Взаимодействие плазмы импульсных разрядов со сверхзвуковыми потоками воздуха, страница 4

хаотически. Такое отличие объясняется тем, что при строгопоперечном разряде вторичные пробои, вызывающие осцилляции тока инапряжения, происходят в фиксированном месте разряда, а именно, вобласти первого диска Маха, положение которого остается практическипостоянным во время разряда. В случае же продольно-поперечного разрядавторичные пробои могут происходить в любом месте по длинеотрицательного электрода. Эти пробои определяют случайные изменениядлинны плазменного канала и, следовательно, его сопротивления, изменениякоторого и определяют хаотические колебания напряжения на разряде.Обработка осциллограмм тока и напряжения позволила получитьвольтамперные характеристики разряда (рис.

16) без воздушного потока (а)и в потоке (б) при различных давлениях в рабочей секции. Ввиду того, чтоосциллограммы падения напряжения на разряде носят сильноосциллирующий характер, соответствующие точки на рис. 16-б, получалисьпутем усреднении численных данных, полученных из осциллограммнапряжения.Из приведенных ВАХ видно, что, как и в потоке, так и без потоканапряжение на разряде падает с ростом разрядного тока. Такая зависимостьхарактерна для дуговых разрядов, поэтому можно сделать вывод, что в обоихслучаях разряд носит дуговой характер.19200U [v]1000U [v]80015060010040050200000510150205101520I [A]I [A]а)б)Рис.

16. Вольтамперные характеристики разряда.(а) без потока:  - Pк = 0,14 атм.,  - Pк = 0,28 атм.;(б) с потоком : Pк = 0,14 атм.,  - Pр = 4 атм.,  - Pр = 3 атм.,  - Pр = 2 атм.Проведенные спектральные измерения позволили получить зависимостираспределения температуры компонент плазмы вдоль потока (Рис.

17). Наэтом графике z – расстояние от анода по потоку. Как следует из рисункаколебательная температура лежит заметно ниже температуры возбуждения,однако выше газовой температуры.T, K11000023100001234z, смРис.17. Аксиальное распределение температуры компонент плазмы.ППР.1 – температура возбуждения, 2 – колебательная температура: ▲ - поперечный ИПР,I = 8 А, ▼ поверхностный разряд, I = 2А. 3 - температура нейтрального газа плазмы ППР,р = 230Тор: ■ , □ – I = 9 А; ●, ○- I = 18 А.Среднее значение температуры «возбуждения» (близкой к температуреэлектронов) составляет (1,5  0,5) эВ, в то время как среднее значениетемпературы газа равно (2000  500)К.

Таким образом, плазма ППР всверхзвуковом потоке является сугубо неравновесной.20Проведенная скоростная фоторегистрация разряда в сверхзвуковомпотоке позволила определить среднюю длину разрядного канала при данномтоке, соответствующую среднему значению падения напряжения наэлектродах разряда U. Это позволило определить среднюю напряженностьэлектрического поля. Данные по измерениям средних по объему значенийнапряженности электрического поля E(I, р) и температуры нейтрального газаТg (I, р) дали возможность оценить для плазмы ППР величину одного изважнейших газоразрядных параметров – приведенного электрического поляE/N.

Результаты таких расчетов приведены на рис. 16 в сравнении с ранееизмеренными зависимостями E/N, полученными в различных работах дляэлектродных разрядов при различных способах их размещенияхотносительно потока. Видно, что значения приведенного поля для разрядов впотоке заметно выше аналогичных значений в неподвижном газе для всехтоков и давлений, хотя с ростом тока и давления это различие падает. Приэтом как для разрядов в потоке, так и неподвижном воздухе значения E/Nпадают с ростом разрядного тока и ростом статического давления.Зависимость E/N (I) в ППР слабо отличается от аналогичных зависимостейдля поперечных разрядов при близкой величине статического давления.40E/N, Тд30201000,1110I, AРис.16. Сравнение значений приведенного поля в различных типах разряда.Сверхзвуковой поток: ▲ – р = 40 тор, Рр = 2 атм, ■ – р = 200 тор, Рр = 4 атм поперечныйразряд, ● – р = 230 тор, ППР (настоящая работа); ▼- р = 45-70 тор, ППР.

Неподвижныйвоздух:  - р = 30 тор, ∆ – р = 150 тор, ○ – р =1 атм, пунктир – расчет, р =1 атм.Приведенные результаты позволяют утверждать, что для исследованныхдиапазонов давлений и токов значения E/N в плазме разрядов всверхзвуковых потоках определяются только величинами разрядного тока истатического давления.

Поток, по сравнению со случаем неподвижного21воздуха, приводит к увеличению величины E/N только при малых токах I ≤10 A. При I > 10 A, отличие E/N в потоке от случая неподвижного воздухастановится незначительным.На основании полученных результатов можно сделать предположение,что параметры электродных разрядов, которые, в основном, определяютсязначениями E/N, не зависят от способа размещения разряда в потоке, аосновными внешними параметрами являются величина разрядного тока изначения статического давления.

Таким образом, при равных начальныхусловиях (величине разрядного тока и давления) результаты, полученные дляодного типа разряда, можно переносить на другой тип разряда.Полученные экспериментальные значения температуры нейтральногогаза позволяют сделать вывод о том, что плазма, созданная электроднымразрядом постоянного тока, может быть использована для инициациивоспламенения сверхзвуковой топливной смеси.Основные результаты и выводы: Проведен комплекс экспериментальных исследований процессоввзаимодействия плазмодинамических разрядов МПК с поперечнымисверхзвуковыми потоками воздуха.

Показано, что при одинаковыхначальных условиях в отсутствии ограничивающих стенок характерныепараметры разряда (температура и скорость распространения плазмы)остаются практически такими же, что и при разрядах МПК внеподвижном газе. В случае разрядов в канале с ограничивающимистенками плазма МПК может заполнять все сечение поперечного потока идаже запирать поток. Впервые изучены режимы плазмодинамических разрядов МПК малоймощности с малыми размерами электродов и рекордно большимизначениями длины струи, отнесенной к миделю МПК.

Показано, что взависимости от энерговклада в разряд на заключительных стадияхразвития струи МПК образуются разнообразные плазменныеформирования, характерные для истечения плазмы импульсныхплазмотронов в затопленное пространство. Исследован процесс взаимодействия капиллярного разряда сосверхзвуковым воздушным потоком. Показано, что в зависимости отначальных условий (мощность, выделяемая в разряде, скоростьнабегающего воздушного потока, начальное давление в канале и пр.)плазменная струя, созданная капиллярным разрядом, может либопроникать в поток на незначительные расстояния  (1-3 см), либораспространяться вдоль его внешней границы. Проведено комплексное исследование электродного продольнопоперечного разряда постоянного тока в сверхзвуковом потоке.

Показано,что значение электрического поля в плазме разрядов в сверхзвуковых22потоках определяется главным образом током и давлением, другиефакторы (конфигурация электродов относительно потока, длительностьимпульса разрядного тока, добавка пропана к воздуху в пределахстехиометрии) практически не оказывают влияния.

Таким образом,результаты, полученные для одного типа разряда (например, ИПР) можнопереносить на другой тип разряда (ППР). На основании экспериментальноизмеренных температур компонент плазмы ППР показано, что плазмаэлектродных разрядов в сверхзвуковом потоке в исследованном диапазонедавлений до 200 Тор даже при токах в десятки ампер остаетсянеравновесной. На основании полученных экспериментальных данных показано, чтоосновным параметром, определяющим характер взаимодействияплазменных струй со сверхзвуковыми потоками воздуха, являетсямощность, выделяемая в разряде.

При относительно большой мощности (вслучае МПК ~ 20 мВт) скорость распространения струи превышаетскорость потока, и плазма пересекает поток, практически не изменяясвоего направления. При уменьшении мощности до значений ≤ 0,8 мВт(капиллярный разряд) скорость распространения плазмы падает, и онапрактически не проникает в поток. При уменьшении мощности,выделяемой в разряде, до величины ~ 3 кВт (в случае ППР) плазменнаяструя создается потоком и распространяется вдоль него.Список публикаций по теме диссертации.1. Vinogradov V., Chernikov V., Timofeev I., Kolesnikov E. Preliminary StudyOf Different Plasma Discharges At M=2 Air Flow // AIAA-2005-0988.2.

Aleksandrov A., Bychkov V., Chernikov V., Ershov A., Gromov V.,Kolesnikov E., Levin V., Shibkov V., Vinogradov. V. Arc Discharge as aMeans for Ignition and Combustion of Propane-AirMixture Supersonic Flow //AIAA 2006-1462.3. Ершов А.П., Колесников Е. Б., Тимофеев И. Б., Черников В. А.,Чувашев С.