Взаимодействие плазмы продольно - поперечного и плазмодинамического разрядов со сверхзвуковым воздушно–пропановым потоком

На правах рукописиКаменщиков Сергей АлександровичВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ ПРОДОЛЬНО – ПОПЕРЕЧНОГО ИПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРЯДОВ СО СВЕРХЗВУКОВЫМВОЗДУШНО - ПРОПАНОВЫМ ПОТОКОМ01.04.08 – физика плазмы.Автореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наук.Москва - 2011.Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультетаМосковского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:Кандидат физико-математических наук, доцент Черников В.А.Официальные оппоненты:Доктор физико-математических наук, профессор Коссый И.А.Кандидат физико-математических наук Артамонов В.И.Ведущая организация:ФГУП «Московский Радиотехнический Институт» Российской Академии Наук.Защита состоится 12 мая 2011 г. в 16:30 на заседании диссертационного советаД 501.001.66. при Московском государственном университете им.

М.В.Ломоносова,119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, Дом 1, строение 2,Физический Факультет, Северная физическая аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан 11 апреля 2011 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66.кандидат физико-математических наукКарташов И.Н.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертация посвящена определению нестационарных свойств продольно –поперечного и плазмодинамического разрядов в условиях натекающего воздушно –пропанового потока. Исследовано влияние свойств разрядной плазмы на предварительноеперемешивание смеси и характеристики плазменного воспламенения.Актуальность темыСоздание летательных аппаратов (ЛА), для которых натекающий поток воздуха являетсянадкритическим относительно гидродинамических параметров подобия (число Маха,число Рейнольдса, число Струхаля и т.д.) связано с рядом проблем прикладного ифундаментального характера.

В частности, необходимость новых подходов возникает вслучае движения ЛА со сверхзвуковыми (число Маха M > 1) и гиперзвуковыми (M > 5)скоростями. Задачи, возникающие при этом, могут быть решены в рамках примененияплазменных источников различных типов. Весь сложный комплекс подобных проблемможно условно разделить на три основных группы:Изменение динамических, термодинамических и статистических параметровпотока вблизи поверхности летательного аппарата с целью снижения шума,механических нагрузок, изменения лобового сопротивления и управлениятраекторией полета.Изучение механизмов воспламенения, стимулированного плазмой в условияхнадкритических потоков. Сокращение времени индукции, оптимизация областивоспламенения, сокращение экологически вредных продуктов горения.Изучение и стабилизация фронта воспламенения в условиях надкритическоготечения.Решение указанных задач позволит создать плазменные устройства, позволяющиеэффективно инициировать воспламенение для качественно различных течений, создаватьоптимальные аэродинамические свойства ЛА, решать сопряженные экологическиепроблемы.Данная работа посвящена рассмотрению задач, связанных с первыми двумяклассами проблем.

Определено изменение нестационарных свойств разряда в различныхрежимах его существование. Выяснено влияние нестационарных свойств разряда на3формированиепотокасфиксированнымиспектральнымиихаотическимихарактеристиками течения. Изучено влияние свойств разряда на оптимизацию смешениятоплива с окислителем и инициацию плазменного воспламенения.Цель работыВ качестве основных целей работы необходимо выделить следующие:Определение нестационарных свойств разряда в присутствии воздушно –пропанового и воздушного течения.Определение влияния нестационарных свойств разряда на спектральные ихаотические характеристики натекающего течения.Достижение оптимального перемешивания натекающей топливно – воздушнойсмеси в условиях исследованных режимов существования разряда.Достижение плазменного воспламенения в условиях натекающего воздушно –пропанового надкритического потока.

Определение влияния нестационарныхсвойств разряда на инициирование плазменного воспламенения.Методы исследованийРезультаты диссертации получены с использованием следующего диагностическогооборудования:Оптические детекторы – фотоэлектронный умножитель, рефракционный датчик,эмиссионный спектрометр.Электромеханические детекторы – датчики давления тензометрического типа,трубки Пито – Прандтля, термопарный датчик температуры.Методы определения электрических параметров разрядов: делитель напряжения,шунт.Научная новизнаВсе полученные результаты являются новыми, основная их часть получена авторомсамостоятельно.

Научная новизна работы состоит в следующем:Определенынестационарныесвойствапродольно–поперечногоразрядапостоянного тока в условиях натекающего сверхзвукового потока воздушно –пропановой смеси. Показано существование двух фаз разряда и обнаружена4динамическая неустойчивость первой фазы. Определен механизм неустойчивости.Объяснено влияние средних характеристик разряда на его структуру и основнуючастоту пульсаций плазменного канала.Выяснено влияние неустойчивого продольно – поперечного разряда на усилениехаотических свойств течения за областью разряда. Установлена связь междусредними характеристиками разряда и спектральными свойствами течения.Разработан метод определения оптимальности частичного перемешивания топливаи окислителя при помощи нестационарного продольно – поперечного разряда.

Вусловиях исследованных режимов существования разряда достигнуто оптимальноечастичное перемешивание натекающего воздушно – пропанового потока.Реализовано плазменное воспламенение потока при помощи неустойчивогопродольно – поперечного и плазмодинамического разрядов. Показано влияниесредних характеристик разряда на оптимальность воспламенения.Личный вклад автораВклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию,являетсяопределяющим.экспериментальныеПриустановкиинепосредственномучастииавторасоздавалисьразрабатывалисьметодикиобработкиданных,проводились экспериментальные исследования и анализ полученных результатов.

Наосновании полученных данных автором сформулированы и обоснованы выводыдиссертации.Практическая и теоретическая ценность работыПолученные в работе результаты могут быть использованы для оптимизации камерсгорания, работающих в условиях сверхзвукового воздушного потока.Закономерности,полученные в работе, могут быть также использованы для улучшения характеристиксуществующих лабораторных установок, созданных для исследования взаимодействияразрядовстопливно-воздушнымпотоком.Результаты,определяющиевлияниенестационарных свойств разряда на хаотические параметры течения, могут бытьсопоставлены с теоретическими исследованиями в области турбулентных течений.Апробация работыРезультаты диссертации докладывались:5На «Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерномусинтезу», Звенигород, 2007,2008 гг.; на конференции «Ломоносовские чтения» в МГУ,г.

Москва, 2007,2008 гг.; на семинаре «Школа – семинар по магнитоплазменнойаэродинамике», ИВТАН, г. Москва, 2007-2009 гг.; на конференции «AIAA AerospaceSciences Meeting», США, 2009,2010 гг.; на конференции «6th International Workshop andExhibition on Plasma Assisted Combustion, Germany», Германия, 2010 г.; на семинарахкафедры физической электроники физического факультета МГУ, 2008-2009 гг.Публикации.Основные результаты по теме диссертации опубликованы в семи работах, список которыхприводится в конце автореферата. Шесть работ [2-7] опубликованы в изданиях, входящихв утвержденный ВАК перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, вкоторых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации насоискание ученой степени доктора и кандидата наук.Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Первая глава носит вводныйхарактерисодержитобзорлитературы.Втораяглавасодержитописаниеэкспериментальной установки, методов исследования и результаты предварительногоисследования течения без присутствия источников плазмы и инжекции пропана. Третья,четвертая и пятая главы оригинальны. В целом диссертация содержит 125 страниц,включая 62 рисунка, 1 таблицу и библиографию из 109 наименований.Содержание работыВо введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы целиисследования, показана научная новизна, практическая и теоретическая значимостьработы. В завершении приведены выносимые на защиту положения.В первой главе представлен краткий обзор теоретических и экспериментальныхработ, посвященных основным проблемам плазменной аэродинамики и взаимодействиюнестационарных разрядов с топливно-воздушными потоками.Во второй главе приводится описание экспериментальной установки, методовисследования и результаты предварительного исследования течения без присутствияисточников плазмы.

В настоящей работе при проведении исследований взаимодействияплазмы,созданнойразличнымиисточниками,6сосверхзвуковымипотокамииспользовалисьдвеэкспериментальноймодификацииустановкиэкспериментального(ЭУ1),используемойвстенда.данныхСхемапервойисследованиях,представлена на рис. 1.Рис. 1. Схема первой экспериментальной установки. 1 – вакуумная камера, 2 –компрессор, 3 – кран, 4 – воздухопроводы, 5 – сборочный коллектор, 6 – баллонная рампа,7 – манометры, 8 – управляемый пневмоклапан, 9 – омический нагреватель, 10 – блокпитания нагревателя, 11 – сверхзвуковой канал, 12 – датчики давления, 13 – соединение свакуумной системой, 14 – иллюминаторы, 15 – топливораздаточные фланцы, 16 – фланецдля крепления плазменных источников воспламенения, 17 – система подачи топлива.Основным элементом экспериментальной установки является вакуумная камера (1)объемом 3 м3, с которой через гибкое соединение (13) соединен канал (11).

Принципработы установки следующий: с помощью компрессора (2) воздух по трубопроводу (4)через сборочный коллектор (5) нагнетается в дополнительную баллонную систему (6). Ееналичие позволяет довести общий объем системы высокого давления до 0.5 м3.Рабочее давление в системе высокого давления (системе подачи воздуха)контролируется с помощью манометров (7) и может достигать 6 Бар. Из системы подачивоздуха поток через управляемый пневматический клапан (8) поступает в омическийнагреватель (9), и далее в аэродинамический канал (11). В настоящую работу результатыисследований влияния предварительного нагрева не были включены.7Канал состоит из сопла Лаваля, формирующей секции (изолятора) и четырехвзаимозаменяемых секций, в одной из которых размещается источник плазмы, а другиеслужат для диагностики взаимодействия разрядов с воздушно - топливной смесью.Формирующая секция предусмотрена с целью создания однородного потока.