса распространения импульсного разряда в неоднородной газовой среде;

- исследование особенностей локализации разрядного филамента в неоднородной среде и высокоскоростном газовом потоке;

- исследование динамики неустойчивого распада послеразрядного канала;

- исследование возможности применения импульсного разряда для интенсификации смешения в неоднородной среде;

- разработка методов управления распространением и локализацией импульсного разряда;

- оптимизация конфигурации разрядного филамента для повышения эффективности воздействия на среду.

Актуальность темы

В последние десятилетия активно развиваются смежные с физикой газовых разрядов области науки, такие, например, как плазменная аэродинамика [15]. Применение электрических разрядов различного типа позволяет создавать устройства с малым временем отклика и в перспективе позволит решать задачи, недоступные для механических устройств. Одной из актуальных задач современной плазменной аэродинамики является поддержание горения в прямоточных двигателях. Широко используются решения этой задачи механическими-методами, обзор которых приведен в [30], однако большинство из них связаны с большими потерями полного давления в высокоскоростном потоке. Также опубликован ряд работ по поддержанию горения при помощи разрядов постоянного тока [21], СВЧ-разряда [23], а также наносекундных и стримерных

разрядов [20]. Большинство представленных работ нацелено на наработку химически активных частиц в разрядной плазме и не затрагивает непосредственно проблему смешения топлива с окислителем. Однако указанная проблема может являться лимитирующей стадией горения в условиях высокоскоростного потока.

Поставленные задачи предлагается решить при помощи плазменного актуатора на основе высоковольтного субмикросекундного разряда. Таким образом, актуальной становится задача исследования механизмов взаимодействия импульсного разряда с неоднородными газовыми средами

Задачи диссертационной работы

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование механизмов взаимодействия импульсного филаментарного электрического разряда субмикросекундной длительности с неоднородной средой, в том числе, в высокоскоростном потоке, включая изучение процессов его распространения, локализации и распада. В соответствии с поставленной целью, перед автором были поставлены следующие научные задачи.

2. Исследование особенностей локализации канала протекания разрядного тока в неоднородной среде и высокоскоростном газовом потоке.

3. Изучение динамики и морфологии неустойчивого распада послеразрядного горячего канала.

В силу практической направленности работы к числу решаемых задач относятся также следующие.

5. Разработка и экспериментальная проверка метода определения локального соотношения концентраций газов на основе спектроскопии излучения пробного разряда.

Научная новизна работы

2. Впервые описан и исследован эффект специфической локализации разряда при различных типах неоднородности среды. Исследован механизм распространения субмикросекундного разряда длительностью < 100 не в неоднородной среде с градиентом концентрации компонентов и в высокоскоростном потоке. Распространение разряда происходит в две стадии: распространение разветвленного стримерного «дерева» и непосредственный энерговклад в один из возможных каналов пробоя. Экспериментально установлены два типа взаимодействия импульсного разряда с градиентом концентрации, определяющие специфическую локализацию разрядного канала: взаимодействие

на стадии распространения стримеров и на стадии развития ионизационно-перегревной неустойчивости.