Взаимодействие плазмы продольно - поперечного и плазмодинамического разрядов со сверхзвуковым воздушно–пропановым потоком, страница 2

Дляосуществления оптической диагностики в двух секциях вмонтированы кварцевыеиллюминаторы. Внутреннее сечение рабочих секций составляет 2,5x4 см2. Внутреннийдиаметр формирующей секции D=2.5 см. Таким образом, на границе междуформирующей секцией и следующей за ней рабочей секцией существует обратный уступ,создающий зону внезапного расширения (застойную зону). Канал оборудован системойподачи топлива (17) и системой контроля давления (12) в виде датчиков давления (16единиц). Во всех экспериментах в качестве топлива использовался пропан.

Поступлениепропана осуществляется при помощи двух фланцев (15). Первый фланец размещен междусекцией сопла и формирующей секцией; второй фланец – между формирующей и рабочейсекциями. В центре обоих фланцев созданы цилиндрические отверстия диаметром 25 мм.Внутри первого фланца размещены четыре канала ввода пропана, позволяющихосуществлять инжекцию перпендикулярно направлению потока. Диаметр каналов d=2 мм.Во втором фланце подача топлива происходит через шесть каналов. Через четыре из нихтопливо подается в канал аналогично подачи топлива в первом фланце. Двадополнительных канала позволяют подавать пропанв направлении совпадающим снаправлением потока, т.е. непосредственно в область внезапного расширения за обратнымуступом.При проведении исследований, результаты которых представлены в Главе 3 иГлаве 4, был использован модифицированный экспериментальный стенд (ЭУ2).

В этомслучае канал прямоугольного сечения был непосредственно соединен с камерой низкогодавления (рис.1, позиция 13).. Электродный узел был размещен во второй секции канала.Основные параметры представленных экспериментальных стендов следующие:число Маха сопла Лаваля М = 2, давление системы создания низкого давлениярст = 0.1 Бар, давление системы создания высокого давления p = 2.6 Бар; давление всистеме подачи пропана pf =4 Бара, время процесса взаимодействия разряда с воздушно –пропановым потоком 1-2 секунды.

При помощи датчиков давления и сопел Вентури,расположенных в системах подачи компонент смеси определялся расход обоих компоненти входной коэффициент эквивалентности смеси, который был равен E=1.1. Для8определения локализации сверхзвуковой области течения в канале модифицированнойустановки было проведено предварительное исследование. При помощи трубки Пито,область измерения которой располагалась на оси симметрии канала, было определенолокальное число Маха, усредненное по времени существования разряда. Исследованиепроводилось без включения источников плазмы и системы подачи пропана.

Трубка Питосостояла из двух датчиков статического и полного давления потока, расположенных внепосредственной близости. Отношение полного и статического давлений в областиизмеренияпозволяло определить число Маха натекающего потока. М, используяследующее соотношение [1], выражающее отношение полного и статического давлений.pfps=166,7  M 7( 7  M 2  1 )2,5(1)Распределение локального числа Маха в центре симметрии прямоугольногосечения рабочего канала, представлено в Таблице 1. Координата z соответствуетрасположению среза трубки, предназначенной для измерения полного давления.Статистическая ошибка метода ΔM=0.1 при времени усреднения показаний T=1 c.

Левыйстолбец Таблицы 1 описывает качественно местоположение трубки Пито – Прандтля. Заначало координат принята координата центра выходного сечения сопла.Таблица. 1. Распределение числа Маха на оси модифицированного канала.В третьей главе было проведено исследование нестационарных свойств продольнопоперечного разряда постоянного тока в условиях сверхзвукового натекающего потока.Рассмотрено влияние нестационарных характеристик разряда на хаотические свойстватечения в следе за разрядом.Продольно – поперечный разряд постоянного тока создавался при помощиэлектродного узла, размещаемого через нижний фланец второй секции канала (рис.2).9Рис.2. Схема размещения электродов во второй секции канала.

1 – катод, 2 – анод,3 – люк крепления электродов, 4 – нижняя стенка канала. Стрелка – направление потока.Координата центра межэлектродного зазора могла быть изменены при помощи фиксациивысоты электродов. В настоящем исследовании она соответствовала координате центрасечения канала. Длина горизонтальной части верхнего электрода L1=10 мм, агоризонтальной части нижнего электрода L2=40 мм. Источник, питающий разряд, работалв режиме генератора тока, при этом выходное напряжение источника питания U<5 кВ, авыходной ток I<20 А. Вкладываемая в разряд средняя мощность не превышала P=3 кВт.В качестве определяющего стационарного параметра, характеризующего разряд, былвыбран средний ток разряда [2].При помощи скоростной видеокамеры Видеоспринт проводилась видеосъемкаразряда в неподвижном воздухе и в воздушном потоке при использовании различнойэкспозиции кадра. Кадры видеосъемки разряда приведены на рис.3 для случая разряда внеподвижном воздухе (а) с экспозицией 20 мкс, разряда в сверхзвуковом потоке воздуха(в) с экспозицией 20 мкс (б) и в сверхзвуковом потоке воздуха с экспозицией 1 с (в).Статическое давление в разряде в неподвижном воздухе было выбрано идентичнымдавлению в разрядной камере в воздушном потоке.

Измерение давления было при этомреализовано при помощи тензометрического датчика, расположенного на серединеверхней стенки разрядной секции. Съемка разряда в неподвижном воздухе при помощивидеокамеры показала наличие осцилляций святящегося образования, представленного нарис.3 а. Осцилляции с осью вращения, расположенной в конце анода представляют собойблуждание катодного пятна, что позволяет сделать вывод о частичной эрозии нижнегоэлектрода и его сопутствующем нагреве. Данная конфигурация разряда состоитисключительно из приэлектродных областей.

Положительный столб не наблюдается. Вэмиссионном спектре области свечения разряда в неподвижном воздухе при этом былиотмечены интенсивные линии меди с длиной волны λ1=510 нм и λ2=578 нм.Интенсивность данных линий превосходит интенсивность линий, соответствующих10излучению иона N2+, H(α) и радикала CN(0,0). Анализ эмиссионного спектра разряднойобласти в воздушном потоке показал появление линии атомарного кислорода λ1=777,2 нм,интенсивность которой соответствует средней интенсивности линий меди. Такимобразом, появление сноса разрядного канала (рис.3 б) приводит к усилению процессовдиссоциации и возрастанию роли положительного столба.а)б)в)Рис. 3.

Кадры видеосъемки разряда для случая разряда в неподвижном воздухе (а) сэкспозицией 20 мкс, разряда в сверхзвуковом потоке воздуха с экспозицией 20 мкс (б) и всверхзвуковом потоке воздуха с экспозицией 1 с (в). Стрелка – направление потока.Кадр (а) соответствует более подробному масштабу сравнительно с б) и в).Данные скоростной видеосъемки позволили заметить существование нескольких фазразряда: реализация разряда в области межэлектродного зазора (фаза I, рис.3 (а)) иконвективная фаза (фаза II, рис.3 (б)). Наличие первой фазы связано с локальнымторможением потока вблизи края катода в связи с наличием косых скачков и нагрева газа.Существование разряда в области пониженной скорости приводит к преобладаниюскорости дрейфа заряженных частиц над скоростью сноса.

В связи с этим разрядсохраняет стабильную фазу. Вторая фаза развития разряда (конвективная фаза),обусловленнанарушениемуказанноговышеусловия.Даннаяфазаобладаетотличительной особенностью относительно поперечного разряда постоянного тока впотоке. Присутствие катода приводит к наличию пограничного слоя и как следствие – ксозданию циркуляции скорости. Данный эффект создает условия для деформацииположительного столба.

При этом макроскопическим масштабом деформации являетсямежэлектродное расстояние.Обработка последовательностикадровскоростнойвидеосъемки позволила определить относительное время существования фаз разряда ввоздушном потоке. Был проанализирован квадратный участок изображения, на диагоналикоторого лежал отрезок, соединяющий заостренные края электродов. Длина отрезка11соответствовала минимальному межэлектродному расстоянию.Область анализа былаассоциирована с существованием разряда в первой фазе.

При помощи программы,написанной на языке Mat lab 7, изображение было переведено в массив, элементамикоторого являлась яркость пикселей участка в формате RGB. Пример сигналовинтенсивности в окне анализа представлен на рис. 4.а)б)Рис. 4. Сигнал интенсивности свечения в окне анализа.Римскими цифрами обозначены фазы разряда. а) Средний разрядный ток I=19 А.б) Средний разрядный ток I=7 А.Обработка сигналов интенсивности свечения в окне анализа при различных токовыхрежимах позволила констатировать увеличение относительного времени существованияразряда в первой фазе при росте среднего тока.

Указанная закономерность связана спадением скорости потока в области разрядного канала. Следует отметить, чтоторможение потока в области существования плазмы связано не только с нагревомпограничного слоя, но и с объемным нагревом газа источником плазмы.ПрипомощикалиброваннойтермопарыХА-68,позволяющейизмерятьтемпературу в пределе от -50 °С до 1300 °С было проведено исследование температуры вследе за разрядом. Для этого термопара было размещена в начале третьей секции канала(дозвуковая область), за разрядом (Таблица 1).

Зависимость максимального значения э.д.с.сигнала термопары в области насыщения от среднего разрядного тока представлена нарис. 5. Тенденция роста температуры в спутном следе газа за разрядом позволяет сделатьвывод о том, что определяющую роль в нагреве газа играет ток.12Рис.5. Зависимость максимального потенциала термопары взависимости от среднего тока разряда.Отметим, что деформация и контракция положительного столба в воздушном потоке(рис.3 (б)), обусловлена влиянием конвективных потерь тепла и необходимостью сжатияканала для сохранения постоянного тока.Сформулируем два приоритетных фактора, обуславливающих нестационарныесвойства разряда. Первый фактор может быть сформулирован как собственнаядинамическая неустойчивость разрядного канала фазы I. Высокая неоднородность полявблизи края катода создает возвращающую силу для подвижных электронов и устойчивоеположениеравновесия,которое осуществляетсявотсутствиипотока.Влияниегидродинамических сил инерции, связанных с течением слоев газа приводит квозникновению второго выделенного направления, противоположного первому.