Корреляционные методы измерения скорости и температуры высокоскоростного воздушного потока и реагирующих смесей

На правах рукописиФирсов Александр АлександровичКОРРЕЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВОЗДУШНОГО ПОТОКАИ РЕАГИРУЮЩИХ СМЕСЕЙ01.04.01 – Приборы и методыэкспериментальной физики01.04.08 – Физика плазмыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Объединенноминституте высоких температур РАН (ОИВТ РАН) и на кафедре Физическойэлектроники Физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наукЛеонов Сергей БорисовичНаучный консультант:доктор физико-математических наук, профессорАлександров Андрей ФедоровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорГолуб Виктор Владимировичкандидат технических наукГольдфельд Марат АбрамовичВедущая организация:Московский физико-технический институт(государственный университет)Защита состоится « 15 » декабря 2011 г.

в 15:30 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 при Московском государственном университетеимени М.В. Ломоносова, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы,МГУ имени М.В. Ломоносова, дом 1, строение 2, Физический факультет,аудитория: СФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУимени М.В. Ломоносова.Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения,просим высылать по адресу:Диссертационный совет Д 501.001.66Ученому секретарю Карташову И.Н.119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова,дом 1, строение 2, Физический факультет.Автореферат разослан «15» ноября 2011 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66кандидат физико-математических наукКарташов И.Н.ОБЩАЯ ХАРАКСТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена разработке новых методов измеренияскорости потока и температуры торможения газа, а также проведениюэкспериментальных исследований широкого класса плазмо-аэродинамическихявлений с использованием предложенных методик.

Проведена верификацияполученных результатов как с помощью общепринятых экспериментальныхметодов, так и посредством трехмерного численного моделирования течений.Использование предложенных в работе методик в сложных аэродинамическихконфигурациях позволило получить распределения скоростей как в потоке безподвода тепла, так и в случае с энерговкладом. Проведено определениетемпературы газа для потока предварительно нагретого газа.

Здесь и далее подтемпературой следует понимать температуру торможения (полную температуру)- температуру изоэнтропически заторможенного газа, т.к. температурагаза,температура торможения и скорость однозначно связаны между собой, ив задачах сверхзвуковой аэродинамики принято оперировать именно полнойтемпературой. Экспериментально получен профиль скорости течения в области,частично занятой плазмой электрического разряда, а также в областиэкзотермических реакций при плазмо-инициированном горении газообразныхтоплив в сверхзвуковом потоке. Проведен анализ влияния на сверхзвуковойпоток возмущений, создаваемых импульсным высоковольтным разрядом,с целью применения полученных результатов в задачах зажигания и смешениятоплива с окислителем. Предложенные и испытанные методы измеренийобладают несомненной практической ценностью для решения широкого кругазадач плазменной аэродинамики и в смежных областях.Актуальность темыПри решении современныхзадачсверхзвуковойаэродинамики,включающих в себя подвод энергии к газу или тепловыделение в потоке за счетхимических реакций, необходимым элементом диагностики является системаопределения скорости потока.

Классическая система расчета скорости черезгазодинамические функции по данным датчиков полного и статическогодавленийимеетограниченнуюприменимость,еслиточноезначениетемпературы газа неизвестно или изменяется в течение эксперимента.3Такая ситуация оказывается типичной в экспериментах с реагирующимисмесями и во многих других задачах плазменной аэродинамики. Таким образом,задачасовершенствованиясуществующихисозданияновыхметодовопределения скорости высокоскоростного потока с энерговкладом являетсячрезвычайно востребованной.Цель работы состояла в разработке бесконтактных методов измеренияпараметров высокоскоростного потока и применении этих методов дляисследования процессов обтекания сложных поверхностей, сверхзвуковогогорения и смешения и включала в себя следующие задачи: Разработка метода определения скорости предварительно нагретого потокагаза на базе корреляционной обработки данных оптических измерений. Верификация метода путем сравнения с данными газодинамическихизмерений и с результатами трехмерного численного моделирования. Исследование динамики температуры и скорости предварительно нагретоговысокоскоростного потока газа. Измерение распределения скорости потока газа в области взаимодействияплазмы электрического разряда с потоком и в зоне экзотермическиххимических реакций. Определениевлиянияплазмыимпульсногоразряданаспектргазодинамических возмущений потока газа.Научная новизна работы Впервые проведено определение скорости сверхзвукового потока поаксиальной протяженности импульсного периодического разряда. Разработана новая модификация корреляционного метода определенияскорости сверхзвукового потока, позволяющая проводить измерения поестественным маркерам (без внесения искусственных возмущений в поток). Впервые проведена экспериментальная количественная оценка влиянияразрядного импульса на спектр возмущений сверхзвукового потока.Показано,чторазрядприводиткувеличениюамплитудыспектравозмущений в широком диапазоне частот от 100 до 400 кГц, чтосоответствует размерам возмущений 1 – 5 мм.4 Впервыепроведеноэкспериментальноеопределениескоростисверхзвукового потока при плазмо-инициированном взаимодействии воздухас водородом и этиленом в области, частично занятой плазмой разрядапостоянного тока.

Показано, что при скорости набегающего сверхзвуковогопотока 495 м/с скорость газа в области разряда составляет 180 – 230 м/с,а скорость газа в области химических реакций находится в интервале100 – 150 м/с.Личный вклад автораВсе представленные в работе экспериментальные результаты полученыавтором самостоятельно и в составе научных коллективов Физическогофакультета МГУ и ОИВТ РАН. Разработаны уникальные методики, алгоритмы ипрограммыобработкиэкспериментальныхданных.Обработкаэкспериментальных данных и расчеты выполнены автором самостоятельно.Выполненочисленноемоделированиетрехмерноготечениявканалес внезапным расширением и в случае плазмоинициированного горения водородана плоской стенке в сверхзвуковом потоке воздуха. Проведено сравнениеэкспериментальных данных, полученных различными методами. На основанииполученных результатов автором сформулированы и обоснованы выводыдиссертационной работы.Практическая ценность работыПолученные экспериментальные результаты являются важными дляразвития плазменной аэродинамики, газодинамики и физики плазмы.

Результатыданной диссертационной работы могут быть использованы при исследованииразличных плазменных образований в потоке газа, в экспериментах по плазмоинициированному горению топливных смесей, а также в областях практическойаэродинамики. Представленные результаты также могут быть применены дляоптимизации лабораторных установок, предназначенных для исследованияпредварительно подогретых потоков газа, в том числе при наличии плазмыв потоке. Результаты работы могут быть использованы в ЦАГИ, ЦИАМ,Институт механики МГУ, ИТПМ СО РАН и ряде других организаций.5Достоверность полученных результатовДостоверность полученных результатов обеспечивается применениемтрадиционных методов экспериментальных исследований для сравненияс результатами, полученными предлагаемыми в диссертационной работеметодами измерений.

В целях верификации количественных измеренийприводится сравнение с результатами численного моделирования. Полученныерезультаты сопоставлены и согласуются с данными экспериментальных итеоретических работ различных научных групп в России и за рубежом.Апробация работыМатериалыдиссертациидокладывалисьнаследующихнаучныхконференциях и симпозиумах:«Ломоносов», МГУ, Москва, 2007, 2008; Школа-семинар по магнитоплазменной аэродинамике, ОИВТ РАН, Москва, 2008; AIAA Plasmadynamics andLasers Conference, San Antonio, Texas, USA, 2009; Международное Совещание поМагнитоплазменной Аэродинамике, ОИВТ РАН, Москва, 2009, 2010, 2011;AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum andAerospace Exposition, Orlando, Florida, USA, 2010, 2011; IEEE InternationalConference on Plasma Science, Norfolk, Virginia, USA, 2010; Школа молодыхученых «Актуальные проблемы физики», ФИАН, Звенигород-Москва, 2010;AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and TechnologiesConference, San Francisco, California, USA, 2011; Инженерные системы, РУДН,Москва, 2011;ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 4 статьи в реферируемыхжурналах, входящих в перечень ВАК, и 16 статей в сборниках тезисов и трудовконференций.

Основные результаты, представленные в диссертации, отраженыв публикациях автора, список которых приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения исписка литературы. Объем диссертации составляет 105 страниц, включая 73рисунка и библиографию из 75 наименований.6СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении диссертации обоснована актуальность исследований,сформулированы цели и задачи работы, показаны научная новизна ипрактическая значимость работы, кратко изложены основные результатыработы.