Импульсный скользящий поверхностный разряд в газодинамическом потоке (1103045), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ломоносова.Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и спискацитируемой литературы (110 ссылок). Объем диссертации составляет 117страниц. Работа содержит 62 рисунка.2Содержание диссертацииВо введении обосновывается актуальность темы, формулируютсяцели и задачи диссертационной работы.В первой главе приведен обзор литературы по взаимодействиюпотоков газа с плазменными образованиями и способам регистрацииструктуры потока.В первом параграфе 1.1 проведен анализ работ по исследованиювзаимодействия высокоскоростных потоков газа с газовыми разрядами.
Втечениепоследнихэкспериментальныхдесятилетийивыполнентеоретическихработбольшойпообъемисследованиювзаимодействия газодинамических возмущений со слабоионизованнойплазмой. Это позволило в значительной мере понять механизмы ипродемонстрировать потенциальные возможности влияния плазменныхобразованийнахарактеристикивысокоскоростныхпотоков.Электрические разряды являются эффективным способом созданияплазменных областей в быстрых потоках газа.7Во втором параграфе 1.2 проанализированы работы, посвященныеисследованиюповерхностныхскользящихразрядов.Скользящийповерхностный распределенный разряд (плазменный лист) – вид газовогоразряда, развивающийся вблизи поверхности диэлектрика при подачевысоковольтногоимпульсанасистемуэлектродовспециальнойконфигурации. Выбор скользящего поверхностного разряда как объектаисследования определялся его особыми свойствами по сравнению сдругими типами разрядов, а именно:1) развитием разряда в тонком приповерхностном слое газа награнице раздела твердого и газообразного диэлектриков;2) значительной мощностью энерговложения в газ, определяющейсявысокими значениями напряжения и тока в разрядной системе;3) малой длительностью существования разряда по сравнению свременами характерных газодинамических процессов;4) плоской геометрией развития разряда, позволяющей организоватьразряд на стенках прямоугольного канала ударной трубы;5) широким диапазоном рабочих давлений и возможностьюинициирования, как в импульсном, так и в частотном режимах.На рисунке 1 показана система электродов, используемая длясозданияимпульсногоскользящегоповерхностногоразряда.Приприложении высоковольтного импульса напряжения к электроду А наповерхностидиэлектрикаДвозникаеттоксмещения,которыйопределяется величиной напряжения, крутизной его нарастания ипеременнойемкостьюмеждуплазмойповерхностногоразрядаиэлектродом К, покрывающим противоположную сторону диэлектрика.Скользящие по поверхности диэлектрика разряды представляютсобой хороший распределенный источник ультрафиолетового излучениявследствие высоких значений напряженности электрического поля.
С ихпомощью можно осуществлять энергоподвод в приповерхностную областьтечения газа.8l = 0.1 – 10 мКАД~1 ммU0 = 20 – 100 кВРис. 1. Конфигурация электродов скользящего поверхностного разрядаВ параграфе 1.3 описываются методы визуализации структурысверхзвуковых и дозвуковых течений. Рассматриваются преимущества инедостатки основных классических теневых методов, метода рассеянияизлучения на специальных частицах в среде, метода визуализации теченийсвечением стационарных разрядов.Вовторойглавеописаныпозволяющая моделироватьэкспериментальнаяи исследоватьустановка,взаимодействияплазмыповерхностного разряда с газодинамическим потоком, диагностическийкомплекс и условия проведения экспериментов.Параграф 2.1 посвящен описанию экспериментальной установки,представляющей собой ударную трубу с разрядной секцией (рис.
2).Сечение канала камеры низкого давления и разрядной секции 24×48 мм2.Рабочим газом служил воздух при давлениях 15-400 торр. Скользящиеповерхностныеразрядыплощадью30×100 мм2инициировалисьвнеподвижном воздухе и в потоке за фронтом идущей по каналу ударнойволны на двух стенках разрядной секции на расстоянии 24 мм друг отдруга. Две другие стенки представляли собой плоскопараллельныекварцевые стекла, через которые осуществлялась оптическая диагностикапроцессов в разрядной камере. На электроды разрядов подавалосьимпульсное напряжение 25-30 кВ, ток разряда достигал ~1-2 кА.Длительность разряда ∼200 нс, что существенно меньше временпротекания газодинамических процессов в ударной трубе (микросекунды).Таким образом, воздействие импульсного скользящего поверхностногоразряда на поток было практически мгновенным.
В каждый плазменный9регистрирующаяаппаратураHe321Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 – камера высокогодавления, 2 – камера низкого давления, 3 – разрядная камералист вкладывалась энергия ~ 0.4 Дж. Высокие значения напряжения и токаобеспечивали эффективное возбуждение колебательных и электронныхстепеней свободы молекул. Схема синхронизации процессов позволялаинициировать поверхностные разряды в различных областях потока.Вовторомпараграфе2.2описаныпараметрыскользящегоповерхностного разряда, проведена оценка параметра Таундсенда вразрядном промежутке (E/N=(1÷25)⋅10-15 В⋅см2) и концентрации электронов(~1014 см-3),проанализированораспределениеэнергииразрядапоразличным каналам.Третий параграф 2.3 посвящен описанию методов исследования идиагностическогооборудования.Структурасвеченияскользящегоповерхностного разряда и его динамика исследовались с помощьюцифровых фотоаппаратов и стробируемой камеры c наносекунднымзатвором.
Для визуализации газодинамических возмущений, возникающихпри развитии поверхностного разряда, применялось теневое зондирование.Вчетвертомпараграфе2.4указанпорядокпроведенияэкспериментов и методика обработки полученных экспериментальныхданных.10Третья глава посвящена исследованию интегральных, временных испектральных характеристик излучения плазмы скользящего разряда внеподвижном воздухе и в потоке воздуха за плоской ударной волной.В первом параграфе 3.1 исследована пространственная структурасвечения разряда в неподвижном воздухе при давлении 15-200 торр.Определены толщина диффузного плазменного слоя, количество каналовна единицу длины, радиусы диффузного и яркого каналов.
Толщинадиффузного слоя определялась по изображениям интегрального свеченияповерхностного разряда, полученным при регистрации в плоскостиэлектродов. Полученная зависимость толщины диффузного слоя отплотности воздуха представлена на рис. 3.1.0d, mmнеподвижный воздухпоток Мп=0.9поток Мп=1.2поток Mп=1.30.80.60.40.2ρ, кг/м30.00.000.150.300.45Рис.
3. Зависимость толщины плазменного слоя от плотности воздухаИз графика видно, что толщина плазменного слоя в неподвижном воздухеуменьшается от 0.8 до 0.4 мм при указанном изменении плотности.Толщина плазменного слоя скользящего поверхностного разряда в другихгазах зависит от рода газа и также возрастает с понижением давления,составляя 0.1-1 мм [9]. Таким образом, была определена структура и11построена геометрическая модель развития поверхностного скользящегоразряда в неподвижном воздухе.Во втором параграфе 3.2 определена зависимость толщиныплазменногослоявпотокевоздуха.Вусловияхпроведенныхэкспериментов (диапазон плотностей 0.08-0.40 кг/м3, числа Маха потока0.9-1.3) толщина плазменного слоя не зависла от параметров потока исоставляла около 0.4 мм (рис. 3), что сравнимо с толщиной пограничногослоя на стенке канала.
Таким образом, показано, что при развитиискользящего поверхностного разряда основной энерговклад происходит вобласти пограничного слоя течения.В параграфе 3.3 исследовались временные характеристики свеченияразряда в неподвижном воздухе давлениях 25-175 торр. Установлено, чтодлительность свечения диффузного слоя разряда при указанных условияхне превышает 300 нс, свечение ярких каналов может достигать 3.5 мкс.Таким образом, время свечения плазмы разряда мало по сравнению схарактерными газодинамическими временами. Это дает возможностьиспользовать свечение импульсного скользящего поверхностного разрядав качестве визуализирующего средства в газодинамическом потоке.В четвертом параграфе 3.4 проведен спектральный анализ составаизлучения плазмы скользящего поверхностного разряда.
Одной изхарактерных особенностей разряда является эффективное возбуждениеэлектронных уровней молекул, на которое при высоких величинахнапряженности электрического поля расходуется (наряду с ионизацией)значительная доля поглощаемой в плазме разряда энергии. Спектризлучения плазменного листа в воздухе определяется в основномэлектронно-колебательными полосами второй положительной системыазота, с присутствием высокоэнергичной ультрафиолетовой части (рис. 4).В спектре излучения также присутствуют линии иона азота (N2+),атомарного кислорода, азота, водорода.
Это подтверждает реализациюбольших значений приведенного электрического поля, когда эффективно12происходят процессы возбуждения электронных степеней свободы,ионизации, диссоциации.При повышении давления интенсивность линий ультрафиолетовойчасти снижается, а линий видимой части спектра возрастает.2337.1I, отн. ед.12000750.4357.9313.6821.6486.11656.3570.0777.0515.3521.8390005425 торр100 торр175 торр600030000200300400500600700800λ, нм 900Рис.
4. Основные линии излучения скользящего разряда в воздухе:------ (1) - линии второй положительной системы азота------ (2) - линии атома водорода Hα (656.3 нм); Hβ (486.1 нм)------ (3) - атомарный кислород (777 нм)------ (4) - атомарный азот (821.6 нм)------ (5) - линии меди (материал электродов)Спектральный состав излучения плазменного листа в потоке зафронтом ударной волны отличается от спектра в неподвижном воздухеприсутствием более интенсивных линий длинноволновой части спектра. Вэтом случае разряд инициируется при высокой температуре (зависящей отчисла Маха прошедшей ударной волны), что оказывает влияние напротекание процессов с участием частиц в возбужденных состояниях.Четвертая глава посвящена исследованию динамики возмущенийиз области разряда и определению энерговклада в пристеночный слой газа.При инициировании импульсного скользящего поверхностного разрядавозникают газодинамические возмущения в виде ударных волн, вызванные13быстрым введением энергии в ограниченную область пространства.Движение ударных волн определяется интенсивностью и распределениемэнерговложения.
Исследование газодинамического воздействия разряда насреду является актуальной задачей, так как динамика движениявозмущений позволяет достаточно точно определить долю электрическойэнергии разряда, переходящую в тепло за время тока разряда.В первом параграфе 4.1 исследована динамика движения ударныхволн от плазменных листов в неподвижном воздухе при давлениях 25250 торр. Регистрация возмущений проводилась теневым методом.Скользящий поверхностный разряд развивается в многоканальной идиффузной форме. Теневое зондирование показало, что от каждого каналаразряда образуется полуцилиндрическая ударная волна.
Ударные волны отсоседних каналов взаимодействуют между собой, в результате ихинтерференцииформируетсяквазиплоскийфронтрезультирующейударной волны (рис. 5). Так как разряды инициируются на двухпротивоположных стенках разрядной камеры, то образуются две ударныеволны, движущиеся навстречу друг другу от нижнего и верхнегоплазменных листов.а) t = 6 мксб) t = 12.5 мксРис. 5. Теневые изображения ударных волн от плазменных листов внеподвижном воздухе при p=175 торрОбработка и анализ теневых изображений показали, что фронтквазиплоской ударной волны формируется в течении 2-3 мкс и начинает14движение от электродов со скоростью ∼ 800 м/с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
