Исследование взаимодействия ударной волны с импульсным объемным разрядом теневыми методами

На правах рукописиЦЗИНЬ ЦзиньИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ СИМПУЛЬСНЫМ ОБЪЕМНЫМ РАЗРЯДОМ ТЕНЕВЫМИМЕТОДАМИСпециальность 01.04.17 ― химическая физика, горение и взрыв, физикаэкстремальных состояний вещества.АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2012Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физическогофакультетаМосковскогоГосударственногоУниверситетаимениМ. В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорСысоев Николай Николаевич,Официальные оппоненты:доктор технических наук,профессорСеливанов Виктор Валентинович,доктор физико-математических наук,профессорРинкевичюс Бронюс Симович.Ведущая организация: Объединенный институт высоких температур РАН.Защита состоится 14 ноября 2012 г в ___ час.

___ мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственномуниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, дом 1, строение 35, в конференц-зале Центра коллективногопользования МГУ им. М.В. Ломоносова. С диссертацией можноознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В.Ломоносова. (Ломоносовский просп., д.27)Автореферат разослан « ___ » октября 2012 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01,кандидат физико-математических наук2Т.

В. ЛаптинскаяОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Исследования влияния энерговклада на течения газа указывают навозможность управления потоком; особенный интерес представляет контрольсверхзвукового потока. Энерговклад на основе импульсных разрядов вплазменной аэродинамике является одном из методов управления потокомпри высоких скоростях течений. Большинство работ в области исследованиявзаимодействия плазмы с ударно – волновыми течениями были выполнены впоследнее десятилетие. Было показано, что параметры поля течениясущественно изменялись после взаимодействия импульсного разряда сударной волной, в частности, меняется распределение плотности давления,форма ударной волны.Для наблюдения изменений распределения параметров в течениинеобходимы методы, дающие количественную информацию о поле течения.Одним из самых распространенных новых методов исследования потоков впоследние годы является Теневой Фоновой Метод (ТФМ) или BOS(Background Oriented Schlieren).

Применение ТФМ для исследования разныхобъектов в разных средах продемонстрировало, что этим методом в рядеслучаев возможно получить поле плотности течения с большой точностью ичувствительностью.В данной работе решается задача плазменной газодинамики овзаимодействии ударной волны с импульсным объемным разрядом приразличныхусловияхвударнойтрубе.Анализируетсявозможностьприменения ТФМ метода для исследования сверхзвуковых нестационарныхтечений одновременно с теневым методом.Цель диссертационной работы.Цель работы – экспериментально исследовать в ударной трубебыстропротекающиепроцессы,происходящие3привзаимодействиисверхзвукового течения с ударной волной с импульсным энерговкладом наоснове объемного разряда с предыонизацией ультрафиолетовым излучениемотскользящихповерхностныхразрядов;количественноисследоватьвозникающие ударно – волновые конфигурации после энерговклада вударной трубе, оценить влияние разряда на поток.

Методы наблюдения –теневой метод одновременно с ТФМ методом, высокоскоростная фотографияразряда и интегральная фотография свечения разряда.При решении этих задач необходимо было:−наладить импульсный объемный разряд в ударной трубе с системойсинхронизации газодинамики, наладить зондирующую систему дляполучения информации о динамике ударных волн; наладить съемкувысокоскоростной(наносекундной)иинтегральнойфотографииразрядов;−собрать оптическую систему визуализации ТФМ методом и совместитьее с теневой схемой;−провестиисследованиепространственно-временныххарактеристикударной волны и других структур после энерговклада; исследоватьизменение интенсивности и скорости ударной волны;−количественно исследовать поле плотности течения после энерговклада;−исследовать разные типы взаимодействия разряда с ударной волной, приэнерговкладе в газе перед волной и при прохождении ударной волны;−проанализировать точность и чувствительность ТФМ метода в данныхэкспериментах.Научная новизна.Как следует из обзора литературы по управлению сверхзвуковымипотоками на основе энерговклада, влияние импульсного объемного разрядана ударную волну в канале ранее систематически не рассматривалось.

ТФМметод ранее не применялся для исследования течений с импульснымиразрядами и мало исследован с точки зрения применимости для течений с4ударными волнами. В результате работы были получены следующиерезультаты, характеризующие научную новизну:−впервые исследованы экспериментально два качественно отличающихсярежима воздействия импульсного объемного энерговклада (разрядананосекундной длительности) на плоскую ударную волну в канале;−ТФМ метод впервые применен для исследования разряда и еговзаимодействия с ударной волной;−систематически исследована динамика ударно-волновых конфигурацийпри взаимодействии импульсного объемного разряда с плоской ударнойволной M=2-3 при разных условиях в ударной трубе;−впервые исследована динамика поля свечения импульсного объемногоразряда с плазменными электродами.Научная ценность работыНаучная ценность работы заключается в получении экспериментальныхданных по свойствам импульсного объемного разряда и его воздействии наударнуюволнуприразныхусловиях;определенииобластиихвзаимодействия; определении ударно-волновой конфигурации и скоростиударной волны после энерговклада.Определеныэкспериментальноскоростиразрывов,возникшихврезультате взаимодействия.

Получены поля плотности течений.Практическая ценность работы.Практическаяиспользованияценностьрезультатовработыработыобуславливаетсядляуправлениявозможностьюсверхзвуковымипотоками на основе импульсного энерговклада.Показана возможность использования полученных данных для развитияТФМ для визуализации сверхзвуковых потоков, для повышения точности ичувствительности ТФМ.5Основные положения, выносимые автором на защиту:−Выявление ирезультатыэкспериментальных исследований двухкачественно различных режимов взаимодействия ударной волны M=2-3с импульсным объемным разрядом в канале: течение с распадом разрываи движение по неравновесной релаксирующей зоне разряда;−Данные по изменению скорости ударных волн после воздействияимпульсного объемного разряда на ударную волну;−Изображениясвечениясериипоследовательныхимпульсногообъемногостадийразрядасперераспределенияпредыонизациейсэкспозицией 100 нс;−Полученные на основе ТФМ результаты анализа нестационарныхквазидвумерных ударно-волновых полей в канале.Апробация работы.Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались намеждународных и российских конференциях и семинарах, в том числе:−XXXVI Международная (Звенигородская) конференция по физикеплазмы и УТС, 9 – 13 февраля 2009 г;−ISFV 14: The 14th International Symposium on Flow VisualizationJune 21-24 2010 Korea;−21st International Symposium on Transport Phenomena.

Kaohsiung City,Taiwan Nov 2-5, 2010;−Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодыхучёных «Ломоносов-2010»;−Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодыхучёных «Ломоносов-2011» Одиннадцатая Международная научнотехническая конференция «Оптические методы исследования потоков»Москва, 27 — 30 июня 2011 г;−ISSW 28: 28th International Symposium on Shock Waves, Manchester;−PSFVIP-8: The 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image6Processing, Moscow, Russia, August 21st-25th, 2011;−Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодыхучёных «Ломоносов-2012»;−30th International congress on high-speed imaging and photonics SouthAfrica 2012;По результатам работы опубликовано 3 статьи в реферируемых научныхжурналах, 9 статей в трудах и тезисах Всероссийских и международныхконференций.Личный вклад диссертанта.Автор непосредственно участвовал в экспериментах, проводимых влаборатории кафедры молекулярной физики.

Эксперименты разрабатывалисьи проводились автором работы лично и при участии соавторов публикаций.Интерпретация результатов проводилась лично или совместно с другимисоавторами публикаций. Все основные результаты диссертации полученысоискателем лично или при его непосредственном участии.Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спискацитируемой литературы (78 ссылки).

Объем диссертации составляет 112страниц. Работа содержит 69 рисунок.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обосновывается актуальность работы, ее научная новизнаи ценность. Формулируются цели и задачи работы.Глава 1 посвящена анализу работ по исследованию взаимодействияударных волн с разными типами разрядов. Также приводится обзорпубликаций по исследованиям методов управления потоками газа на основеимпульсного энерговклада. Приводятся работы по визуализации ТФМ приисследованиях сверхзвуковых потоков.7В параграфе 1.1 приведена краткая история методов визуализациипотоков. Показано развитие методов регистрации и источников света.Описаны методы исследований потоков газа и плазмы и конкретно показанТФМ как один из самых современных методов наблюдения.

Описываютсяпринципы ТФМ и рассмотрены работы по использованию ТФМ длявизуализации и анализа течений газа.В параграфе 1.2 освещены основные работы по исследованиюобъемных разрядов в потоке газа. Показано, что импульсный энерговкладявляется одним из эффективных методов управления потоком. Описываютсяработы с плазменным контролем обтекания летящего объекта.

Описан рядработ по исследованиям объемных разрядов.В параграфе 1.3 описано взаимодействие энерговклада с ударнойволной. Показано влияние разрядов на ударную волну. Описаны типыраспада разрыва в ударной трубе.Глава 2 посвящена описанию методики эксперимента. Описаныэкспериментальная установка и методы наблюдения.