Автореферат (Исследование быстропротекающих процессов в течениях с ударными волнами цифровыми оптическими методами)

На правах рукописиГлазырин Фёдор НиколаевичИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВВ ТЕЧЕНИЯХ С УДАРНЫМИ ВОЛНАМИЦИФРОВЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИСпециальность 01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальныхсостояний вещества.АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре молекулярных процессов и экстремальных состоянийвещества физического факультета Московского государственного университета имениМ.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:Знаменская Ирина Александровнафизико-математических наук, профессордоктордокторОфициальные оппоненты: Мошаров Владимир Евгеньевич,технических наук, доцент, заместитель начальникаотделения измерительной техники и метрологииЦентрального аэрогидродинамического институтаим.

ЖуковскогоМоралёв Иван Александрович, кандидатфизико-математическихнаук,заведующийотделомплазменнойаэродинамикиистимулированиягоренияОбъединенногоинститута высоких температур РАНВедущая организация:Федеральноегосударственноеунитарноепредприятие«Центральныйнаучноисследовательский институт машиностроения»(ФГУП ЦНИИМаш)Защита состоится 1 декабря 2016 года в 15:30 на заседании диссертационногосовета Д 501.002.01 в Московском государственном университете имениМ.В.

Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ,физический факультет, аудитория ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова и на официальной странице диссертационного совета:http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-002-01/Автореферат разослан ___ _________ 2016 годаУченый секретарь диссертационногосовета Д501.002.01, кандидат физикоматематических наукТ.В.

ЛаптинскаяВВЕДЕНИЕАктуальность данной исследовательской работы обусловлена важностьюэкспериментальных исследований импульсных высокоскоростных течений.Быстропротекающие и импульсные процессы составляют большую группунестационарных газодинамических явлений.

Как правило, быстропротекающиепроцессы инициируются состоянием вещества, существенно неравновесным покакому-либо из параметров: плотности, температуре, скорости газа и т.д.Высокоинтенсивными процессами тепломассообмена сопровождаются экстремальныесостояния вещества, характеризующиеся высокими удельными значениямизапасённой энергии. Подобные состояния представляют широкий научный ипрактически интерес, в том числе с точки зрения астрофизики и физикифундаментальных взаимодействий, вопросов перспективной энергетики.

Посравнению со стационарными течениями, импульсные процессы существенно хужеисследованы как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. Теорияимпульсных течений, как правило, осложнена учётом неустойчивостей инеравновесных состояний. При этом импульсные течения большой интенсивности, какправило, сверхзвуковые, сопровождаются формированием газодинамическихразрывов.Ударно-волновое воздействие является одним из наиболее удобных способовнаправленного инициирования течений с высокой плотностью, скоростью итемпературами газа.

Существует много разнообразных способов создания ударноволновых течений: детонация взрывчатых веществ, мощные акустические, лазерные,пучковые воздействия, использование резервуаров высокого давления, ударных трубразличных принципов действия. Одним из наиболее технически удобных способовгенерации ударных волн является использование сильноточных электрическихгазовые разрядов.

Для газовых разрядов как генераторов ударных волн характернадостаточно высокая степень воспроизводимости параметров явления, отсутствиенеобходимости в расходных материалах.Особый интерес представляют перспективы применения газовых разрядов вкачестве средств управления обтеканием тел газодинамическими потоками(плазменных актуаторов). Вопросы применения различных разрядов для управлениявнешней и внутренней аэродинамикой летательных аппаратов, реактивных итурбореактивных двигателей интенсивно исследуются в течение последнихдесятилетий, несмотря на очевидные трудности в практической реализации этихконцепций. Принципиальная возможность оптимизации процессов обтекания спомощью плазменных актуаторов была показано достаточно давно, однакоразработать энергоэффективные и технологически приемлемые методы такойоптимизации пока не удалось.

Следует указать на то, что в большинстве ведущихсяработ используются слаботочные разряды (например, диэлектрический барьерныйразряд). Применение сильноточных разрядов для управления потоком может оказатьсяперспективным, поскольку создаваемые такими разрядами течения существенно болееинтенсивны, и их влияние на поток может не исчерпываться лишь тепловымэффектом.Из-за явления контракции в большинстве случаев организация сильноточногоплазменного актуатора в управляемой неконтрагированной форме являетсянетривиальной технической задачей.

Импульсный наносекундный скользящий разряд,исследуемый в данной работе, имеет плоскую (квазидвумерную) конфигурациюпротекания тока.Экспериментальные исследования быстропротекающих течений требуюторганизации измерений с высоким временным разрешением. При этом контактныеизмерения, как правило, осложнены тем, что зонды и датчики вносят существенныеизменения в высокоскоростной поток, если не интегрированы в геометрию течения.Оптические методы измерений и исследований, будучи практически неинвазивными,имея крайне малый теоретический предел инерционности, представляют собойподходящие инструменты для применения в физике импульсных, быстропротекающихи высокоэнергетических процессов. Важным достоинством является также то, чтооптические методы зачастую могут быть организованы как панорамные методы (тж.методы визуализации), собирающие данные одновременно с целой области течениявместо одной точки.Развитие цифровых методов хранения и обработки данных и, позднее, цифровойфоторегистрации за последние десятилетия существенно расширило возможностиоптических методов, сделало их более удобными для экспериментальногоприменения.

Применение автоматизированной цифровой обработки к полученнымрезультатам в настоящее время позволяют существенно увеличить и качество, иколичество получаемых данных об изучаемых физических явлениях. В ряде случаевкачественные методы исследования приобрели количественное измерение. Методы,построенные с использованием цифровой обработки, могут кардинально отличатьсяот исходных, даже будучи основанными на хорошо известных физических принципах.В случае с теневым фоновым методом (ТФМ) и цифровой трассерной анемометрией(ЦТА) исходными можно назвать шлирен-метод Тёплера и классическую трассернуювизуализацию соответственно.

В данной работе преимущественно использовались дваэтих метода, поскольку данные о течении, сообщаемые ими, взаимно дополняют другдруга: ЦТА реагирует на поле скорости течения, тогда как ТФМ, будучирефрактометрическим методом, отражает распределение плотности газа.Целью данной работы являлось выяснение возможности использования методовцифровой трассерной визуализации и теневого фонового метода для полученияпринципиально новых экспериментальных данных о разрывных течениях, и на основевыявленных возможностей исследовать 1) течение в ударной трубе, 2) течение,создаваемое импульсным наносекундным поверхностным разрядом, и энергетическиехарактеристики самого разряда.Достижение данной цели требовало решения следующих задач: отработка применения метода цифровой трассерной анемометрии кимпульсным течениям пониженного давления, содержащим ударныеволны; отработка применения теневого фонового метода к изучению полейплотности газа в течениях того же рода; анализ течения, формирующегося и развивающегося за ударно-волновымфронтом в ударной трубе; получение количественных данных о полях плотности и скорости газа втечении после импульсного поверхностного разряда; анализ энерговклада импульсного поверхностного разряда на основеданных о структуре течения, создаваемого им.Новизна диссертационной работы заключается в следующем:1.