Взаимодействие плазмы импульсных разрядов со сверхзвуковыми потоками воздуха, страница 2

Для практических приложений характерно большое разнообразиеконструктивных решений электродных узлов таких разрядов ваэродинамических трубах, включая разряды в потоке, создаваемые наповерхности диэлектрика или в выемках. Кроме того, исследуются разряды всоплах с центральными телами (сопло – анод, центральное тело – катод).Такие электроразрядные поджигающие устройства воспламеняют смесьвблизи электродов, поэтому их размещение у стенок малоэффективно, аразмещение в потоке создает нежелательные аэродинамические возмущения.В то же время определенные типы разрядов могут создавать областинагретой плазмы вдали от их источника. Наиболее известные из них –плазмодинамические, когда протекающий импульсный ток очень велик (I =1010000 кA), а энергия в импульсе – порядка килоджоулей и выше.

Такиеразряды могут обеспечить режим объемного воспламенения с помощьюплазменного нагрева и УФ–излучения. Типичным примером плазменногогенератора, позволяющим создавать гиперзвуковые потоки плотнойэрозионной плазмы, является магнитоплазменный компрессор (МПК).Эрозионная плазма, характерная для плазменных струй, создаваемыхкапиллярными разрядами, также может быть использована для инициацииподжига и горения сверхзвуковых топливных смесей. При небольшихзначениях токов (I 100 А) и запасенной электрической энергии (W 200-400Дж) формируется дозвуковая плазменная струя, которая проникает вплотный газ на расстояния, значительно превышающие характерные размерыэлектродной системы.Большое количество экспериментальных и теоретических работпосвящено исследованию возможности применения СВЧ разрядов дляподжига сверхзвуковых топливных смесей.

Применялись разряды,создаваемые как в надкритическом (свободно локализованные СВЧ разряды),так и в подкритическом (СВЧ разряды с инициатором) режимах. Показано,что плазменные формирования, созданные СВЧ – излучением различногочастотного диапазона обладают рядом преимуществ по сравнению с другимиплазменными источниками. С одной стороны время создания импульснойСВЧ – плазмы таково, что за импульс разряда плазменное формированиесносится потоком на незначительные расстояния, т.е. практически остается вобласти максимального энерговыделения СВЧ – излучения.

С другойстороны современные СВЧ – генераторы позволяют создавать такуюплотность мощности излучения, при которой даже за такое короткое времянейтральный газ в плазме нагревается до температур ~ (2000-2500) К. Притаких температурах уже возможна инициация горения сверхзвукового потокатопливной смеси плазмой СВЧ –разрядом.В обзоре приводится краткое перечисление теоретических работ,посвященных численному моделированию процессов взаимодействия7плазменных формирований, созданных разрядами различных типов, сосверхзвуковыми газовыми потоками.В конце первой главы приводится краткое обоснование целей настоящейработы и формулируется постановка задач необходимых исследований.Вторая глава содержит описание экспериментальных стендов иметодики измерений.В работе использовались два экспериментальных стенда, первый изкоторых позволял исследовать взаимодействие сверхзвукового воздушногопотока с плазменными образованиями, как в неограниченном пространстве,так и в ограниченном объеме, а второй – в сверхзвуковом аэродинамическомканале.В первой серии экспериментов использовался экспериментальный стенд(Рис.

1.), основной частью которого являлась вакуумная камера (1). Системаоткачки вакуумной камеры позволяла получать начальное давление от 1 Торадо 1 атмосферы. Внутри камеры находился аэродинамический канал (2),разработанный с учетом возможности использования плазмодинамическогоподжига горючей смеси при инжекции высокотемпературной плазмы,создаваемой различными типами генераторов, в зону реакции.

Основныехарактеристикипотокарегистрировалисьсистемойизмерениягазодинамических параметров (6), сигнал с которых выводился черезвакуумированые разъемы. Значения величины разрядного тока и падениянапряжения на разряде определялись при помощи соответствующей системыизмерения электрических параметров (8). Через имеющиеся иллюминаторы(7)проводиласьфотосъемкаприпомощисверхскоростногофоторегистратора (9).Рис. 1. Схема первого экспериментального стенда: 1- вакуумная камера, 2аэродинамический канал со сверхзвуковым соплом, 3- система подачи воздуха, 4- системахранения и подачи топлива, 5- генераторы плазмы, 6- рабочий канал и система измерениягазодинамических параметров, 7- иллюминаторы, 8- система измерения электрическихпараметров, 9- сверхскоростной фоторегистратор.8Данная установка позволяет:1) Проводить исследование характеристик разряда в сверхзвуковомпотоке смеси воздуха с газообразными углеводородами и определять влияниепараметров потока – давления р, температуры Т, скорости V, и состава смеси(например, коэффициента избытка топлива) на характеристики разряда,воздействие разряда на поток, образование активных радикалов и ионизациюсреды, а также возможность инициации и стабилизации горения присоответствующих параметрах потока.2) Проводить эксперименты при числах Маха потока топливновоздушной смеси, равных 1,5, 2,0 и 3,0, что соответствует диапазонускоростей в камерах сгорания гиперзвуковых ПВРД.Рис.

2. Схема сверхзвукового канала:1-Фланец крепления термопары и датчика давления, 2сопло, 3- формирующий канал, 4- рабочая секция, 5,6-измерительные секции, в кружках 516 – датчики давления в каналеЧасть экспериментов проводилась на второй экспериментальнойустановке, отличительной особенностью которой являлось внешнеерасположение сверхзвукового канала (Рис. 2.), который служит дляформирования сверхзвукового течения воздуха, для ввода топливной смеси идля исследования ее поджига. Канал состоит из нескольких секций.Непосредственно на входе канала размещается секция сверхзвукового сопла(2), рассчитанного на число Маха М=2.

За секцией сопла размещенаформирующая секция (3), представляющая собой канал с внутреннимдиаметром 25 мм и длинной 25 см., которая предназначена для формированияоднородного сверхзвукового течения. С формирующей секцией соединяетсярабочая секция с внезапным расширением канала (4), которая имеетпрямоугольное сечение с размерами 25x40 мм2 и длину 20 см. С обеих сторонбольшой грани этой секции расположены два иллюминатора, в которыхвставлены кварцевые окна, что позволяет визуально наблюдать процессыплазменного разряда и горения топливно-воздушной смеси в канале.

В малойнижней грани этой секции сделано отверстие для размещения люка ссоответствующими генераторами плазмы. За рабочей секцией следуют трисекции, предназначенные для проведения различных измерений (5 - 7). Всесекции имеют прямоугольное сечение, аналогичное рабочей секции, и длину20 см. В одной из этих секций (7) также размещены иллюминаторы дляпроведения визуальных и других диагностических измерений.

Весь канал9выполнен из нержавеющей стали.Основой системы контроля основных параметров сверхзвукового потокаявляются датчики давления (Рис. 2, поз. 6 - 16), размещенные во всех секцияхрабочего канала.Помимо экспериментальных установок в главе описаны применявшиесяв работе различные диагностические комплексы и методы измерения ирасчета параметров сверхзвукового потока и разряда: сверхскоростнаяфотография, теневая установка, методика спектральных измерений иметодика расчета температуры компонент плазмы.Втретьейглаведиссертацииприводятсярезультатыэкспериментальных исследований плазменной струи МПК в неподвижномвоздухе и сверхзвуковом воздушном потоке, а также данные численныхмодельных расчетов.На Рис.

3 схематически показана одна из двух конструкций плазмотрона,используемого в экспериментах, и схема его питания. Плазменный генераторсостоял из опорной шайбы (1), выполненной из латуни, которая являласьодновременно минусовым электродом. Кроме того, при помощи этой шайбыплазмотрон крепился к разрядной камере.

В опорную шайбу вворачивалсяизолятор (2), сделанный из оргстекла. На изоляторе крепилась переходнаямуфта (3), в которую вворачивался стержень (4), являющийсяположительным электродом. Детали 3 и 4 были сделаны также из латуни.Рис. 3. Конструкция плазмотрона: 1 - опорная шайба (минусовой электрод), 2 - изолятор,3 - переходная муфта, 4 – стержень (положительный электрод), 5 - источник постоянноготока, 6 - разрядник.Полученные электрические характеристики разряда (рис. 4-а) позволилирассчитать энергию, выделяемую в плазме разряда как функцию времени.Типичный результат таких расчетов приведен на рис.

4-б. Из представленнойзависимости видно, что время основного энерговыделения в плазмепрактически совпадает с первым квазипериодом разрядного тока, т.е. равно65 - 70 мкс и составляет примерно 150 — 400 Дж в зависимости отпервоначальной энергии, запасенной в конденсаторе.10E, ДжE(t)180160140120100806040200050100150200250t, мкса)б)Рис. 4.

(а) - типичные осциллограммы разряда: 1 – инвертированного напряжения, 3 –разрядного тока. (б) - типичная временная зависимость энергии, выделяемой в разряде.С=50 мкФ. U=3.5 кВ. P=100 тор.Динамика разряда фиксировалась при помощи сверхскоростногофоторегистратора. Были получены фотографии временной эволюции разряда.На Рис.

5 показаны типичные результаты покадровой съемки динамикиплазменного образования в неподвижном воздухе.Результаты обработки СФР-грамм позволили получить зависимостидлины плазменной струи от времени для различных условий разряда. Наосновании обработки большого количества таких зависимостей быливыяснены основные закономерности, касающиеся скорости движенияпередней светящейся плазменной границы (Рис. 6.).Рис. 5. Фрагменты СФР-граммы плазменной струи созданной МПК в неподвижномвоздухе. Выдержка каждого кадра 4 мкс.Было определено, что в начальные моменты времени, соответствующиепервой кумулятивной фазе, скорость распространения плазмы достаточновелика и изменяется в пределах от 1 км/с до 7 км/с. Этот момент временисоответствует первому полупериоду разрядного тока.

Затем в течениевторого полупериода разрядного тока скорость движения переднейплазменной границы резко замедляется и становится равной при различныхусловиях величине порядка 500 м/с - 800 м/с.. После окончание первого11квазипериода (после окончания основного энерговыделения в плазме),движения передней плазменной границы еще более замедляется, скоростьснижается до значений меньших 100 м/с.

Таким образом, в этой стадииразвития движение остывающей плазмы практически прекращается.V(t)32.5V, км/с21.510.50-0.50255075100125150t, мксРис. 6. Типичная зависимость скорости плазменного образования от времени.С=100 мкФ. U=3.5 кВ. P=50 тор.Следующая серия экспериментов была проведена в условиях, которыепозволяли варьировать расстояние между внешним диаметром центральногостержня и внутренним диаметром наружного электрода, т.е. величинуразрядного промежутка, и соответственно, изменять пробойное напряжение.Это позволило изменять энергию, запасенную в накопительном конденсаторе,а, следовательно, и энергию, выделяемую в плазме.Рис.

7. Скоростные фотографии при различных режимах (энерговклада W) истечения внеподвижном воздухе: б)-1000 Дж, 16 мВт, в),г) – 600 Дж, 10 мВт, д) – 300 Дж, 6 мВт.Эксперименты показали, что в зависимости от вложенной в разрядэнергии, могут реализовываться плазменные образования различной формы.Так практически при всех давлениях затопленного пространства и при всехэнерговкладах в течение первых 1020 мкс наблюдаются примерноодинаковые картины представленные на Рис. 7-а. Продольные размерыплазменного образования при этомдостигают 3050 мм.