Воздействие магнитного и электрического полей на ударно-волновую конфигурацию в диффузоре тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ
|
Лапушкина, Татьяна Алексеевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
ЛАПУШКИНА Татьяна Алексеевна
ВОЗДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЕЙ НА УДАРНО-ВОЛНОВУЮ КОНФИГУРАЦИЮ В ДИФФУЗОРЕ
Специальность: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
Санкт-Петербург 2005
Работа выполнена в лаборатории физической газодинамики Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН
Научный руководитель: старший научный сотрудник,
кандидат физико-математических наук Васильева Раиса Васильевна
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор Николай Иванович Акатнов
доктор технических наук,
профессор Владислав Леонидович Горячев
Ведущая организация: Военная инженерно-космическая академия
имени АФ.Можайского
Защита состоится «7 » Ц 1у01уА 2005г. в час. ОС мин, на заседании диссертационного совета Д212.229.07 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. д.29, корп.1, кафедра гидроаэродинамики
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет»
Автореферат разослан
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент
Л/» аЛ^СМ2005г.
Зайцев Д.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Работы, связанные с проблемой создания гипервуковых летательных аппаратов, привели к возникновению новых направлений фундаментальных исследований. Одно из них - магнито-газодинамическое (МГД) воздействие на структуру и параметры сверхзвуковых потоков, содержащих скачки уплотнения. Этому направлению исследований посвящена и данная работа.
Работа была инициирована концепцией «Аякс» [1] по разработке проекта аэрокосмического аппарата нового поколения, летающего на гиперзвуковых скоростях которая впервые была предложена в
Санкт-Петербургском научно-производственном объединении «Ленинец» и сейчас интенсивно разрабатывается многими научными коллективами. Одной из важнейших проблем сверхзвуковой аэродинамики является регулировка положения скачков уплотнения, возникающих в полете на входе в воздухозаборник. При изменении высоты и скорости полета летательного аппарата, положение скачков меняется, при этом меняется полное давление в воздухозаборнике и расход кислорода при сгорании топлива. Система выходит из расчетного режима и возникает необходимость вернуть скачки в исходное положение. Регулировка входных устройств путем изменения геометрических параметров становится затруднительной при гиперзвуковых скоростях, к тому же требует относительно больших затрат времени. Поэтому возникает необходимость разработки новых методов управления течением. Одним из перспективных методов в данном направлении является управление предварительно ионизованным сверхзвуковым потоком при помощи МГД метода.
Дель работы. Основная цель работы исследовать возможность изменения ударно-волновой конфигурации в виде двух присоединенных скачков уплотнения, возникающей на входе в сверхзвуковой диффузор с полным внутренним поджатием потока, при помощи МГД метода. Главная задача эксперимента - выявить основные закономерности влияния внешних магнитного и электрического полей на положение входных присоединенных скачков и найти способ наиболее эффективного приложения внешних воздействий.
Научная новизна работы. До сих пор практически все исследования МГД взаимодействия проводились для расширяющихся МГД каналов, где начальное течение было непрерывным и не содержало диссипативных структур. В данной работе взаимодействие происходит в сверхзвуковом потоке при наличии скачков уплотнения с целью повлиять на их положение с помощью воздействия на поток магнитного и электрического полей. Это существенно дополняет магнитную газодинамику и расширяет сведения о
возможности изменения структуры ударно-волновых конфигураций при помощи внешних воздействий.
Новизна работы так же обусловлена тем, что некоторые газодинамические аспекты взаимодействия сверхзвукового потока с магнитным и электрическими полями исследуются при использовании в экспериментах в качестве рабочего вещества потока ионизованного инертного газа.
Разработан и создан новый экспериментальный стенд, включающий в себя МГД канал с секционированными электродами и системами генерации магнитного и электрического полей. Он позволяет проводить исследования в широкой области параметров течения и степени внешнего воздействия на поток.
Разработана и создана новая высокоскоростная оптическая шлирен-система, позволяющая получать до 130 шлирен-картин быстропротекающих процессов в прозрачных средах со скважностью до 2 мкс.
Впервые продемонстрирована возможность управления при помощи пондеромоторной силы углом наклона присоединенных скачков уплотнения в сверхзвуковом потоке слабоионизованного газа.
Разработана новая методика измерения температуры и концентрации электронов плазмы инертных газов. Проведены измерения температуры и концентрации электронов при разных значениях протекающего тока.
Достоверность и надежность результатов. Работа наглядно демонстрирует возможность изменения ударно-волновой конфигурации при помощи МГД метода. Достоверность полученных результатов обеспечивается путем использования для исследования современных средств измерения и воспроизводимостью результатов, а так же путем сравнения результатов с расчетными данными других авторов.
Научная и практическая значимость. Получены новые данные о возможности изменения структуры течения и ударно волновых конфигураций при взаимодействии сверхзвукового потока с внешними магнитным и электрическим полями. Так как в работе полученные данные об МГД взаимодействии в сверхзвуковом диффузоре соотносятся с основными критериями подобия, такими как число Маха, параметр Стюарта, параметр теплового воздействия, коэффициент нагрузки, параметр Холла, полученные данные могут быть использованы для моделирования течения в аналогичных сверхзвуковых каналах с другими рабочими газами, в частности для моделирования течения в воздухозаборниках, а так же при разработке новых расчетных моделей.
Технические параметры экспериментального стенда и универсальность предложенных методик визуализации структуры течения и определения основных электрофизических параметров плазмы позволяют проводить
широкие исследования как научного характера, так и решать конкретные
инженерные задачи в области взаимодействия ионизованных сверхзвуковых
потоков с внешними полями.
Положения, выносимые на защиту.
1. Разработка и создание МГД канала с секционированными электродами и системами генерации магнитного и электрического полей с широкой областью параметров течения и степени внешнего воздействия на поток.
2. Разработка и создание оптической системы для осуществления высокоскоростной покадровой съемки шлирен картин быстропротекающих процессов в прозрачных средах.
3. Демонстрация на опыте возможности изменения угла наклона присоединенных скачков при помощи внешних магнитного и электрического полей.
4. Обнаружение в тормозном режиме трех типов МГД взаимодействия, которые различаются газодинамическими структурами, возникающими при различной величине магнитной индукции.
5. Результаты исследования изменения ударно-волновой конфигурации при приложении электрического и магнитного полей к различным участкам диффузора и определение входного участка диффузора, как области, где внешние воздействия на ударно-волновую конфигурацию наиболее эффективны.
6. Методика и результаты измерений концентрации и температуры электронов, эффективной и объемной проводимостей плазмы инертного газа, движущейся в сверхзвуковом диффузоре при наложении внешних полей.
7. Определение положения «узкого места» в пространстве энергетических уровней, обеспечивающего механизм ионизации, для ксеноновой плазмы средних температур.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на
следующих конференциях:
- International Conference on MHD Power Generation and High Temperature Technologies 1999, Beijing, October 12-15,1999
- The 2nd Workshop On Magneto- Plasma- Aerodynamics In Aerospace Applications, IVTAN, Moscow, April 5-7,2000.
- The 3rd Workshop On Magneto-Plasma- Aerodynamics In Aerospace Applications, IVTAN, Moscow, April 24-26,2001.
- 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 4th Weakly Ionized Gases Workshop, Anaheim, С A, 2001.
AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 14th International Conference on MHD Power Generation and High Temperature Technologies Maui, Hawaii, USA, 2002.
- 11th AIAA/AAAF International Conference Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies, Orleans, France, 2002.
- The 4th Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics for Aerospace Applications. IVTAN, Moscow, 9-11 April, 2002.
- 41st Aerospace Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 2003.
- IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology, Minsk, Belarus, September 15-19, 2003.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 16 научных работах, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, шести Глав, Заключения и Списка цитированной литературы из 95 наименований. Общий объем работы составляет 189 страниц, в том числе 87 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обосновывается актуальность и выдвигаются основные цели исследования воздействия внешних магнитного и электрического полей на ударно-волновые конфигурации, приводятся краткое содержание работы и основные положения, выносимые на защиту.
В Первой Главе дается краткий обзор литературы, посвященной исследованиям в области магнитной газодинамики плазмы и проблемы управления сверхзвуковыми потоками. Отмечается, что разработке данной проблемы посвящены в основном теоретические работы, так как экспериментальные исследования достаточно энергоемкие и требуют значительную материальную и техническую экспериментальную базу, а так же хороший исследовательский опыт в изучении подобного рода задач. Здесь же описывается принцип работы магнитогидродинамического генератора [2].
Использование воздуха в качестве рабочего газа затруднительно вследствие его быстрой рекомбинации при расширении и необходимости дополнительной ионизации. Поэтому было предложено для исследований использовать инертные газы, ксенон и криптон, которые имеют вследствие особенностей процессов ионизации и рекомбинации инертных газов [3] относительно медленную скорость рекомбинации, что позволяет сохранять предварительно созданную ионизацию и иметь на выходе из сопла проводимость порядка 300-400 См/м, достаточную для МГД экспериментов. Таким образом, мы моделируем течение в воздухозаборнике по основным критериям подобия, используя при этом инертные газы. В конце Главы
даются основные критерии подобия взаимодействия потока плазмы с магнитным и электрическим полями, по которым возможно моделирование течения в аналогичных диффузорах при использовании других газов в качестве рабочего вещества. В частности возможно использование результатов работы для моделирования течения в воздухозаборнике.
В Главе 2 описывается экспериментальная МГД установка, созданная на основе расчетов течений проводящего газа в сверхзвуковых входных устройствах с использованием простейших физических моделей. Схема установки приведена на рис. 1.
Рис.1. Схема установки:
1 - камера высокого давления;
2 - камера низкою давления;
3 - измерительная секция;
4 - ускоряющее сопло;
5 - оптическое окно;
6 - модель диффузора;
7 - вакуумная камера;
8 - сильфон;
9 - демпферный банк;
10 - критическое сечение сопла;
И - поперечное сечение ударной трубы.
Основными блоками установки являются ударная труба (1,2,3), используемая для создания сверхзвукового потока низкотемпературной плазмы и вакуумная рабочая камера (7) с отражающим сверхзвуковым соплом (4) и моделью односкачкового диффузора (6) с набором вмонтированных электродов. Вакуумная камера выполнена из органического стекла и отделяется от измерительной секции (3) лавсановой диафрагмой толщиной 0.12 мм. В боковые стенки вмонтированы оптические стекла (5), диаметром 200 мм и толщиной 20мм.
Установка снабжена системами генерации магнитного и электрического полей, приводится подробное описание схем их создания. Поперечное течению импульсное магнитное поле создается разрядом батареи конденсаторов через катушки Геймгольца, расположенные соосно по бокам камеры.
Более подробная схема рабочей камеры приведена на рис.2. Детали сопла и диффузора выполнены из органического стекла, электроды из латуни. Отношение критического сечения ускоряющего сопла к поперечному сечению трубы равно 0.107, угол раствора 11°. Степень расширения сверхзвуковой части сопла 6.7. При этом по расчету для идеального
невязкого газа число Маха на срезе сопла Мо=4.3. Выходное сечение сопла 37х38мм2, длина 81мм. Модель диффузора отстоит от среза сопла на расстоянии 5мм. Входное сечение диффузора 32х38мм2. Стенки диффузора по отношению к горизонтальной поверхности наклонены на 5°30'. Длина сужающейся части 65мм.
Рис.2. Схема рабочей камеры.
1 - ударная труба;
2 - вакуумные уплотнения;
3 - лавсановая диафрагма;
4 - стенка вакуумной камеры;
5 - сопло;
6 - диффузор;
7 - электроды.
и и В - направления скорости потока и магнитной индукции. Размеры указаны в миллиметрах.
Ударно сжатый в ударной трубе газ, тормозится в торце трубы, термически ионизуется, а затем через входную щель поступает в сопло, а затем в диффузор, где и происходит исследование. Исследуемая ударно-волновая конфигурация - два присоединенных скачка, которые возникают на входе в диффузор. В стенки сопла и диффузора вмонтированы латунные электроды. При движении ионизованного газа в канале в поперечном магнитном поле возникает электродвижущая сила (ЭДС) е^иВЬ (к-расстояние между электродами), разделяющая заряды в противоположных направлениях. При замыкании тока через электроды на поток будет действовать пондеромоторная сила изменяющая скорость потока, при этом будет меняться положение присоединенных скачков.
В главе приводятся оценки основных параметров плазмы за отраженной ударной волной и на срезе сверхзвукового сопла. На их основе проводится оптимизация и выбор экспериментальных режимов для изучения воздействия магнитного поля на сверхзвуковой поток слабоионизованной плазмы инертных газов. Выбор основных газодинамических режимов был сделан, исходя из потребности иметь сравнительно большую длительность квазистационарного истечения и при этом достичь наиболее сильного МГД взаимодействия. Основные параметры течения (рабочий газ, давление р, температура Т и плотность газа р, температура электронов Те, степень ионизации и проводимость плазмы, скорость потока на срезе сопла а так же значение максимально возможной электродвижущей силы основного экспериментального режима, сведены в следующей Таблице 1.
р Камера Камера
е высокого низкого За отраженной ударной На срезе сопла
ж давления давления волной
и Р4 Р1 Т, Р5 а5 Тл Ро о» Щ Етах
м газ атм газ Тор М, Xе кгЛ*3 См/к м„ К9 кг/м3 См/м м/с в
С н2 21 Хе 30 8 9600 2.85 0.05 3600 4.3 3950 0.127 640 1550 70
Этот режим характерен осуществлением условия сшитой контактной поверхности, что обеспечивает максимальное время истечения порядка 500мкс.
В Главе 3 подробно описываются основные методики исследования течения в сверхзвуковом диффузоре. Предварительное исследование вольтамперных характеристик показало, что вследствие больших приэлектродных и пристеночных слоев в данной конфигурации диффузора невозможно замыкание магнитоиндуцированного тока. Ток, необходимый для МГД экспериментов практически отсутствует. Поэтому исследования проводятся как при наложении внешнего магнитного, так и внешнего электрического полей. Правда такой подход имеет и некоторые преимущества, так как дает более широкие возможности для исследований, в частности исследовать не только тормозящее, но и ускоряющее действие пондермоторной силы, что невозможно при замыкании только магнитоиндуцированного тока, когда пондеромоторная сила работает только на торможение.
Внешнее электрическое поле создавалось путем разряда специально созданных длинных линий в электродную цепь, состоящую из межэлектродного плазменного промежутка и сопротивления нагрузки. Схема подключения внешнего напряжения и направление действия пондеромоторной силы при поперечном замыкании тока, когда катодом является верхний электрод, приведены на рис.З-а. При таком замыкании ток от внешнего напряжения совпадает по направлению с магнитоиндуцированным током, пондеромоторная сила действует на торможение потока. Если ток направлен в противоположную сторону, как показано на следующей рис.З-Ь, пондеромоторная сила работает на ускорение потока. Аналогичным образом возможно подключение любого количества электродов в разных областях диффузора. Возможно замыкание как поперечного, так и продольного тока. Эквивалентная схема подключения магнитоиндуцированного ЭДС и внешнего напряжения и закон Ома для такой цепи показаны на рис.3-е. При МГД взаимодействии сумма ЭДС и внешнего напряжения падает на внутреннем сопротивлении плазмы и сопротивлении нагрузки
Рис. 3. а) Схема поперечного подключения электродов в тормозящем режиме; Ь) Схема поперечного подключения электродов в ускоряющем режиме; с) Эквивалентная схема подключения и закон Ома
В главе подробно описываются методы определения основных электрических и физических параметров плазмы, а так же способы визуализации ударно-волновых структур. На рис.4 представлена схема канала с указанием основных методик исследования.
Рис. 4. Схема канала с указанием основных методик диагностики течения.
Описываются процессы определения вольтамперных характеристик по измерению разницы потенциалов на электродах Ум и на сопротивлении нагрузки определения пространственного распределения потенциала, для чего в боковые стенки диффузора в районе входной пары электродов были вмонтированы точечные электроды, разница потенциалов между которыми так же измерялась. Описывается методики определения эффективной и объемной проводимости, а так же температуры и концентрации электронов.
Схема созданной для визуализации структуры течения шлирен системы показана на рис.5. Данная система позволяет получать до 130 шлирен картин течения в одном эксперименте со скважность до 2 мкс. Отдельной задачей данной работы было совмещение шлирен системы со стандартной высокоскоростной камерой ВСК-5. При этом была изменена входная часть камеры для того, чтобы полностью заполнить кадр светом от внешнего источника, и в то же время иметь четкое изображение исследуемого объекта в плоскости регистрирующей фотопленки. В качестве просвечивающего источника света использовался модифицированный источник Подмошенского с длительностью свечения 500 мкс, соответствующей длительности истечения рабочего газа. На рис.5-Ь приведена шлирен-картина течения в отсутствие внешних воздействий. Это исходное положение присоединенных скачков.
Рис.5. а) Схема шлирен системы с покадровой съемкой. Объективы: £/ (/>=9см, /1,=3см); ¿2 (*>120ои, <6-8см); 1} (/¿=12001«, си); 14 (^И ем, </<=5см). О -исследуемый объект, К - нож; Ь) Шлирен картина течения; с) Схема основных газодинамических неоднородностей в отсутствие внешних воздействий.
На рис.5-с приведена схема расположения скачков и показаны параметры, которые мы использовали для характеристики степени изменения положения скачков. Это расстояние Хс от входа в диффузор до точки пересечения скачков, угол 2а, под которым встречаются скачки и угол наклона скачка к стенке диффузора (р. Исходное положение скачков при ф =15.5°, 2ОС =42°, хс=42мм. Так при торможении потока будет уменьшаться расстояние Хс, увеличиваться углы а И (р. При ускорении будет обратное изменение этих параметров.
В Главе 4 основное внимание уделяется задаче разделения процессов, происходящих в объеме газа и в пристеночных областях и исследованию влияния пристеночных эффектов на течение в диффузоре. Приводятся экспериментально измеренные вольтамперные характеристики течения, распределение электрического потенциала внутри плазменного промежутка, данные по величине приэлектродного падения потенциала и эффективной проводимости плазмы.
На рис. 6-а представлена вольтамперная характеристика для входной пары электродов, полученная в отсутствие магнитного поля при варьировании внешнего напряжения. Здесь же показана зависимость эффективной проводимости от протекающего тока. Видно, что проводимость растет с ростом тока. Вольтамперная характеристика и эффективная проводимость при наложении магнитного поля величиной 1.3 Т представлена на рис.6-Ь. Оказалось, что добавление магнитоиндуцированной ЭДС не приводит к увеличению тока, эффективная проводимость становится меньше. Это происходит вследствие не идеальности электродов и эффекта Холла, а так же из-за увеличения при МГД взаимодействии пристеночного слоя.
Рис. 6. а) Вольтамперная характеристика и эффективная проводимость в отсутствие магнитного поля; Ь) Вольтамперная характеристика и эффективная проводимость при МГД взаимодействии, В=1.3Т.
Примеры распределения потенциала в межэлектродном промежутке для разных токов показаны рис.7. Резкий излом распределения показывает приэлектродные падения потенциала. Величина приэлектродного падения потенциала порядка 50-60 В, что сравнимо с величиной магнитоиндуцированной ЭДС, поэтому и невозможно было замыкание только магнитоиндуцированного тока. Видно, что при наложении магнитного поля приэлектродные падения потенциала растут.
и
Рис.7, а) Распределение потенциала в межэлектродном промежутке при разных токах в цепи; b) Проводимость в ядре потока и эффективная проводимость в зависимости от протекающего тока.
График на рис.7-Ь показывает сравнение эффективной проводимости плазмы и проводимости в ядре потока без магнитного поля и при МГД взаимодействии. Проводимость в ядре потока выше эффективной и растет с ростом тока. Наложение магнитного поля снижает проводимость.
В эксперименте так же были измерены температура и концентрация электронов. Для этого была проведена серия спектральных измерений при помощи спектрографа Ocean Optics 2000. Температура измерялась по спаду сплошного излучения в ультрафиолетовой области спектра. Вследствие особенностей расположения энергетических уровней инертных газов, интенсивность сплошного свечения в ультрафиолетовой области можно
описать экспоненциальной формулой - электронная
концентрация и температура, С - некоторая постоянная, v - частота излучения, h и к - постоянные Планка и Больцмана соответственно. Если прологарифмировать это выражение, видно, что логарифм отношения интенсивностей на двух частотах vl и v2 в ультрафиолетовой области будет
h v2-vl
характеризовать электронную температуру: Те =---.—г. При этом
uj
концентрация ^ электронов будет определяться выражением
В качестве эталона свечения для определения спектральной чувствительности спектрографа и определения абсолютных значений интенсивности использовалось свечение пробки ударно сжатого в ударной трубе газа при известных и хорошо изученных режимах течения. Измеренные экспериментально и теоретические значения температуры и
концентрации электронов, взятые из [4], показаны на рис.8. Видно хорошее соответствие теории и эксперимента и рост температуры и концентрации электронов с ростом тока вследствие селективного
нагрева электронов. Анализ спектральных
исследований позволил так же Рис.8. Температура и концентрация электронов. уточнить для средних температур положение «узкого места» в энергетическом пространстве уровней, которое согласно теории Бибермана определяет скорость ионизации плазмы инертных газов. Эксперименты показали, что в неравновесной плазме по мере увеличения нагрева положение «узкого места» смещается в область более низких энергетических уровней, что приводит к увеличению скорости ионизации. Это позволяет поддерживать процесс ионизации в расширяющемся потоке и обеспечить на входе в диффузор степень ионизации и проводимость плазмы, достаточные для проведения МГД экспериментов.
В Главе 5 для выбранных экспериментальных режимов приводятся визуализированные картины течения, полученные при осуществлении МГД-взаимодействия в различных областях диффузора. Следует отметить, что основными факторами, влияющими на структуру потока при воздействии внешних полей, являются работа пондеромоторной силы, которая либо тормозит, либо ускоряет сверхзвуковой поток в зависимости от направления тока, а так же джоулев нагрев газа во внешнем и магнитоиндуцированном электрических полях, который всегда приводит к торможению сверхзвукового потока. При совместном действии этих силового и теплового факторов будет формироваться картина течения.
В качестве параметра, характеризующего силовое воздействие, нами был выбран параметр Стюарта, это отношение работы пондеромоторной силы на длине зоны взаимодействия X к кинетической энергии потока на входе (/" - плотность тока, рт и и„ - начальные плотность и скорость
газа): = . За тепловой параметр воздействия было принято отношение ДА
выделившегося за время взаимодействия джоулева тепла к кинетической энергии потока (к - коэффициент нагрузки): N = + —Цр. Эти
параметры используются при оценке эффективности внешних воздействий.
Более эффективным мы считаем такое воздействие, которое при наименьших силовом и тепловом параметре приводит к более сильному изменению положения присоединенных скачков.
В первой серии экспериментов поперечный ток в тормозном режиме замыкался в определенных областях диффузора. Следует отметить, что напряжение, подаваемое на электроды, было подобрано так, чтобы плотность тока во всей зоне взаимодействия была одинакова. На рис.9-а представлены шлирен картины течения и расшифровка ударно-волновой конфигурации, когда поперечный ток замыкался через все пары электродов, находящихся в диффузоре. Длина зоны взаимодействия 1=90мм.
Я=0.5Г
Рис.9, а) Шлирен картины течения при взаимодействии во всем диффузоре:
Положение пересечения присоединенных скачков и скачка МГД торможения. Кружки и квадраты - эксперимент, крестики - расчет [4].
Уже при наложении небольшого магнитного поля B=0.5 Т по сравнению с картиной в отсутствие полей (рис.5-Ь), виден сдвиг скачков, увеличился угол наклона скачков относительно стенки диффузора, точка пересечения скачков сместилась до величины 35мм. Пристеночный слой хорошо различим на шлирен-грамме и стал значительно толще по сравнению с картиной в отсутствие воздействий (рис.5-Ь). Его толщина вдоль канала увеличивается. Качественно эту картину можно назвать слабым МГД взаимодействием, положение скачков изменилось, но отражение их друг от друга остается регулярным. В результате совместного действия электрического и магнитного полей при ВИ^ картина течения существенно меняется. Вместо пересечения скачков мы видим образование прямого скачка МГД торможения, переводящего сверхзвуковое течение в до звуковое. Это типичный случай сильного МГД взаимодействия. Однако
картина сильно осложнена развитием пристеночного слоя, его толщина выросла по сравнению со слабым МГД взаимодействием.
На рис.9-Ь представлен график зависимости расстояния до точки пересечения скачков от величины магнитной индукции. Анализируя ударно-волновую конфигурацию в зависимости от степени МГД взаимодействия можно выделить три типа МГД взаимодействия: слабое, когда уменьшается расстояние Х, но отражение остается регулярным; сильное, когда в ядре потока образуется скачек МГД торможения и обнаруженное неустойчивое МГД взаимодействие, когда положение точки пересечения скачков нестабильно, по-видимому вследствие образования локальных до звуковых зон. Естественно, что для проблемы управления положением присоединенных скачков ни сильный, ни нестабильный тип МГД взаимодействия не подходит, поэтому последующие исследования мы проводили для режимов, когда отражение скачков остается регулярным.
Чтобы попытаться разобраться, как эффективнее воздействовать на положение скачков, рассмотрим их изменение при локализации тока в определенных областях диффузора. На рис. 10-а показана структура течения, когда поперечный ток в тормозном режиме замыкался во всем диффузоре за исключением входной пары электродов. Несмотря на то, что длина зоны взаимодействия в этом случае достаточно велика \=70мм, силовой и тепловой вклад в поток большой, как при наложении только электрического поля, так и при МГД взаимодействии нет заметного смещения скачков, остается равным примерно 41мм, видно лишь их небольшое искривление и рост пристеночного слоя, причем его рост начинается с области начала протекания тока.
а) В-0 Ь) В=0
Рис.10, а) Взаимодействие в диффузоре без входной части:/«/^■lû'W; b) Взаимодействие во входной части диффузоре:
В противоположность этому случаю, для случая, когда поперечный ток в тормозном режиме подается лишь на входную пару электродов, несмотря на значительно меньшую зону взаимодействия Ь=Юмм, как видно из рис. 10-Ъ, уже при замыкании тока без наложения магнитного поля, вследствие только джоулева нагрева наблюдается явное увеличение углов наклона присоединенных скачков, точка пересечения приближается к входу в канал, Хс уменьшается до 37мм. Так же заметно увеличение пристеночного слоя, начиная от самого входа в диффузор. При МГД взаимодействии расстояние Хс еще уменьшается, и хорошо видны широкие пристеночные слои.
В Таблице2 представлено сравнение силового и теплового параметров для этих двух замыканий тока.
Таблица 2
Взаимодействие в диффузоре в! N мм
Без входной части 0.18 0.22 41
Во входной части 0.04 0.06 32
Как видно при замыкании тока без входной части, несмотря на больший силовой и тепловой вклад в поток, МГД взаимодействие слабее влияет на положение присоединенных скачков, чем при подключении тока только во входной части диффузора. Это можно объяснить тем, что зона взаимодействия в первом случае относительно плотно заполнена диссипативными структурами, здесь находятся присоединенные скачки, скачки, отраженные от стенок. Тогда как входная часть диффузора в основном занята непрерывным течением. Можно сделать предположение, что для воздействия на потоки со скачками требуются большие энергетические затраты. Таким образом, для того, чтобы локальное воздействие на поток было эффективным, это воздействие следует прикладывать во входной части диффузора. Поэтому естественно продолжить исследования взаимодействия с магнитными и электрическими полями, когда оно локализовано в короткой входной части диффузора и попытаться не только затормозить поток, но и ускорить, то есть уменьшить углы наклона скачков, тем самым продемонстрировать возможность управления их положением.
На рис. 11 показаны примеры шлирен картин, полученных при одном и том же токе Первая картина получена в отсутствие магнитного
поля. Видно уменьшение Хс и увеличение углов (р и а вследствие торможения потока за счет джоулева нагрева газа. Далее показана картина течения при МГД взаимодействии в режиме МГД тормоза, где видно еще более сильное торможение и еще большее изменение положения скачков.
Рис.11. а), Ь), с) Шлирен картины течения; d) Изменение угла встречи присоединенных скачков при изменении направления магнитной индукции.
Последняя картина демонстрирует ударно-волновую структуру, образующуюся при МГД взаимодействии в режиме МГД ускорения. Видно, что по сравнению с картиной в отсутствие внешних полей ускорения не произошло, так как торможение вследствие джоулева нагрева оказалось сильнее, чем ускорение под действием пондеромоторной силы. Однако, если сравнивать эту картину с картиной течения при наложении только электрического поля, видно, что пондеромоторная сила ослабила действие джоулева нагрева.
Представленный график на рис. 11^ демонстрирует это ускоряющее действие пондеромоторной силы. Здесь отмечен угол а в зависимости от магнитной индукции для приведенных трех режимов, причем принято, что если пондеромоторная сила направлена на торможение, магнитная индукция отрицательна, если на ускорение - положительна. Горизонтальная линия -угол в отсутствие магнитного поля. Относительно этой величины при торможении угол увеличился, при ускорении уменьшился.
Далее в этой же главе в зависимости от соотношения внешнего поля и магнитоиндуцированного ЭДС выделены области, где в торможении или ускорении потока основную роль играет действие пондеромоторной силы, а так же области, где доминирует торможение потока вследствие джоулева нагрева газа. Границы, отделяющие эти области, получены из линейного анализа уравнения обращения воздействий, которое связывает число Маха
потока с аддитивным действием магнитного и электрического полей [5]. Анализ экспериментально полученных зависимостей положения присоединенных скачков в этих областях показал, что при МГД воздействии при наложении внешнего электрического поля и в ускоряющем и тормозном режимах заметное действие оказывает джоулев нагрев газа.
Следующий способ локального воздействия на поток приведен на рис.12. В этом случае продольный ток протекает в пристеночной области за присоединенными скачками между 3-им и 4-ым электродами, как показано на схеме на рис.12-а.
Ряс. 12. а) Схема подключения внешнего напряжения; Ь) Шлирен-картина течения, /=*400±50 А, Я=1.3 Г; с) Схема расположения присоединенных скачков.
Стрелками показаны направления тока и действия пондеромоторной силы. На шлирен картинах установившегося течения видно (рис.12-Ь) асимметричное расположение скачков. На поясняющей схеме (рис.12-^ сплошными линиями нанесено положение скачков при отсутствие полей, пунктирными линиями - их смещение под действием пондеромоторной силы. Пондеромоторная сила при таком подключении увеличивает давление у нижней стенки и уменьшает у верхней, что приводит к тому, что скачет внизу отодвигается от стенки, а наверху прижимается к стенке. Причем при этом способе воздействия ядро потока практически не возмущается.
Таким образом, для управления присоединенными скачками в слабоионизованном потоке достаточно наличие поперечного магнитного поля и поперечного тока во входной части диффузора или продольного тока в узкой пристеночной области. В зависимости от направления тока угол наклона скачка будет либо уменьшаться, либо увеличиваться.
В Заключении сформулированы основные результаты работы: 1. Создана новая оригинальная установка на основе ударной трубы, состоящая из газодинамического тракта, который включает в себя
V
сверхзвуковой диффузор с системами генерации магнитного и электрического полей. Установка оснащена современными диагностическими методами для исследования влияния магнитного и электрического полей на положение присоединенных газодинамических скачков, формирующихся на входе в диффузор при течении газа. Выбранные рабочие режимы позволяют моделировать на инертных газах течение в воздухозаборнике.
2. Измерены электрофизические параметры плазмы и выявлено влияние пристеночных слоев на протекание тока. Зафиксировано увеличение температуры и концентрации электронов, а так же проводимости плазмы вследствие селективного нагрева электронов и развития неравновесной ионизации.
3. Показано, что газодинамическая картина течения формируется под действием нескольких факторов: силы Лоренца, джоулева нагрева и влияния пристеночного слоя. При этом возможно управление положением присоединенных скачков при помощи МГД метода.
4. В тормозном режиме выявлены три типа МГД взаимодействия:
а) Слабое взаимодействие характеризуется регулярным отражением присоединенных скачков, при этом их положение меняется в зависимости от степени взаимодействия без образования новых структур.
б) Переходное нестабильное взаимодействие, при котором наблюдаются флуктуации в положении скачков.
в) Сильное взаимодействие характеризуется образованием прямого скачка торможения в ядре потока.
5. Показано, что для изменения положения присоединенных скачков энергетически более выгодно прикладывать внешние воздействия во входной части диффузора.
6. В зависимости от величины внешнего напряжения выделены области доминирования действия силы Лоренца и джоулева нагрева как в тормозном, так и в ускорительном режимах. Из совокупности воздействий удалось выделить изменения в ударно-волновой конфигурации, связанные как с тормозящим действием пондеромоторной силы, так и с ускоряющим.
7. Эксперименты с продольным протеканием тока показали возможность изменения ударно волновой конфигурации при локальном МГД взаимодействии, однако заметные изменения в положении присоединенных скачков происходят при более высоких значениях тока чем при поперечном протекании, где влияние взаимодействия ощутимо уже при (2004-300Л).
Цитированная литература
1. Е.Р. Gurijanov and P.T. Harsha, "AJAX: New Direction in Hypersonic Tecbnoloigy." AIAA Paper 96-4609, 7th Aerospase Planes and Hypersonic Technology Conference, Norfolk, VA, 1996.
2. .П. Райзер. Физика газового разряда. Наука. Москва, 1987.592 с
3. Л.А.Вулис, А.Л.Генкин, В.А.Фоменко. Теория и расчет магнитогидродинамических течений в каналах. Атомиздат. Москва, 1971.384с.
4. Yu.P.Golovachev, Yu.A.Kurakin, A.A.Schmidt and D.M.Van Wie. "Numerical investigation of MGD interaction in non-equilibrium plasma flow in supersonic inlet." AIAA Paper No2001-2883, 2001.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах
1. S.V.Bobashev, E.A.D'yakonova, A.V.Erofeev, T.A.Lapushkina, V.A.Sakharov, R.V.VasiPeva and David M.Van Wie. MHD design features in supersonic single-shock diffuser. International Conference on MHD Power Generation and High Temperature Technologies, Beijing, October 12-15, VoL II, 1999. P.581-587.
2. S.V. Bobashev, E.A. D'yakonova, A.V. Erofeev, T.A.Lapushkina, V.G.Maslennikov,
5.A.Poniaev, V.A.Sakharov, R.V.Vasil'eva and D.Van Wie. Influence of MHD interaction on shock-wave structures in supersonic diffuser. - The 2nd Workshop On Magneto-Plasma-Aerodynamics In Aerospace Applications, 2000, IVTAN, Moscow, April 5-7, pp. 64-68
3. S.V. Bobashev, E.A. D'yakonova, A.V.Erofeev, T.A.Lapushkina, V.G. Maslennikov, S.A.Poniaev, V.A.Sakharov, R.V.Vasil'eva and D. M. Van Wie. Shock-tube facility for MGD supersonic flow control. - AIAA Paper 2000-2647, 21st AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference, 2000.
4. С.В.Бобашев, Р.В.Васильева, Е.А.Дьяконова, А.В.Ерофеев, ТАЛяпушкяна, В.Г.Масленников, С.А.Лоняев, В.А.Сахаров, Д.Ван Ви. Влияние МГД взаимодействия на входные скачки уплотнения в сверхзвуковом диффузоре с полным внутренним поджатием. - ПЖТФ, 2001, т. 27, № 2, с.63-69.
5. S.V .Bobashev, A.V.Erofeev, T.A.Lapushkina, S.A.Poniaev, V.A.Sakharov, R.V.Vasil'eva and D.Van Wie. Strong action of magnetic and electrical fields on inlet shock configuration in diffuser. - The 3rd Workshop On Magneto-Plasma-Aerodynamics In Aerospace Applications, IVTAN, Moscow, April 24-26, 2001. C.38-43.
6. S. V. Bobashev, A. V. Erofeev, T. A. Lapushkina, S. A. Poniaev, V. A. Sakharov, R. V. Vasil'eva, and D. M. Van Wie. Effect of the Wall Layers on the Electric Current in a Model of MHD Diffuser. AIAA Paper 2001-2878, 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 4th Weakly Ionized Gases Workshop, Anaheim, CA, June 11-14,2001.
7. Т.АЛапушкнна, С.В.Бобашев, Р.В.Васнльева, А.В.Ерофеев, С.А.Поняев, В.А.Сахаров, Д. Ван Ви. Воздействие электрического и магнитного полей на конфигурацию входных скачков в диффузоре - ЖТФ, 2002, т.72, №4, с.23-31.
8. S.V.Bobashev, A.V.Erofeev, T.A.Lapusbkina, S.A.Poniaev, R.V.Vasil'eva, D.M.Van Wie. Non-Stationary Aspects Of Electric And Magnetic Fields Action On Shocks In Diffuser. AIAA Paper 2002-2164, 33rd AIAA Plasmadynaraics and Lasers Conference and 14th International Conference on MHD Power Generation and High Temperature Technologies Maui, Hawaii, USA, May 20-23,2002.
9. S.V.Bobashev, A.V.Erofeev, T.A.Lapushkina, SAJPoniaev, R.V.Vasil'eva, D.M.Van Wie. Effect of MHD-Interaction in Various Parts of Diffuser on Inlet Shocks: Experiment. AIAA Paper 2002-5183, 11th AIAA/AAAF International Conference Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies, Orleans, France, Sep.29-4,2002.
10. S.V.Bobashev, R.V.Vasil'eva, A.V.Erofeev, TAXapushkina, S.A.Poniaev, D.M. Van Wie. Position Of Attached Shocks la A Supersonic MHD Diffuser Under Different Modes Of Current Localization. The 4th Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics for Aerospace Applications. IVTAN, Moscow, 9-11 April, pp.169-175,2002.
11. S.V-Bobashev, R.V.Vasil'eva, A.V.Erofeev, TAXapushkina, S.A.Poniaev and D.M. Van Wie. Arrangement of Experiments on MHD Control of Shock-Wave Configurations in Supersonic Diffuser. Proceedings of the Symposium on Thermal-Chemical Processes, St-Petersburg, "Leninets", July, 2002.
12. S.V.Bobashev, R.V.Vasil'eva, A.V.Erofeev, T.A.Lapushkina, S.A.Poniaev and D.M. Van Wie. Action of Magnetic and Electrical Fields on Flow Pattern in Different Parts of Diffuser. Proceedings of the Symposium on Thermal-Chemical Processes, St-Petersburg, "Leninets", July, 2002.
13. S.V.Bobashev, A.V.Erofeev, TAXapushkina, S.A.Poniaev, R.V.Vasil"eva, D.M. Van Wie. Experiments On MHD Control Of Attached Shocks In Diffuser. AIAA Paper 20030169,41" Aerospace Meeting, 2003.
14. С.В.Бобашев, Р.В.Васильева, А.В.Ерофеев, Т.А.Лапушкнна, СА-Ионяев, Д.М.Ван Вв. Локальное воздействие магнитного и электрического полей на положение присоединенного скачка в сверхзвуковом диффузоре. - ЖТФ, 2003, т. 73, № 2, с.43-50.
15. TAXapushkina, S.V.Bobashev, R.V.Vasil'eva, A.V.Erofeev, S.A.Poniaev. Spectral Studies of Inert Gas Plasma Supersonic Flow in the Electromagnetic Field." IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology, Minsk, Belarus, September 15-19, 2003, pp. 257-260.
16. Т.А.Лапушкина, Р.В.Васильева, А.В.Ерофеев, САЛоняев, С.В.Бобашев. Кинетика ионизации при входе сверхзвукового потока плазмы ксенона в электрическое поле. - ПЖТФ, 2004, т. 30, № 17, с.33-38.
Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97
Подписано в печать . Формат 60x84/16. Печать офсетная.
Уч. печ. л. ^¿Ь . Тираж -100 . Заказ //У .
Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.
Olûi-O/.OI
19 МАЛ 2005
ВВЕДЕНИЕ.
Основные этапы работы.
Положения, выносимые на защиту.
ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ РАБОТЫ.
1.1. Проблема управления сверхзвуковым потоком.
1.2. Принцип работы магнитогидродинамического генератора.
13. Инертные газы в качестве рабочей среды.
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.
2.1. Газодинамический тракт.
2.1.1. Камеры высокого и низкого давления.
2.1.2. Рабочая вакуумная камера.
2.2. Оценка основных параметров плазмы для постановки эксперимента.
2.2.1. Параметры потока за падающей ударной волной.
2.2.2. Параметры за отраженной ударной волной.
2.2.3. Расчет параметров плазмы в ускоряющем сопле.
2.3. Выбор рабочих режимов.
2.3.1. Оптимизация режимов.
2.3.2. Основные экспериментальные режимы.
2.4. Магнитная система. 2.4.1. Исходные предпосылки.
2.4.2. Магнитные катушки.
2.4.3. Характеристики системы питания катушек.
2.4.4. Зарядное устройство.
2.4.5. Коммутирующее устройство.
2.4.5. Форма и величина импульса магнитной индукции.
2.5. Формирование внешнего электрического поля.
2.6. Выводы к Главе.
ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЫ.
3.1. Измерение интегральных характеристик.
3.1.1. Подключение внешнего источника напряжения.
3.1.2. Измерение напряжения и тока.
3.2. Распределение потенциала и проводимость.
3.2.1. Пространственное распределение потенциала.
3.2.2. Проводимость.
33. Определение температуры и концентрации электронов.
3.3.1. Теоретические основы.
3.3.2. Выбор эталона.
3.3.3. Калибровка приемных приборов.
3.3.4. Процедура определения температуры электронов.
3.3.5. Процедура определения концентрации электронов.
3.3.6. Определение концентрации электронов по измеренной проводимости плазмы.
3.4. Методы визуализации течения в диффузоре.
3.4.1. Высокоскоростная камера ВСК-5.
3.4.2. Визуализация течения с помощью покадровой съемки светящихся неоднородностеЮА
3.4.3. Шлирен-регистрация картины течения в однократном режиме.
3.4.4. Организация развертки шлирен картины течения во времени.
3.4.5. Импульсный источник света.
3.5. Ударно-волновая конфигурация в отсутствие внешних воздействий.
3.6. Выводы к Главе.1.
ГЛАВА 4. ПРИСТЕНОЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ И ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ В ЯДРЕ ПОТОКА.
4.1. Пристеночные слои в диффузоре.
4.1.1. О природе пристеночных слоев.
4.1.2. Собственно приэлектродные слои.
4.1.3. Падение потенциала в пограничном слое.
4.1.4. Температурный слой.
4.1.5. Визуализация пристеночных слоев по собственному свечению плазмы.
4.1.6. Визуализация пристеночных слоев иглирен-методом.
4.2. Вольтамперные характеристики и эффективная проводимость плазмы.
4.2.1. ВАХвмагнитоиндуцированном поле.
4.2.2. ВАХ во внешнем электрическом поле.
4.2.3. ВАХ во внешнем электрическом и магнитном полях.
4.3. Пространственное распределение потенциала и проводимость в ядре потока.
4.3.1. Распределение потенциала в межэлектродном промежутке.
4.3.2. Проводимость плазмы в ядре потока.
4.4. Концентрация и температура электронов.
4.5. Кинетика ионизации.
4.6. Выводы к Главе.
ГЛАВА 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В РАЗНЫХ ЧАСТЯХ ДИФФУЗОРА.
5.1. Воздействие магнитного и электрического полей на параметры потока.
5.1.1. Основные факторы, действующие на поток.
5.1.2. Число Маха потока при внешних воздействиях.
5.1.3. Основные параметры воздействия на поток.
5.2. Классификация типов МГД-взанмодействия.
53. Взаимодействие в разных частях диффузора.
5.3.1. Зоны взаимодействия и режимы исследования.
5.3.2. Электрические измерения. Режим В.
5.3.3. Шлирен картины течения. Режим В.
Ь.3.4.Электрические измерения. Режим D.
5.3.5. Шлирен картины течения. Режим D.
5.3.6. Обсуждение результатов эксперимента.
5.3.7. Формирование пристеночного слоя.
5.3.8. Эффективность воздействия на скачки.
5.3. Выводы к главе.
ГЛАВА 6. ЛОКАЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ПОЛЕЙ НА ТЕЧЕНИЕ В ДИФФУЗОРЕ.
6.1. Введение.
6.2. Локализации поперечного тока.
6.2.1. Воздействие во входной части диффузора.
6.2.2. Вольтамперная характеристика.
6.2.3. Области доминирования пондеромоторной силы и джоулева нагрева.
6.2.4. Реакция положения входных скачков на внешние воздействия.
6.2.5. Демонстрация ускорение потока под действием пондеромоторной силы.
6.3. Локализации продольного тока.
6.3.1. Воздействие в пристеночной области диффузора.
6.3.2. Продольный ток во всем диффузоре.
6.4. Выводы к Главе.
Работы, связанные с проблемой создания гипервуковых летательных аппаратов, привели к возникновению новых направлений фундаментальных исследований. Одно из " них — магнитогазодинамическое (МГД) воздействие на структуру и параметры сверхзвуковых потоков, содержащих скачки уплотнения. Этому направлению исследований посвящена и данная работа.
Интерес к этой проблеме вызван разработкой проектов аэрокосмических аппаратов нового поколения, летающих на гиперзвуковых скоростях (А£=4-5-8). Одной из важнейших проблем сверхзвуковой аэродинамики является регулировка положения скачков уплотнения, возникающих в полете на входе в воздухозаборник. При изменении высоты и скорости полета летательного аппарата, положение скачков меняется, при этом меняется полное давление в воздухозаборнике и расход кислорода при сгорании топлива. Система выходит из расчетного режима и возникает необходимость вернуть скачки в исходное положение. Регулировка входных устройств путем изменения геометрических параметров становится затруднительной при увеличении скорости полета, к тому же требует относительно больших затрат времени. Поэтому при гиперзвуковых скоростях возникает необходимость разработки новых методов управления течением.
Ф}
Одним из перспективных методов в данном направлении по нашему мнению является управление предварительно ионизованным сверхзвуковым потоком при помощи МГД метода.
Основные этапы работы.
Основная цель работы исследовать возможность изменения ударно-волновой конфигурации в виде двух присоединенных скачков уплотнения, возникающей на входе в сверхзвуковой диффузор с полным внутренним поджатием потока, при помощи МГД метода. Главная задача эксперимента - выявить основные закономерности влияния внешних магнитного и электрического полей на положение входных присоединенных скачков и найти способ наиболее эффективного приложения внешних воздействий.
Для выяснения принципиальной возможности реализации такого способа # управления течением в настоящей работе предприняты следующие шаги, отраженные в содержании диссертации, содержащей Введение, шесть Глав и Заключение.
6.4. Выводы к Главе.
1. Показана возможность управления углом наклона присоединенных скачков путем локального воздействия на поток внешних магнитного и электрического полей.
2. В первом способе воздействие локализовалось в объеме входной части диффузора за счет того, что при фарадеевской коммутации электродов поперечный ток проходил только через электроды, расположенные в начале диффузора. Были определены области значений приложенного электрического напряжения и магнитоиндуцированной ЭДС, при которых в торможении (ускорении) потока доминирует либо МГД взаимодействие, либо джоулев нагрев в электрическом поле. Продемонстрирована возможность увеличения или уменьшения угла наклона присоединенного скачка посредством воздействия на поток пондеромоторной силы.
3. Во втором способе ток замыкался через смежные электроды за присоединенными скачками, так что воздействие лоренцевой силы в основном было локализовано в узкой пристеночной области. В этом случае действие лоренцевой силы было направлено на сжатие (расширение) объема газа. В эксперименте было обнаружено как увеличение, так и уменьшение угла наклона присоединенного скачка. Таким образом, была продемонстрирована возможность управления углом наклона присоединенного скачка при организации тока в ограниченной области вблизи стенки диффузора в поперечном магнитном поле.
4. В третьей серии экспериментов продольный ток замыкался вдоль всей длины МГД-канала через электроды расположенные на одной стенке. Зафиксировано образование сопловых скачков на горячих приэлектродных слоях. Под действием пондеромоторной силы была получена асимметричная картина течения.
5. В работе показано, что основным препятствием при реализации планируемого изменения ударно-волновой конфигурации является влияние приэлектродных и пристеночных эффектов. Обнаружено, что при фарадеевской коммутации электродов роль пристеночных эффектов при тормозном режиме больше, чем при ускорительном режиме.
6. Показано, что в условиях эксперимента джоулев нагрев во внешних полях играет большую роль, чем это ожидалось из теоретических оценок вследствие того, что эффективное сопротивление плазмы много больше расчетных значений из-за сильного влияния пристеночных эффектов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении можно выделить следующие основные результаты представленной работы:
1. Создана новая оригинальная установка на основе ударной трубы, состоящая из газодинамического тракта, который включает в себя сверхзвуковой диффузор с системами генерации магнитного и электрического полей. Установка оснащена современными диагностическими методами для исследования влияния магнитного и электрического полей на положение присоединенных газодинамических скачков, формирующихся на входе в диффузор при течении газа. Выбранные рабочие режимы позволяют моделировать на инертных газах течение в воздухозаборнике.
2. Измерены электрофизические параметры плазмы и выявлено влияние пристеночных слоев на протекание тока. Зафиксировано увеличение температуры и концентрации электронов, а так же проводимости плазмы вследствие селективного нагрева электронов и развития неравновесной ионизации.
3. Показано, что газодинамическая картина течения формируется под действием нескольких факторов: силы Лоренца, джоулева нагрева и влияния пристеночного слоя. При этом возможно управление положением присоединенных скачков при помощи МГД метода.
4. В тормозном режиме выявлены три типа МГД взаимодействия: а) Слабое взаимодействие характеризуется регулярным отражением присоединенных скачков, при этом их положение меняется в зависимости от степени взаимодействия без образования новых структур. б) Переходное нестабильное взаимодействие, при котором наблюдаются флуктуации в положении скачков. в) Сильное взаимодействие характеризуется образованием прямого скачка торможения в ядре потока.
5. Показано, что для изменения положения присоединенных скачков энергетически более выгодно прикладывать внешние воздействия во входной части диффузора.
6. В зависимости от величины внешнего напряжения выделены области доминирования действия силы Лоренца и джоулева нагрева как в тормозном, так и в ускорительном режимах. Из совокупности воздействий удалось выделить изменения в ударно-волновой конфигурации, связанные как с тормозящим действием пондеромоторной силы, так и с ускоряющим. Выявлено, что большое влияние джоулева нагрева обусловлено тем, что вследствие влияния пристеночных слоев эффективное сопротивление плазмы оказалось много больше теоретически ожидаемых значений.
7. Эксперименты с продольным протеканием тока показали возможность изменения ударно волновой конфигурации при локальном МГД взаимодействии, однако заметные изменения в положении присоединенных скачков происходят при более высоких значениях тока (500-5-600^4), чем при поперечном протекании, где влияние взаимодействия ощутимо уже при (200*300Л).
8. Показано, что для управления присоединенными скачками в слабоионизованном потоке достаточно наличие поперечного магнитного поля и поперечного тока во входной части диффузора или продольного тока в узкой пристеночной области. В зависимости от направления тока угол наклона скачка будет либо уменьшаться, либо увеличиваться.
1.1. Л.А.Вулис, АЛ.Генкин, В.А.Фоменко. Теория и расчет магнитогидродинамических течений в каналах. Атомиздат. Москва, 1971.384с.
2. А.Б.Ватажнн, Г.А.Любимов, С.А.Регирер. Магнитогидродинамические течения в каналах. Наука. Москва, 1970. 672с.
3. Дж.Саттон, А.Шерман. Основы технической магнитной газодинамики. Мир. Москва, 1968.492с.
4. Бай Ши-и. Магнитная газодинамика и динамика плазмы. Мир. Москва, 1964.301с.
5. Куликовский А.Г., Любимов Г.А. Магнитная гидродинамика. Физматшз. Москва, 1962.
6. Дж. Шерклиф. Курс магнитной гидродинамики. Мир. Москва,1967.
7. Плазма в магнитном поле и прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Сборник статей под ред. Л.И.Дормана. Госатомиздат. Москва, 1962.471с.
8. Магнитогидродинамический метод преобразования энергии. Сборник статей под ред. В.А.Попова. Физматшз. Москва, 1963. 536с.
9. Физика плазмы и магнитная гидродинамика. Сборник статей под ред. М.С.Рабиновича. Издательство Иностранной Литературы. Москва, 1961. 302с.
10. Движущаяся плазма. Сборник статей под ред. Е.В.Кудрявцева и В.П.Ионова. Издательство Иностранной Литературы. Москва, 1961. 612с.
11. Е.Р. Gurijanov and Р.Т. Harsha, "AJAX: New Direction in Hypersonic Technoloigy." AIAA Paper 96-4609, 7th Aerospase Planes and Hypersonic Technology Conference, Norfolk, VA, 1996.
12. V. A. Bityurin, J. T. Lineberry, V. G. Potebnia, V. I. Alferov, A. L. Kuranov, and E. G. Sheikin. "Assessment of hypersonic MHD concepts." AIAA Paper 97-2393, 28th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, Atlanta, GA, 1997.
13. Фрайштадт В Л., Куранов А.Л., Шейкин Е.Г. Применение МГД систем на гиперзвуковых летательных аппаратах,- ЖТФ, т.68, №11, с.43-47,1998.
14. D.I. Brichkin, A. L. Kuranov, and Е. G. Sheikin. "MHD-technology for scramjet control." AIAA Paper 98-1642, 8th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Norfolk, VA, 1998.
15. A. Vatazhin, V. Kopchenov, and O. Gouskov. "Some Estimation of Possibility of Use of MHD Control in Scramjet." AIAA Paper 99-4971, 1999.
16. A.Vatazhin, V.Kopchenov, and O.Gouskov. "Numerical investigation of Hypersonic inlets control by Magnetic Field." The 2nd Workshop On Magneto-Plasma- Aerodynamics In Aerospace Applications, IVTAN, Moscow, April 5-7, pp. 64-68,2000.
17. Ю.П.Головачев. С.Ю.Сущих. Сверхзвуковые течения слабоионизованного газа во входных устройствах при наличии внешнего электромагнитного поля.- ЖТФ, 2000, т. 70, №2, с.28-33.
18. S. О. Macheret, М. N. Shneider, and R. В. Miles, "External supersonic flow and scramjet inlet control by MHD with electron beam ionization." AIAA Paper 2001-0492,39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 2001.
19. M.N.Shneider, S.O.Macheret and R.B.Miles. "Nonequilibrium Magnetohydrodynamic Control of Scramjet Inlets." AIAA Paper 2002-2251, 33rd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, Maui, Hawaii, 2002.
20. S.O.Macheret, M.N.Shneider, and RB.Miles, RJ.Lipinski and G.L.Nelson. "MHD Acceleration of Supersonic Air Flows Using Electron Beam-Enhanced Conductivity." AIAA Paper 98-2922, 1998.
21. A.Vatazhin, V.Kopchenov, and O.Gouskov. "Some Estimation of Possibility to Use the MHD Control for Hypersonic Flow Deceleration." AIAA Paper 99-4972,1999.
22. A.L.Kuranov, and E.G.Sheikin, "MHD Control on Hypersonic Aircraft under AJAX Concept: Possibilities of MHD Generator." AIAA Paper 2002-0490,2002.
23. С.В.Бобашев, Ю.П.Головачов, Ю. А.Куракин, В.Г.Масленников, В.А.Сахаров, К.Ю.Трескинский, А.А.Шмидт, Д.М.Ван Ви. Генерация тока при взаимодействии сверхзвукового потока плазмы ксенона с магнитным полем. ПЖТФ, 2001, т.27, №19, с.85-89.
24. С.В.Бобашев, Н.П.Менде, В.А.Сахаров, Д.М.Ван Ви. Управление сверхзвуковым потоком азота при помощи магнитного поля. ПЖТФ, 2004, т.30, № 15, с.35-40.
25. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. Наука. Москва, 1987. 592 с.
26. С.В.Бобашев, Ю.П.Головачев, О.П.Коровин, В.Н.Шредник, Д.М.Ван Ви. Автоэлектронный эмиттер для ионизации воздуха в сверхзвуковом потоке.- ПЖТФ, 2002, т. 28, №8, с.42-47.
27. S.O.Macheret, M.N.Shneider, and R.B.Miles. "Magnetohydrodynamic Control of Hypersonic Flow and Scramjet Inlets Using Electron Beam Ionization." AIAA Journal, 2002, Vol. 40, No.l, pp. 74-81.
28. S.V.Bobashev, R.V.Vasil'eva, A.V.Erofeev, B.G.Zhukov, T.A.Lapushkina, S.A.Poniaev. "MHD Effects in Air Plasma." The 5th International Workshop on Magneto- Plasma-Aerodynamics for Aerospace Applications, IVTAN, Moscow, April 7-10,2003.
29. P.B. Васильева, A.JI. Генкии, B.JI. Горячев, и др. Низкотемпературная плазма инертных газов с неравновестной ионизацией и МГД генераторы. Физико-Технический Институт им. А.Ф. Иоффе, РАН. С.-Петербург, 1991.206с.
30. Васильева Р.В., Ерофеев А.В. и др. Разрывные течения в расширяющемся МГД канале. ЖТФ, т.57, №2, с.251-263, 1987.
31. JI.И.Седов. Методы подобия и размерности в механике. Наука. Москва, 1977.440с.
32. Ю.П.Головачев, С.Ю.Сущих. Сверхзвуковые течения слабоионизованного газа во входных устройствах при наличии внешнего электромагнитного поля. Ж.ТФ, 2000, т. 70, №2, с.28-33.
33. Yu.P.Golovachev, S.Yu. Sushikh and David Van Wie. "Numerical Simulation of MGD Flows in Supersonic inlets." AIAA Paper No 2000-2666,2000.
34. Yu.P.Golovachev, Yu.A.Kurakin, A. A.Schmidt and D.M.Van Wie. "Numerical investigation of MGD interaction in non-equilibrium plasma flow in supersonic inlet." AIAA Paper No 2001-2883,2001.
35. Yu.P.Golovachev, Yu.A.Kurakin, A.A.Schmidt and D.M.Van Wie. "Numerical Simulation of 3D Viscous MHD Flows." The 5th International Workshop on Magneto-PIasma-Aerodynamics for Aerospace Applications, IVTAN, Moscow, April 7-10,2003.
36. S.V. Bobashev, E.A. D'yakonova, A.V.Erofeev, T.A.Lapushkina, V.G. Maslennikov, S.A.Poniaev, V.A.Sakharov, R.V.Vasil'eva and D. M. Van Wie. "Shock-tube facility for
37. MGD supersonic flow control." AIAA Paper 2000-2647, 21st AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference, Denver, CO, June 19-22,2000.
38. Т.АЛапушкина, С.В.Бобашев, Р.В.Васильева, А.В.Ерофеев, С.А.Поняев, В.А.Сахаров, Д.Ван Ви. Воздействие электрического и магнитного полей на конфигурацию входных скачков в диффузоре. ЖТФ, 2002, т. 72, № 4, с.23-31.
39. S.V.Bobashev, A.V.Erofeev, T.A.Lapushkina, S.A.Poniaev, R.V.Vasil'eva, D.M. Van Wie. "Experiments On MHD Control Of Attached Shocks In Diffiiser." AIAA Paper 20030169,41st Aerospace Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 2003.
40. С.В.Бобашев, Р.В.Васильева, А.В.Ерофеев, Т.А.Лапушкина, С.А.Поняев, Д.М.Ван Ви. Локальное воздействие магнитного и электрического полей на положение присоединенного скачка в сверхзвуковом диффузоре. ЖТФ, 2003, т. 73, № 2, с.43-50.
41. Т.А.Лапушкина, Р.В.Васильева, А.В.Ерофеев, С.А.Поняев, С.В.Бобашев. Кинетика ионизации при входе сверхзвукового потока плазмы ксенона в электрическое поле. -ПЖТФ, 2004, т. 30, № 17, с.33-38.1. Глава 2
42. Л.А.Вулис, А.Л.Генкин, В.А.Фоменко. Теория и расчет магнитогидродинамических течений в каналах. Атомиздат. Москва, 1971. 384с.
43. Р.В. Васильева. Исследование взаимодействия течения плазмы с магнитным полем в ударной трубе. Кандидатская диссертация. Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе. Ленинград, 1969.175с.
44. А.В.Ерофеев. Ионизационная нестабильность в плазме с ионизационной неустойчивостью под действием магнитогидродинамического взаимодействия. Кандидатская диссертация. Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе. Ленинград, 1988.198с.
45. Л.Г. Лойцянский. Механика Жидкости и Газа. Наука. Москва, 1978. 736с.
46. Л.М.Биберман, В.С.Воробьев, И.Т.Якубов. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. Наука. Москва, 1982.376с.
47. Ю.П.Головачев, С.Ю.Сущих. Сверхзвуковые течения слабоионизованного газа во входных устройствах при наличии внешнего электромагнитного поля. Ж.ТФ, 2000, т. 70, №2, с.28-33.
48. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. Наука. Москва, 1987.592 с.
49. D.B.Mongomery. Solenoid Magnetic Design John Wiley Sons. NY. London. Sudney. Toronto. 1969.
50. Г.А.Шнеерсои. Сильное электромагнитное поле. ЛПИ, Ленинград. 1985.
51. D.H.Parkinson and B.E.Mulhall. The Generation of High Magnetic Fields. Plenum Press. NY. 1967.
52. Е.П.Бельков, Ю.Н.Бочаров. Высоковольтные импульсные установки. СПбГТУ. Санкт-Петербург, 1992.100с.
53. Правила устройства электроустановок. Энергоатомиздат. Москва, 1986.648с.1. Глава 3
54. Биберман JI.M., Норман Г.Э. Успехи Физических Наук. 1967, т.91, с.193-246.
55. Унзольд А. Физика звездных атмосфер. Иностранная Литература. Москва,1949. 630с.
56. Дронов А.П., Свиридов А.Г., Соболев H.H. Сплошной спектр свечения криптона и ксенона за ударной волной. Оптика и Спектроскопия. 1962, XII, в.6, с.677-690.
57. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. Наука. Москва, 1966. 688с.
58. Ударные трубы. Сб. пер. под ред. Х.А.Рахматуллина и С.С.Семенова. Иностранная Литература. Москва, 1962. 700с.
59. Печек Г., Байрон С. Приближение к равновесной ионизации за ударной волной в аргоне. В сб. «Ударные трубы» под ред. Х.А.Рахматуллина и С.С.Семенова. Иностранная Литература. Москва, 1962. С.471-507.
60. Козлов Г.И., Ступицкий Е.Л. Таблицы термодинамических параметров аргона и ксенона за падающей и отраженной ударной волной. АН СССР, ИПМ. Москва, 1969.
61. Тумакаев Г.К., Лазовская В.Р. Интерферометрическое исследование состояния ксенона и паров ртути в ударной трубе. В сб. «Аэрофизические исследования сверхзвуковых течений» под ред. Ю.А.Дунаева. Москва-Ленинград, 1967. С.74-103.
62. Михайлов A.B., Зайцев С.Г. Экспериментальное исследование в магнитогазодинамическом канале постоянного сечения В сб.: «Нестационарные течения в магнитогазодинамическом канале», вып.68. изд.ЭНИНа. Москва, 1978. С.26-52.
63. Васильева Р.В. Исследование взаимодействия потока плазмы в ударной трубе с магнитным полем при слабом магнитогазодинамческом торможении. Кандидатская диссертация. Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе. Ленинград, 1969. 175с.
64. Зуев А.Д. Экспериментальное изучение перемешивания толкаемого и толкающего газов в диафрагменной ударной трубе Кандидатская диссертация. Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе. Ленинград, 1988. 172с.
65. Васильева Р.В. Зондовые измерения в ударной трубе. В сб. «Аэрофизические исследования сверхзвуковых течений» под ред. Ю.А.Дунаева. Москва-Ленинград, 1967. С.113-117.
66. Дьяконова Е.А. Развитие ионизационной неустойчивости при взаимодействии потока неравновесной плазмы с магнитным полем. Кандидатская диссертация. Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе. С.Петербург, 2001.180с.
67. Отчет «Экспериментальное исследование процессов передачи энергии от электронов к тяжелой компоненте плазмы при селективном нагреве электронов». Гос.Рег. 75046973. Ленинград, 1977.129с.
68. Зайдель А.Н., Прокофев В.К., Райский С.М., Славный В.А., Шрейдер Е.Л. Таблицы спектральных линий. Москва, 1969.784с.
69. Л.М.Биберман, В.С.Воробьев, И.Т.Якубов. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. Наука. Москва, 1982. 376с.
70. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. Наука. Москва, 1987. 592 с.
71. Л.Г.Тхорик, Е.Б.Данилов, Р.В.Васильева. Некоторые особенности МГД взаимодействия неравновесной плазмы. ЖТФ, 1979. Т.49, с.274
72. Yu.P. Golovachev, Yu.A. Kurakin, A.A. Schmidt and D.M. Van Wie. "Numerical investigation of MGD interaction in non-equilibrium plasma flow in supersonic inlet." AIAA Paper No 2001-2883,2001
73. Г.В.Липман, А.Рошко «Элементы газовой динамики». Издательство иностранной литературы. Москва,1960. 518с.
74. Н.Н.Огурцова, И.В.Подмошенский, М.И.Демидов.- ОМП. 1960. Т.1, №1.1. Глава 4
75. Л.А.Вулис, АЛ.Генкин, В.А.Фоменко. Теория и расчет магнитогидродинамических течений в каналах. Атомиздат. Москва, 1971. 384с.
76. А.Б.Ватажин, Г.А.Любимов, С.А.Регирер. Магнитоогидро-динамические течения в каналах. Наука. Москва, 1970.672 с.
77. Ю.П.Райзер. Физика газового разряда. Наука. Москва, 1987. 592с.
78. В.Л.Грановский. Электрический ток в газах. Наука. Москва, 1971.544с.
79. Yu.P.Golovachev, Yu.A.Kurakin, A.A.Schmidt and D.M.Van Wie. "Numerical investigation of MGD interaction in non-equilibrium plasma flow in supersonic inlet." AIAA Paper No 2001-2883,2001.
80. S.V.Bobashev, Y.P.Golovachov, and D.M.Van Wie. "Deceleration of Supersonic Plasma Flow by an Applied Magnetic Field." Journal of Propulsion and Power (0748-4658), vol. 19, no. 4,2003.
81. Л.М.Биберман, Л.М.Воробьев, В.С.Якубов. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. Наука. Москва, 1982. 376с.
82. Вулис Л.А., Генкин А.Л., Фоменко В.А. Теория и расчет магнитогазодинамического течения в каналах. Атомиздат. Москва, 1971.384с.
83. Васильева Р.В., Ерофеев A.B. и др. Разрывные течения в расширяющемся МГД канале. ЖТФ, 1987, т.57, №2, с.251-263.
84. S.V.Bobashev, Yu.P.Golovachov, D.M.Van Wie. "Deceleration of supersonic plasma flow by an applied magnetic field." AIAA Paper 2002-2247.
85. Yu.P.Golovachev, Yu.A.Kurakin, A.A.Schmidt and D.M.Van Wie. "Numerical investigation of MGD interaction in non-equilibrium plasma flow in supersonic inlet." AIAA Paper No 2001-2883,2001.
