Взаимодействие плазмы импульсных разрядов со сверхзвуковыми потоками воздуха (1102471), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В течениеследующей стадии разряда происходит основное проникновение плазмы вгаз, при этом могут реализоваться плазменные образования с несколько12различной структурой. Так, при больших энерговкладах в плазму(1000 Дж)практически при всех начальных давлениях в разрядной камере в течениевторой стадии формируются гантелеобразные плазменные образования,которые трансформируются в шаровые структуры остывающей плазмы (Рис.7-б). При энерговкладах (600 Дж) наблюдались плазменные структуры,характерные для истечения из сверхзвукового сопла: диск Маха с висячимискачками уплотнения, из которых формировались плазменные структурыгрибообразной формы (Рис. 7-в, г).
При пониженных энерговкладах (300Дж) в плазму наблюдались турбулентные плазменные струи (Рис. 7-д).На основании проведенных измерений было получено, что скоростьдвижения плазмы во время основного энерговыделения значительнопревышает скорость сверхзвукового потока ~ 500 м/с при М=2.Действительно экспериментальное исследование взаимодействие плазмыМПК со сверхзвуковым потоком показало, что плазменная струя свободнопроникает в поток. Так на рис. 8 приведены типичные фрагментыскоростных фотографий процесса инжекции плазменной струи, созданнойМПК, перпендикулярно оси сверхзвукового воздушного потока, которыйформировался при истечении в затопленное пространство объемом 3 м3.Основное влияние поперечного потока сводится к отклонению плазменнойструи от оси МПК, причем угол отклонения остается практическипостоянным и достаточно небольшим по величине.Рис.
8. Фрагменты СФР-граммы плазменной струи, созданной МПК в сверхзвуковомпотоке (М=2).В работе также проводились спектральные измерения температурыплазмы по относительным интенсивностям спектральных линий меди 578 нм13и 521 нм. При этом использовалась специальная оптическая система, котораяпозволяла определять распределение температуры, как вдоль потока, так и всечении, перпендикулярном ему. Эта серия экспериментов проводилась всверхзвуковом канале второй установки.На рис. 9 приведено распределение температуры вдоль оси канала(точка х = 0 соответствует месту ввода плазмы в канал).
Как видно изприведенных данных температура плазмы остается практически однороднойвдоль оси х, однако, можно сказать, что она достигает максимальногозначения в плоскости торца плазмотрона. Кроме того, наблюдаетсятенденция к образованию некоторого минимума в распределении наудалении (2-3) см от начала плазменной струи.
В целом же значениятемпературы в распределении по оси х лежат в пределах (0,9 -1,3) эВ.Т, эВ578-521, нм, Y=1,51.41.210.80.6012345Х, смРис. 9. Распределения температуры вдоль оси канала.С=50мкФ, U=4.0 кВ, p=100 тор, Pр=3 атм.Проведенные экспериментальные исследования показали, что плазма,созданная МПК может быть успешно использована для инициацииобъемного горения сверхзвуковых топливных смесей.Вчетвертойглавеприводятсярезультатыисследованиявзаимодействия со сверхзвуковым воздушным потоком плазменной струи,созданной относительно слабомощным капиллярным плазмотроном.Капиллярный плазмотрон представлял собой два электрода,размещенных в конусообразном корпусе (Рис.
10), выполненном издиэлектрика (4), на расстоянии ~ 5 мм друг от друга. Между электродамиразмещалась шайба, изготовленная из оргстекла с каналом диаметром 12 мм(2). Внутренний электрод (3) изготовлен из графита и представляет собойшайбу диаметром ~ 10 мм и толщиной 5 мм. В медном наружном электроде(1), конусообразной формы сделано отверстие диаметром ~ 3 мм.14Плазмотрон размещался на срезе формирующего канала сверхзвуковогосопла.Рис 10. Устройство капиллярного плазмотрона. 1- анод, 2- шайба из оргстекла 3- катод, 4корпус из изоляционного материала.Для определения характера изменения формы плазменной струи вовремени использовался скоростной фоторегистратор, работающий впокадровом режиме съемки, длительность отдельного кадра можно былоизменять от 4 мкс до 400 мкс при общем числе кадров 60.
На рис. 11-априведены типичные фрагменты скоростной съемки капиллярного разряда внеподвижном воздухе, полученные при длительности одного кадра 20 мкс.а)б)Рис. 11. (а) - скоростные фотографии капиллярного разряда в неподвижном воздухе(б)- временная зависимость характерного продольного размера плазменной струи приразличных начальных давлениях в камере истечения: 1 - 20 Тор, 2- 80 Тор.В результате обработки большого числа аналогичных фотографий было15определенно развитие во времени характерных размеров образовавшейсяплазмы.
На рис. 11-б показана временная зависимость усредненной длиныплазменной струи при двух начальных давлениях в балластной камере. Каквидно из приведенного рисунка, длина струи растет во времени практическилинейно, причем тем быстрее, чем меньше начальное давление воздуха вкамере.Рис.12. Интегральные фотографии капиллярного разряда в сверхзвуковом потоке,начальное давление в камере равно: (а) - 20 Тор, (б) – 80 Тор.
Поток направлен сверхувниз.Оказалось, что максимальная скорость распространения плазменнойструи вдоль ее оси равна 300 м/с при давлении в камере 80 Тор и 450 м/с придавлении 20 Тор. Таким образом, скорость струи зависит от давления вкамере, что определяет характер ее взаимодействия с потоком. Так на рис. 12(а и б) представлены интегральные фотографии капиллярного разряда ввоздушном сверхзвуковом потоке с М = 2. Видно, что при малых давлениях,когда скорость движения плазмы сравнима со скоростью потока, уголотклонения струи в потоке близок к 450, в случае же больших давлений (прималых скоростях плазмы), струя практически распространяется вдоль потока,и угол отклонения приближается к 900.Аналогичный вывод можно сделать на основании данных скоростнойфотографии.
Так на рис. 13 показаны типичные фрагменты сверхскоростнойсъемки процесса взаимодействия плазменной струи капиллярногоплазмотрона с поперечным сверхзвуковым потоком воздуха. Диаметрвоздушного потока был ~ 2,5 см.Из сравнения приведенных фрагментов видно, что плазменная струяотклоняется сверхзвуковым потоком тем сильнее, чем меньше энергия,вложенная в разряд.
В течение интервала времени, соответствующегонаибольшей электрической мощности, вложенной в разряд, когда скоростьраспространения плазмы сравнима со скоростью потока, плазменная струяпрактически пересекает весь диаметр потока. В тоже время в начале и вконце импульса разрядного тока, когда величина подводимой к разряду16мощности относительно мала, плазменная струя практически не проникает впоток.Рис. 13. Скоростные фотографии капиллярного разряда в поперечном сверхзвукомпотоке воздуха М = 2 (длительность одного кадра 20 мкс, поток направлен сверху вниз).Проведенные исследования динамики развития капиллярного разряда внеподвижном воздухе и сверхзвуковом потоке показали, что приинжектировании плазменных струй вдоль сверхзвукового потока возможноиспользование капиллярного разряда для инициации горения топливныхсмесей.В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследованийэлектродного продольно-поперечного разряда (ППР) постоянного тока,создаваемого в сверхзвуковом воздушном потоке.Эксперименты проводились в сверхзвуковом канале.
Для созданияразряда на постоянном токе использовался источник питания с выходнымнапряжением до 5 кВ и максимальным током до 20 А. Величина токарегулироваласьбалластнымисопротивлениями,включеннымипоследовательно с разрядным промежутком. Схема расположения и формаэлектродов приведена на Рис. 14. Электроды, сделанные из меднойпроволоки диаметром 3 мм, вакуумно крепились на диэлектрическойпластине, которая размещалась в люке рабочей секции сверхзвуковогоканала. Длина горизонтальной части положительного электрода была 10 мм,а отрицательного – 40 мм. Электроды располагались соосно по потоку,причем конструкция их крепления позволяла изменять как общее положениеэлектродов по высоте, так и относительное расстояние между ними.17Рис.
14. Схема разряда и типичные фотографии разряда.а) - схема расположения электродов : 1- катод, 2 – диэлектрическая подложка, 3 – разряд,4 – анод, 5 – застойная зона, 6 – стенки канала; фотографии разряда с экспозицией:б) - 800 мкс и в) – 20 мкс,На рис. 14 (б и в) представлены два типичных фрагмента скоростнойсъемки разряда, полученные при времени экспозиции одного кадра 800 мкс(б) и 20 мкс (в). Кадры получены при начальном давлении в рабочем канале0,28 атм, а в ресивере – 2 атм, длительность импульса напряжения 1 с,величина разрядного тока 9 А. При малых экспозициях видно, что разрядраспространяется вдоль потока в виде отдельных каналов, длина которыхпостоянно меняется в результате сноса потоком и вторичных пробоевмежэлектродного промежутка.
Таким образом, полная интегральная картинаразряда является суперпозицией отдельных плазменных каналов,существующих в течение времени ~ 10-20 мкс. Такое многоканальноеразвитие разряда в потоке отражается на характере электрическиххарактеристик разряда. Так на рис. 15 приведены типичные временныезависимости тока и падения напряжения на разряде в неподвижном воздухе(рис.15-а) и в сверхзвуковом потоке (рис. 15-б). Видно, что ток разряда как впотоке, так и без него в течение импульса остается практически постоянными определяется только балластным сопротивлением. В то же времянапряжение на разряде в сверхзвуковом потоке претерпевает значительныеколебания.
Эти колебания связаны с хаотическим изменением длиныразрядного промежутка (а, следовательно, и его сопротивления), что припостоянном токе приводит к хаотическим же колебаниям напряжения наразряде.18а)б)Рис. 15. Типичные осциллограммы напряжения на разряде (1) и разрядного тока (2):а - без потока; б - в потоке; длительность импульса 1 с, P = 0,14 атм., Pр = 3 атм.Подобные осцилляции тока наблюдались и в предыдущихэкспериментах по исследованию взаимодействия со сверхзвуковым потокомразряда,создаваемогомеждуэлектродами,расположеннымиперпендикулярно потоку. Однако в этих экспериментах такие осцилляцииносили периодический характер. В случае же продольно-поперечногоразряда колебания величины напряжения происходят совершеннопроизвольно, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
