Диссертация (1103111), страница 6
Текст из файла (страница 6)
При этом начинается истечениегаза из области более высокого давления. Если это давление превышаеткритическое, на поверхности раздела также реализуется условие распада разрыва.Газодинамические картины течения в обоих случаях оказываются качественносхожими.29Часто помимо стартовых процессов выделяют т.н. взрывные процессы. Приподрыве взрывчатого вещества или смеси в нём начинает распространяться волнадетонации, представляющая собой ударную волну, сопровождаемую зонойхимической реакции, следующей с некоторым запаздыванием за фронтомударной волны.
Химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла иповышением давления за счёт образования продуктов горения, оказывает влияниена структуру течения и распространение головной ударной волны. После того,как детонационная волна достигает границы взрывчатого вещества, головнаяударная волна выходит во внешнее пространство и продолжает распространятьсяв нём. Это объединяет течения, создаваемые детонационными процессами, состартовыми процессами первого класса по приведённой выше классификации.Однако после детонации течение за головной ударной волной, помимо обычногоспутного потока, формируется движением разогретых и сжатых продуктовгорения. Также, поскольку геометрия зарядов взрывчатого вещества может бытьорганизована с большой степенью произвольности, геометрия последующеготечения также имеет большее возможное разнообразие, чем в случае выходаударной волны из отверстия.Частным случаем взрывных процессов иногда называют течения, связанныес мощными импульсными разрядами – такими, например, как атмосферныйискровой разряд.
При формировании разрядного канала газ в нём разогревается засчёт джоулева тепла, причём это может происходить за времена, существенноменьшиехарактерныхгазодинамическихвремён(~10-7 с).Врезультатеформируется локальная область сильно разогретого газа, на границах котороймогут реализовываться условия распада разрыва [36, 75]. Образование ударныхволнимпульснымиразрядамиизвестнодавно–фактически,первыеэкспериментально зафиксированные ударные волны (шлирен-экспериментыЭ.Маха в 1877 г.), служившие подтверждением теоретическим выкладкам Римана,создавались искровым разрядом между двумя электродами в воздухе.
Помимотеплового эффекта, на формирование течения также могут оказывать влияние30эффекты, специфические для электрического разряда – ионизация и связанные сней воздействия электрических и магнитных полей на ионизованный газ(например, т.н. «ионный ветер»), релаксация нетепловых степеней свободычастиц газа и др.На наш взгляд, объединение течений, создаваемых детонацией взрывчатыхвеществ, и течений, создаваемых импульсными разрядами, не совсем корректно,еслиучитыватьвышеприведённуюклассификациюстартовыхпроцессов.Поскольку газ в разрядном канале практически не приобретает никакогоускорения за время протекания тока, то исходное газодинамическое состояниепосле разряда более сходно со стартовыми процессами второго рода, когда двасоприкасающихся объёма газа, несмотря на различающиеся плотности, давленияили температуры, изначально не имеют составляющей скорости, нормальной кгранице раздела.
Также в разрядном канале за время создания исходнойнеравновесности практически не происходит увеличения плотности газа.Пространственнаяорганизацияимпульсныхразрядов,аналогичнодетонациям, может быть весьма разнообразна. Различная геометрия электродов,использование предыонизации позволяют варьировать конфигурацию разряда.Отдельноможновыделитьоптическийгазовыйразряд,создаваемыйфокусированием мощного лазерного импульса. В этом случае возможно созданиевысокотемпературной области, отделённой от какой-либо твёрдой подложки.Поверхностные газовые разряды характеризуется протеканием разряда внепосредственнойблизостиотграницытвёрдоготела.Импульсныйнаносекундный скользящий разряд, исследованный в рамках данной работы,относится к этой группе.
Он характеризуется развитием параллельныхсильноточных каналов, образующих прямоугольный слой толщиной около 1 ммвозлеплоскойповерхностидиэлектрика.Существеннаячастьэнергии,выделяющейся при разряде около поверхности, быстро преобразуется в тепловуюэнергию тонкого слоя газа, что приводит к образованию ударных волн. Прямые31наблюдения ударно-волновой конфигурации подтверждают тезис сверхбыстрогонагрева, и позволяют оценить долю энергии, мгновенно переходящей в тепло, какнаходящуюся в районе 40% [69].Разряд при инициации формирует сложное нестационарное течение [58],включающееударныеволнысложнойтрёхмернойконфигурации,распространяющиеся от областей протекания разрядного тока, и конвективныеобразования.Данный разряд обладает рядом свойств, потенциально ценных дляпрактических применений. Главным из них является малая длительность развитияразряда, составляющая порядка сотен нс.
Специфика газодинамического течения,создаваемого этим разрядом, делает его перспективным для применения вкачестве плазменного актуатора и управления газодинамическими потоками [59,65].При использовании электрических актуаторов предполагается прямоепреобразование электрической энергии на обтекаемой поверхности в энергиюгаза.
В дозвуковых режимах существенную часть воздействие разряда наобтекание может составлять передача импульса заряженными частицами потоку.Так, генерация электронного ветра (например, на основе коронного разрядавокруг тонкого проволочного электрода, помещённого в изучаемый профиль)используетсядлятангенциальногоускоренияпотокавоздухаблизкокповерхности модели с целью модификации профиля потока в областипограничного слоя.
Исследования показали, что эффект электронного ветраявляется значимым только в случае малых скоростей (30−110 м/с) [9, 18].Такжебылопоказано,чтонасверхзвуковыхрежимахобтеканиявоздействие имеет преимущественно тепловой механизм [84, 90, 103]. Длясверхзвуковых течений газа, имеющих высокую энтальпию потока, эффективноевоздействие предполагает увеличение значения энергии, вкладываемой32разрядом в поток. В стационарном режиме энергоподвода (разряд постоянноготока)приувеличенииэнергии(тока)разрядаповышаетсявероятностьвозникновения плазменных неустойчивостей, делающих работу плазменногоактуатора нестабильной, и затрудняющих управление им.
Избежать развитияплазменных неустойчивостей можно путём использования импульсного илиимпульсно-периодического подвода энергии в поток [64]. Наносекундныйимпульсный разряд, протекающий за времена много меньшие характерныхгазодинамических времён потока, может быть использован для этого.В большинстве экспериментальных работ было показано, что приимпульсно-периодическомэнерговкладевприповерхностныйслойгазадостигается линейное уменьшение коэффициента волнового сопротивления взависимости от подводимой энергии.
Однако в работах [60, 61] были обнаруженынелинейные эффекты, экспериментально зафиксировано значительное изменениеударно-волновойструктурыпритрансзвуковом обтеканиипрофиляприорганизации энерговклада разрядом в тонких зонах, вытянутых вдоль контурапрофиля. Ранее столь существенное изменение структуры течения приотносительно небольших затратах энергии было обнаружено для случаясверхзвукового обтекания [66, 91]. Более поздние экспериментальные итеоретические исследования показали возможность влияния на структуруприсоединённой головной ударной волны с существенной энергоэффективностью[16]. Существуют разработки т.н. струйных искровых актуаторов, в которыхимпульсный сильноточный разряд, инициируемый под обтекаемой поверхностью,формирует импульсную струю, воздействующую на течение [14, 35].Помимо применений плазменных актуаторов к внешней аэродинамикесверхзвуковыхлетательныхаппаратов,большоевниманиеуделяетсяпотенциальным применениям актуаторов для управления потоками внутрисверхзвуковых и гиперзвуковых реактивных двигателей.
В 2008 году в работе [94]была предложена и опробована концепция управления летящим сверхзвуковымтелом с помощью импульсного поверхностного разряда на обтекаемой33поверхности.Былапоказанапринципиальнаявозможностьпримененияплазменных актуаторов для управления обтеканием на скоростях до 4.5 М вусловиях, соответствующих атмосферным на сравнительно небольшой высоте.34Глава 2.Экспериментальная установка и методика эксперимента2.1 Экспериментальный стенд УТРО-3Эксперименты, проведённые в рамках данной работы, выполнялись на базеэкспериментального стенда УТРО-3 (сокр. от «Ударная Труба – Разряд –Оптика») кафедры молекулярных процессов и экстремальных состоянийвещества.
Стенд включает в себя ударную трубу диафрагменного типа, в секциюнизкого давления которой интегрирована геометрия импульсного газовогоразряда. На Рис. 2.1 представлена схема стенда.Ударная труба позволяет создавать плоские ударные волны с числом Маха до4-5 [70]. Толкающим газом в экспериментах выступала смесь гелий-воздух (1 атм.воздуха дополнялась гелием до необходимого давления). Секция высокогодавления (1 на Рис.
2.1) имеет круглое сечение и изготовлена из стали.Переходная секция имеет внутреннее сечение сложной формы, обеспечивающееплавное сочленение секции высокого давления и секции низкого давленияударной трубы (2 на Рис. 2.1). Между камерой высокого давления и переходнойсекцией устанавливалась диафрагма из лавсановой плёнки. После разрывадиафрагмы под воздействием разности давлений начиналось импульсноеистечение газа в секцию низкого давления. На расстоянии около 10 диаметровтрубы от положения диафрагмы течение формировало плоскую ударную волну,распространявшуюся далее по секции низкого давления.35Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
