Взаимодействие ударной волны с зоной импульсного поверхностного энерговклада (1102478), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Времена проявления эффектов от различных механизмов воздействияимпульсногораспределенногоповерхностногоразряданасверхзвуковоенестационарное течение с ударной волной в послеразрядной стадии.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы были представлены автором наследующих конференциях, семинарах и съездах: Международной конференции«Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность»(Звенигород, 2010), Научных конференциях «Ломоносов – 2010» и «Ломоносов –2011» (Москва), 10-й Международной школе-семинаре «Модели и методыаэродинамики» (Евпатория, Украина, 2010), International Advanced Workshop on theFrontiers of Plasma Physics (Триест, Италия, 2010), 4-й Всероссийской Школесеминаре «Аэрофизика и физическая механика открытых и квантовых систем»(Москва, 2010), 10th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics(Москва, 2011), 28th International Symposium on Shock Waves (Манчестер,Великобритания, 2011), 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and ImageProcessing (Москва, 2011), 10-й международной школе-конференции молодыхученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики»(Новосибирск, 2012), а также на научных семинарах кафедры молекулярнойфизики физического факультета МГУ им.
М.В. Ломоносова.ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 16 работ, из них 3 статьи впериодических изданиях из списка ВАК и 13 статей в трудах и тезисах докладов навсероссийских и международных конференциях.Личный вклад автораОсновные результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором,либо при его непосредственном участии. Автором был реализован и оттестированвычислительный алгоритм, выполнены расчеты, проведена обработка и анализ какчисленных, так и имевшихся экспериментальных данных, подготовлены печатныеработы и доклады.7Объем и структура диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемойлитературы из 137 наименований.
Объем диссертации составляет 125 страниц.Работа содержит 35 рисунков и 1 таблицу.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность изучаемой проблемы, описываетсяпостановка задачи, цели, а также научная и практическая ценность работы.Приводятся положения, выносимые на защиту, а также сведения о публикацияхавтора по теме диссертации и апробации работы.Первая глава носит обзорный характер и описывает современное состояниеисследований по воздействию на распространение ударных волн путем внесениянаправленных изменений в газ перед ними.В параграфе 1.1 представлен обзор существующих подходов к численномумоделированию процессов с энергоподводом.
Проводится анализ представленныхмоделей с точки зрения их применимости к исследованию взаимодействия ударнойволны с областью импульсного энерговложения от распределенного поверхностного разряда.Показано, что достижения в области плазменной кинетики позволяют строитьдостаточно детальные кинетические модели для описания различных плазменныхмеханизмов подвода энергии в среду. Однако разработка методов численногорасчета взаимодействия возникающей в результате энергоподвода неравновеснойплазмысвысокоскоростнымитечениямивсеещесопряженасрядомвычислительных трудностей. Основная проблема состоит в необходимостиодновременногоучетасложныхпроцессов(газодинамических,электродинамических, кинетических), имеющих различные порядки характерныхвременных и пространственных масштабов.В связи с этим при численном исследовании воздействия плазменныхобразований на высокоскоростные течения и ударно-волновые структуры чащевсего используют упрощенные математические модели.
Эти модели не учитываютвсех физических механизмов подвода энергии в среду, однако позволяютудовлетворительно описывать газодинамические аспекты такого воздействия. При8этом большая часть подобных работ носит чисто расчетный характер, вопрос ореализации энергподвода не рассматривается.В параграфе 1.2 проанализированы исследования по взаимодействию ударныхволн с различными типами модельных неоднородностей.
Описываются явления,сопровождающие распространение ударной волны в среде при наличии в ней«теплого слоя», локальных неоднородных зон, «газовых пузырей» различнойформы. Анализируются работы по взаимодействию ударных волн с областямитурбулентности.Вторая глава посвящена описанию общей постановки задачи ичисленной модели взаимодействияударной волны с зоной импульсного поверхностного энерговлоРис. 1. Плоская ударная волна в разрядной камере.жения.
Выбор газодинамическогоподхода и модели «мгновенного» энерговклада обосновывается особенностямиэкспериментальной реализации задачи: время энерговыделения при инициировании наносекундного скользящего разряда не превышало 1 мкс (td/tgas << 1), авзаимодействие рассматривалось на относительно больших временах послепрекращения тока разряда (десятки и сотни микросекунд). Кроме того, геометрияэксперимента позволила проводить расчеты в двумерном приближении.В параграфе 2.1 описываются эксперименты, численное моделированиекоторых проводилось в диссертационной работе.
Экспериментальная установкасостояла из однодиафрагменной ударной трубы прямоугольного поперечногосечения высотой 24 мм и шириной 48 мм и разрядной секции, встроенной в камерунизкого давления. Толкающим газом служил гелий, рабочим – воздух прикомнатной температуре и давлении p0 = 20-80 Торр.
Рассматривались ударныеволны с числами Маха М=1.5-3.0.Завершенный скользящий разряд создавался на поверхности диэлектрика приприложении импульсного напряжения в 24-30 кВ к межэлектродному промежуткудлиной 100 мм и шириной 30 мм, расположенному на нижней стенке разряднойсекции (рис. 1). Ток разряда достигал 1-2 кА, а его длительность (td) составлялапорядка 200 нс. Разряд сопровождался рядом кинетических процессов, приводящих9к формированию вблизи поверхности слоя слабоионизованной неравновеснойплазмы, и газодинамическими явлениями, свойственными взрывным процессам(«плазменный взрыв»). Согласно [5], релаксация основной энергии из внутренних впоступательные степени свободы и нагрев среды в этих условиях происходилименее чем за 1 мкс.
Формирование взрывных ударных волн при инициировании«плазменного листа» также свидетельствовало о быстром и значительномповышении давления (и поступательной температуры) в узком приповерхностномслое.Рис. 2. Начальные условия численного моделирования. I — невозмущенный газ, II —область течения за ударной волной, III — зона энерговклада.В параграфе 2.2 описывается постановка вычислительной задачи. Расчетнаяобласть с адаптированной сеткой представляла собой часть канала ударной трубыразмерами 144х24 мм2 (рис. 2). Зона энерговклада (III) занимала пространство 24 <x < 124 мм, 0 < y < h(x) мм, где значение h(x) задавалось с учетом анализаэкспериментальных картин свечения разрядной плазмы и ранее проведенныхоценок [7]. На левой и правой границе ставились «мягкие» граничные условия, навсей твердой поверхности – условия прилипания.
Начальные параметры набольшей части расчетной области (I) соответствовали невозмущенному газу вэкспериментальных условиях (p0, ρ0, T0). Инициирование «плазменного листа»задавалось как локальное повышение внутренней энергии в зоне энерговклада наΔW ,которомусоответствовалоувеличениедавлениянавеличинуΔp = ( γ − 1) ΔW / V , при неизменных значениях плотности и скорости (V - объемзоны III). При моделировании условий эксперимента это приводило к резкомуросту температуры вблизи поверхности (до 1000-2000 К) и образованию взрывнойударной волны на границе зоны энерговклада.Параметры газа за проходящей ударной волной (II) задавались в расчете спомощью соотношений Рэнкина-Гюгонио.
При движении вдоль зоны III она10взаимодействовала как с взрывной волной от разряда, так и с нестационарнойнагретой областью вблизи поверхности.Основные расчеты проводились в рамках двумерных нестационарныхуравненийНавье-Стоксадлявязкогосжимаемоготеплопроводногогаза.Зависимость коэффициента вязкости от температуры описывалась формулойСазерленда. Использовалась модель совершенного газа (воздух) с постояннымпоказателем адиабаты (γ=1.4) и числом Прандтля Pr=0.72. Для проведениярасчетов с учетом изменения теплофизических параметров в зоне разряда за счетвозбуждения внутренних степеней свободы был также реализован алгоритм,основанный на системе уравнений Эйлера для двухкомпонентной нереагирующейсмеси газов.Длячисленнойаппроксимацииуравненийбылапримененаявнаяквазимонотонная конечно-объемная схема, представлявшая собой вариант методаС.К.
Годунова повышенного порядка точности. Конвективные потоки через граниконтрольных объемов рассчитывались независимо по каждому направлению наоснове решения задачи Римана (точным или приближенным методом HLLC).Повышение пространственного порядка точности схемы без потери монотонностиалгоритма достигалось использованием двумерной процедуры восстановленияпараметров с применением ограничителя MinMod.
Интегрирование по временипроводилось методом Рунге-Кутты второго порядка с неявной аппроксимациейисточникового члена.В параграфе 2.3 демонстрируется сходимость и точность используемогоалгоритма и программы его реализации на ряде известных одно- и двумерныхтестовых задач (распад разрыва, взаимодействие ударной волны с вязкимпогранслоем, дифракция ударной волны на гелиевом пузыре).Третья глава содержит исследования двумерного взаимодействия плоскойударной волны с областью импульсного поверхностного разряда. Поскольку напротяжении первых 40 мкс после его инициирования течение в разрядной камереопределялось, в основном, движением поперечных взрывных волн от энерговклада,интерес представлял диапазон времен 40-500 мкс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
