Электрические разряды в сверхзвуковых потоках

• Автор: Тимофеев, Борис Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава II. ПОПЕРЕЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В СВЕРХЗВУКОВОЙ (М = 2) СТРУЕ

ВОЗДУХА

§2.1. Экспериментальная установка и методики измерений

§2.2. Конфигурация поперечного разряда в сверхзвуковой струе

§2.3. Динамика импульсного разряда

§2.4. Вольт-амперные характеристики разряда

§2.5. Диаметр разрядного канала

ГЛАВА III. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГИПЕРЗВУКОВЫХ

(М = 6) ПОТОКАХ ВОЗДУХА

§3.1. Экспериментальная установка

§3.2. Поперечный разряд постоянного тока в гиперзвуковом потоке
§3.3. Продольный разряд постоянного тока в гиперзвуковом потоке
§3.4. Кинетическая модель неравновесной плазмы продольного
разряда в гиперзвуковом потоке
3.4.1. Физическая модель неравновесной плазмы разряда в сверхзвуковом потоке
3.4.2. Моделирование продольного разряда постоянного тока в сверхзвуковом
потоке воздуха
§3.5. О подобии систем плазменной аэродинамикии и возможностях
моделирования натурных условий
ГЛАВА IV. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ
МОДЕЛЯХ
§4.1. Поверхностный электрический разряд на
аэродинамических моделях в сверхзвуковом (М = 4) потоке
§4.2. Количественные характеристики взаимодействия потока
и поверхностного разряда на модели
4.2.1 Воздействие поверхностного разряда на аэродинамическое
сопротивление модели в воздушном потоке с М = 4
4.2.2. Измерение температуры газа в плазме поверхностных разрядов
§4.3. Численное моделирование обтекания моделей с поверхностным разрядом
ГЛАВА V. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ СВЕРХЗВУКОВОГО ПОТОКА
УГЛЕВОДОРОДНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ПОПЕРЕЧНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ
§5.1. Экспериментальная установка
§5.2. Определение параметров сверхзвукового
канала (распределение давлений и чисел маха)
§5.3. Экспериментальное исследование возможности воспламенения сверхзвукового
потока пропан - бутан - воздушной смеси
Основные результаты и выводы
Список литературы

Плазменные технологии представляют безусловный интерес для решения двух прикладных задач сверхзвуковой и особенно гиперзвуковой аэродинамики: управления аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов (ЛА) и плазменно-стимулированного горения. Сложность задач делает весьма важным проведение модельных аэродинамических экспериментов с электрическими разрядами в сверхзвуковых потоках воздуха и реагирующих газовых смесях.
Теоретическое обоснование возможности управления аэродинамическими характеристиками сверхзвуковых ЛА с помощью локальных зон энерговыделения и внешнего горения было дано в работах Бартльме Ф., Черного Г.Г., Левина В.А. и др. Одним из перспективных способов создания таких зон является организация в набегающем потоке электрических разрядов различного типа.
Еще более перспективным представляется применение газоразрядной плазмы для воспламенения и стабилизации горения воздушно-топливной смеси в камерах сгорания гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных и детонационных двигателей. При столь высоких скоростях полета только применение плазменных источников способно обеспечить объемное и быстрое воспламенение топливно-воздушной смеси за счет эффективной наработки первичных радикалов, продуктов неполного сгорания СО, Н2, Н20, конверсии и крекинга £СХНУ.
Исследования электрических разрядов в сверхзвуковых потоках воздуха были начаты в ЦАГИ еще в 60-х годах прошлого века В.И.Алферовой и продолжены в конце 90-х годов. Как правило, это были разряды постоянного тока (РПТ), создаваемые в аэродинамических трубах с числами Маха М < 4.
Физически наиболее общим случаем электродных разрядов является поперечный разряд - со взаимно перпендикулярной ориентацией потока и плоскости размещения электродов. Однако, несмотря на накопленный экспериментальный материал, физическое понимание и теоретическое осмысление полученных результатов далеко от завершения. С одной стороны, это обусловлено чрезвычайной сложностью объекта из-за сильной несгационарности и неоднородности как макро, так и микроскопических параметров разрядов в сверхзвуковых потоках. С другой - высокой стоимостью и трудоемкостью экспериментов в аэродинамических трубах, необходимостью применения мощных стационарных высоковольтных источников питания. Более того, из-за весьма ограниченного числа гиперзвуковых аэродинамических труб практически важный случай разрядов в гиперзвуковых потоках изучен еще в меньшей степени.

Поэтому, во-первых, несомненный интерес представляет сравнение свойств разрядов постоянного тока в сверх- и гиперзвуковых потоках воздуха и изучение возможности переноса свойств и характеристик плазмы от невысоких чисел Маха к большим.
Во вторых, с физической точки зрения, учитывая нестационарный характер горения поперечного разряда постоянного тока в потоке, представляется целесообразным, не ограничиваясь исследованием РПТ, использовать импульсный режим. Его применение даст возможность не только детально изучить поведение разряда во времени, но и в широких пределах проварьировать внешние параметры разряда. Очевидно, импульсный режим не требует применения стационарных аэродинамических труб. Использование импульсной баллонно - вакуумной установки (со временем работы порядка секунд) позволяет существенно расширить диапазон изменения внешних параметров разряда, что принципиально для выяснения его физической картины. Кроме того, подобный режим работы не требует больших денежных затрат на проведение эксперимента.
Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование и численное моделирование электрических разрядов в сверх- и гиперзвуковом потоках, а также изучение возможностей практических применений таких разрядов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые детально исследована динамика импульсного поперечного разряда в сверхзвуковом потоке газа. Показано, что наличие потока приводит к принципиально нестационарному (неустойчивому) режиму горения разряда независимо от характеристик разряда.
Впервые экспериментально исследованы характеристики поперечного разряда постоянного тока в гиперзвуковом потоке воздуха. Экспериментально показано, что характеристики разрядов постоянного тока в сверх- и гиперзвуковых потоках близки при одинаковых значениях внешних параметров (статическое давление, сила разрядного тока).
С помощью численного моделирования кинетики неравновесной плазмы в сверх- и гиперзвуковых потоках показано, что плазменные эксперименты, проводимые в аэродинамических трубах, будут соответствовать натурным условиям лишь при использовании плотных и теплых сверхзвуковых потоков.
Экспериментально показано, что наличие разряда, локализованного как в головной части модели, так и на ее поверхности, приводит к снижению лобового сопротивления тела (в условиях эксперимента на ~ 14 - 16%). С помощью численного моделирования обтекания моделей плазмой разряда показано, что основные экспериментальные

Количественно наиболее просто процесс развития разряда во времени иллюстрируется типичными осциллограммами тока и напряжения на электродах разряда. Такие осциллограммы показаны на рис.2.21. Чувствительность каналов - верхний луч -1,74 В/деление, коэффициент деления омического делителя напряжений - 585; нижний луч - 0,2 В/деление при величине балластного сопротивления Я = 4,4 кОм, 0,5 В/деление при Я = 2,2 кОм и 1 В/деление при К = 1,1 кОм., величина токового шунта, с которого снимался токовый сигнал — 1 Ом.
Видно, что увеличение протяженности разряда вдоль потока сопровождается монотонным и близким к линейному ростом напряжения на электродах. Спустя определенное время, этот рост прерывается резким падением напряжения (происходит вторичный пробой между анодной и катодной струями). Пространственное положение пробоя относительно электродов и определяет остаточное падение напряжения на разряде (глубину модуляции). Далее процесс повторяется - разряд переходит в колебательный режим.
Период колебаний падает с ростом величины разрядного тока. Так, например, при величине балластного сопротивления Я = 4,9 кОм частота колебаний составляет приблизительно 13 кГц, а при Я = 1,1 кОм она снижается до ~ 1 кГц. и, соответственно, уменьшается глубина модуляции шума. Глубина модуляции определяется внешними
^ кУУ У у и У!
I •

80 ц*
Рис.2.21. Осциллограммы напряжения на разряде (верхний луч) и тока (нижний луч, инвертированный сигнал) в разряде постоянного тока в сверхзвуковой струе воздуха. М = 2, р = 40 тор.