Взаимодействие плазмы продольно-поперечного и плазмодинамического разрядов со сверхзвуковым воздушно-пропановым потоком тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ
|
Каменщиков, Сергей Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2011
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.08
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Каменщиков Сергей Александрович
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ ПРОДОЛЬНО - ПОПЕРЕЧНОГО И ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРЯДОВ СО СВЕРХЗВУКОВЫМ ВОЗДУШНО - ПРОПАНОВЫМ ПОТОКОМ
01.04.08 - физика плазмы.
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
1 2 МАЙ 2011
Москва-2011.
4845956
Работа выполнена на кафедре физической электроники физического фахультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова
Научный руководитель:
Кандидат физико-математических наук, доцет Черников В. А. Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук, профессор КоссыйИ.А. Кандидат физико-математических наук Артамонов В.И.
Ведущая организация:
ФГУП «Московский Радиотехнический Институт» Российской Академии Наук.
Защита состоится 12 мая 2011 г. в 16:30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.66. при Московском государственном университете им. М.В .Ломоносова, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, Дом 1, строение 2, Физический Факультет, Северная физическая аудитория.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
Автореферат разослан 11 апреля 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 501.001.66. кандидат физико-математических наук
Карташов И.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертация посвящена определению нестационарных свойств продольно -поперечного и гшазмодинамического разрядов в условиях натекающего воздушно -пропанового потока. Исследовано влияние свойств разрядной плазмы на предварительное перемешивание смеси и характеристики плазменного воспламенения.
Актуальность темы
Создание летательных аппаратов (ЛА), для которых натекающий поток воздуха является надкритическим относительно гидродинамических параметров подобия (число Маха, число Рейнольдса, число Струхаля и т.д.) связано с рядом проблем прикладного и фундаментального характера. В частности, необходимость новых подходов возникает в случае движения ЛА со сверхзвуковыми (число Маха М > 1) и гиперзвуковыми (М > 5) скоростями. Задачи, возникающие при этом, могут быть решены в рамках применения плазменных источников различных типов. Весь сложный комплекс подобных проблем можно условно разделить на три основных группы:
• Изменение динамических, термодинамических и статистических параметров потока вблизи поверхности летательного аппарата с целью снижения шума, механических нагрузок, изменения лобового сопротивления и управления траекторией полета.
• Изучение механизмов воспламенения, стимулировашюго плазмой в условиях надкритических потоков. Сокращение времени индукции, оптимизация области воспламенения, сокращение экологически вредных продуктов горения.
• Изучение и стабилизация фронта воспламенения в условиях надкритического течения.
Решение указанных задач позволит создать плазменные устройства, позволяющие эффективно инициировать воспламенение для качественно различных течений, создавать оптимальные аэродинамические свойства ЛА, решать сопряженные экологические проблемы.
Данная работа посвящена рассмотрению задач, связанных с первыми двумя классами проблем. Определено изменение нестационарных свойств разряда в различных режимах его существование. Выяснено влияние нестационарных свойств разряда на
формирование потока с фиксированными спектральными и хаотическими характеристиками течения. Изучено влияние свойств разряда на оптимизацию смешения топлива с окислителем и инициацию плазменного воспламенения. Цель работы
В качестве основных целей работы необходимо выделить следующие:
• Определение нестационарных свойств разряда в присутствии воздушно -пропашного и воздушного течения.
• Определение влияния нестационарных свойств разряда на спектральные и хаотические характеристики натекающего течения.
• Достижение оптимального перемешивания натекающей топливно - воздушной смеси в условиях исследованных режимов существования разряда.
« Достижение плазменного воспламенения в условиях натекающего воздушно -пропанового надкритического потока. Определение влияния нестационарных свойств разряда на инициирование плазменного воспламенения.
Методы исследований
Результаты диссертации получены с использованием следующего диагностического оборудования:
• Оптические детекторы - фотоэлектронный умножитель, рефракционный датчик, эмиссионный спектрометр.
• Электромеханические детекторы - датчики давления тензометрического типа, трубки Пито - Прандгля, термопарный датчик температуры.
• Методы определения электрических параметров разрядов: делитель напряжения, шунт.
Научная новизна
Все полученные результаты являются новыми, основная их часть получена автором самостоятельно. Научная новизна работы состоит в следующем:
• Определены нестационарные свойства продольно - поперечного разряда
постоянного тока в условиях натекающего сверхзвукового потока воздушно -
про Пановой смеси. Показано существование двух фаз разряда и обнаружена
4
динамическая неустойчивость первой фазы. Определен механизм неустойчивости. Объяснено влияние средних характеристик разряда на его структуру и основную частоту пульсаций плазменного канала.
• Выяснено влияние неустойчивого продольно - поперечного разряда на усиление хаотических свойств течения за областью разряда. Установлена связь между средними характеристиками разряда и спектральными свойствами течения.
• Разработан метод определения оптимальности частичного перемешивания топлива и окислителя при помощи нестационарного продольно - поперечного разряда. В условиях исследованных режимов существования разряда достигнуто оптимальное частичное перемешивание натекающего воздушно - пропанового потока.
• Реализовано плазменное воспламенение потока при помощи неустойчивого продольно - поперечного и плазмодинамического разрядов. Показано влияние средних характеристик разряда на оптимальность воспламенения.
Личный вклад автора
Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. При непосредственном участии автора создавались экспериментальные установки и разрабатывались методики обработки данных, проводились экспериментальные исследования и анализ полученных результатов. На основании полученных данных автором сформулированы и обоснованы выводы диссертации.
Практическая и теоретическая ценность работы
Полученные в работе результаты могут быть использованы для оптимизации камер сгорания, работающих в условиях сверхзвукового воздушного потока. Закономерности, полученные в работе, могут быть также использованы для улучшения характеристик существующих лабораторных установок, созданных для исследования взаимодействия разрядов с тоачивно-воздушным потоком. Результаты, определяющие влияние нестационарных свойств разряда на хаотические параметры течения, могут быть сопоставлены с теоретическими исследованиями в области турбулентных течений.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались:
На «Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу», Звенигород, 2007,2008 гг.; на конференции «Ломоносовские чтения» в МГУ, г. Москва, 2007,2008 гг.; на семинаре «Школа - семинар по магнитоплазменной аэродинамике», ИВТАН, г. Москва, 2007-2009 гг.; на конференции «А1АА Aerospace Sciences Meeting», США, 2009,2010 гг.; на конференции «б1" International Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion, Germany», Германия, 2010 г.; на семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ, 2008-2009 гг.
Публикации.
Основные результаты по теме диссертации опубликованы в семи работах, список которых приводится в конце автореферата Шесть работ [2-7] опубликованы в изданиях, входящих в утвержденный ВАК перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пята глав и заключения. Первая глава иосит вводный характер и содержит обзор литературы. Вторая глава содержит описание экспериментальной установки, методов исследования и результаты предварительного исследования течения без присутствия источников плазмы и инжгкции пропана. Третья, четвертая и пятая главы оригинальны. В целом диссертация содержит 125 страниц, включая 62 рисунка, 1 таблицу и библиографию из 109 наименований.
Содержание работы
Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы цели исследования, показана научная новизна, практическая и теоретическая значимость работы. В завершении приведены выносимые на защиту положения.
В первой главе представлен крапай обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных основным проблемам плазменной аэродинамики и взаимодействию нестационарных разрядов с тошгавно-воздушными потоками.
Во второй главе приводится описание экспериментальной установки, методов исследования и результаты предварительного исследования течения без присутствия источников плазмы. В настоящей работе при проведении исследований взаимодействия плазмы, созданной различными источниками, со сверхзвуковыми потоками
6
использовались две модификации экспериментального стенда. Схема первой экспериментальной установки (ЭУ1), используемой в данных исследованиях, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема первой экспериментальной установки 1 - вакуумная камера, 2 -компрессор, 3 - кран, 4 - воздухопроводы, 5 - сборочный коллектор, 6 - баллонная рампа,
7 - манометры, 8 - управляемый пневмоклапан, 9 - омический нагреватель, 10 - блок питания нагревателя, 11 - сверхзвуковой канал, 12 - датчики давления, 13 - соединение с вакуумной системой, 14 - иллюминаторы, 15 - топливораздаточные фланцы, 16-фланец для крепления плазменных источников воспламенения, 17-система подачи топлива.
Основным элементом экспериментальной установки является вакуумная камера (1) объемом 3 м3, с которой через гибкое соединение (13) соединен канал (11). Принцип работы установки следующий: с помощью компрессора (2) воздух по трубопроводу (4) через сборочный коллектор (5) нагнетается в дополнительную баллонную систему (6). Ее наличие позволяет довести общий объем системы высокого давления до 0.5 м3.
Рабочее давление в системе высокого давления (системе подачи воздуха) контролируется с помощью манометров (7) и может достигать 6 Бар. Из системы подачи воздуха поток через управляемый пневматический клапан (8) поступает в омический нагреватель (9), и далее в аэродинамический канал (11). В настоящую работу результаты исследований влияния предварительного нагрева не были включены.
I
Канал состоит из сопла Лаваля, формирующей секции (изолятора) и четырех взаимозаменяемых секций, в одной из которых размещается источник плазмы, а другие служат для диагностики взаимодействия разрядов с воздушно - топливной смесью. Формирующая секция предусмотрена с целью создания однородного потока. Для осуществления оптической диагностики в двух секциях вмонтированы кварцевые иллюминаторы. Внутреннее сечение рабочих секций составляет 2.5x4 см2. Внутренний диаметр формирующей секции £>=2.5 см. Таким образом, на границе между формирующей секцией и следующей за ней рабочей секцией существует обратный уступ, создающий зону внезапного расширения (застойную зону). Канал оборудован системой подачи топлива (17) и системой контроля давления (12) в виде датчиков давления (16 единиц). Во всех экспериментах в качестве топлива использовался пропан. Поступление пропана осуществляется при помощи двух фланцев (15). Первый фланец размещен между секцией сопла и формирующей секцией; второй фланец - между формирующей и рабочей секциями. В центре обоих фланцев созданы цилиндрические отверстия диаметром 25 мм. Внутри первого фланца размещены четыре канала ввода пропана, позволяющих осуществлять инжекщпо перпендикулярно направлению потока. Диаметр каналов ¿=2 мм. Во втором фланце подача топлива происходит через шесть каналов. Через четыре из них топливо подается ь канал аналогично подачи топлива в первом фланце. Два дополнительных канала позволяют подавать пропан в направлении совпадающим с направлением потока, т.е. непосредственно в область внезапного расширения за обратным уступом.
При проведении исследований, результаты которых представлены в Главе 3 и Главе 4, был использован модифицированный экспериментальный стенд (ЭУ2). В этом случае канал прямоугольного сечения был непосредственно соединен с камерой такого давления (рис. 1, позиция 13).. Электродный узел бьи размещен во второй секции канала.
Основные параметры представленных экспериментальных стендов следующие: число Маха сопла Лаваля М = 2, давление системы создания низкого давления р„ - 0.1 Бар, давление системы создания высокого давления р = 2.6 Бар; давление в системе подачи пропана р/=4 Бара, время процесса взаимодействия разряда с воздушно -пропановым потоком 1-2 секунды. При помощи датчиков давления и сопел Вентури, расположенных в системах подачи компонент смеси определялся расход обоих компонент и входной коэффициент эквивалентности смеси, который был равен £=1.1. Для
определения локализации сверхзвуковой области течения в канале модифицированной установки было проведено предварительное исследование. При помощи трубки Пито, область измерения которой располагалась на оси симметрии канала, было определено локальное число Маха, усредненное по времени существования разряда. Исследование проводилось без включения источников плазмы и системы подачи пропана. Трубка Пито состояла из двух датчиков статического и полного давления потока, расположенных в непосредственной близости. Отношение полного и статического давлений в области измерения позволяло определить число Маха натекающего потока. М, используя следующее соотношение [1], выражающее отношение полного и статического давлений.
Р, _ 166,7■М'
р, (7-Мг-1)Х5
Распределение локального числа Маха в центре симметрии прямоугольного сечения рабочего канала, представлено в Таблице 1. Координата г соответствует расположению среза трубки, предназначенной для измерения полного давления. Статистическая ошибка метода ДМ=0.1 при времени усреднения показаний Г=1 с. Левый столбец Таблицы 1 описывает качественно местоположение трубки Пито - Прандгля. За начало координат принята координата центра выходного сечения сопла.
Описание г, м М
начало 1 секции 0319 1.72
конец 1 секции 0.423 1.02
начало 2 секции 0.519 1.22
конец 2 секции 0.621 0.9
начало 3 секции 0.719 0.67
Таблица. 1. Распределение числа Маха на оси модифицированного канала.
В третьей главе было проведено исследование нестационарных свойств продольно-поперечного разряда постоянного тока в условиях сверхзвукового натекающего потока. Рассмотрено влияние нестационарных характеристик разряда на хаотические свойства течения в следе за разрядом.
Продольно - поперечный разряд постоянного тока создавался при помощи электродного узла, размещаемого через нижний фланец второй секции канала (рис.2).
Рис.2. Схема размещения электродов во второй секции канала. 1 - катод, 2 - анод, 3 - люк крепления электродов, 4 - нижняя стенка канала. Стрелха - направление потока.
Координата центра межэлектродного зазора могла быть изменены при помощи фиксации высоты электродов. В настоящем исследовании она соответствовала координате центра сечения какала. Длина горизонтальной часта верхнего электрода ¿1=10 мм, а горизонтальной части нижнего электрода £2=40 мм. Источник, питающий разряд, работал в режиме генератора тока, при этом выходное напряжение источника питания 0'<5 кВ, а выходной ток /<20 А. Вкладываемая в разряд средняя мощность не превышала Р= 3 кВт. В качестве определяюшего стационарного параметра, характеризующего разряд, был выбран средний ток разряда [2].
При помощи скоростной видеокамеры Видеоспринт проводилась видеосъемка разряда в неподвижном воздухе и в воздушном потоке при использовании различной экспозиции кадра. Кадры видеосъемки разрядд приведены на рис.3 для случая разряда б неподвижном воздухе (а) с экспозицией 20 мкс, разряда в сверхзвуковом потоке воздуха (в) с экспозицией 20 мкс (б) и в сверхзвуковом потоке воздуха с экспозицией 1 с (в). Статическое давление в разряде в неподвижном воздухе было выбрано идентичным давлению в разрядной камере в воздушном потоке. Измерение давления было при этом реализовано при помощи тензометрического датчика, расположенного на середине верхней стенки разрядной секции. Съемка разряда в неподвижном воздухе при помощи видеокамеры показала наличие осцишгяцнй святящегося образования, представленного на рис.3 а. Осцилляции с осью вращения, расположенной в конце анода представляют собой блуждание катодного пятна, что позволяет сделать вывод о частичкой эрозии нижнего электрода и его сопутствующем нагреве. Данная конфигурация разряда состоит исключительно из приэлехтродных областей. Положительный столб не наблюдается. В эмиссионном спектре области свечения разряда в неподвижном воздухе при этом были отмечены интенсивные линии меди с длиной волны Х|=510 нм и Хг=578 нм. Интенсивность данных линий превосходит интенсивность линий, соответствующих
10
излучению иона Ы2+, Н(а) и радикала €N(0,0). Анализ эмиссионного спектра разрядной области в воздушном потоке показал появление линии атомарного кислорода ?ч=777,2 нм, интенсивность которой соответствует средней интенсивности линий меди. Таким образом, появление сноса разрядного канала (рис.3 б) приводит к усилению процессов диссоциации и возрастанию роли положительного столба.
а) б) в)
Рис. 3. Кадры видеосъемки разряда для случая разряда в неподвижном воздухе (а) с экспозицией 20 мкс, разряда в сверхзвуковом потоке воздуха с экспозицией 20 мкс (б) и в сверхзвуковом потоке воздуха с экспозицией 1 с (в). Стрелка - направление потока.
Кадр (а) соответствует более подробному масштабу сравнительно с б) и в).
Данные скоростной видеосъемки позволили заметить существование нескольких фаз разряда: реализация разряда в области межэлектродного зазора (фаза I, рис.3 (а)) и конвективная фаза (фаза II, рис.3 (б)). Наличие первой фазы связано с локальным торможением потока вблизи края катода в связи с наличием косых скачков и нагрева газа. Существование разряда в области пониженной скорости приводит к преобладанию скорости дрейфа заряженных частиц над скоростью сноса В связи с этим разряд сохраняет стабильную фазу. Вторая фаза развития разряда (конвективная фаза), обусловленна нарушением указанного выше условия. Данная фаза обладает отличительной особенностью относительно поперечного разряда постоянного тока в потоке. Присутствие катода приводит к наличию пограничного слоя и как следствие - к созданию циркуляции скорости. Данный эффект создает условия для деформации положительного столба. При этом макроскопическим масштабом деформации является межэлектродное расстояние. Обработка последовательности кадров скоростной видеосъемки позволила определить относительное время существования фаз разряда в воздушном потоке. Был проанализирован квадратный участок изображения, на диагонали которого лежал отрезок, соединяющий заостренные края электродов. Длина отрезка
соответствовала минимальному меяолеюродному расстоянию. Область анализа была ассоциирована с существованием разряда в первой фазе. При помощи программы, написанной на языке Mat lab 7, изображение было переведено в массив, элементами которого являлась яркость пикселей участка в формате RGB. Пример сигналов интенсивности в окне анализа представлен на рис. 4.
I, отн.ед,
I, отн.ед.
3 32 3.4 3.6 2.4 2,6 2.8 3
а) б)
Рис. 4. Сигнал интенсивности свечения в окне анализа Римскими цифрами обозначены фазы разряда, а) Средний разрядный ток 1=19 А. б) Средний разрядный ток 1=7 А.
Обработка сигналов интенсивности свечения в окне анализа при различных токовых режимах позволила констатировать увеличение относительного времени существования разряда в первой фазе при росте среднего тока. Указанная закономерность связана с падением скорости потока в области разрядного канала. Следует отметить, что торможение потока в области существования гаазмы связано не только с нагревом пограничного слоя, но и с объемным нагревом газа источником плазмы
При помощи калиброванной термопары ХА-68, позволяющей измерять температуру в пределе от -50 °С до 1300 °С было проведено исследование температуры в следе за разрядом. Для этого термопара было размещена в начале третьей секции канала (дозвуковая область), за разрядом (Таблица 1), Зависимость максимального значения э.д.с. сигнала термопары в области насыщения от среднего разрядного тока представлена на рис. 5. Тенденция роста температуры в спутном следе газа за разрядом позволяет сделать вывод о том, что определяющую роль в нагреве газа играет ток.
180 170 160 150 М 140
н" 130 1= 120
110
100
90
ео
О 5 10 1S 20
1,А
Рис.5. Зависимость максимального потенциала термопары в зависимости от среднего тока разряда.
Отметим, что деформация и контракция положительного столба в воздушном потоке (рис.3 (б)), обусловлена влиянием конвективных потерь тепла и необходимостью сжатия канала дня сохранения постоянного тока.
Сформулируем два приоритетных фактора, обуславливающих нестационарные свойства разряда. Первый фактор может быть сформулирован как собственная динамическая неустойчивость разрядного канала фазы I. Высокая неоднородность поля вблизи края катода создает возвращающую силу дня подвижных электронов и устойчивое положение равновесия, которое осуществляется в отсутствии потока. Влияние гидродинамических сил инерции, связанных с течением слоев газа приводит к возникновению второго выделенного направления, противоположного первому. Тогда влияние инерционного фактора приводит к конвекции разрядного канала. Взаимное действие двух указанных факторов создает состояние неустойчивости равновесия фазы-1 и фазы-Н. Вторым фактором, обуславливающим нестационарные свойства продольно -поперечного разряда постоянного тока, является вторичный пробой межэлектродного промежутка Как показали данные скоростной видеосъемки, существует два пути пробоя. Первый путь связан с использованием части положительного столба предшественника и приводит к вторичному пробою в идентичной фазе разряда: фазе - II. Второй путь сопряжен с полной рекомбинацией плазмы плазменного канала - предшественника и пробою в минимальном межэлеетродном зазоре, т.е. в фазе - I. Механизм вторичного пробоя, реализованный в данном типе разряда, обусловлен фактором увеличения длины
13
R2 = 0,804а •
положительного столба [2] и сопутствующим ростом напряжения на разряде. В первом случае рост напряжения может привести к достижению пробойного значения и реализации пробоя в фазе - I или фазе - II (с участием части канала предшественника). Средняя частота вторичных пробоев при этом определяется отношением средней напряженности электрического поля в разряде и пробойного электрического поля [2].
/, =2'E'U W
/1ПШ V£o
В приведенном соотношении Е - напряженность электрического поля разряда, и -скорость движения заряженных частиц, Епр — пробойная напряженность электрического поля, являющаяся функцией геометрии электродов, ¿о - межэлектродное расстояние. В цитируемой работе используется предположение о малости скорости дрейфа заряженных частиц относительно скорости потока и наличие фиксированного пространственного масштаба (межэлектролного расстояния). Для условий настоящей работы, отмеченная закономерность не может полностью описать среднюю частоту пульсаций, связанных с разрядом ввиду существования разрядных фаз и флуктуаций потока. Заметим, что в случае вторичного пробоя во второй фазе пробойное напряжение отличается от пробойного напряжения в минимальном межэлектродном зазоре и поэтому указанное соотношение для частоты является нижним пределом. Прямое' использование соотношения для J) может быть реализовано для состояний разряда с преобладанием фазы -1 (низких токов).
Второй механизм, ответственный за возникновение вторичного пробоя - распад плазмы за счет локализации положительного столба в области более низкого электрического поля, например, вне плоскости электродов. На основании принципа размерности, можно выразить среднюю частоту распада /2 через скорость движения заряженных частиц и пространственный масштаб единственным образом:
/2 = const-- (31
I
Здесь и - скорость движения заряженных частиц, L - пространственный масштаб. Верхнее подчеркивание соответствует процедуре усреднения по времени и в дальнейшем будет опущено. Запишем стандартные соотношения для плотности тока разряда [3]:
_ 2.82-10-*.n-U
j = q-n-u = o-Е ---lis W
v-L
В соотношении (3) j - плотность тока, q - заряд компоненты плазмы, п -конце1гтрация заряженных частиц, с - проводимость плазменного канала, U- напряжение разряда, v - эффективная частота столкновений электронов, / - ток, протекающий через плазменный канал, s - сечение плазменного канала. Выразим длину плазменного канала из соотношения (4). Тогда на основании полученной падающей вольт - амперной характеристики линейного типа может быть записано выражение для второй частоты:
. . (y(p)-e-Z)-u2
Г, = const • ----(5)
Выразив длину плазменного канала в соотношении (2) можно записать конечное выражение для частоты (6), в котором const' и const - безразмерные константы. Преобладание одного из факторов гибели плазменного канала является ограничивающим в рассматриваемой системе.
/ = max
( . {у(р) е-2)-иг t е-у(р)-игЛ const -■i-ii-i---, const--—-
(6)
Как видно из соотношения, в пределе высоких токов, определяющим становится эффект распада плазменного канала, определяемый частотой В настоящей работе было исследовано влияние среднего разрядного тока на максимальную частоту пульсаций. Для этого в начале третьей секции канала была расположена трубка Пито (см. Таблица 1). Полученный сигнал статического давления был обработан при помощи быстрого преобразования Фурье и- получена зависимость частоты максимальной гармоники пульсаций от тока разряда Данная зависимость представлена на рис. 6. На основании представленной тенденции и соотношений (2), (5) можно сделать следующий вывод. В диапазоне применяемых электрических параметров разряда, определяющим фактором нестационарных свойств разряда являются силы инерции, связанные с движением потока газа и определяющие скорость натекающего потока
Определим влияние нестационарных свойств разряда на хаотический параметр течения в спутном следе разряда. В качестве меры изменения хаотических свойств потока введем прирост метрической энтропии Д5. Т.к. энтропия характеризует фазовый объем системы, то ее рост обуславливает появление дополнительных пространственных и соответствующих им временных масштабов слабого возмущения.
600 500 400 i 300 5 200 100 о
0 5 10 15 20
Рис. 6. Зависимость максимальной частоты пульсаций статического давления в следе за разрядом от среднего тока разряда
Тогда анализ временного хода характеризующей поток величины может позволить
определить рост энтропии в определенном диапазоне временных масштабов, или
частичную энтропию. При этом соотношение для частичной энтропии может быть
выражено следующим образом [4]:
5 = Нт(Д"°) В = \ЦНЩ&))) (7)
р ^ Л->°\ - 1п(Д)) )
Здесь - частичная энтропия, й - обобщенная размерность фазового пространства, N -число элементов с временным масштабом Д, покрывающих данное пространство. Процедура, позволяющая по временному ходу заданной величины определить число временных масштабов, была предложена Х.Харстом [5]. Здесь - частичная эшропия, О - обобщенная размерность фазового пространства, N - число элементов с временным масштабом Д, покрывающих данное пространство. Процедура, позволяющая по временному ходу заданной величины определить число временных масштабов, была предложена Х.Харстом [5] и получила название КБ анализа временного сигнала Изложим расширенный алгоритм ЛЗ анализа Харста на примере временного ряда Ху:
1). Составление переменного ряда объемом //„,„ из начального временного ряда.
2). Составление кумулятивного ряда Х,м = XI., ~ А/.у), где е„ - член переменного
ряда, Мц - среднее ряда, N принимает значения от Лг„„ до максимального значения, * принимает значения от 1 до ЛЧ. 3). Определение размаха переменного ряда й=шах(Х:,ц) -тт(Х/д). 4). Определение стандартного отклонения ряда Я=т2х(Х1ц) - пип(А7Л).; 5). Построение зависимости 1п(И'5) от 1п(Ы). 6). Определение показателя Харста как
Я: = 0,7677 «Н
Л)
---
»4
тангенса утла наклона данной зависимости. 7). Определение обобщенной размерности фазового пространства. 8). Определение частичной энтропии^.
Итогом процедуры № анализа Харста является показатель Харста Я, характеризующий изменение статистических свойств ряда Хц в зависимости от масштаба времени. При этом обобщенная размерность й связана с показателем Харста соотношением й=2-Н.
В настоящей работе в качестве характеристического параметра было выбрано статического давление, измеряемое одним из датчиков трубки Пито. Местоположение трубки было выбрано в начале третей секции (см. Таблицу 1) на оси сечения экспериментального канала. На рис.7 представлена зависимость частичной эшропии потока от среднего тока разряда. Квадратами обозначены режимы разряда, соответствующие одинаковым электрическим мощностям, вкладываемым в разряд Тенденция, представленная на рис. 7, позволяет сделать следующий вывод: увеличение среднего разрядного тока приводит к усилению хаотических свойств потока и приближает достижение турбулентности. При этом из двух эквивалентных с точки зрения вкладываемой мощности режимов может быть выбран режим, соответствующий максимальному перемешиванию слоев воздуха в исследуемом диапазоне пространственных масштабов.
10 о
8
6
4
1
О 5 10 15 20
Рис. 7. Зависимость приведенного приращения частичной энтропии в следе за разрядом от среднего тока разряда. За масштаб принята энтропия невозмущенного потока.
в/Бз
X
К:=0,5841 _ .3 /
____ . У
/
I» А
В четвертой главе настоящей работы приведено исследование влияния инжекции пропана на нестационарные свойства продольно - поперечного разряда. Показана связь между средними параметрами разряда и перемешиванием воздушно - пропановой натекающей смеси. Влияние добавления пропана в воздушный поток может проявляться в результате следующих процессов: газодинамическое влияние, влияние пропана на скорость элементарных процессов в плазме и его влияние на параметры химических реакций, протекающих вне плазменной среды. Газодинамическое влияние сводится к изменению средних безразмерных характеристик потока и амплитуды его возмущений без присутствия разряда. Инжекция струи пропана в область воздушного потока приводит к возникновению дополнительного возмущения и росту осцилляции газодинамических параметров. При помощи трубки Пето - Прашггля, размещенной в конце второй секции, были определены статическое и полное давление. На основании сигналов, усредненных по времени 7Ю,2 с были получены стандартные отклонения. При добавлении пропана в поток обнаружен рост стандартного отклонения статического давления в <5,г=1.5 раз и полного давления в ¿/=22,9 для стандартной схемы инжекции, рассмотренной во второй главе. Измерения проводились без включения разряда, что позволило сделать вывод об интенсификации возмущений, связанных непосредственно с инжекцией пропана Усиление неустойчивосгей штока в условиях его неоднородности приводит к возрастающим осцилляциям относительной молярной концентрации пропана, воздуха и, как следствие, к изменению пробойных свойств в области электродов.
Изучение данных скоростной видеосъемки показало, что при инжекции пропана качественно сохраняются все нестационарные свойства разряда в воздушном потоке: существование двух фаз разряда и двух путей вторичного пробоя. При этом было зафиксировано новое свойство, связанное с неоднородностью состава потока. Обнаружено, что путь вторичного пробоя не соответствует минимальному пути между частью разрядного канала - предшественника и катодом как в случае воздушного течения. Вместо этого вторичный пробой реализуется по криволинейной трехмерной траектории (рис. 8). Был выполнен анализ кадров видеосъемки при помощи алгоритма, идентичного тому, что рассмотрен в Главе 3. Было проведено суммирование яркости всех пикселей для
Структура этого соотношения соответствует структуре стандартного отклонения, в
каждого кадра из анализируемого окна и определена величина
котором вместо среднего значения интенсивности взято его минимальное значение Величина а может быть выбрана в качестве меры существования плазменного канала в первой фазе, для которой интенсивность свечения в анализируемой области выше. Зависимость <т от среднего тока разряда представлена на рис. 9. Величин? <т представлена в относительных единицах.
Рис. 8. Вторичный пробой. Два последовательных кадра скоростной видеосъемки,
выполненные с экспозицией 20 мкс. Вторичный пробой с переходом в фазу - II. Овалом обозначена сохраняющаяся часть плазменного канала - предшественника.
Зависимость, представленная на рисунке, позволяет сделать вывод о том, что рост разрядного тока приводит к повышению времени пребывания разряда в первой фазе. Заметим, что данная тенденция была изложена в Главе 3. Таким образом, данный эффект не связан с неоднородностью состава потока, а является следствием нагрева и торможения потока, натекающего на область разряда. При помощи методики, идентичной той, что изложена в Главе 3 была обнаружена тенденция роста температуры в следе за разрядом. Графическая зависимость, соответствующая данным измерениям представлена на рис. 10. Полученные результаты позволяют подтвердить вывод, сделанный ранее, а именно усиление гидродинамического сопротивления разряда при увеличении среднего тока. При помощи трубки Пито было зафиксировано дозвуковое течения в области термопары, что позволяет не учитывать при расчетах влияние косых скачков на измерение температуры.
Для определения влияния нестационарных свойств разряда на перемешивание натекающего потока топливно-воздушной смеси был использован алгоритм № анализа сигнала статического давления трубки Пито. Для минимизации влияния плазменных реакций трубка Пито была расположена в конце первой секции канала, перед разрядной областью.
u 1 0.8 0.6 0,4 0.2 0
0 5 10 15 20
J,A
Рис. 9. Зависимость меры присутствия разряда в фазе -1 от среднего тока разряда.
joj; RJ=0,9095
450 '
400
350
300
250
200
150
100
50
0
5 7 9 И 13 15 17 19
I.A
Рис. 10. Зависимость меры присутствия разряда в фазе -1 от среднего тока разряда
Обработка сигналов статического давления позволила получить ряд значений метрической энтропии от токовых режимов (рис. 11).
На приведенной зависимости максимальный ток выделен треугольником. Отметим, что дм режима максимального тока не выполняется условие линейности флукгуаций, поэтому соответствие между пространственными и временными масштабами не может
R:=0,9366
♦ у/ ♦
быть выполнено. Для первых трех токовых режимов зафиксировано усиление перемешивания натекающей смеси при росте разрядного тока. Рассмотрим более подробно режим максимального тока. Сигнал датчика давления, соответствующий ему приведен на рис.12.
350 300 250 200 150 100 50 0
О 5 10 15 20
I, А
Рис. II. Зависимость приведенной частичной энтропии от среднего тока разряда.
Треугольник - режим, соответствующий максимальному току.
В качестве масштаба выбрана энтропия невозмущенного разрядом потока.
Римскими цифрами на рисунке отмечены стадии возмущения давления, где I - область, соответствующая неподвижному воздуху, II - область невозмущенного разрядом течении, III - область линейного возмущения плазмой, IV - область сильного возмущении. Существование последней области определяется началом экзотермических реакций, индуцированных плазмой (плазменное воспламенение). Время существования каждой из стадий соответствует Тц=0.1 с, 7}//=0.2 с, 7>г=0.65 с. Отметим, что величина обратная времени существования каждой из стадий меньше максимальной частоты макроскопических пульсаций. При этом на основании рис. 11 можно сделать вывод о влиянии разряда, существующего з режиме максимального тока на свойства натекающего потока. Как показывает закономерность, представленная на данном рисунке, число элементарных масштабов возмущений (степеней свободы) сокращается, т.е. поток поступающей в область разряда воздушно - пропановой смеси приближается к ламинарному состоянию - стабилизируется. При этом частичная энтропия падает до значения ЛВД=10.55. меньшего значения AS/So=22.56, соответствующего минимальному разрядному току /=5.44 А
S/S.
• R2= 0.9416
i
1 7
1 /
1 /
Jf
О....... л •! i Ä
Р, Бар
• ; ; 1 : ...... .........:........г ...............f...... : . : . . С" .
> 1 1 I —1-jj п ш IV 1 1 1 1 , « . 1 1 | 1 « . t,S Ц—-р—
0.5 0,75 1 1,25 1,5
Рис. 12. Сигнал датчика статического давления трубки Пито - Прандтля, расположенной в конце первой секции канала. Средний ток 7=15.6 А.
Для создания условий, являющихся более нестабильными с точки зрения плазменного воспламенения, разрядный узел был помещен в первую секцию канала. Изменения продольной координаты электродов позволило усилить влияние обратного течения, дестабилизирующего поток и неоднородности состава смеси. В середине верхней стенки разрядной камеры было измерено статическое давление. Пример сигнала давления представлен на рис. 13. Рассчитано отношение К совокупного времени стадии воспламенения II к длительности разряда. Данная величина может быть интерпретирована как стабильность воспламенения.
Рис.13. Сигнал датчика статического давления датчика, расположенного в середине верхней стенки разрядной секции. II - плазменное воспламенение, I - режим нормального взаимодействия разряда с потоком.
к
Рис.14. Зависимость коэффициента стабильности плазменного восмаменения от среднего разрядного тока.
Зависимость стабильности от разрядного тока представлено на рис.14 Диаграмма иллюстрирует наличие двух предельных режимов, в области между которыми зафиксирован рост стабильности плазменного воспламенения от среднего тока разряда.
В пятой главе диссертации приведены результаты исследования взаимодействия плазмы импульсного эрозионного плазмотрона с натекающим воздушно - пропгновым потоком в экспериментальном канале типа ЭУ2. Схема конструкции и питания плазматрсна, представлена на рис. 15. Напряжение источника питания составляло 3,5 кВ, емкость накопительного конденсатора (С) была 50 цФ. Квазипериод разрядного тока плазмотрона, определенный при помощи пояса Роговского составлял Г=50 мкс при полном времени выделения энергии 0=100 мкс. Схема размещения плазмотрона 6 канале представлена на рис. 15 б. Плазменная струя, созданная плазмотроном, распространялась навстречу потоку. Угол между осью симметрии плазматрона и направлением потоком составлял 30°. Интегральные фотографии распространения плазменной струи в первой секции канала, полученные с различной экспозицией, позволили определить динамические параметры области свечения плазмы (рис. 16 а). Предполагается, что пространственный профиль концентрации возбужденных частиц остается неизменным.
Свечение плазменной струи достигало верхней стенки первой секции канала через =100 мкс после начала разряда, после чего начиналось торможение и активное взаимодействие плазмы с потоком.
а) б)
Рис. 15. а) Электрическая схема разряда. 1 -анод, 2 - диэлектрик, 3 - медная шайба, 4 -катод, 5 - источник питания (ИП) постоянного тока, б - разрядник, б) Схема размещения разряда в потоке. 1 -плазматрон, 2 - ось симметрии, 3 - зона циркуляции, 4 - ступень. Размеры указаны в миллиметрах.
I. МКС
V, М'С 6300 5000 4000 3000 2000 1030 О -1000
Рис.16, а) Фотография плазменной струи в первой секции канала, выполненная с экспозицией 45 мкс. б) Зависимость скорости передней границы плазмы (сплошная линия) и максимальной ширины плазмы (треугольники от времени).
Анализ интегральных фотографий позволил построить зависимость проекции скорости передней границы плазмы на ось плазматропа от времени (рис. 16 а, сплошная линия). Максимальная скорость оказывается равной К=3,1 км/с и соответствует времени /=20 мкс. Скорость боковой границы достигает при этом К=5 км/с и имеет максимум в тот же момент времени.
Показанные на рисунке 16 б экспериментальные точки, обозначенные как треугольники, соответствуют максимальной ширине плазмы. Как видно из диаграммы процесс расширения завершается в момент времени /=30 мкс, после чего начинается компрессия плазменного формирования потоком и его дальнейший конвективный снос.
На рис. 17 показаны сигналы с датчиков давления при импульсном разряде в пропан -воздушной смеси. В этом случае регистрируются сигналы давления, связанные с распространением плазменного образования (I и О). В определенный момент времени датчики регистрируют резкое возрастание давления в канале. При этом импульс повышенного давления распространяется как по потоку (положительное направление), так и против потока (отрицательное направление, прямая 111 на рис. 17-6).
а) б)
Рис. 17, Сигналы с датчиков давления при импульсном разряде в потоке топливной смеси, а - в панорамном, б - в подробном временных масштабах. Плазматрок расположен в области датчика № ! 5, датчики с номерами меньше ! 5 расположены против потока, а с номерами больше 15 - по потоку.
Резкое возрастание давления можно связать с повышением температуры в канале при инициации экзотермических реакций на границе плазмы, т.е. плазменного воспламенения.
На рис. 18 а, приведен временной ход сигналов датчиков давления, установленных в различных секциях какала в середине верхней стенки. Амплитуда сигналов выражена в условных единицах давления. Скачки давления сопровождаются возмущениями плотности. Для анализа данных возмущений были проведены рефракционные измерения в 4-ой секции канала (луч лазер проходил через центр симметрии прямоугольного иллюминатора), а также измерения, выполненные при помощи фотоумножителя (ФЭУ). На рис. рис. 18 б. и рис.18 в. представлены сигналы с рефракционного датчика и с ФЭУ, соответственно.
а) б) в)
Рис. 18. а) Сигнал возмущения давления в четырех секциях канала; б) Пример сигнала возмущения плотности, полученного рефракционным методом; в) Пример сигнала ФЭУ, расположенного перед иллюминатором четвертой секции канала. Прямоугольниками выделены области неоднородности плотности и яркости.
Сравнение трех диаграмм рис. 18 позволяет сделать вывод о том, что по направлению первоначального потока топливной смеси распространяется плазменная область, на границе которой происходит плазменное воспламенение воздушно -пропановой смеси. Анализ динамики импульса давления, вызванного распространением плазмы, показывает, что амплитуда импульса не является затухающей только в присутствии пропана, при этом средняя продольная скорость распространения возмущения I (рис. 17 б) в четырех секциях канала составляет 681 м/с.
При помощи трубки Пито - Прандтля было определено число Маха перед фронтом возмущения давления I. Трубка была расположена на оси симметрии цилиндрического переходного фланца, подключенного к камере низкого давления. Было, получено, что скачок давления распространяется с дозвуковой скоростью, М/=0,54. Усреднение сигнала было проведено за 1 секунду. Статистическая ошибка определения числа Маха составляла ¿М=0,1. На основании полученных параметров можно сделать вывод о том, что по направлению потока распространяется дозвуковая волна давления, интенсивность которой определяется сопутствующим фронтом реакции плазменного воспламенения.
В заключение работы сформулированы основные результаты диссертации:
1. Исследование взаимодействия продольно - поперечного разряда постоянного тока со сверхзвуковым воздушным потоком позволило определить нестационарные свойства разряда при различных режимах его существования. Обнаружены две фазы существования разряда: фаза реализации разряда в области межэлектродного зазора и конвективная фаза, при которой осуществляется перемещение и деформация контрагированного плазменного канала. Наличие первой фазы связано с локальным торможением потока вблизи катода за счет теплового нагрева его пограничного слоя, а также за счет висячих скачков уплотнении Наличие второй фазы обусловлено доминированием сноса газа в потоке над удерживающим неоднородным полем электродов. Нестационарные свойства второй фазы разряда обусловлены влиянием течения и собственной контракцией плазменного канала
2. Выделены несколько типов вторичного пробоя разряда в условиях натекающего течения: пробой, связанный с увеличением длины шшменного канала и пробой, обусловленный локализацией плазменного каната в области пониженного приведенного поля. Определена связь между основной частотой вторичных пробоев и параметрами разряда
3. Обнаружено, что рост среднего разрядного тока приводит к усилению хаотических свойств разрядного следа и рос1у основной частоты газодинамических пульсаций. Показана связь между нестационарными свойствами разряда и потока.
4. Исследование взаимодействия продольно - поперечного разряда постоянного тока со сверхзвуковым воздушно - пропансвым потоком позволило определить дополнительные нестационарные свойства разряда при различных режимах его существования. Определено, что инжекция пропана приводит к возбуждению возмущений в воздушном потоке без присутствия разряда. Взаимодействие неоднородной смеси с продольно -поперечным неустойчивым разрядом показало изменение условий вторичного пробоя разряда, который реализуется по трехмерной траектории, обусловленной локальным составом смеси.
5. Определено, что при росте среднего разрядного тока наблюдается усиление торможения натекающего потока и доминирование первой фазы разряда. Основная
27
частота пульсаций давления, связанных с влиянием нестационарных свойств разряда растет с ростом среднего разрядного тока. При этом зафиксирована оптимизация перемешивания натекающей воздушно - пропановой смеси.
6. Обнаружено плазменной воспламенение в воздушно - пропановом потоке при максимальном разрядном токе. Зафиксировано, что область воспламенения стабилизирует натекающее течение и режим существования разряда. Зафиксировано повышение стабилизации плазменного воспламенения при увеличении среднего разрядного тока.
7. Исследование взаимодействия плазмодинамичсского импульсного разряда с натекающей воздушно - пропановой смесью позволило определить две стадии распространения разряда: стадия, при которой разряд не испытывает существенного влияния со стороны потока и стадия переноса плазменного следа. Зафиксировано плазменное воспламенение на границе плазмы, которое существует в течении всего времени сноса плазменного образования потоком.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Г. Я Абрамович. Прикладная газовая динамика//Наука, 1976.
2. Ершов A.R, Колесников Е. Б., Тимофеев И. Б., Черников В. А, Чувашев С. Я, Шибкое В. М., Плазмодинамические разряды в поперечных сверхзвуковых потоках воздуха//ТВТ, Т.44., №4, 2006.
3. Райзер Ю.П., Физика газового разряда//Наука, 1992.
A.B. Бутаков, А. Грановский, Оценка уровня стохастичности временных рядов
произвольного происхождения при помощи показателя Xepcra//Computcr modeling
and new technologies, Vol.9, No.2,2005.
5.Г. M. Заславский, P. 3. Сагдеев, Введение в нелинейную физику//Наука, 1988.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.
1. V.Chernikov, E.Kolemikov, S.Kamenshchikov, Explosive combustion, initiated by plasmodynamic discharge in propane - air mixture//43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, USA, Orlando, 2010.
28
2. А.П. Ершов, С.А. Каменщиков, Е.Б. Колесников, A.A. Логунов, A.A. Фирсов, В.А. Черников, Измерение скорости потока с помощью поперечного разряда//Вестних МГУ. Серия 3. Физика, Астрономия, № 3,2008.
3. А.Ф. Александров, А.П. Ершов, С.А. Каменщиков, A.A. Логунов, В.А. Черников, Воспламенение сверхзвуковой пропан-воздущной смеси с использованием импульсной плазмы//Вестник МГУ. Серия 3. Физика, Астрономия, Лг» 2,2008.
4. А.П. Ершов, С.А. Каменщиков, Е.Б. Колесников, A.A. Логунов, A.A. Фирсов, В.А. Черников, О возможности измерения скорости потока с помощью маломощного импульсно-периодическото разряда'/Изв РАН. Механика жидкости и газа, № 4, 2008.
5. А. П. Ершов, С. А. Каменщиков, А. А. Логунов, В. А. Черников, Инициация горения сверхзвукового пропан - воздушного потока разрядом магнитоплазменного компрессора/ЯВТ, том 47, № 6,2009.
6. А. П. Ершов, С. А. Каменщиков, А. А. Логунов, В. А. Черников, Воспламенение высокоскоростного воздушно-пропанового потока, инициируемое продольно-поперечным разрядом постоянного тока//ТВТ, том 47, № 6, 2009.
7. Афонина Н.Е., Громов В.Г., Ершов А.П., Каменщиков С.А., Черников В.А., Воспламенение высокоскоростного воздушно-пропанового потока, инициируемое разрядом постоянного тока: эксперимент и численное моделирование // Нелинейный мир, № 11, 2009.
Подписано в печать:
08.04.2011
Заказ № 5350 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru
Введение.
Глава 1. Обзор литературы.
§1.1. Пробой газа в потоке воздуха.
§ 1.2. Взаимодействие плазмы импульсного разряда с потоком.
§1.3. Плазменное перемешивание неоднородной смеси.
§ 1.4. Ударно - волновые структуры плазменных образований.
§ 1.5. Влияние плазмы на пограничный слой нестационарного потока.
§1.6 Основные закономерности химических реакций горения.
§1.7 Тепловой механизм воспламенения при помощи плазмы.
§ 1.8. Цепной механизм воспламенения при помощи плазмы.
§ 1.9. Детонационный механизм воспламенения топливной смеси.
§ 1.10. Методики плазменной стабилизации пламени.
Глава 2. Описание установки и определение параметров течения.
§2.1 Схема экспериментальной установки.
§ 2.2 Система подачи пропана в канал.
§ 2.3. Система синхронизации.
§ 2.4. Диагностические методы.
§ 2.5. Определение параметров течения без включения источников плазмы.
Глава 3. Нестационарные свойства продольно — поперечного разряда в воздушном потоке. Влияние на хаотические свойства потока.
§3.1 Структура разряда и стадии его существования.
§3.2 Динамическая неустойчивость разряда. Вторичный пробой.
§3.3 Влияние параметров разряда на хаотические свойства течения.
Глава 4. Нестационарные свойства продольно — поперечного разряда в воздушно - пропановом потоке. Плазменное воспламенение.
§4.1 Влияние пропана на структуру разряда и его нестационарные свойства
§4.2 Влияние средних параметров разряда на его нестационарные свойства потока воздушно - пропановой смеси.
Глава 5. Взаимодействие плазмодинамического импульсного разряда с воздушно - пропановым потоком.
Основные результаты.
Плазменная аэродинамика - междисциплинарная область научных исследований, интерес к которой возник в связи с применением источников плазмы для решения ряда прикладных и фундаментальных задач. Большинство проблем, которые исследуются на данное время, может быть разделено на несколько групп: возможность использования плазмы для модификации свойств потока в окрестности летательного аппарата (JIA) и внутри его камеры сгорания, применение плазмы для оптимизации воспламенения высокоскоростной топливно-воздушной смеси в камере сгорания, а также для модификации экологических параметров продуктов сгорания.
Развитие заинтересованности к исследованиям в области плазменной аэродинамики привело к тому, что, начиная с 1999 года, проходят международные конференции, посвященные данной тематике. Ежегодно в Москве проводится "Совещание по магнитно-плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях", а с 1997 г. в США ежегодно проводится семинар Weakly Ionized Gas Workshop в рамках одной из конференций по аэрокосмическим приложениям, организованной AIAA (American Institute of Aerospace and Aeronautics).
Для изучения взаимодействия плазмы со сверхзвуковой топливной смесью в настоящее время применяют разряды постоянного тока, импульсные, ВЧ и СВЧ разряды, а также комбинированные типы разрядов. Экспериментальные и теоретические работы в этом направлении ведутся в научно-исследовательских и учебных институтах, таких как Институт высоких температур РАН, Институт общей физики РАН, Московский Радиотехнический Институт РАН, ЦАГИ, ЦИАМ, Московский Государственный университет и другие.
Настоящая работа преследовала цель изучения взаимодействия плазмы с воздушным потоком и потоком воздушно - пропановой смеси при использовании плазменных источников двух типов: импульсного источника и источника постоянного тока. В качестве основных целей работы необходимо выделить следующие:
• Определение нестационарных свойств разряда в присутствии воздушно -пропанового и воздушного течения.
• Определение влияния нестационарных свойств разряда на спектральные и хаотические характеристики натекающего течения.
• Достижение оптимального перемешивания натекающей топливно-воздушной смеси в условиях исследованных режимов существования разряда.
• Достижение плазменного воспламенения в условиях натекающего воздушно пропанового надкритического (М >1) потока. Определение влияния нестационарных свойств разряда на инициирование плазменного воспламенения.
Все полученные результаты являются новыми, основная их часть получена автором самостоятельно. Научная новизна работы состоит в следующем:
• Определены нестационарные свойства продольно - поперечного разряда постоянного тока в условиях натекающего сверхзвукового потока воздушно
- пропановой смеси. Показано существование двух фаз разряда и обнаружена динамическая неустойчивость первой фазы. Определен механизм неустойчивости. Объяснено влияние средних характеристик разряда на его структуру и основную частоту пульсаций плазменного канала.
• Выяснено влияние неустойчивого продольно - поперечного разряда на усиление хаотических свойств течения за областью разряда. Установлена связь между средними характеристиками разряда и спектральными свойствами течения.
• Разработан метод определения оптимальности частичного перемешивания топлива и окислителя при помощи нестационарного продольно -поперечного разряда. В условиях исследованных режимов существования разряда достигнуто оптимальное частичное перемешивание натекающего воздушно - пропанового потока.
• Реализовано плазменное воспламенение потока при помощи неустойчивого продольно - поперечного и плазмодинамического разрядов. Показано влияние средних характеристик разряда на оптимальность воспламенения.
Полученные в работе результаты могут быть использованы для оптимизации камер сгорания, работающих в условиях сверхзвукового воздушного потока. Закономерности, полученные в работе, могут быть также использованы для улучшения характеристик существующих лабораторных установок, созданных для исследования взаимодействия разрядов с топливно-воздушным потоком. Результаты, определяющие влияние нестационарных свойств разряда на хаотические параметры течения, могут быть сопоставлены с теоретическими исследованиями в области турбулентных течений.
1. S. Leonov, V. Bityurin, К. Savelkin, D. Yarantsev, "Progress in 1.vestigation for Plasma Control of Duct-Driven Flows." AIAA-2003-0699 41th AIAA Aerospace Meeting and Exhibit, 6-10 January, Reno, NV//2003.
2. Алферов В.И., Бушмин A.C., Электрический разряд в сверхзвуковом потоке воздуха, ЖЭТФ.Т.44. №.6. С.1775//1963.
3. Грачев Л.П., Грицов H.H., Мишин Г.И. и др., Поперечный разряд в сверхзвуковой струе воздуха, ЖТФ, Т.61, Вып.9, С.185-188//1991.
4. Ершов А.П., Сурконт О.С., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Шибкое В.М., Поперечные электрические разряды в сверхзвуковых потоках воздуха. Пространственно-временная структура и вольт амперные характеристики разряда //ТВТ. - 2004. Т.42. №5. - С. 699-705.
5. D. Poona, T. Simonb, U. Kortshagenc and D. Ernied, Experimental Studies of Plasma Actuator Performance for Separation Control, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
6. V. Shibkov, A. Aleksandrov, L. Shibkova, A. Karachev, and R. Konstantinovskij, Internal and External Ignition under Condition of Combined Discharge, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
7. Viacheslav A. Vinogradov, Yurii M. Shikhman, Igor A. Kossiy, Sergey I. Gritsinin, Alexey M. Davidov, Effect of input energy level on ignition performance of mw surface discharge spark plug, 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition.//2009.
8. Wenting Sun, Timothy Ombrello,Mruthunjay a Uddi,Sang Hee Won, Yiguang Ju, Effects of non-equilibrium plasma on counterflow diffusion flames, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
9. S.G. Kerkemeier, C.E. Frouzakis, K. Boulouchos. Numerical simulation of auto ignition of adiluted hydrogen jet in co-owing turbulent hot air, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
10. Y. Isaenkov, A. Firsov, D. Yarantsev, High-Power Filamentary Pulse Discharge in Supersonic Flow, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
11. M. Kearney-Fischer and M. Samimy, Noise Control of a High Reynolds Number Mach 1.3 Heated Jet Using Plasma Actuators, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
12. W. Kim, H. Do, M. A. Cappelli and M. G. Mungal, Plasma Assisted Flame Holding in Subsonic and Supersonic Flows, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
13. S.B. Leonov, A.A.Firsov, D.A.Yarantsev, Active steering of shock waves in compression ramp by nonuniform plasma, //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
14. A. Savarovsky, A. Kuranov, S. Kolosenok, V. Suhomlinov, Evaluation of gasdynamic and electrodynamic properties of nonequilibrium plasma of Shockwave, //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
15. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П., Физика ударных волн и высокотемпературные явления, Москва, 1966.
16. O. Iida and Y. Nagano, The Relaminarization Mechanisms of Turbulent Channel Flow at Low Reynolds Numbers, //Flow, Turbulence and Combustion, p.193-213, 1998.
17. David Opaits, Matthew Edwards, Sohail Zaidi, Mikhail Shneider, e.t.c., Surface plasma induced wall jets, //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
18. Glauert M.B., Wall jet, Fluid Mechanics.//! 956.
19. Frank Kamenetzki D.A., Stoff- und Warmeubertragung in der chemischen Kinetik. Ubers, aus dem Russischen, Berlin - Gottingen - Heidelberg: Springer.//1959.
20. Я.Б.Зельдович,Г.И.Баренблатт, В.Б.Либрович, Г.М.Махвиладзе, Математическая теория горения и взрыва, Наука.//1980.
21. Esakov I.I., Grachev L.P., Khodataev K.V., Van Wie D.M. Experiments on propane ignition in high-speed airflow using a deeply undercritical microwave discharge. //42rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.
22. Vinogradov V.A., Alexandrov A.F., Timofeev LB., Esakov II The effects of plasma formations on ignition and combustion. //42rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.
23. Esakov I.I., Grachev L.P., Khodataev К. V, Van Wie D.M. Efficiency of microwave discharges for propane ignition in cold high-speed airflows. //43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (10-13 January 2005, Reno, Nevada).
24. Esakov LI, Grachev L.P., Bychkov V.L., Van Wie D. Investigation of undercritical MW discharge with volumetrically developed streamer structure in propane-air supersonic stream. //44rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.
25. Esakov LI., Grachev L.P., Khodataev K. V., Vinogradov V.A. and Van Wie David M. Combustion efficiency in deeply undercritical MW discharge area in cold high-speed airflow. //44rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.
26. Esakov I. I., Grachev Lev P., Khodataev К. V, Vinogradov V.A., and Van Wie David M. Propane-Air Mixture Combustion Assisted by MW Discharge in a Speedy Airflow. /ЛЕЕЕ transactions on plasma science 2006.
27. Ainan Bao, Guofeng Lou, Munetake Nishihara, Igor V Adamovich "On the Mechanism of Ignition of Premixed СО-Air and Hydrocarbon-Air Flows by Nonequilibrium RF Plasma", 43rd AIAA Aerospace Meeting and Exhibit, 10-13 January, Reno, NV// 2005.
28. А. Напартович, И. Кочетов, С. Леонов, "Изучение динамики воспламенения воздушно водородной смеси при помощи неравновесного разряда в высокоскоростном потоке газа", ТВТ, №. 5, 2005, р.667.
29. Yu. S. Akishev, A. A. Deryugin, I. V. Kochetov, А. P. Napartovich, and N. I. Trushkin, J. Phys. D.: Appl. Phys., 26,1630, 1993.
30. A. Starikovskii "Plasma Supported Combustion", invited lecture for 30th International Symposium on Combustion, Proceedings of the Combustion Institute, Chicago, 2004. Invited Lecture. P 326.
31. J. Liu, F. Wang, L. Lee, N. Theiss, P. Ronney, M. Gundersen, "Effect of Discharge Energy and Cavity Geometry on Flame Ignition by Transient Plasma", AIAA-2004-1011, 42nd AIAA Aerospace Meeting and Exhibit, 5-8 January, Reno, NV, 2004.
32. I.A.Kossiy, S.I.Gritzinin and others. Microwave torch as tool for an airflow chemical transformation, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2007.
33. T. Abdel-Salam, G.Micklow. Numerical Investigation of the Effect of the Inlet Conditions on Supersonic Mixing and Combustion, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2008.
34. Charles Cathey, Jeremy Cain, Hai Wang, and Martin A. Gundersen. Transient plasma induced production of OH and its effects on ignition in atmospheric CH4-Air quiescent mixtures, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2008.
35. S. Leonov, Yarantsev, A. Napartovich and I. Kochetov, "Plasma-Assisted Ignition and Flameholding in High-Speed Flow", 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, Jan. 9-12, 2006, AIAA-2006-0563.
36. S. Leonov, D. Yarantsev, M. Starodubtsev, C. Carter. "Mechanisms of Fuel Ignition by Electrical Discharge in High-Speed Flow", 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2006.N
37. Александров А.Ф., Ершов А.П., Каменщиков C.A. и др. «Воспламенение сверхзвуковой пропан-воздушной смеси с использованием импульсной плазмы». Вестник МГУ. Серия 3. Физика, Астрономия, № 2, С. 63-65, 2008.
38. Ершов А. П., Каменщиков С. А., Логунов А. А., Черников В. А. «Инициация горения сверхзвукового пропан-воздушного потока разрядом магнитоплазменного компрессора». ТВТ, том 47, №> 6, С. 822-829, 2009.
39. Константиновский Р.С., Шибкое В.М., Шибкова JI.B. Влияние газового разряда на воспламенение водородно-кислородной смеси. //Кинетика и катализ, 2005, т.46, № 6, с. 821-834.
40. Александров А.Ф., Шибкое В.М., Шибкова JI.B. Воспламенение углеводородных пленок в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда. //Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2008, № 6, с. 65-67.
41. Бережецкая Н.К., Грицинин С.И., Копъев В.А., Коссый H.A., Van Wie D. Долгоживущий плазмоид, созданный поверхностным микроволновым разрядом в химически активных газах. // Физика плазмы, 2005. Т.ЗЗ. №110. С.943.
42. Kossyi I., Berezhetskaya N., Gritsinin S., Kop'ev V, Silakov V, Tarasova N. Long-lived plasmoids as initiators of combustion in gas mixtures // AIAA-2004-0836.
43. Kossyi LA. Abnormal long-lived plasmoids produced by surface microwave discharge or surface laser spark in a combustible gas mixture // AIAA-2006, 1213.
44. Vinogradov V, Shikhman Yu., Gritsinin S., Davidov A., Knyazev V, Kossyi L. Application of MW plasma generator foe ignition of hydrocarbon/air mixture. //AIAA-2007-1384.
45. Esakov L., Grachev L., Khodataev K, Van. Wie D. Experiments on propane ignition in high-speed airflow using a deeply undercritical microwave discharge // AIAA-2004-0840.
46. Esakov L, Grachev L. and Khodataev K Efficiency of Microwave Discharges for Propane Ignition in Cold High-Speed Airflows 11AIAA. 2005. 989.
47. Khodataev K V. Various types of initiators for attached undercritical MW discharge ignition // AIAA-2007-0431.
48. Khodataev K. V. Standing sub-compressed detonation wave in hypersonic combustible mix flow sustained by undercritical microwave discharge 11AIAA-2007-1026.
49. Valentin A. Bityurin, Aleksey N. Bocharov, Direct Current Discharge in Supersonic Flow, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2008.
50. Фомин В.М., Лебедев А.В., Иванченко А.И. и др. Сверхзвуковые течения с применением продольного тлеющего разряда. III Международная конференция по магнитоплазменной аэродинамики в авиационных и космических приложения. Москва, ИВТАН, 2001, стр. 66-72.
51. Kimura I., Aoki Н., Kato М. The use of a plasma jet for flame stabilization and promotion of combustion in supersonic air flows, Combustion and Flame. V. 42 № 3. 1981, pp 297-305.
52. Bityurin V., Leonov S., Yarantsev D., VanWie D. Hydrocarbon Fuel Ignition by Electric Discharge in High-Speed Flow // Proc. 4th Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics for Aerospace Applications. M.: IVTAN, 2002. P. 200.
53. A. Starikovskii "Plasma Supported Combustion", invited lecture for 30th International Symposium on Combustion, Proceedings of the Combustion Institute, Chicago, 2004. Invited Lecture. P 326.
54. J. Liu, F. Wang, L. Lee, N. Theiss, P. Ronney, M. Gundersen, "Effect of Discharge Energy and Cavity Geometry on Flame Ignition by Transient Plasma", AIAA-2004-1011, 42nd AIAA Aerospace Meeting and Exhibit, 5-8 January, Reno, NV, 2004.
55. I.A.Kossiy, S.I.Gritzinin and others. Microwave torch as tool for an airflow chemical transformation, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2007.
56. T. Abdel-Salam, G.Micklow. Numerical Investigation of the Effect of the Inlet Conditions on Supersonic Mixing and Combustion, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2008.
57. Charles Cathey, Jeremy Cain, Hai Wang, and Martin A. Gundersen. Transient plasma induced production of OH and its effects on ignition in atmospheric CH4-Air quiescent mixtures, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2008.
58. Александров А.Ф., Шибкое B.M., Шибкова JI.В. Поверхностный СВЧ разряд в высокоскоростных воздушно-углеводородных потоках. //Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2008, № 5, с. 68-69.
59. Александров А.Ф., Шибкое В.М., Шибкова Л.В. Воспламенение углеводородных пленок в условиях поверхностного сверхвысокочастотного разряда. //Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2008, № 6, с. 65-67.
60. Esakov I., Grachev L., Khodataev К., Van.Wie D. Experiments on propane ignition in high-speed airflow using a deeply undercritical microwave discharge // AIAA-2004-0840.
61. Esakov I., Grachev L. and Khodataev K. Efficiency of Microwave Discharges for Propane Ignition in Cold High-Speed Airflows II AIAA. 2005. 989.
62. Khodataev K.V. Various types of initiators for attached undercritical MW discharge ignition // AIAA-2007-0431.
63. Khodataev К. V. Standing sub-compressed detonation wave in hypersonic combustible mix flow sustained by undercritical microwave discharge // AIAA-2007-1026.
64. Протасов Ю.С., Чувашев СЛ. // ПМТФ. 1990. N 4. С. 19-26.
65. Камруков А.С., Чувашев С.Н. и др. I/ ПМТФ. 1985, № 4, с. 95-100.
66. Andrew G. Naplesl and John L. Hoke2, Study of Heat Loads from Steady Deflagration and Pulsed Detonation Combustion, //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
67. S.M.Frolov. Reactive engine based on detonation inflammation of fuel. //Fundamental and applied problems of forcer engines improvement.05-01-038.//2005.
68. Clayton, R.M. and Rogero, R.S., "Experimental Measurements on a Rotating DetonationLike Wave Observed During Liquid Rocket Resonant Combustion," JPL-TR-32-788, 1965.
69. Cullen, R.E., Nicholls, J.A. and Ragland, K.W., "Feasibility Studies of a Rotating Detonation Wave Rocket Motor,"Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 3, No. 6, 1966, pp. 893-898.
70. Nicholls, J.A. and Cullen, R.E., "The Feasibility of a Rotating Detonation Wave Rocket Motor,"RPL-TDR-64-l 13, Edwards Air Force Base, California, April 1964.
71. Adamson, T.C. and Olsson, G.R., "Performance Analysis of a Rotating Detonation Wave Rocket Engine," Astronáutica Acta, Vol. 13, No. 4, 1967, pp. 405-415.
72. Sutton, G.P. and Biblarz, O.B., Rocket Propulsion Elements, John Wiley & Sons, New York, 2001.
73. E. Braun and N. Dunn, Testing of a continuous detonation wave engine with swirled injection, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2010.
74. Щепкин К.И., О теории феномена спиндетонации, ДАН СССР, т.52, с.147-150, 1966.
75. C. M. Brophy, W.T. Dvorak, D.F. Dausen, and C.B. Myers, Detonation initiation improvements using swept- ramp obstacles, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2010.
76. Coles, D., Transition in circular Couette flow, J. Fluid Mech., Vol. 21, 1965.
77. VanAtta, C., Exploratory measurements in spiral turbulence, J. Fluid Mech., 1966.
78. Andereck, C., Liu, S., and Swinney, H., Flow regimes in a circular Couette system with independently rotating cylinders, J. Fluid Mech., Vol. 164, 1986.
79. Goharzadeh, A. and Mutabazi, /., Experimental characterization of intermittency regimes in the Couette-Taylor system, Eur. Phys. J. B, Vol. 19, 2001.
80. S. Dong, X. Zheng, A Numerical Study of Spiral Turbulence, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2010.
81. S. Leonov, V. Bityurin, "Hypersonic/Supersonic Flow Control by Electro-Discharge Plasma Application." 11th AJAA/AAAF International Symposium Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies, Orléans, 29 September 4 October, 2002, AIAA-2002-5209.
82. S. Leonov, V. Bityurin, K. Savelkin, D. Yarantsev, "Progress in Investigation for Plasma Control of Duct-Driven Flows." AIAA-2003-0699 41th AIAA Aerospace Meeting and Exhibit, 6-10 January, Reno, NV, 2003.
83. A. Dutta2, Z. Yin, and I.V. Adamovich, "Cavity ignition and flameholding of ethylene-air and hydrogen-air flows by a repetitively pulsed nanosecond discharge", //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
84. I.V. Adamovich, I. Choi, N. Jiang, J.-H Kim, S. Keshav, W.R. Lempert, E. Mintusov, M.Nishihara, M. Samimy, and M. Uddi, //Plasma Sources Sci. Tech.//2009.
85. G. Lou, A. Bao, M. Nishihara, S. Keshav, Y.G. Utkin, J.W. Rich, W.R. Lempert, and I.V. Adamovich, //Proc. Comb. Inst., //2007.
86. Mass a, L. and Lu, F.K., Role of the induction zone on turbulence-detonation interaction, //47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2009.
87. L. Massa, M. Chauhan and F. Lu, Role of the induction zone on turbulence-detonation interaction, //48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.//2010.
88. Lee, S., Lele, S.K. and Moin, P., Interaction of Isotropic Turbulence with Shock Waves: Effect of Shock Strength, //Journal of Fluid Mechanics, Vol. 340.//1997.
89. Г. H. Абрамович. Прикладная газовая динамика//Наука, 1976.10Ъ.Цвинин С.А., Ершов А.П., Тимофеев И.Б. и др. Моделирование разряда постоянного тока в поперечном сверхзвуковом потоке газа// ТВТ, 2004, Т. 42, № 2, С. 181.
90. Райзер Ю.П., Физика газового разряда//Наука, 1992.
91. Бартльме Ф., Газодинамика горения//Энергоиздат.1981.
92. Г. М. Заславский, Р. 3. Сагдеев, Введение в нелинейную физику: От маятника до турбулентности и хаоса//Наука, 1988.
93. В. Бутаков, А. Граковский, Оценка уровня стохастичности временных рядов произвольного происхождения при помощи показателя XepcTa//Computer modeling and new technologies, Vol.9, No.2, 2005.
