Нестационарное взаимодействие плоской ударной волны с областью наносекундного распределенного сильноточного скользящего разряда, страница 2

Работа содержит 81 рисунок.2Содержание диссертацииВо введении обосновывается актуальность темы, формулируютсяцели и задачи диссертационной работы.Перваяглавапосвященаанализуработпоисследованиямнестационарного взаимодействия ударных волн с возмущениями (в т.ч. сразрядами). Показано, что на сегодняшний день подробно исследованыпоследствия всевозможных механических возмущений стационарных и7нестационарных высокоскоростных потоков газа.

Для контроля течения иослабления газодинамических разрывов использование искусственносозданных газодинамических возмущений (например, подвод энергии припомощи газовых разрядов) представляется в значительной степенирезультативным. В главе также приводится обзор публикаций поисследованию различных типов поверхностных разрядов.В первом параграфе 1.1 проведен анализ работ по исследованиюнестационарноговзаимодействияударныхволнсмеханическимивозмущениями потока. В течение последних десятилетий выполненбольшойобъемэкспериментальныхитеоретическихработпоисследованию отражения ударных волн от поверхностей, их дифракции наразличныхпрепятствиях.Насегодняшнийденьдовольнополноисследованы последствия всевозможных механических возмущений,путем изменения граничных условий, стационарного и нестационарногопотоков газа.Во втором параграфе 1.2 проанализированы работы, посвященныеисследованию взаимодействия ударных волн с газодинамическимивозмущениями (ударными волнами, контактными поверхностями, вихрямии т.д.).

При взаимодействии ударных волн с газодинамическимивозмущениями происходит изменение параметров среды, формированиеновых разрывов и поверхностей. Другими словами, при взаимодействиигазодинамическихвозмущенийпроисходит рождениеновыхболеесложных по структуре возмущений.

С точки зрения защиты сооружений илетательных аппаратов от ударно-волнового воздействия и для ослабленияразрывов использование управляемых газодинамических возмущенийпредставляется в значительной степени эффективным.В параграфе 1.3 описываются энергетические методы воздействия наударную волну: формирование теплового слоя и использование газовыхразрядов. В зависимости от способа подвода энергии, можно локальнонагревать газ, тем самым, воздействуя на поток, и создавать другие8возмущения (вихри, ударные волны, струи).

Одним из наиболеераспространенных способов подвода энергии в поток газа являетсяиспользование электрических актуаторов, устройств на базе различныхэлектрических разрядов. Опираясь на результаты обширных исследованийпо воздействию плазмы газовых разрядов на сверхзвуковой поток газа,можно с уверенностью утверждать, что результирующим механизмом,ведущим к появлению различных особенностей в поведении разрывов,является нагрев среды.

Нагрев среды, совместно с возможными другими«нетермическими» эффектами, такими как, «ионный ветер», ионноакустическиеволны,электроннаятеплопроводность,возникновениедвойного электрического слоя, ведет к значительной перестройке теченияи может быть использован для контроля высокоскоростных потоков газа.Впараграфепоказано,чтонаиболееэффективнымявляетсяимпульсный или импульсно-периодический режим подвода энергии всреду (импульсные разряды). Он сочетает в себе как ударно-волновое, таки тепловое воздействие не течение. Основываясь на концепции локальногои импульсно-периодического воздействия энерговклада на сверхзвуковойпоток газа, многие разряды представляются невыгодными для создания наих основе устройств управления течением.

Импульсный поверхностныйскользящий разряд напротив весьма перспективен для использования вреальных условиях благодаря своим пространственно-временным иэнергетическим характеристикам.Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки,позволяющей моделировать и исследовать взаимодействия поверхностногоразряда с ударной волной, и диагностического комплекса.Впараграфе2.1описанаэкспериментальнаяустановка,представляющая собой ударную трубу со встроенной в нее разряднойсекцией. Сечение канала камеры низкого давления и разрядной секции24×48 мм2. Рабочим газом служил воздух при давлениях 5-100 Торр.

Вканале с ударной волной на верхней и нижней стенках реализован9импульсный поперечный поверхностный разряд – квазинепрерывнаясистема параллельных каналов, скользящих по диэлектрику («плазменныйлист»). Две другие стенки представляли собой плоскопараллельныекварцевые стекла, через которые осуществлялась оптическая диагностикапроцессов в разрядной камере. Рабочее напряжение на разрядномпромежутке – 24 кВ, ток – ~1-2 кА.

Длительность разряда ∼200 нс, чтозначительно меньше характерных газодинамических времен. Схемасинхронизации позволяет инициировать разряд при различном положениипадающей ударной волны в разрядной области. Числа Маха ударнойволны M=1.7÷4.Вовторомпараграфе2.2описаныпараметрыскользящегоповерхностного разряда, который выделяется из других типов разрядовособыми пространственно-временными и энергетическими свойствами и сгазодинамической точки зрения может представлять интерес за счетдостаточно большой мощности. Благодаря высоким значениям напряженияиэлектрическоготокавширокомдиапазонерабочихдавленийдостигаются большие плотности энерговложения в течение оченькороткого промежутка времени.Третий параграф 2.3 посвящен описанию методов исследования идиагностическогооборудования.Пространственно-временныехарактеристики «плазменного листа» при его инициировании в потоке сударной волной исследовались с помощью цифровых фотоаппаратов истробируемой камеры c наносекундным затвором.

Для исследованиявзаимодействияреализациигазодинамическихимпульсногоиспользовалсяпрямойвозмущений,разряда,теневойсметод.образующихсяпадающейСозданыударнойприволнойоднокадроваяидвухкадровая оптические теневые системы зондирования течения.В четвертом параграфе 2.4 указан порядок проведения экспериментови методика обработки полученных экспериментальных данных.10Третья глава посвящена исследованию пространственно-временныххарактеристик излучения плазмы скользящего разряда в потоке воздуха сплоской ударной волной.В первом параграфе 3.1 исследована пространственная структурасвечения разряда в воздухе в присутствии ударной волны в разряднойобласти при давлениях 5÷100 Торр и числах Маха M=1.7÷4.

Обнаруженэффект самолокализации плазмы в области пониженного давления передфронтом ударной волны в широком диапазоне параметра X, положенияударной волны внутри разрядной области (X=0÷10 см до ее конца).Благодаря этому эффекту, параметр X также характеризует протяженностьобласти локализации разряда (Рис. 1). Была обнаружена неоднородностьобласти самолокализации плазмы – помимо протяженного диффузногоплазменного слоя, со случайно распределенными в нем яркими каналами,вблизи фронта ударной волны формируется узкая, но более интенсивноизлучающая, область плазмы. Эффект самолокализации разряда вприсутствии ударной волны может быть использован для автоматическогоэнергоподвода в соответствующую область перед фронтом волны с учетомдинамики ударно-волновых структур.свечение разрядатеневой снимокРис.

1. Эффект самолокализации разряда. Стрелкой показано направлениераспространения ударной волны. 1 и 0 – области за и перед фронтом падающейударной волны, соответственно. Заштрихованная область – областьинициирования разряда (X). M=2; X=3 см; τ=2.7 мкс (после разряда).11Вовторомпараграфе3.2проведеныисследованияразмеровструктурированной области плазмы, локализованной перед фронтомпадающей ударной волны в зависимости от общей протяженности областиразряда (X), ограниченной фронтом падающей ударной волны, иначального давления (P0). Определены толщины и протяженностидиффузного плазменного слоя и узкой яркой области вблизи фронтаударнойволны.Размерыплазмыопределялисьпоизображенияминтегрального собственного свечения поверхностного разряда.

Былиполученызависимоститолщинплазменноголиста(диффузногоплазменного слоя и узкой яркой области вблизи фронта ударной волны) отначального давления и параметра X. Толщина диффузного слоя меняласьтолько с давлением (от 0.5 до 0.7 мм) и не зависела от размеров областилокализации разряда (X). Толщина узкой яркой области вблизи фронтаударной волны, как и ее протяженность (bI), возрастали с уменьшением X(толщина росла от 1 до 2 мм, а протяженность от 1 до 6 мм). При X=1 смпротяженность яркой области достигала максимума (~6 мм) и оставаласьнеизменной вплоть до инициирования разряда на момент выхода ударнойволны из разрядной области (Рис.

2). Протяженность диффузного слоя, сослучайно распределенными в нем яркими каналами, соответствовалаРис. 2. Зависимость протяженности яркой области на фронте ударной волны (УВ)от ее положения относительно конца разрядного промежутка. a – областьсуществования структурированного энерговклада. b – область существованиятолько яркой области вблизи фронта УВ.

c – область существования П-образнойконфигурации. d – область существования и П-образной конфигурации, иэнерговклада в поток.12разнице между общей протяженностью области локализации разряда (X) ипротяженностью яркой области (bI). Минимальная протяженность областилокализации плазмы соответствовала – 0.6 см. Таким образом, былаопределена структура и построена геометрическая модель развитияповерхностного скользящего разряда в зависимости от положения ударнойволны внутри разрядной области (X) и начального давления (P0).В параграфе 3.3 исследовались структура и размеры разряда при егоинициировании в момент выхода ударной волны из разрядной области нанекоторое расстояние ΔX. В случае такого инициирования разряда,обнаружен эффект выхода разряда из межэлектродной области передударной волной.

При этом возникала П-образная конфигурация, прикоторой разряд стягивался в тонкий канал соответствующей формы и попрежнему преимущественно локализовался перед фронтом ударной волны(Рис. 3). При определенных условиях регистрировался переход от режималокализации разряда в виде П-образной конфигурации к режимуинициирования распределенного разряда также и в потоке за волной (взоне высокого давления).

Проведено исследование зависимости размеров(диаметра) узкой яркой области, расположенной на фронте ударной волны,от координаты выхода ΔX. Обнаружено два варианта существования Побразной конфигурации в зависимости от диаметра яркого канала наРис. 3. Эффект выхода разряда из межэлектродного промежутка (снимоксвечения). УВ – ударная волна; 1 – элемент канала тока, распространяющийсявдоль фронта УВ; 2 – параллельные потоку каналы тока; ΔX – координата УВ внеразрядного промежутка.13фронте волны.