Взаимодействие ударной волны с зоной импульсного поверхностного энерговклада

• Автор: Коротеева, Екатерина Юрьевна
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Взаимодействие ударных волн с областями локального энергоподвода

1.1.1 Способы реализации энергоподвода в поток

1.1.2. Численное моделирование процессов с энергоподводом

1.2 Взаимодействие ударных волн с модельными неоднородностями.26 Выводы к Главе

ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. МЕТОДИКА РАСЧЕТА

2.1 Особенности экспериментальной реализации задачи

2.1.1 Описание экспериментальной установки

2.1.2 Скользящий поверхностный разряд («плазменный лист»)

2.1.3 Порядок проведения экспериментов
2.2 Постановка численной задачи и методика расчета
2.2.1 Обоснование газодинамической модели энерговклада от наносекундных разрядов
2.2.2 Постановка задачи двумерного численного моделирования
2.2.3 Математическая модель
2.2.4 Численная схема
2.3 Достоверность полученных результатов. Верификация метода
Выводы к Главе
ГЛАВА 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ С ЗОНОЙ ОДНОРОДНОГО ЭНЕРГОВКЛАДА, РЕАЛИЗОВАННОГО НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА
3.1 Порядок обработки экспериментальных данных
3.2 Выбор оптимальной расчетной модели

3.3 Взаимодействие плоской ударной волны с однородным импульсным энерговкладом
3.4 Эволюция термодинамических параметров среды в результате
импульсного воздействия
Выводы к Главе
ГЛАВА 4. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ УДАРНОЙ ВОЛНЫ С ЗОНОЙ НЕОДНОРОДНОГО ИМПУЛЬСНОГО ЭНЕРГОВКЛАДА
4.1 Движение ударной волны по области неоднородного энерговклада,
/ < 120-140 мкс
4.2 Движение ударной волны по области неоднородного энерговклада, /> 140 мкс
4.3 Развитие турбулентности за фронтом ударной волны при движении по неоднородной области
4.3.1 Образование крупномасштабных вихрей
4.3.2 Турбулентное перемешивание при релаксации зоны разряда
Выводы к Главе
ГЛАВА 5. ТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ С ЗОНОЙ ИМПУЛЬСНОГО
ПОВЕРХНОСТНОГО ЭНЕРГОВКЛАДА
Выводы к Главе
Таблица 1. Параметры экспериментов, упомянутых в тексте диссертации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
В последнее время в рамках нового научного направления — плазменной аэродинамики - ведутся интенсивные поиски эффективных методов управления высокоскоростными потоками с помощью внешнего энергетического воздействия [1]. В этой связи появляется большое количество работ, посвященных численным, экспериментальным и теоретическим исследованиям взаимодействия сверхзвуковых течений с областями локального подвода энергии. В качестве источников энергии рассматриваются, в основном, различные типы газовых разрядов (т.н. «плазменные актуаторы»), а также сфокусированное лазерное излучение. Пробой газа приводит к образованию плазмы, область локализации и термодинамические параметры которой определяются параметрами разряда. Исследование физических особенностей и механизмов воздействия на течение для каждого конкретного типа энергоподвода является сложной задачей, требующей отдельного рассмотрения.
В представленной диссертационной работе выполняется анализ и численное моделирование взаимодействия плоской ударной волны с зоной поверхностного энерговклада, реализованного на основе распределенного скользящего сильноточного разряда наносекундной длительности типа «плазменный лист». Инициирование разряда сопровождается «плазменным взрывом» в среде: формированием в области пробоя слабоионизованной неравновесной плазмы и газодинамическими явлениями, свойственными взрывным процессам. Преимуществом данного типа энерговложения является возможность осуществления импульсного подвода значительной энергии в протяженный квазидвумерный приповерхностный слой.
Несмотря на повышенный интерес к проблеме активного управления течением, на настоящий момент известно не так много работ, посвященных анализу влияния разрядов на нестационарный поток с ударной волной. В работах, в которых подобные исследования проводятся, геометрия задачи ограничена, как правило, точечными либо протяженными, но линейными источниками энерговыделения [14, 27, 28, 32, 38, 46, 53, 55]. Для более сложных конфигураций основной проблемой является контроль пространственно-временного распределения плазмы разряда и борьба с плазменными неустойчивостями [18].
Помимо возможных аэродинамических приложений задача моделирования взаимодействия ударной волны с результатом импульсного поверхностного энерговложения представляет собой один из вариантов более общей, фундаментальной задачи о распространении ударных волн в средах с локальными неоднородностями

«утолщения» участков фронта по краям неоднородности, связанный с тем, что в этих областях уменьшается интенсивность ударного скачка.
В работе [94] расчеты [92] для сферической неоднородности с А>0 были расширены на случай интенсивных ударных волн (вплоть до М=5.0). Моделирование проводилось в рамках осесимметричных уравнений Эйлера для двухкомпонентных течений. Было получено, что при больших числах Маха набегающей волны в вершине «пузыря» формируется вторичное вихревое кольцо, переходящее в «вихревую струю».
Эксперименты [91] для случая А<0 в рамках двухкомпонентной газодинамики моделировались также и в [95]. Благодаря лучшему, по сравнению с расчетами [93], пространственному разрешению и более высокому порядку аппроксимации численной схемы, на больших временах (больше 420 мкс) после взаимодействия удалось наблюдать переход к полностью турбулентному режиму течения.
Влияние интенсивности набегающей ударной волны на ее взаимодействие с цилиндрической областью более легкого газа рассматривалось в [96]. Задача решалась в постановке, аналогичной [92] для гелиевого «пузыря», в рамках двумерных уравнений Эйлера для идеального газа с постоянным показателем адиабаты, для чисел Маха ударной волны М=1.22-6.
В работах [97, 98] численно моделировалось двумерное взаимодействие плоской ударной волны (М= 1.2-1.7) с тремя видами газовых «пузырей» диаметра 40 мм в воздухе: тяжелым (криптон), легким (гелий) и с близкой к воздуху плотностью (азот). Постановка задачи была взята из экспериментов [99]. Расчеты проводились на основе уравнений, описывающих течения сжимаемых газовых смесей, с учетом [97] и без учета [98] вязкости, и в обоих случаях результаты показали хорошее согласие с экспериментальными теневыми снимками. В статье [97] также был предложен аналитический метод оценки конечного объема деформированного «пузыря» и получено, что относительное сжатие не зависит от степени неоднородности, а зависит от значений показателей адиабаты газов и интенсивности набегающей волны.
Первое трехмерное моделирование задачи было выполнено в работе [100] при исследовании распространения сильной ударной волны (М=10) в межзвездной среде со сферическим облаком более разреженного газа (<д=0.1). Расчеты проводились в рамках уравнений невязкой немагнитной газодинамики на сетке с ячейками среднего размера. Было обнаружено, что вихревые кольца, наблюдаемые при моделировании в двумерном приближении, в трехмерном случае оказываются неустойчивыми и распадаются на отдельные фрагменты на поздних временах после похождения по ним ударной волны. Это приводит к формированию в течении крупных вихревых струй и