Взаимодействие наносекундного объемного разряда с газодинамическими разрывами (1102469), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Начальноедавление в секциях высокого и низкого давления контролируется при помощиманометров, скорость ударной волны – при помощи системы пьезодатчиков,8соединенных с цифровым осциллографом. Рабочая поверхность пьезодатчиковрасположена заподлицо со стенками канала течения.Рис.1.Схематическоепредставлениегазодинамическойчастиэкспериментальнойустановки. 1 – камера высокого давления, 2 – диафрагменная секция, 3 – первое коленоканала течения, 4 – текстолитовая вставка с пьезодатчиками, 5 – второе колено каналатечения, 6 – текстолитовая вставка с пьезодатчиками, 7 – разрядная камера, 8 – третьеколено канала течения, 9 – гасящий бак, 10 – манометр камеры высокого давления, 11 –баллон с гелием, 12 – цифровой осциллограф, 13 – вакуумметр, 14 – вакуумный насос.Вразряднойкамере,встроеннойвканалтечения,реализуетсясильноточный объемный импульсный разряд наносекундной длительности.Верхняя и нижняя стенки камеры представляют собой плазменные электроды, абоковые стенки выполнены из кварцевых стекол с широкой полосойпропусканияэлектромагнитногоизлучения.Ультрафиолетовоесвечениескользящих разрядов плазменных электродов обеспечивает предыонизациюобласти развития основного объемного разряда, что обеспечивает высокуюстепень однородности последнего.
Наличие кварцевых стекол позволяетнаблюдать за газоразрядными и газодинамическими процессами в камере сиспользованием соответствующих систем диагностики. Разрядная секциявыполнена таким образом, что не искажает геометрии канала течения. Системасинхронизациипозволяетинициироватьразрядвлюбоймоментнестационарного газодинамического течения в камере.Исследованиепространственно-временныххарактеристиксвеченияплазмы разряда в покоящемся газе и в потоке с газодинамическими скачкамиуплотнения проводились с использованием цифровых фотоаппаратов Nikon9D50 и электронно-оптической стробируемой камеры с затворным импульсомнаносекундной длительности Nanogate 2.Исследование спектральных характеристик плазмы разряда проводилосьпри помощи одноканального цифрового спектрометра Avantes Avaspec 102 соптоволоконным световодом (полоса пропускания 200÷800 нм).Для исследования динамики и структуры газодинамических разрывовпосле наносекундной ионизации области ударной волны использоваласьтеневая схема, позволяющая проецировать мгновенное поле течения наматрицу цифрового фотоаппарата Nikon D50 при помощи пучка света,созданного импульсным лазером и оптической системой.Третья глава посвящена описанию и анализу экспериментальных данных поисследованию пространственно-временных и спектральных свойств плазмынаносекундного объёмного разряда с плазменными электродами при егоинициировании в невозмущённом газе и в потоке с газодинамическимиразрывами.В параграфе 3.1 приводятся экспериментальные данные по исследованиюзависимостиинтенсивностиинициированиивсвечениянеподвижномразрядаотдавлениягазе.
Анализируютсяприегофотоизображениясвечения разряда и спектры свечения в воздухе при давлениях 2÷150 торр.Показывается, что интегральная интенсивность свечения, как и интенсивностьхарактерных линий спектра (вторая положительная система N2), убывает сростом давления, что вызвано увеличением скорости релаксационныхпроцессов с увеличением частоты столкновений частиц всех сортов иуменьшением среднего удельного энерговклада, приходящегося на однумолекулу.В параграфе 3.2 описываются эксперименты по определению временисвечения разряда, инициированного в неподвижном газе.
Показывается, чтопри давлении 12.5 торр это время не превосходит 200 нс. С ростом давления до75 торр время свечения уменьшается на 20%, что объясняется увеличением10частоты столкновений частиц плазмы разряда и, соответственно, ускорениемрелаксационных процессов.В параграфе 3.3 приведены результаты исследования поля свеченияплазмы наносекундного объёмного разряда при наличии в разрядной камереплоской ударной волны.Отмечается, что в диапазоне чисел Маха, реализуемом в эксперименте(1.1÷4.5), время свечения разряда и время протекания тока разряда многоменьшехарактерныхгазодинамическихвремен.Такимобразом,газодинамическая структура, находящаяся в межэлектродном пространстве,практически неподвижна за время разряда.Приводятся интегральные (по времени) фотоизображения свеченияразряда при наличии в разрядной камере ударной волны (рис.
2). Очевиденфакт стягивания зоны свечения в область разрядного промежутка передударной волной. На правом кадре рис. 2 левая чёткая граница области свечениясоответствует фронту ударной волны. Такое распределение плазмы связано стем, что параметр E/N, определяющий характеристики разряда, испытываетскачок большой интенсивности на фронте ударной волны. Эффективнаяпроводимость воздуха в области низкого давления перед ударной волной вдесятки раз превосходит проводимость за волной и разряд локализуется вобласти низкого давления (и плотности). Эффект локализации свечения передударной волной наблюдался во всём исследуемом диапазоне чисел Махаударной волны (M = 1.7÷4.5) и для всех возможных положений фронта ударнойволны в разрядном промежутке.Рис.
2. Свечение разряда в невозмущенном газе (слева) и при наличии ударной волны вразрядной области (справа). Стрелка указывает направление потока.11Впараграфетакжеприводятсяэкспериментальнаязависимостьинтенсивности свечения I, усредненной по области свечения, от координаты xфронта ударной волны в разрядном промежутке на момент инициированияразряда (рис.
3а). Показывается, что в диапазоне 0_≤_x_≤_9.5 см этазависимость аппроксимируется функциейI ( x) =I0x1−L,(1)где I0 – интенсивность свечения плазмы разряда в невозмущённом газе присоответствующем давлении, L = 10 см – длина рабочей области разрядногопромежутка.Зависимость интенсивности основных линий спектра от координатыударной волны (рис. 3б) также аппроксимируется функцией вида (1), где вкачествевыступаетI0интенсивностьсоответствующейлинииприэксперимент-1аппроксимация I(x)=I0(1-x/L)302010I00315.93 нм337.93 нм357.69 нм315-1I(x)=I0 (1-x/L)15000интенсивность I, отн.
ед.интенсивность I, отн. ед.инициировании разряда в невозмущённом газе.2030405060координата ударной волны x, мма70-1357-1I(x)=I0 (1-x/L)10000500031510337I(x)=I0 (1-x/L)0I00357I0337I0255075100координата ударной волны х, ммбРис. 3. Зависимость интенсивности свечения плазмы разряда (а) и интенсивностихарактерных линий спектра (б) от координаты ударной волны в разрядном промежутке.С уменьшением объема области локализации в 10 раз при помощиударной волны время свечения разряда увеличивается не более чем в 1.25 раза.В параграфе 3.4 приводятся данные по исследованию области свеченияразряда при наличии в разрядной камере области контактного перехода между12воздухом и гелием для потоков с числами Маха ударной волны не меньших 3.5.Отмечается, что свечение локализуется в зоне пониженной плотности передконтактнымпереходом(рис.4а).Этотэффекттакжеобъясняетсямногократным уменьшением эффективной проводимости газа при переходе вобласть толкающего газа.
В отличии от случая с ударной волной, изменениепроводимости связано не только со скачком параметра E/N, но и с резкимизменением потенциала ионизации на контактном переходе воздух-гелий.Левая граница области свечения, соответствующая зоне контактногоперехода, не такая чёткая и резкая как в случае с ударной волной. Толщинапереходной области здесь составляет 5÷10 мм, что находится в соответствии иизмерениями толщины области контактного перехода при помощи методовинтерферометрии, рентгеноскопии и других. Координата области контактногопереходаx,вычисленнаяпометодикеМайрлсасучётомнастроекэкспериментального оборудования, c точностью до 10 мм совпадает скоординатой вышеупомянутой переходной зоны свечения.
Перечисленныефакты позволяют сделать вывод о том, что используемый разряд можетприменяться как средство визуализации основных газодинамических структурв ударных трубах.Зависимость интенсивности свечения разряда от координаты областиконтактного перехода в разрядной камере приведена на рис. 4б.В параграфе 3.5 проводится сопоставление экспериментальных данных,описанных в параграфе 3.3 с результатами плазмохимического расчетапараметров разряда (п.
1 в списке публикаций автора). Делается вывод о том,что зона свечения совпадает с зоной разрядного энерговклада и величинаудельного разрядного энерговклада q в области разрядной камеры объёмом V,находящейся перед ударной волной, выражается формулойq = q0V0,V(2)где V0 – полный объём разрядной камеры, q0 – удельный энерговклад приинициировании разряда в неподвижном газе при давлении, равном давлению13перед фронтом ударной волны. Формула (2) применима в диапазоне0.05·V0_≤_V_≤_V0.
Показывается, что при локализации области разрядноговоздействия газодинамическими разрывами величина удельного разрядногоэнерговклада может быть полностью охарактеризована интенсивностьюсвечения плазмы разряда, измеренной по интегральным фотоизображениям,интенсивностью одной из характерных полос спектра или интегральной поспектру интенсивностью свечения, т.е. q(x) ~ I(x).эксперименткп-1аппроксимация I(x)=I0 (1-x/L)интенсивность I, отн.
ед.80604020кп0I0020406080координата области контактного перехода x, ммабРис. 4. Фотоизображения свечения плазмы разряда при различных положениях областиконтактного перехода воздух-гелий (отмечена штрихпунктирным контуром) в разряднойкамере (а) и зависимость интенсивности свечения плазмы разряда от координатыконтактного перехода (б).Вчетвёртойглавепредставленырезультатыисследованиясвойствгазодинамического течения после разрядного воздействия.В параграфе 4.1 приводятся данные экспериментального исследованияособенностей течения после наносекундной ионизации области ударной волнына основе теневых изображений.Анализируютсяпроцессы,проходящиевразряднойобластиихарактерные времена этих процессов.
Отмечается, что за время разрядасущественно изменяется температура поступательно-вращательных степенейсвободы молекул газа и его давление. При локализации разряда перед ударной14волной мгновенный (с газодинамической точки зрения) нагрев газа передфронтом приводит к локальному (по времени) нарушению условий РенкинаГюгонио, что влечет за собой явление распада плоского разрыва (рис. 5).Вместо исходной ударной волны У0 образуются две ударные волы У1, У2 иконтактный разрыв К1. У1 распространяется по области неравновесного газа, У2– навстречу спутному потоку, сформированному за исходной ударной волной.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
