Взаимодействие ударной волны с зоной импульсного поверхностного энерговклада

На правах рукописиКОРОТЕЕВА Екатерина ЮрьевнаВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ С ЗОНОЙИМПУЛЬСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЭНЕРГОВКЛАДАСпециальность 01.04.17 – химическая физика,горение и взрыв, физика экстремальных состояний веществаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2012Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физическогофакультетаМосковскогоГосударственногоУниверситетаимениМ.В. Ломоносова.Научный руководительдоктор физико-математических наук,профессорЗнаменская Ирина АлександровнаОфициальные оппонентыдоктор физико-математических наук,Битюрин Валентин Анатольевичкандидат физико-математических наук,Георгиевский Павел ЮрьевичВедущая организацияИнститут проблем механики им.А.Ю. Ишлинского РАН, г.

МоскваЗащита состоится 12 декабря 2012 года в ____ на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1,Ленинские горы, д. 1, стр. 35, Центр коллективного пользования МГУ,конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27).Автореферат разосланноября 2012 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01,кандидат физико-математических наук2Т.В. ЛаптинскаяОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьЗа последние годы появилось большое количество работ, посвященныхчисленным, экспериментальным и теоретическим исследованиям взаимодействиясверхзвуковых течений с областями локального подвода энергии.

Прежде всего,это связано с развитием нового направления — плазменной аэродинамики, иинтенсивным изучением методов активного управления высокоскоростнымипотоками с помощью внешнего энергетического воздействия [1]. В качествеисточников энергии рассматриваются, в основном, различные типы газовыхразрядов (т.н. «плазменные актуаторы»), а также сфокусированное лазерноеизлучение. Пробой газа приводит к образованию плазмы, область локализации итермодинамические параметры которой определяются параметрами разряда.В зависимости от отношения времени воздействия источника энергии (td) кхарактерному времени протекания газодинамических процессов (tgas) различаютстационарный (td/tgas ≥ 1) и импульсный (td/tgas << 1) режимы подвода энергии всреду.

С точки зрения возможных практических приложений большой интереспредставляет взаимодействие областей поверхностного импульсного и импульснопериодического энерговложения с высокоскоростными течениями с разрывами.Согласно многочисленным обзорам по данной тематике, при всех известныхспособах энергоподвода основным механизмом воздействия на ударно-волновыеструктуры является тепловой, связанный с локальным повышением энтальпии врезультате поглощения энергии средой [2-4].

В то же время исследованиефизических особенностей каждого конкретного типа энергоподвода являетсясложной задачей, требующей отдельного рассмотрения.В представленной диссертационной работе выполняется анализ и численноемоделирование взаимодействия плоской ударной волны с зоной поверхностногоэнерговклада,реализованногонаосновераспределенногоскользящегосильноточного разряда наносекундной длительности типа «плазменный лист».Принципиальным отличием данного типа разряда от ранее изучавшихся способовэнерговложениязначительнойявляетсяэнергиизавозможностьсчетосуществлятьсозданияплазменного слоя вблизи поверхности.3импульсныйпротяженногоподводквазидвумерногоНесмотря на повышенный интерес к проблеме активного управления течением,на настоящий момент известно не так много работ, посвященных анализу влиянияразрядов на нестационарный поток с ударной волной. В работах, в которыхподобные исследования проводятся, геометрия задачи ограничена, как правило,точечными либо протяженными, но линейными источниками энерговыделения.Для более сложных конфигураций основной проблемой является контрольпространственно-временногораспределенияплазмыразрядаиборьбасплазменными неустойчивостями.Помимо возможных аэродинамических приложений задача моделированиявзаимодействия ударной волны с результатом импульсного поверхностногоэнерговложенияпредставляетсобойодинизвариантовболееобщей,фундаментальной задачи о распространении ударных волн в средах с локальныминеоднородностями различной природы.

К таким задачам относятся, в частности,дифракция ударных волн на цилиндрических или сферических «газовых пузырях»,на областях повышенной или пониженной плотности, движение ударных волн внеоднородных и турбулентных средах, и т.д.В диссертации численно исследуется распространение плоской ударной волныпо нестационарной релаксирующей области газа, образованной в результатеинициированияразряда,–моделируетсяреальныйфизическийпроцесс.Сравнительный анализ экспериментальных и численных данных позволяет решитьобратную задачу – восстановить начальные пространственно-энергетическиехарактеристики разряда и динамику возникающего течения.Постановка задачиС точки зрения всестороннего исследования возможного взаимного воздействия двух объектов – газодинамического разрыва (ударной волны) и импульсногоразряда, интерес представляют три качественно различающихся режима:⎯инициирование разряда в потоке за ударной волной;⎯инициирование разряда в момент, когда набегающая ударная волнанаходится внутри разрядной межэлектродной области;⎯инициирование разряда за определенное время до вхождения ударнойволны в зону разряда.4Первые два режима взаимодействия ударной волны с «плазменным листом»исследовались ранее на кафедре молекулярной физики Физического ФакультетаМГУ им.

М.В. Ломоносова [5,6]. В данной работе рассматривается третий вариантпостановки задачи: разряд инициируется в неподвижном воздухе на стенке каналарабочей камеры ударной трубы, а плоская ударная волна оказывается в разряднойобласти через заданный промежуток времени после его завершения.Цели диссертационной работы1. Решить обратную задачу – рассчитать величину и пространственноераспределение энерговложения от импульсного разряда («плазменного листа») вмомент его инициирования путем сравнения теневых изображений и результатовчисленного моделирования с различными начальными условиями.2. Провести численный анализ воздействия области энергоподвода отимпульсного распределенного скользящего разряда на набегающую ударную волнус числом Маха М=1.5-3.0 и поток за ней после прекращения тока разряда.3.

Исследоватьдинамикуимеханизмостываниянеравновесногоприповерхностного газового слоя, созданного «плазменным листом», путеманализа течения, возникающего в результате взаимодействия слоя с плоскойударной волной.Научная новизнаВ данной работе впервые:• Предложена методика анализа параметров возмущенного разрядом газа,основанная на взаимодействии плоской ударной волны с областью разряда.• Решена обратная задача – рассчитанывеличина и пространственноераспределение энерговложения от импульсного разряда на основе сравнительногоанализа теневых изображений и результатов численного моделирования движенияударной волны по зоне разряда с различными начальными и граничнымиусловиями.• При наличии начальной неоднородности в энерговложении, выявленовлияние областей турбулентного конвективного перемешивания на динамикуостывания газа вблизи поверхности разряда.• Выявлены и идентифицированы пространственные эффекты в структуретеченияприраспространенииударной5волныпообластиимпульсногоповерхностного разряда на основе трехмерного численного моделирования задачи.Достоверность полученных результатовРезультаты численного моделирования, представленные в работе, былиполучены с использованием широко применимых и апробированных численныхалгоритмов.

Проводилась верификация программ реализации использованныхалгоритмов на известных одно- и двумерных газодинамических задачах.Достоверность представленных результатов также подтверждается прямымсравнением с экспериментальными данными.Научная и практическая ценность работыНаучнаяценностьработысостоитвдетальноманализевоздействиянеоднородной нестационарной приповерхностной области, образованной за счетреализации импульсного поверхностного энерговклада, на движение плоскойударной волны на основе сопоставления численного расчета с результатамиэкспериментов.Важнымрезультатомдиссертацииявляетсяразработкаиверификация численной модели и алгоритма расчета, применимой к численномуанализу течений с импульсным локализованным энергоподводом различнойгеометрии.Результаты работы могут быть применены в качестве рекомендаций припроектировании устройств активного управления высокоскоростными течениями, вт.ч.

при обтекании поверхностей, а также при разработке методик интенсификациипроцессов перемешивания, зажигания и горения предварительно несмешанныхгорючих смесей.Основные положения, выносимые автором на защиту:1. Методиканахожденияпространственногораспределенияэнергииимпульсного сильноточного разряда на основе варьирования начальных условийчисленного моделирования до совпадения с экспериментальными картинамивзаимодействия области разряда с плоской ударной волной (решение обратнойзадачи).2. Результатыдвумерногочисленногомоделированияраспространенияударной волны по нестационарному газовому слою, образованному разрядомвблизи поверхности (для случаев однородного и неоднородного энерговклада).3. Механизм быстрого остывания области возбужденного разрядом газа вблизи6поверхности.4. Результаты трехмерного численного моделирования задачи с учетомпространственной геометрии разряда в канале.5.