Взаимодействие плазмы импульсных разрядов со сверхзвуковыми потоками воздуха

• Автор: Колесников, Евгений Борисович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 156 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

§1.1 Плазменные разряды в аэродинамике.

§ 1.2 Электродные разряды в сверхзвуковых потоках.

§1.3 Импульсные разряды в сверхзвуковых потоках.

§1.4 СВЧ - разряды в сверхзвуковых потоках.

§1.5 Моделирование разрядов в сверхзвуковых потоках.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ.

§2.1 Схема первого экспериментального стенда.

§2.2 Сверхскоростная фотография разряда и теневая установка.
§2.3 Газодинамические параметры первого экспериментального стенда.
§2.4 Схема второго экспериментального стенда.
§2.5 Газодинамические параметры второго экспериментального стенда.
§2.6 Методика спектральных измерений.
§2.7 Определение температуры по результатам спектральных измерений. §2.7.1 Определение температуры возбуждения.
§2.7.2 Определение температуры газа.
ГЛАВА 3. ИМПУЛЬСНЫЙ РАЗРЯД МАГНИТОПЛАЗМЕННОГО КОМПРЕССОРА В СВЕРХЗВУКОВОМ ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ.
§3.1 Конструкции МПК и система синхронизации.
§3.2 Электрические и энергетические характеристики разряда МПК.
§3.3 Истечение плазмы МПК в свободное пространство.
§3.3.1 Использование МПК конструкции первого типа.
§3.3.2 Использование МПК конструкции второго типа.
§3.3.3 Режимы истечения плазмы в свободное пространство.
§3.4 Взаимодействие плазменной струи со сверхзвуковым потоком в неограниченном пространстве.
§3.5 Инжекция плазменной струи в канал со сверхзвуковым потоком.
§3.6 Инжекция плазменной струи в сверхзвуковой канал (второй экспериментальный стенд).
§3.7 Теоретическое моделирование плазменной струи МПК для лабораторных и натурных условий.
§3.7.1 Физическая модель светоэрозионного формирования плазмы и её ускорения в разряде.
§3.7.2 Описание ударно-волнового взаимодействия плазменной струи с газом.
§3.7.3 Результаты расчетов по разработанной модели.
§3.7.4. Долговечность МПК.
§3.8 Выводы к главе 3.
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАПИЛЛЯРНОГО РАЗРЯДА.
§4.1 Конструкция капиллярного плазмотрона.
§4.2 Динамические характеристики плазменной струи капиллярного разряда в неподвижном воздухе.
§4.3 Взаимодействие плазменной струи капиллярного разряда с поперечной сверхзвуковой струей.
§4.4 Теоретический анализ капиллярного разряда в поперечном потоке газа.

§4.4.1 Процессы в канале капиллярного разряда
§4.4.2 Взаимодействие плазменного потока с поперечным потоком газа
§4.5 Выводы к главе
ГЛАВА 5. ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНЫЙ ЭЛЕКТРОДНЫЙ РАЗРЯД В 113 СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ.
§ 5.1 Общие характеристики продольно - поперечного разряда
§5.2 Электрические характеристики продольно-поперечного разряда
в сверхзвуковом потоке.
§ 5.3 Электрическое поле в продольно-поперечном разряде
в сверхзвуковом потоке. Сравнение с другими электродными разрядами.
§5.4 Приведенное электрическое поле продольно-поперечного разряда
в сверхзвуковом потоке. Сравнение с другими электродными разрядами.
§5.5 Температура возбуждения электронных уровней и температура газа в
продольно-поперечном разряде в сверхзвуковом потоке.
§5.6 Выводы к главе
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность темы.
Одним из важнейших направлений плазменной аэродинамики является исследование возможности плазменно-стнмулированного горения сверхзвуковых топливных смесей. Необходимость этого обусловлена разработкой прямоточных реактивных двигателей, которые способны обеспечить движением летательных аппаратов со сверх и гиперзвуковыми скоростями. При столь высоких скоростях полета только применение плазменных источников способно обеспечить объемное и быстрое воспламенение топливно-воздушной смеси за счет эффективной наработки радикалов. Для данных целей в различных лабораториях проведено большое количество работ по изучению взаимодействия со сверхзвуковым потоком разрядов постоянного тока, разрядов различного частотного (ВЧ и СВЧ) диапазона, высоковольтными разрядов с длительностью импульсов в наносекундном диапазоне, с предионизацией УФ излучением, а также их различные комбинации.
В настоящей работе экспериментально исследуются параметры и поведение в сверхзвуковом потоке плазмы магнитоплазменного компрессора, капиллярного плазмотрона и продольно-поперечного электродного разряда. Процессы взаимодействие таких разрядов со сверхзвуковыми потоками воздуха не были ранее изучены, поэтому тема настоящей диссертационной работы является достаточно актуальной.
Цель работы.
Основные задачи диссертационной работы :
• Исследование взаимодействия плазмы импульсных разрядов со сверхзвуковыми потоками воздуха.
• Определение основных характеристик таких разрядов в сверхзвуковых потоках.
• Оценка возможности применения таких разрядов для воспламенения сверхзвуковых топливных смесей.
Научная новизна работы состоит в следующем:
• Исследованы процессы взаимодействия плазмы, созданной магнитоплазменным компрессором (МПК) с поперечными сверхзвуковыми потоками воздуха. Показано, что в неограниченном пространстве характерные параметры разряда в сверхзвуковом потоке остаются практически такими же, что и при разрядах МПК в неподвижном газе. В случае разрядов в замкнутом пространстве плазма МПК может заполнять все сечение поперечного потока и даже запирать его.
докритического СВЧ-разряда в квазиоптическом луче электромагнитных волн в сверхзвуковом потоке воздуха для воспламенения сверхзвуковой воздушно-пропановой смеси. Был реализован инициируемый вибратором СВЧ-разряд в электромагнитном поле примерно в 70 раз меньшем критического порога в сверхзвуковом потоке, при давлении 100 тор, и скорости потока 500 м/с. Обработка измерений показала, что в условиях данного эксперимента 11 % электромагнитной энергии СВЧ излучения расходуется на нагрев воздуха, и что в зависимости от начальных условий в разряде сгорает от 9% до 63 % пропана. Пламя в сверхзвуковом потоке оставалось стабильным и находилось в разрядной камере на протяжении всего времени горения разряда. Рассматривается также возможность детонационного режима горения в гиперзвуковом потоке горючих смесей, инициируемых СВЧ разрядом.

В работе [138] приводятся результаты экспериментов по исследованию свободно локализованного СВЧ разряда как в неподвижном воздухе, так и в сверхзвуковом потоке. Безэлектродный СВЧ разряд создавался в металлической вакуумной камере. Использовались две схемы создания свободно локализованного СВЧ разряда. В первом случае для фокусировки энергии, подводимой к разрядной камере, использовалась диэлектрическая линза диаметром 60 см. Свободно локализованный СВЧ разряд создавался в режиме стоячей волны (Рис. 1.11 а - г). Для этого пучок электромагнитной
30 мс 60 мс 90 мс
Рис. 1.10. Фрагменты киносъемки микроволнового плазменного факела: а) без потока, б) с воздушным потоком, в) с воздушно-пропановым потоком. Основная часть потока распространяется выше штриховой линии. Отсчет времени ведется от начала пуска потока.