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

;M'i3 ОД

. ч . » ' - Л fv Г» О

"j О (J;. I ^

На правах рукописи

ГОЛЕНЦОВ Дмитрий Анатольевич

ЕОРИЯ И МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРИ-1ЕСКИХ ПОЛЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ В ТУРБУЛЕНТНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ И ДВИГАТЕЛЬНЫХ СТРУЯХ

(01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы)

Научные руководители -доктор физико-математических наук, профессор Ватажин Александр Бенцианович; старший научный сотрудник, кандидат технических наук Сахаров Виктор Борисович

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Л -а

Работа выполнена в ГНЦ Центральный институт авиационного моторостроения

им. П.И. Баранова

Научные руководители

доктор физико-математических наук, профессор Ватажин А. Б.; старший научный сотрудник, кандидат технических наук Сахаров В. Б.

Официальные оппоненты

■ член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Левин В.Л - доктор технических наук, профессор Медин С.А.

Ведущая организация

- Летно-Исследовательский Институт им. М.М. Громова

>2

часов е

Защита диссертации состоится 1998 г. в

заседании Диссертационного совета Д 053.05.02 в МГУ по адресу 11989! Москва, Воробьевы горы, МГУ, механико-математический факультет, аудтч рия

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке механик< .математического факультета МГУ (Главное здание, 14 этаж).

Автореферат разослан 1998 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета профессор

В.П. Карликов

^ Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение турбулентных электрически заряженных струй является актуальной задачей электрогазодинамики. Приложениями этого направления являются гетерофизические процессы в турбулентных авиационных струях, генерация авиационных аэрозолей, влияние авиации на атмосферные явления.

Одно из актуальных направлений - проблема бесконтактной электростатической диагностики турбулентных двигательных струй современных самолетов. В этой проблеме необходимо определить параметры движущихся заряженных частиц в двигательных струях и связать их с причинами, вызвавшими появление этих заряженных частиц. Это дает возможность разработать метод бесконтактной диагностики состояния двигателей летательных аппаратов, что позволит определить аномальные режимы работы двигателей.

Последнее приложение подробно разбирается в данной диссертации.

Целью работы является:

- создание теории нестационарных электрических полей Е(г,/) 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Определена причинно-следственная связь: турбулентная струя-заряженные частицы в струе-генерируемое частицами нестационарное электрическое поле-регистрация нестационарных электрических полей, которая позволяет получать на основе полученных сигналов сведения о движении заряженных частиц в струях, характеристиках струи и возможной причине возникновения заряженных частиц в струях.

2. Разработана теория нестационарных электрических полей, генерируемых заряженными струями в окружающем пространстве.

3. Разработана теория зонда-антенны для регистрации нестационарных электрических полей. Показано, что данная теория в приближении малого времени стекания заряда в цепи зонда-антенны позволяет получить конечные эффективные формулы для описания регистрируемых сигналов.

4. Определены временны'е развертки и проведена спектральная обработка регистрируемых электрических сигналов при пролете мимо антенны заряженных частиц, образующих различные конфигурации. Показано, что временны'е реализации сигналов и их спектры позволяют определить некоторые характерные параметры пролетающих заряженных структур, в частности характерную частоту их следования.

5. Создано несколько типов конструкций зондов-антенн (стержневые, кольцевые, направленные и открытые) для проведения модельных и натурных испытаний.

6. Проведены лабораторные эксперименты на модельных установках (струя с продуктами сгорания, установка с ЭГД паровоздушной струей, установка с разрушением образца) показавшие наличие заряженных частиц в продуктах сгорании пламени и механическом разрушении металлических образцов, доказавшие принципиальную возможность регистрации этих заряженных частиц в струях.

7. Проведены эксперименты на натурных двигательных струях самолетов СУ-27 и МиГ-29, зарегистрировано наличие заряженных частиц в выхлопных струях двигателей. Проведен статистический анализ временны'х разверток электрических сигналов, зарегистрированных зондами-антеннами, и на его основе определен ряд особенностей рабочих режимов двигателя. Сформулирована возможность создания метода бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей и приведена блок-схема измерительной системы.

Научная новизна работы заключается в том, что

а) Разработана теория нестационарных электрических полей, генерируемых заряженными двигательными струями и теория зонда-антенны для бесконтактной регистрации данных нестационарных электрических полей. Создана методика интерпретации электрических сигналов, регистрируемых зондом-антенной при различных конфигурациях движущихся заряженных частиц.

б) На основе оригинальных лабораторных и натурных экспериментов изучены особенности движения заряженных частиц в турбулентных струях, в том числе образование заряженных частиц при механическом разрушении металлических образцов. Показана возможность обнаружения заряженных частиц в струях

с помощью бесконтактного метода.

в) Разработаны основы метода бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей.

Обоснованность. Правильность и достоверность полученных научных выводов подтверждены экспериментально на модельных установках, разработанных и созданных в ЦИАМ и экспериментами на реальных двигателях современных самолетов (Су-27 и МиГ-29).

Практическая ценность.

1. Создана теория электрических полей, генерируемых реактивными двигательными струями современных самолетов и предложены основы методов регистрации указанных электрических полей.

2. На основе проведенных оригинальных экспериментов указаны способы идентификации измеряемых электрических сигналов.

3. Разработана программа внедрения метода бесконтактной электростатической диагностики состояния двигателей в авиационную промышленность.

Основные результаты опубликованы в статьях [1-4].

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, изложенных на 131 страницах, содержит 91 рисунок, список литературы из 37 наименований.

б

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показывается, что реактивные струи авиационных двигателей являются заряженными и возможны два режима движения заряженных 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. Второй режим характеризуется дискретным движением заряженных частиц в виде отдельных сгустков. В обоих вышеуказанных режимах движение заряженных частиц является нестационарным, и поэтому внутри струи и вне нее возникает нестационарное электрическое поле Е(г, /), структура которого обусловлена особенностями движения заряженных частиц. Поле Е(г, /) вне струи может фиксироваться специальной аппаратурой - электростатическими зондами-антеннами, расположенными вне струи. Указана причинно-следственная связь: движение заряженных частиц в струе-измеряемый сигнал-характеристики движения заряженных частиц. Эта связь лежит в основе перспективного метода бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей, который, после его доводки, позволит определить состояние двигателя и предсказать возможность поломки двигателя.

Во введении дается обзор работ, посвященных изучению электрически заряженных струй и определению их характеристик и излол<ена общая структура диссертации.

В первой главе дана общая постановка задачи о расчете нестационарных электрических полей, генерируемых заряженными частицами в струях. Разработана теория таких полей. Показано, что для широкого диапазона практических (лабораторных и натурных) условий эти нестационарные электрические поля являются потенциальными и описываются уравнением Пуассона, правая

часть которого представляет собой заданное нестационарное распределение заряженных частиц в струе. Обратное влияние частиц на движение несущей фазы оказывается несущественным. Решение задачи в общем случае находится с помощью функции Грина.

Вторая глава посвящена разработке приближенной теории зонда-антенны для регистрации указанных нестационарных электрических полей. В этой теории предполагается, что размер зонда-антенны намного меньше характерного пространственного размера изменения регистрируемого нестационарного электрического поля. При этом условии найдено приближенное нестационарное уравнение для изменения потенциала на нагрузочном сопротивлении зонда-антенны, решение которого позволяет определить электрический потенциал в точке расположения зонда при его отсутствии.

Точность развитой теории определена на основе сопоставления полученных с помощью приближенного уравнения данных с результатами точного решения электростатической задачи для двух заряженных сфер конечного размера при их произвольном взаимном расположении (при этом одна сфера моделирует заряженный сгусток, а другая - зонд-антенну). Показано, что в практической ситуации точность приближенной теории оказывается не хуже 3%.

В том случае, когда отношение характерного времени стекания заряда в цепи зонда-антенны к характерному газодинамическому времени задачи мало, получена конечная алгебраическая формула, определяющая форму ожидаемого сигнала на зонде при различных конфигурациях движущихся мимо него заряженных частиц. С помощью развитой теории определены временные реализации электрических сигналов, генерируемых различными конфигурациями движущихся зарядов: единичный заряд, несколько зарядов, бесконечная цепочка зарядов, заряженная нить, заряженный сгусток. Найдены спектральные характеристики этих сигналов. Приведены параметры, определяющие чувствительность и

разрешающую способность зонда. Показано, что в спектрах полученных сигналов четко выделяется частота следования заряженных частиц.

Для анализа результатов измерений с помощью зонда предложена следующая приближенная методика: во временной развертке измеряемого электрического сигнала выделяются характерные параметры: ДФ - амплитуда сигнала, Д< - характерное время между максимальным и минимальным значениями сигнала. Для этих величин получены конкретные формулы, в которые входит заряд индивидуальной частицы <2 и ее расстояние относительно зонда-антенны /. Эти формулы позволяют определить указанные характеристики частиц.

В третьей главе описаны эксперименты, проводимые на различных лабораторных установках, созданных при непосредственном участии диссертанта в ЦИАМ, для моделирования течений с заряженными частицами.

Осуществлено моделирование непрерывного и дискретного распределения электрического заряда на лабораторной паровоздушной ЭГД установке.

Непрерывное распределение зарядов в струе достигается путем введения в струю пара ионов коронного разряда и развития на них конденсации. Эти капли конденсата, средний размер которых составляет 1мкм, вморожены в поток (время релаксации х много меньше характерного газодинамического времени) и движутся в нем, отслеживая турбулентные пульсации струи. Дискретное распределение зарядов осуществляется двумя способами: первый способ состоит в введении в струю коронного разряда в режиме малого перенапряжения. В этом случае ионы движутся в виде сгустков, а, следовательно, и возникающие на них капли конденсата также имеют сгустковую (дискретную) структуру.

Второй способ - введение крупных заряженных капель (размером сотни микрон) в турбулентную струю с помощью специально разработанного генератора капель.

Показано, что в спектре сигналов, полученных с помощью зондов-антенн, присутствуют две характерные частоты: частота пульсаций непрерывно распределенных заряженных частиц в струе, которая совпадает с газодинамической (струхалевской) частотой турбулентных пульсаций в струе, и частота, соответствующая дискретному движению введенных заряженных частиц (капель).

Открыта возможность регистрации момента разрушения металлического материала электростатическими методами. С этой целью создана модельная физическая установка, состоящая из разрушаемого объекта (разрываемой проволоки); газодинамического потока, обтекающего объект; зонда-антенны, установленного вниз по потоку от объекта и регистрирующего запаздывающий по отношению к моменту разрыва проволоки электрический сигнал. Время запаздывания измеряемого электрического сигнала приближенно равно газодинамическому пролетному времени от проволоки до антенны. Это указывает на образование при разрыве проволоки заряженных частиц, движущихся вместе с потоком (при некотором от него отставании). Проведена оценка размера образующихся частиц-осколков (4-400 мкм) и их заряда (порядка 10'13 Кл).

Возникновение заряженных частиц при механическом разрушении материала и возможность их регистрации в сносящем газодинамическом потоке открывает новую практическую возможность обнаружения начала внутреннего разрушения элементов различных газодинамических объектов (например, авиационных двигателей).

На специальной лабораторной установке - модельном горельном устройстве - проведена серия экспериментов, доказывающая наличие заряженных частиц в продуктах сгорания. Зафиксировано существенное увеличение сигнала (более, чем в 5 раз) при принудительном введении в продукты сгорания предварительно заряженных "посторонних" частиц с помощью специального

разработанного устройства.

Данный эксперимент доказал возможность определения момента перехода нормального режима работы газодинамического устройства в аномальный дискретный режим путем регистрации резкого увеличения амплитуды сигнала на зонде-антенне.

Четвертая глава посвящена разработке конструкций зондов-антенн для лабораторных и натурных экспериментов. Их разработка осуществлялась на основе специально созданных калибровочных систем. Созданы зонды -антенны нескольких типов: пластинчатые, стержневые, устанавливаемые рядом с заряженными струями; направленные экранированные зонды-антенны, следящие за определенной частью струи; кольцевые зонды-антенны, охватывающие поток по его периметру и позволяющие получить больший сигнал; зонды-антенны, состоящие из нескольких независимых дуг, образующих кольцо, охватывающее струю, что позволяет путем сравнения сигналов от разных дуг получить информацию о параметрах летящих заряженных частиц в струе.

Пятая глава диссертации посвящена приложению развитой теории и лабораторных экспериментов к создаваемому перспективному методу бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей. Совместно с сотрудниками ЛИИ им. М.М. Громова разработана и осуществлена предварительная научная программа проведения аэродромных испытаний на двигателях современных самолетов (Су-27, МиГ-29) для определения возможностей этого метода. В аэродромных испытаниях с помощью разработанных зондов-антенн регистрировались и записывались сигналы, генерируемые заряженными струями реактивных двигателей. Установлены зависимости измеряемых электрических сигналов от режима работы двигателя и его наработки. Сформулированы гипотезы, объясняющие эти зависимости.

Доказана работоспособность созданных зондов-антенн и достигнуты

необходимый уровень их чувствительности и разрешающей способности, преодолены трудности в регистрации нестационарных электрических полей, генерируемых двигательными струями в условиях большого аэродрома.

В шестой главе описан вариант перспективной схемы системы электростатической диагностики состояния авиационных двигателей. Эта система состоит из зондов-антенн различного назначения, акустических микрофонов, блока регистрации тока выноса, блока записи и математической обработки полученной информации. Определяя характеристики полученных сигналов, например, амплитуду, характерные частоты, и сравнивая их с заранее определенным "электрическим портретом" нормального двигателя (для чего, естественно, необходим большой объем предварительных экспериментов), определяется текущее состояние двигателя.

Данная система в ближайшее время будет использована в аэродромных испытаниях, проводимых совместно с ЛИИ им. М.М. Громова.

В заключении работы приведены выводы, отражающие основные результаты диссертационной работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ватажин А.Б, Голенцов Д.А., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Проблема бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей. Теоретическое и лабораторное моделирование. - Изв. РАН. МЖГ, 1997, № 2, с. 83-95.

2. Vatazhin А.В., Golentsov D.A., Likhter V.A., Shulgin V.I. Noncontact electrostatic engine diagnostics: theoretical and laboratory simulation. - Fluid Dynamics, Vol. 32,1997, № 2, p. 223-232.

3. Vatazhin A.B., Golentsov D.A., Likhter V.A., Shulgin V.I. Aircraft engine state nonobstructive electrostatic monitoring: theoretical and laboratory modelling. - J. of Electrostatic, 1997, №40-41, p. 711-716.

4. Vatazhin A.B., Golentsov D.A., Likhter V.A., Shulgin V.I. Nonstationary electric fields generated by charged aerosols in turbulent jets. - J. Aerosol.Sci. Vol. 28, 1997, Suppl. 1, p.739-740.