Теория и методы регистарции нестационарных электрических полей, генерируемых заряженными частицами в турбулентных лабораторных и двигательных струях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Государственный Научный Центр Российской Федерации Центральный институт авиационного моторостроения

им. П.И. Баранова

На правах рукописи

Голенцов Дмитрий Анатольевич

УДК 537.2:621.45

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ В ТУРБУЛЕНТНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ И ДВИГАТЕЛЬНЫХ СТРУЯХ

01.02.05 - Механика жидкостей, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители -доктор физико-математических наук, профессор Ватажин Александр Бенцианович;

старший научный сотрудник, кандидат технических

наук

Сахаров Виктор Борисович

Москва - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения..........................................................................................5

Введение.................................................................................................................6

Глава 1. Теория электрических полей, генерируемых заряженными частицами в турбулентных лабораторных и двигательных струях..........................14

§ 1. Общая постановка задачи о расчете электрических полей.................................................................................................................14

Глава 2. Методы регистрации нестационарных электрических полей.........18

§ 2. Теория зонда-антенны для регистрации электрических полей.............................................................................................................18

2.1. Общая теория зонда-антенны...................................................18

2.2. Сравнение с точным решением................................................19

2.3. Расчетная формула для сигнала, регистрируемого с помощью зонда-антенны при 5«1.....................................................22

§ 3. Примеры характерных сигналов, регистрируемых зондами-антеннами.........................................................................................................25

3.1. Бесконечная цепочка точечных зарядов..................................26

3.2. Конечное число точечных зарядов...........................................30

3.3. Заряженная нить (отрезок) конечной длины...........................30

3.4. Задача о цепочке точечных зарядов, истекающих из сопла....................................................................................................32

3.5. Заряженный сгусток...................................................................35

§ 4. Характеристики сигналов....................................................................38

§ 5. Спектральные характеристики сигналов...........................................42

§ 6. О возможности идентификации источника сигнала по временной реализации (обратная задача).....................................................49

Глава 3. Лабораторные исследования по проблеме генерации электрических полей...............................................................................................................53

§ 7. Турбулентная паровоздушная затопленная струя с введением в нее ионов коронного разряда....................................................................53

7.1. Схема установки. Непрерывный и дискретный режимы следования заряженных частиц.....................................................53

7.2. Характерные частоты в спектрах полученных сигналов....................................................................................................58

§ 8. Регистрация заряженных частиц, образующихся при разрыве металлических образцов...........................................................................61

8.1. Схема установки. Регистрируемые сигналы.........................61

8.2. Оценка размера образующихся при разрыве заряженных частиц.......................................................................................66

§ 9. Генерация заряженных частиц в модельном горельном устройстве и усиление регистрируемых сигналов при дополнительном введении в продукты сгорания заряженных частиц..............70

9.1. Модельная горельная установка с контуром введения дополнительных заряженных частиц............................................70

9.2. Полученные результаты..........................................................73

Глава 4. Разработка конструкций зондов-антенн для регистрации электрических полей в натурных условиях.................................................................75

§10. Модельная маятниковая установка...............................................75

§11. Оценка параметров АФ и А1 сигнала зондов-антенн конечных

размеров......................................................................................................77

§12. Экранировка зонда-антенны.............................................................82

§13. Возможная интерпретация сигналов зондов-антенн..................86

Глава 5. Регистрация нестационарных электрических полей, генерируемых

двигательными струями в аэродромных условиях.........................................90

§ 14. Объект и схема испытаний...............................................................90

§ 15. Временные реализации полученных сигналов и их спектральный анализ...................................................................................................94

15.1. Зависимость регистрируемых сигналов от режима работы двигателя и наличие характерных частот в спектрах

сигналов............................................................................................94

15. 2. Определение характера движения заряженных частиц в двигательных струях по полученным с помощью зондов-

антенн сигналам.............................................................................105

Глава 6. Применение разрабатываемой теории к проблеме электростатической диагностики авиационных двигателей.....................................................111

§16. Возможность регистрации аномальных режимов работы двигателя с помощью электростатических зондов-антенн........................111

§ 17. Некоторые конструкции антенн для регистрации нестационарных электрических полей для системы диагностики состояния авиационных двигателей..................................................................115

§ 18. Система электростатической диагностики состояния авиационных двигателей.....................................................................................120

Выводы................................................................................................................124

Литература..........................................................................................................128

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - характерный размер зонда-антенны с - скорость света

Е - напряженность электрического поля Н - напряженность магнитного поля J - ток выноса / - характерный размер

п2- обороты двигателя (в процентах от максимальных оборотов) q -объемный заряд Q - заряд

R - сопротивление цепи (нагрузочное сопротивление)

S - параметр электрогазодинамического взаимодействия

Sh = (i)llv - число Струхаля

V- объем

v - скорость

W - число Вебера

а(Г), ß(F) - безразмерные функции

Г - совокупность геометрических параметров задачи

s - диэлектрическая постоянная

<^сь ^п - среднеквадратичные отклонения сигналов от "дефектного" и

СС 55

нормального двигателеи Ф - сигнал зонда-антенны фоо - потенциал электрического поля со - частота

Q(Р0, Р) - функция Грина

ВВЕДЕНИЕ

Реактивные струи авиационных двигателей являются электрически заряженными, причем содержат заряженные частицы преимущественно одного знака [1-3]. Заряженными частицами могут быть ионы, возникающие в камере сгорания вследствие хемоионизационных реакций [4,5], частицы сажи, а также заряженные частицы, появляющиеся при возникновении и развитии механических дефектов в конструкции двигателя. Зарядка частиц может происходить в результате трения или соударения с поверхностью, индукционной зарядки при контакте с электрически заряженной поверхностью, диффузионным способом из-за градиента концентрации ионов или электронов вблизи поверхности частицы [1,6-8]. Осредненный по времени суммарный поток заряженных частиц в струе определяет ток выноса, величина которого исследовалась в течение более 30 лет в ЦИАМ на различных летательных аппаратах в аэродромных и летных условиях [1]. Вследствие малых размеров заряженных частиц, время релаксации для них мало (т<10"4с) и они "вморожены" в турбулентную структуру двигательной струи, т.е. подвержены характерным турбулентным пульсациям истекающего из сопла газа.

Имеется два различных режима движения частиц. Первый характеризуется непрерывным распределением заряженных частиц, когда они без видимых разрывов заполняют объем струи. При этом достаточно мелкие частицы вовлекаются в турбулентное движение несущего газа. Результаты многочисленных измерений на реальных неаварийных авиационных двигателях (находящихся в эксплуатации), а также на лабораторных модельных установках показывают, что частота регистрируемых пульсаций электрического поля вне струи хорошо совпадает с характерной частотой,

определяемой числом Струхаля для исследуемой струи, т.е. частота пульсаций возрастает с увеличением скорости струи и уменьшением ее характерного размера (диаметра). Амплитуда регистрируемых антенной сигналов пропорциональна величине тока выноса, т.е. отношение амплитуды сигналов антенны к величине тока выноса для данного двигателя изменяется слабо [1]. Это послужило основанием ранее разработанной методики определения тока выноса из двигателя в полете по измерению средней квадратичной величины сигналов антенны. По мере увеличения приведенной частоты вращения двигателя (его тяги), ток выноса, как правило, возрастает, а частота сигналов, регистрируемых фиксированной относительно струи антенной, по-прежнему совпадает с частотой, определяемой с помощью числа Струхаля. На режиме "малого газа" величина тока выноса пренебрежимо мала [1,2,9], так же как и амплитуда регистрируемых антенной сигналов. В отдельных испытаниях в спектре пульсаций сигнала на фиксированной антенне выделялась частота, соответствующая частоте следования лопаток турбины [10].

Второй режим характеризуется движением заряженных частиц в виде отдельных сгустков. Такой дискретный режим может возникать, например, при периодическом выносе вихрей из циркуляционных (содержащих частицы сажи) зон в камере сгорания, в результате чего в проточную часть двигателя периодически попадает избыточное количество сажи, при изменении газодинамических условий течения в проточной части (возникновение пульсирующих отрывных зон).

Все вышесказанное относится к бездефектным нормально работающим двигателям. При возникновении механических дефектов двигателя (например, образование и развитие трещин, температурная коррозия или об-горание поверхностей на ранней стадии разрушения камеры сгорания или соплового аппарата, эрозия поверхностей проточного канала, нежелательные контакты вращающихся деталей с неподвижными элементами конструкции),

которые могут предшествовать возникновению аварийной ситуации, в истекающей из двигателя реактивной струе появляются дополнительные заряженные частицы. Подобные частицы более инерционны, в меньшей мере подвержены влиянию турбулентных пульсаций в струе и переносятся струей дискретно или в виде сгустков [10-13].

Существенно, что в обоих вышеуказанных режимах движение заряженных частиц является нестационарным. Поэтому внутри струи и вне нее возникает нестационарное электрическое поле Е(г,0, структура которого обусловлена особенностями движения заряженных частиц, вовлеченных в турбулентное движение струи и отслеживающие ее. Поле Е(г, может фиксироваться бесконтактно специальной аппаратурой - электростатическими зондами-антеннами, расположенными вне струи. В результате пульсаций заряда генерируется переменный по времени электростатический заряд на рабочей поверхности зонда. Зонд соединен с землей электрической цепью с сопротивлением Я, через которое происходит стекание зарядов. При этом на сопротивлении возникает переменный электрический потенциал Ф(7).

Таким образом, получается следующая причинно - следственная связь: турбулентные пульсации скорости - пульсации заряда в струе - нестационарное электрическое поле Е в струе и вне ее - переменный электрический заряд (0 на поверхности зонда-антенны, расположенного вне струи -нестационарное напряжение Ф(1) на сопротивлении в цепи зонда-антенны -сигнал на регистрирующей аппаратуре - спектр сигнала, количественные параметры, характеризующие движение заряженных частиц в струе -причина, вызвавшая появление заряженных частиц при анализе их движения в реальных двигательных струях.

Определение связи пульсации скорости - пульсации заряда представляет собой общую проблему турбулентности, и имеются данные о хорошей корреляции между ними [1]. Связь заряд - электрическое поле устанавли-

вается в результате решения задачи из общей теории электрических полей. Величины потенциала и напряженности электрического поля мгновенно отзываются на изменение заряда в потоке, для расчета ф и Е необходимо знать функцию Грина для сложной области, включающей в себя турбулентную струю. Величина Оъ (?) также находится из указанной выше электростатической задачи. Определение связи Ф(0 состоит в нахождении передаточной функции для зонда-антенны. По характеру сигнала Ф(/) на основе количественных критериев, полученных ранее, например, в модельных экспериментах, возможно решение обратной задачи об определении характера движения заряженных частиц в струе и определении причины, вызвавшей появление данных зарядов.

Практическое применение исследований электрических эффектов в струе и поведения заряженных частиц в лабораторных и натурных двигательных струях достаточно разнообразно - экология, защита от радиопомех и др. Одно из приложений - система бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей, которая позволит определить текущее состояние двигателя и предсказать возможность поломки двигателя в целом или определенных его элементов. Элементы такой системы разрабатывались как у нас в стране, так и за рубежом [9, 14-19]. Было замечено [9], что зонд-антенна, установленная, например, на выходе из двигателя или внутри его по тракту, позволяет получить сигналы, характерная амплитуда и частота которых связана с режимом работы двигателя и его состоянием. Конструкция антенн может быть разнообразна [17-20]: пластинчатые, кольцеобразные, цельные и состоящие из отдельных частей, охватывающих поток по периметру, что позволяет определить характеристики летящих заряженных частиц. Данные зонды-антенны являются основным элементом системы диагностики состояния авиационных двигателей. Они располагаются снаружи и/или внутри тракта двигателя. Полученные сигналы поступают на

блок записи и обработки, где происходит анализ сигналов и сравнение их параметров с критериями работоспособности двигателя, для определения которых, естественно, необходим большой статистический материал и большое число предварительных испытаний.

Более сложная задача связана с проблемой идентификации источников заряженных частиц. Путь решения этой проблемы - эксперименты на различных модельных установках. В этой связи интересным и практически важным является моделирование пролета заряженных структур мимо зонда-антенны с помощью модельных установок для получения характерных сигналов и калибровки зондов-антенн; исследование механически разрушающихся металлических образцов с образованием заряженных частиц (осколков), попадающих в струю и регистрируемых зондом-антенной; моделирование непрерывного и дискретного режимов движения заряженных частиц на специальной установке с электрогазодинамической паровоздушной струей; регистрация заряженных частиц, присутствующих в продуктах сгорания.

Как уже было отмечено, особенностью данного метода является то, что он является бесконтактным. Установленные датчики не будут влиять на течение в струе; измерения производятся в реальном масштабе времени и данную систему можно будет использовать как в лабораторных экспериментах, так и в натурных испытаниях в аэродромных и в летных условиях.

Таким образом, целью данной работы является:

- создание теории нестационарных электрических полей Е(г,0 генерируемых в окружающем струю пространстве движущимися в ней заряженными частицами;

- разработка теории зонда-антенны, предназначенного для регистрации нестационарных электрических полей с целью определения характерных сигналов и их характерных параметров, рассмотрение различных режимов

движения частиц и определение соответствующих нестационарных электростатических полей, генерируемых ими в окружающем пространстве;

- проведение лабораторных экспериментов по моделированию движения заряженных частиц в двигательных струях, выяснение возможных источников образования заряженных частиц и получение информации об особенностях распределения зарядов в струе на основе регистрируемых сигналов;

- разработка конструкции зондов-антенн для лабораторных и натурных экспериментов;

- проведение натурных аэродромных экспериментов по регистрации полей, генерируемых выхлопными струями двигателей современных самолетов, и разработка на их основе схемы системы диагностики состояния авиационных двигателей.

Положения и выводы, сформулированные в диссертации, докладывались на семинарах в Институте механики МГУ, представлялись на European Aerosol Conference в 1997 году и на V Научную конференцию "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" в 1998 году, докладывались на НТС и семинарах ЦИАМ.

По результатам работы опубликовано 5 научно-технических отчетов и справок, 4 статьи, тезисы 3 докладов на научно-технических конференциях.

Структура диссертации: первая глава посвящена общей постановке задачи расчета электростатических полей, генерируемых в про