Исследование распространения, локализации и распада субмикросекундного разряда в неоднородных средах и высокоскоростных потоках

• Автор: Шурупов, Михаил Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1 (литературный обзор)

1.1. Физический механизм формирования канала длинного искрового разряда

1.2. Распад послеразрядной тепловой каверны

1.3. Обзор методов интенсификации смешения в высокоскоростном потоке

1.4. Особенности экспериментальных методов изучения быстропротекающих газодинамических процессов

Глава 2. Описание постановки эксперимента и методик проведения измерений

2.1. Установка для исследования динамики распространения и распада импульсного разряда в неподвижном воздухе

2.2. Методы визуализации

2.3. Определение степени смешения по спектру излучения пробного разряда

Глава 3. Локализация разрядного филамента
3.1. Механизм распространения и локализации разрядного филамента
3.2. Исследование особенностей локализации разрядного филамента в неподвижном воздухе
3.3. Исследование особенностей локализации разрядного филамента в многокомпонентном потоке
3.4. О возможных механизмах локализации импульсного разряда
Глава 4. Газодинамический распад послеразрядного канала
4.1. Общая картина явления
4.2. О радиусе канала энерговклада при разряде
4.3. Релей-Тсйлоровская неустойчивость границы послеразрядного канала
4.4. Струйные неустойчивости распада послеразрядного канала
4.5. Анализ неустойчивостей распада послеразрядного канала. Сравнение с расчетом
Глава 5. Смешение
5.1. Постановка задачи смешения
5.2. Исследование возможностей интенсификации смешения неоднородных сред при помощи импульсного разряда в неподвижном воздухе
5.3. Практическая схема актуатора
Выводы

Введение
Искровой разряд привлекает внимание исследователей в связи с развитием различных газоразрядных технологий. Среди них можно отметить следующие: возбуждение плазмохимических реакций в системах очистки сбросных газов, генерацию озона в барьерном разряде, создание высокоскоростных мощных искровых коммутаторов, модификацию условий обтекания скользящим разрядом различных тел для снижения газодинамического сопротивления, применение искровых разрядов для увеличения отдачи нефти в скважинах и т.д. В сферу интересов автора входят процессы развития и взаимодействия искровых каналов с неоднородными средами и высокоскоростными газовыми потоками. Искровой разряд характеризуется многообразием форм существования, и к настоящему времени не существует законченной теории, способной полностью описать все его проявления.
Исследованиям плазменных разрядов посвящено большое количество трудов. Широкий круг проблем физики газовых разрядов рассмотрен Ю.П.Райзером в [1]. Исследование сильноточных плазменных каналов связано с множеством практических задач, к числу которых относятся: физика молнии и молниезащиты, физика импульсных плазменных устройств, восстановление диэлектрической прочности промежутка после пробоя. Большой объем теоретических и экспериментальных данных собран в трудах [1,2,3,4, 5], согласно которым большинство сильноточных плазменных каналов характеризуются высокой температурой [3,4], достаточной для термической ионизации [6]. Высокие температуры (~ 20 кК), развивающиеся в разрядном канале, соответствую высокой степени ионизации газа ~ 0,2, что определяет его макроскопические свойства. Классической работой по физике сильно-ионизированных газов является монография Л.Спитцера [7].
Высокие темпы ввода энергии приводят к резкому расширению разрядного канала и формированию сильной ударной волны (УВ), отходящей от его поверхности. На начальном этапе такая УВ может нагревать газ до температур,
Г .‘4* ' ,»
достаточных для термической ионизации. Механизм быстрого расширения проводящей зоны импульсного разряда впервые был рассмотрен Драбкиной С.И [8] и дополнен Брагинским С.И. [9]. При столь значительных темпах ввода энергии геометрия проводящего канала импульсного разряда оказывается критически важной с точки зрения газодинамического распада послеразрядного горячего канала [10]. Этот процесс является фундаментальным по отношению к восстановлению диэлектрической прочности разрядного канала. С газодинамической точки зрения распад послеразрядной тепловой каверны определяет то газодинамическое возмущение, которое можно инициировать в окружающей среде.
Импульсные разряды наносекундной длительности были исследованы многими авторами [3, 11, 12]. Диапазон токов разряда распространяется от токов молнии ~100 МА до импульсов наносекундного разряда ~ 1 А. Одним из часто применяемых подходов является разрядка высоковольтной емкости через разрядный канал. В расчетах чаще имеют дело с напряжениями -20 кВ и ёмкостями 20 - 25 пФ, т.е. с относительно небольшой максимальной мощностью энерговклада. В данной работе постановка отличалась на порядок большими напряжениями и емкостью: 120 кВ и 367 пФ - соответственно, что обеспечивает суммарный энерговклад на уровне 2,5 Дж. Поэтому можно ожидать на несколько порядков больших темпов энерговклада и суммарной вложенной энергии в разрядный канал. Исследования импульсного разряда повышенной мощности являются актуальными благодаря идее использования сильноточной искры для внесения интенсивных возмущений в окружающую среду.
Реализация управления смешением, воспламенением и горением в высокоскоростных предварительно не перемешанных потоках является одной из наиболее важных задач при создании прямоточного реактивного двигателя (ПВРД и ГПВРД). Задача сложна, в частности, из-за короткого времени нахождения газа в камере сгорания ограниченной длины. Большинство практических схем ВРД предполагает прямую инжекцию топлива в высокоскоростной поток окислителя.

і /іч _Ди

10 ЛІ -

У* “ОГ

Рисунок 2.2.1 - Блок-схема установки ИАДТ-
В состав экспериментального стенда ИАДТ-50 входят два ресивера высокого давления (1) суммарным объемом 3 м3. Ресиверы высокого давления оснащены манометром (2) для контроля давления. Для накачки давления используется компрессор. От вакуумной части установки ресиверы отделены четырьмя электромагнитными клапанами (3) со временем открытия 20 мс. После электромагнитных клапанов начинается вакуумная часть установки. Клапаны соединены с форкамерой (4) при помощи шлангов высокого давления. Для подавления вихревого движения и устранения скосов потока вдоль форкамеры расположен массив трубок (5). К выходу форкамеры присоединено сверхзвуковое сопло прямоугольного сечения (6). В данном сопле профилированным является одно измерение. Рассчитано сопло на число маха М = 2. Непосредственно после сопла расположена рабочая секция (7) сечением 60><72 мм и длиной 600 мм. Для оптической доступности в боковых стенках рабочей секции установлены три пары кварцевых окон 0 100 мм (8). Для измерения статического давления верхняя и нижняя стенки снабжены тонкими каналами, кроме того, в указанных стенках возможна установка вставок с различной конфигурацией электродов (9) и трубок для подачи топлива в поток (11). Рабочая секция соединена с вакуумной камерой (14). Для соединения использован диффузор (13). Объем вакуумной камеры составляет 1,2 м3. Для увеличения длительности рабочего режима вакуумная камера соединена с двумя дополнительными ресиверами (15). Воздух из вакуумной