Нестационарное взаимодействие плоской ударной волны с областью наносекундного распределенного сильноточного скользящего разряда

На правах рукописиОРЛОВ Денис МихайловичНЕСТАЦИОНАРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛОСКОЙУДАРНОЙ ВОЛНЫ С ОБЛАСТЬЮ НАНОСЕКУНДНОГОРАСПРЕДЕЛЕННОГО СИЛЬНОТОЧНОГОСКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДАСпециальность 01.04.17 – химическая физика,горение и взрыв, физика экстремальных состояний веществаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2010Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В.ЛомоносоваНаучный руководительдокторфизико-математическихпрофессорЗнаменская Ирина Александровнанаук,Официальные оппонентыдокторфизико-математическихпрофессорГолуб Виктор Владимировичнаук,кандидат физико-математическихПопов Николай Александровичнаук,Ведущая организацияИнститут нефтехимического синтеза им.А.В.Топчиева РАНЗащита состоится 19 мая 2010 года в 16:30 на заседании диссертационногосовета Д 501.002.01 в Московском государственном университете им.

М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ,физический факультет, аудитория ЮФА.С диссертацией можно ознакомитьсяфакультета МГУ им. М.В. Ломоносова.вбиблиотекефизическогоАвтореферат разослан 15 апреля 2010 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01,кандидат физико-математических наук2Т.В. Лаптинская1Общая характеристика работыАктуальность работы.Интенсивно проводимые в последние годы исследования в областивзаимодействий ударных волн с плазмой различных типов разрядов,влияния возникающих неоднородностей и слабых возмущений нараспространениегазодинамическихразрывовимеликонечнуюприкладную цель – коррекцию режимов обтекания.

Для обеспечениябезопасного и эффективного полета на высоких скоростях необходимомаксимально исследовать возможность контроля сверхзвукового потока. Взависимости от стадии полета реализуется либо нестационарный, либостационарный, установившийся, режим течения. Нестационарное течениехарактеризуется изменением во времени параметров газа и положенийразрывов, что затрудняет управление потоком и ведет к необходимостикорректировки степени воздействия на поток.

В случае импульсноголокального воздействия приходится изменять не только интенсивностьвоздействия, но и точку воздействия.Проводимый в диссертации анализ газодинамического аспектавоздействия импульсного разряда на поток с ударной волной позволяеттакже оценить некоторые параметры плазмы и более глубоко понятьпротекающие в ней физико-химические процессы.Постановка задачи.

В данной работе решается фундаментальнаязадача плазменной газодинамики о нестационарном взаимодействиигазодинамическогообластьюразрывапоперечного(ударнойимпульсноговолны)сприповерхностнойсильноточногоскользящегораспределенного разряда. Решается самосогласованная задача взаимноговоздействия двух объектов исследования – ударной волны и импульсногоразряда.Цель диссертационной работы - экспериментально исследоватьнестационарный процесс взаимодействия высокоскоростного потока3воздуха с плоской ударной волной с приповерхностной протяженнойобластьюгаза,созданнойимпульснымскользящимсильноточнымпоперечным разрядом.

На пути к данной цели необходимо было решитьдвевзаимосвязанныезадачи:исследоватьвоздействиенавысокоскоростной поток газа с ударной волной импульсного источникаэнерговклада на основе поверхностного разряда; исследовать влияниетечения с ударной волной на развитие разряда, и по анализугазодинамических полей течения оценить параметры приповерхностногослоя газа, образованного разрядом при различных условиях и наразличных временных стадиях после его инициирования.При решении этих задач необходимо было:−наладить системы синхронизации и диагностики разряда и потокагаза;−провести исследование пространственно-временных характеристикизлучения разряда при различных начальных условиях, связанных сположением ударной волны в разрядном промежутке, ее числом Махаи начальным давлением в рабочей секции;−провести исследование полей течения после разрядного воздействияна поток с ударной волной;−разработать методику оценки параметров возбужденной разрядомобласти газа (температуры и доли разрядной энергии, идущей нанагрев газа за время разряда).Научнаяновизна.Какследуетнестационарномувзаимодействиюнаносекундныеповерхностныеизударныхобзораволнлитературысраспределенныеповозмущениями,разрядынерассматривались ранее с точки зрения изучения их взаимодействия свысокоскоростными потоками газа с газодинамическими разрывами.

Врезультатеработыбылиполученыхарактеризующие ее научную новизну:4следующиерезультаты,− обнаружены особенности локализации разряда при нахождениифронта падающей ударной волны в межэлектродной области:самолокализацияплазмыпередфронтомударнойволны,неоднородность области локализации, а также выход разряда измежэлектродной области в виде П-образной конфигурации;− на основе этих эффектов показана возможность управленияпараметрами разрядного энерговклада, а следовательно, и течением,при нахождении ударной волны в разрядной области;− поанализуполейприповерхностноготеченияслоябылигаза,оцененыобразованногопараметрыразрядомприразличных условиях и на различных временных стадиях после егоинициирования.Научнаяценностьработызаключаетсявполученииэкспериментальных данных по параметрам нестационарной неравновеснойвысокотемпературнойскользящимобластиразрядомнагаза,образованнойразличныхвременныхимпульснымстадияхпослепрекращения тока разряда; оценке энергии идущей на возбуждениепоступательных степеней свободы молекул за времена протекания токаразрядавзависимостиотобъёмаобластилокализацииплазмы,ограниченной газодинамическим разрывом; детальном исследованиисвойствтеченияпослеразрядноговоздействия;получениисистематических экспериментальных данных по динамике течения, наоснове которых возможна верификация численных моделей и методоврасчёта газодинамических течений с энергоподводом.Практическая ценность работы.

Результаты работы могут бытьиспользованы в качестве рекомендаций для проектирования эффективногоплазменного актуатора, устройства для управления параметрами течения,и при создании летательных аппаратов нового поколения.5Основные положения, выносимые автором на защиту:• экспериментальноемоделированиедвумерногопроцессавзаимодействия ударной волны с поверхностным импульснымэнерговкладом;• метод управления поверхностным разрядом при помощи ударнойволны (на основе эффекта самолокализации разряда);• зависимостьпространственно-временныххарактеристикплазмыимпульсного поверхностного скользящего разряда от начальногодавления и от протяженности области его локализации, ограниченнойударной волной;• результаты исследования динамики взаимодействия ударной волны собластью импульсного поверхностного разряда при различных еепротяженностях и временах после его инициирования;• методика определения энергии, идущей на нагрев газа за времяразряда,навзаимодействияосновесравненияударнойволныэкспериментальнойсобластьюдинамикиэнерговкладасчисленными расчетами;• оценка температур газа в области разряда на различных временахпосле его инициирования по анализу ударно-волновых конфигурацийтечения вблизи поверхности.Апробациядокладывалисьработы.иОсновныеобсуждалисьнарезультатымеждународныхдиссертацииироссийскихконференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе: на XVI InternationalSymposium on Transport Phenomena (Prague, 2005); на XXXIII и XXXYЗвенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород,2006, 2008); на ХIII Международной конференции Ломоносов-2006(Москва, 2006); на VI Международной конференции по неравновеснымпроцессам в соплах и струях (Санкт-Петербург, 2006); на 12th InternationalSymposium on Flow Visualization (Goettingen, 2006); на 7th и 8th InternationalWorkshop on Magnetoplasma Aerodynamics (Moscow, 2007, 2009); на 26th6(Goettingen, 2007) и 27th International Symposium on Shock Waves (St.Petersburg, 2009); на XV школе-семинаре «Современные проблемыаэрогидродинамики» (Сочи, 2007); на International conference on themethods of aerophysical research (Novosibirsk, 2008); на Третьей школесеминаре по Магнитоплазменной Аэродинамике (Москва, 2008); на 13thInternational Symposium on Flow Visualization and 12th French Congress onVisualization in Fluid Mechanics (Nice, 2008); на XVII InternationalConference on Gas Discharges and their Applications (Cardiff, 2008); наДевятойМеждународнойшколе-семинаре"Моделииметодыаэродинамики" (Евпатория, 2009); на X Юбилейной Международнойнаучно-технической конференции «Оптические методы исследованияпотоков» (Москва, 2009); на 22nd International Colloquium on the Dynamicsof Explosions and Reactive System (Minsk, 2009), на научной конференцииЛомоносовские чтения – 2010 (Москва, 2010); на семинаре "Получение,исследованиеиприменениенизкотемпературнойплазмы"именипрофессора Л.С.

Полака в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН (ИНХС РАН) и на научных семинарах кафедрымолекулярнойфизикифизическогофакультетаМГУимениМ.В.Ломоносова.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы (193 ссылки).Объем диссертации составляет 195 страниц.