Экспериментальное исследование формирования вихревых течений газа в сильных электрических полях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Савельев, Андрей Сергеевич

• Савельев, Андрей Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Савельев, Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ.

2.1. Модели и устройства для формирования плазмы на их поверхности.

2.2. Секционированный разрядник для получения протяженного искрового разряда.

2.3. Сверхзвуковая аэродинамическая труба.

3. ОПИСАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

3.1. Шлирен-визуализация течения.

3.2. Particle Image Velocimetry.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА ПРИ НАЛИЧИИ РАЗРЯДА В СИЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

4.1. Электрические характеристики диэлектрического барьерного разряда.

4.2. Исследования стационарного течения воздуха, вызванного разрядом.

4.3. Исследование нестационарного течения воздуха, вызванного разрядом.

4.4. Инициирование диэлектрического барьерного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха.

4.5. Исследование электрических характеристик искрового протяженного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха.

4.6. Исследование влияния локального теплоподвода в сверхзвуковой поток газа на процесс формирования отрывного течения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование формирования вихревых течений газа в сильных электрических полях»

В настоящее время аэродинамика летательных аппаратов, основанная на геометрии его частей, приближается к совершенству. Направление совершенствования профиля крыла и других компонентов самолета за счет геометрии практически себя исчерпало. Поэтому в настоящее время все больше усилий ученых и инженеров тратится на то, чтобы применять новые перспективные способы улучшения картины течения воздуха вокруг поверхности летательного аппарата, т.н. активные методы управления. К первым попыткам применения таких устройств можно отнести микроэлектромеханические системы (МЕМ8-технологии) — технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. В аэродинамике данные устройства применяются в качестве механических осцилляторов и генераторов вихрей. При этом из-за небольшого размера эти устройства обладают малой инертностью (или временем отклика), что позволяет управляющей электронике быстро реагировать на изменение параметров обтекания и управлять ими с помощью МЕМБ-актуаторов — устройств, работающих на основе МЕМ8-технологий. Однако малый размер ограничивает величину действия на поток газа, другими словами, в высокоскоростных потоках газа энерговклад в поток оказывается небольшим.

Другим типом перспективных устройств управления потоком газа являются плазменные актуаторы. Основная идея в этом случае заключается в том, что потоке газа (воздуха) создается электрический разряд различного вида, при этом поток приобретает дополнительные добавки к параметрам, например, энтальпии за счет дополнительного ускорения частично ионизированного газа в сильном электрическом поле или за счет нагрева газа. Основные используемые типы разряда — это коронный, искровой, диэлектрический барьерный разряд (ДБР). В отличие от механических актуаторов, с помощью плазменных устройств можно вкладывать в набегающий поток газа практически неограниченное количество энергии, при этом инертность эти устройства не уступают MEMS в быстродействии. При этом нужно отметить, что развитие плазменной аэродинамики сопровождается бурным развитием полупроводниковой электроники и технологий преобразования электрической энергии.

Активное управление процессом обтекания поверхности твердого тела можно встретить и в природе. Известно, что сила сопротивления движению живой рыбы в воде меньше, чем в случае мертвой рыбы. Сейчас известно, что рыба в процессе эволюции приобрела способность управлением ламинарно-турбулентным переходом в пограничном слое воды вблизи поверхности тела с помощью слабых вибраций ее кожи. Это свойство обнаружено также и у некоторых млекопитающих, например, у дельфинов.

Считается, что впервые возможность управления потоком была продемонстрирована Прандтлем в 1904 г. Он использовал активный метод управления — отсасывание с поверхности тела жидкости для затягивания отрыва потока от стенок цилиндра. В этом же году Прандтль представил научному обществу свою теорию пограничного слоя, а также теорию стационарного отрыва потока. Метод затягивания отрыва применялся и на реальных летательных аппаратах. Технически это реализовалось в виде канала между областями с повышенным значением давления и с пониженным значением давления на поверхности крыла. Более поздние варианты предусматривали пористую поверхность крыла, так что давление в различных точках на его поверхности самосогласовывалось таким образом, что отрыв при критических параметрах крыла не происходил. Более того, такой способ приводит к затягиванию ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое, что в свою очередь существенно снижает уровень вязкого трения, которое при ламинарном режиме, как известно, меньше. И, наконец, ламинарный режим течения характеризуется меньшим уровнем шума, производимым летательным аппаратом, что, конечно, важно с учетом нагрузки на авиатранспорт сегодня. Для экспериментальной проверки данного явления была спроектирована и сделана специальная модель — самолет Northrop Х-21А. Испытания подтвердили практическую важность активного управления потоком. Кроме описанного выше метода существуют и другие методы активного управления потоком, например, — нагрев или охлаждение потока вблизи поверхности обтекаемого флюидом тела, акустическое воздействие на поток с помощью вибрирующих элементов (акустических или механических актуаторов), синтетические струи (периодический процесс выдува/вдува флюида с нулевым средним массовым расходом), добавление примесей, изменяющих свойства флюида, частичная ионизация набегающего потока газа и другие.

Для анализа причин влияния на поток и режим течения тех или иных факторов рассмотрим уравнение импульса флюида вблизи обтекаемой поверхности. Для простоты рассмотрим несжимаемую вязкую жидкость. Оси х, у, z направим вдоль потока, нормально к поверхности и поперек потока соответственно. Уравнение движения флюида в точке у = 0 будет выглядеть как: ри др ду ри ди. ду дР у=0 дх др у=О ду ди

7=0 х Мд2и ду ду у=0

1) д2и ди. У ду у=0

2) ду др др dz у=о ду ди. зм> ду Мд2и. ду< у=0

3)

Данные уравнения справедливы, кроме того, как для ламинарного режима течения, так и для турбулентного режима. На достаточно простой модели процесса, описываемого представленным уравнением движения по компонентам, можно объяснить действия некоторых активных влияний: вдува/выдува (м1У в представленной системе уравнения — нормальная к 5 поверхности тела скорость флюида) струи флюида, нагрев или охлаждение пристеночного течения. К примеру, охлаждение обтекаемой поверхности приводит к увеличению вязкости воздуха, третий член первого уравнения становится отрицательным, что в свою очередь приводит к увеличению правого члена. Правый член уравнения иногда называют «полнотой» профиля. Очевидно, что, чем больше величина полноты, тем более устойчивым является профиль скорости. Если в каком-то месте на поверхности возникает отрыв потока, то в этом месте д2и/ду2 — 0 при у—О. Очевидно, что необходимо увеличить величину второй производной продольной скорости по координате оси, перпендикулярной к поверхности. Форма обтекаемой поверхности также имеет важное значение. Второй член первого уравнения представляет из себя градиент давления в направлении течения. Если этот член положителен, то полнота увеличивается. Но при положительных углах атаки дело обстоит наоборот — поток ускоряется по мере движения вдоль крыла, давление падает. В точке, где др/дх = 0 при у=0 и давление начинает возрастать, что способствует отрыву потока.

Влияние отсасывания флюида неоднозначно. С одной стороны, когда отрыва в точке поверхности, где происходит отсасывание, нет, то величина производной дих/ду>0, но ил„ < 0, следовательно вторая производная скорости уменьшается. Кроме того, отсасывание увеличивает величину вязкого трения при обтекании [1]. При отрыве величина производной скорости по у становится отрицательной, т.к. возникает возвратное течение флюида, в связи с чем первый член уравнения (1) становится положительным и «полнота» профиля скорости возрастает, и процесс отрыва прекращается. Также отсасывание приводит к смещению вниз по потоку точки минимального давления, что приводит к безотрывному обтеканию.

Следует отметить, что стоящие в правых частях уравнений (1)-(3) являются кривизной профиля скорости, что в случае уравнений для продольного и поперечного движений является потоком вектора завихренности потока в направлении, перпендикулярном поверхности обтекаемого тела. Такая терминология является более научной, чем полнота профиля скорости. К тому же с развитием методов визуализации течений флюида стало возможным измерение завихренности течений по исследуемому пространству. Поэтому именно завихренность потока и формирование вихревых течений во флюидах является в данный момент важной фундаментальной проблемой активного управления потоком, в том числе и в плазменной аэродинамике.

Примерно в середине 90хх годов прошлого века экспериментально была показана возможность управления отрывными течениями и процессом ламинарно-турбулентного перехода в потоке воздуха со скоростями порядка метра в секунду с помощью диэлектрического барьерного разряда [2]. К настоящему времени уже показана эта возможность для скоростей потока до 100 м/с. Более того, сейчас предпринимаются попытки использовать это явление в других задачах, например для воздействия на уровень шума элементов летательного аппарата или, для генерации вихрей в набегающем потоке воздуха. Диэлектрический барьерный разряд — источник завихренного течения вблизи поверхности, на которой происходит инициирования разряда. Как показано с помощью простой модели, описываемой уравнениями (1)-(3), завихренность течения является важным фактором, влияющим на картину течения в целом и процесс управления потока.

Другой задачей внутренней и внешней плазменной аэродинамики является решение проблемы создания зон локального теплоподвода. Во-первых, данная задача вытекает из необходимости создания более мощных и более надежных двигателей нового типа. В данном случае речь идет о сверхзвуковом прямоточном двигателе, т.н. scramjet (supersonic combustion ramjet). Если в прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ПВРД, ramjet) набегающий поток воздуха тормозится до скоростей, соответствующих числам Маха 0.1-0.2, при этом теряется полное давление на скачке уплотнения (прямой скачок, серия косых скачков и др.) в случае сверхзвукового режима полета, в гиперзвуковом ПВРД (scramjet) в камеру сгорания окислитель (воздух) поступает со сверхзвуковой скоростью, что обеспечивает больший массовый расход окислителя в двигатель и, соответственно, большую мощность. Однако при сверхзвуковых скоростях поток сжимаемого флюида оказывается более устойчивым к возмущениям, что в свою очередь сильно усложняет процесс перемешивания окислителя с топливом. Пояснить данное обстоятельство можно следующим простым примером. Рассмотрим сверхзвукового движение сжимаемого газа (на Рис. 1 изображены линии тока). Пусть в некоторый момент времени образовалась область течения, где линии тока искривились, как показано на рисунке. В соответствии с теорией сверхзвукового сопла Лаваля при расширении сверхзвукового потока газ ускоряется и давление в области расширения падает. На представленной картинке р'<р, а значит, газ будет стремиться в исходное невозмущенное положение. В случае дозвукового течения газа картина меняется на противоположную. Давление р' станет больше, чем р, и возмущение будет расти, обеспечивая хорошее перемешивание. Плохое перемешивание в сверхзвуковом течении газа также может прервать горение в ГПВРД, поэтому необходимо обеспечивать постоянное прямое инициирование горение в подобном устройстве, причем с частотой, равной или большей, чем пролетное время газа. Одним из самых распространенных способов инициирования движущихся смесей является электрическая искра. В данном случае к искровому поджигу предъявляются более жесткие требования, в отличие от двигателя внутреннего сгорания. Плохое перемешивание реагентов приводит к необходимости, во-первых, выделять энергию с искрой на достаточно большой длине или объеме в движущемся газе. Во-вторых, малые пролетные времена требуют высокую частоту инициирования искры в движущемся газе.

Рис. 1. Устойчивость сверхзвукового потока газа.

Искровой разряд в газе сопровождается процессом образования ударных волн. При наличии пограничного слоя ударная волна способна создавать отрывные течения, т.к. при падении поверхности разрыва на пограничный слой формируется положительный градиент давления, являющийся причинной возникновения отрыва, как показано выше. Наличие отрывных или вихревых зон улучшает перемешивание флюида. К примеру, в конструкции современных прототипов ГПВРД предусмотрен уступ, за которым формируется вихревое течение, в котором происходит перемешивание. Наличие такой зоны позволяет частично решить проблему смешения окислителя-топлива.

Необходимость создания локальных зон теплоподвода на поверхности летательного аппарата возникает в случае, когда отрыв течения от поверхности неизбежен и механические органы управления траекторией полета неэффективны. С помощью быстрого энерговыделения в том или ином месте на поверхности можно создавать серию ударных волн, приводящую к перераспределению давления, к изменению ориентации летательного аппарата относительно набегающего потока, и к возврату к режиму с обычным управлением. И в этом случае сверхзвуковая скорость потока диктует высокую частоту инициирования искрового разряда (порядка нескольких кГц), а также протяженность электрической искры.

Одной из целей данной работы являлось исследование возможности создания протяженных искровых разрядов на поверхности, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха, и исследование взаимодействия возмущений, генерируемых разрядом, с набегающим потоком и вихревыми структурами, наблюдаемыми в потоке газа.

Актуальность работы. Из сказанного во введение следует, что в настоящее время предложены способы управления процессом обтекания поверхности летательных аппаратов с помощью генерации дополнительных источников завихренности в пограничном слое для улучшения их летных характеристик. Явление формирования пристеночного течения воздуха в сильных электрических полях сейчас исследуется в ведущих экспериментальных и расчетно-теоретических лабораториях мира, но в деталях картина этого процесса не ясна. Прямое численное моделирование этого феномена невозможно провести из-за большой разницы характерных времен электрического и газодинамического процессов. Поэтому детальное исследование пространственно-временных характеристик разряда и индуцированного им вихревого течения воздуха является актуальной физической проблемой.

Цель работы. Экспериментальное исследование процесса формирования вихревых течений воздуха в приэлектродной области. Рассмотреть экспериментально случаи стационарного (установившегося) течения слабоионизированного воздуха и нестационарного (начальный период времени после момента инициирования разряда). Одной из задач данной работы является экспериментальное определение характеристик электрического разряда — форма разрядного тока и напряжения, — а также установление связи между этими электрическими параметрами с формой индуцированной разрядом течения и его количественными характеристиками.

Научная новизна. С помощью современных методов диагностики с высоким временным и пространственным разрешением проведено исследование формирования завихренных течений воздуха в сильных электрических полях с величиной напряженностью поля, большей прочности воздуха и близкой к прочности современных изолирующих диэлектрических материалов. Впервые экспериментально обнаружен вторичный вихрь в потоке газа, ранее не исследованный, то есть исследована тонкая структура течения слабоионизированного воздуха в пристеночной области вблизи электродов разрядника. Экспериментально получен и исследован процесс инициирования протяженного искрового разряда в сверхзвуковом потоке воздуха с периодом инициирования порядка пролетного времени. Практическая значимость. Экспериментальное изучение детальной структуры течения, параметры индуцированного электрическим разрядом течения воздуха и зависимость их от электрических параметров самого разряда являются важными для проверки моделей, описывающих процессы электромагнитодинамики, т.к. современные вычислительные мощности суперкомпьютерных центров не позволяют проводить крупномасштабное прямое моделирование вязких течений в присутствии плазмы из-за большой разницы характерных времен процессов разной природы. Кроме того, полученные в работе результаты зависимости параметров индуцированного разрядом течения воздуха и их зависимость от электрических параметров разрядной схемы представляют ценность для проектирования плазменных актуаторов — перспективных устройств управлением потоком вблизи поверхности летательного аппарата. Экспериментально показано, что процесс инициирования течения воздуха вблизи электродов сопровождается образованием вихревых течений, причем этот процесс может быть контролирован с помощью электрических параметров разрядной схемы. С практической точки зрения это обстоятельство может быть использовано для создания миниатюрных вихревых генераторов без механических частей. Тепловые плазменные актуаторы, предложенные в работе, могут быть использованы при создании двигателей с новым типом инициирования горения, а также для создания устройств управлением траекторией движения летательного аппарата.

Основные результаты, представляемые к защите.

• экспериментальное определение пространственно-временных характеристик стационарного воздушного потока, генерируемого слаботочным диэлектрическим барьерным разрядом, в зависимости от параметров электрической схемы, а также от конфигурации электродов (пространственной конфигурации электрического поля).

• результаты экспериментального исследования процесса формирования завихренного потока, измерение завихренности потока воздуха в момент времени, близкого к начальному моменту инициирования разряда, экспериментальное определение характеристик первичного и вторичного вихрей, их размер, скорость, завихренность в различный момент времени после начала разряда.

• способ получения искрового разряда с высокой частотой инициирования в сверхзвуковом потоке воздуха при пониженном значении эффективной напряженности электрического поля, необходимой для пробоя воздушного промежутка, а также результаты исследований электрических и энергетических характеристик искрового разряда.

• исследование взаимодействия локальных зон мгновенного теплоподвода (плазменный шнур протяженного искрового разряда) с вихревыми образованиями, возникающими на поверхности аэродинамической модели, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях, в том числе: LI, LH научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва 2008, 2009), 10th International Conference on Fluid Control, Measurements and Visualization FLUCOME (Moscow 2009), Всероссийская конференция «Успехи механики сплошных сред» (Владивосток 2009), XXV International Conference on Equations of State for Matter (Elbrus 2010), 47th, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition (USA, Orlando, FL, 2009, 2010), XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород 2010), 8th, 9th international workshop on magneto-plasma aerodynamics (Moscow 2009, 2010), Symposium on Thermal-Chemical Processes, St-Petersburg, "Leninets" (St-Petersburg 2008), VII, VIII Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, 2008, 2010).

Личный вклад автора. Создание экспериментального стенда для исследования процесса формирования течения в сильном электрическом поле. Создание моделей разрядных устройств — генераторов плазмы. Отладка методик диагностики течений слабоионизированного газа, настройка приборов. Разработка и отладка схем синхронизации процессов инициирования разряда и диагностических комплексов. Обработка и анализ полученных экспериментальных данных. Выступление на конференциях с результатами работы по теме диссертации, в том числе и на международных конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (26 ссылок). Объем диссертации составляет 99 страниц. Работа содержит 57 рисунков. Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах, включая 3 статьи, 9 тезисов и 7 докладов на тематических конференциях, которые перечислены ниже. Статьи в журналах:

1. Аксенов B.C., Голуб В.В., Губин С.А., Савельев A.C., Сеченов В.А., Сон Э.Е. Сверхзвуковое обтекание воздухом профиля крыла при инициировании скользящего разряда на его поверхности // Теплофизика высоких температур, 2010, Т.48, № 1(доп.), с. 93-101.

2. Голуб В.В., Савельев A.C. Исследование процесса формирования вихревых течений при инициировании диэлектрического барьерного разряда в покоящемся воздухе // Письма в ЖТФ, 2010, Т. 36, В. 21, с. 10-16.

3. Голуб В.В., Савельев А.С., Сеченов В.А., Сон Э.Е., Терешонок Д.В. Плазменная аэродинамика в сверхзвуковом потоке газа // Теплофизика высоких температур, 2010, Т. 48, №6, с. 945-952. В сборниках тезисов:

1. В.В. Голуб, B.C. Аксенов, И.Н. Ласкин, А.С. Савельев. Аэродинамика крыла при выделении энергии на поверхности. // Сборник тезисов международной конференции Non-equilibrium processes in nozzles and jets, 2008.

2. A.C. Савельев. Скользящий разряда как альтернативный способ управления летательным аппаратом // Труды LI научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», часть 1П, Т.1, с. 118-120. МФТИ, Москва, 2008.

3. B.C. Аксенов, В.В. Голуб, С.А. Губин, А.С. Савельев, В.А. Сеченов, Э.Е. Сон // Тезисы докладов XVII Школы-семинара молодых ученных и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях». Москва, Издательский дом МЭИ, 2009. С. 27-28.

4. В.В. Голуб, А.С. Савельев. Исследование структуры воздушного потока, создаваемого диэлектрическим барьерным разрядом // Труды LII научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», часть III, Т.1, с. 42-45. МФТИ, Москва, 2009.

5. В.В. Голуб, А.С. Савельев, В.А. Сеченов, Э.Е. Сон. Исследование пристеночного течения воздуха, генерируемого при инициировании диэлектрического барьерного разряда // Тезисы докладов XXXVII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. М.:ЗАОНТЦ «ПЛАЗМОИОФАН», 2010. С. 203.

6. Golub V.V., Saveliev A.S. Investigation of vortex wake induced by dielectric barrier discharge.// Book of abstracts XXV International conference Equation of state for matter March 1-6 2010 Elbrus Russia pp. 177-178.

7. Golub V.V., Saveliev A.S., Sechenov V.A., Son E.E. Investigation of vortex flow induced by dielectric barrier discharge in quiescent air // Book of abstracts of "The 9th international workshop on magneto-plasma aerodynamics" Moscow, April 13-15 2010. pp. 22-25.

8. Голуб B.B., Савельев A.C. Экспериментальное исследование нестационарного течения, инициированного диэлектрическим барьерным разрядом в воздухе. // Материалы VIII Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2010), 25-31 мая г.Алушта. - М.:Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. - 624 е.: ил. сс. 246-249.

9. Голуб В.В., Савельев А.С., Сеченов В.А., Сон Э.Е. Экспериментальное исследование вихревого течения воздуха, генерируемого диэлектрическим барьерным разрядом // 8ой международный симпозиум «Термохимические процессы в плазменной аэродинамике» 12-14 июля 2010г. - Санкт-Петербург:НИПГС ХК «ЛЕНИНЕЦ», 2010. с. 65.

В сборниках докладов:

1. V.S. Aksenov, V.V. Golub, S.A. Gubin, A.S. Saveliev, V.A. Sechenov, E.E. Son Sliding discharge control for aircraft // AIAA-2009-696 Paper 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Orlando, Florida, Jan. 5-8,2009. P. 1-9.

2. A.C. Савельев, B.B. Голуб, И.Н. Ласкин, B.B. Володин. Численное моделирование сверхзвукового обтекания тел с выделением энергии на поверхности.// «Физика экстремальных состояний вещества-2008» Эльбрус

2008. С. 293-294.

3. V.V. Volodin, V.V. Golub, A.S. Saveliev Gasdynamics of sliding and dielectric barrier discharges in air flow // Proceedings of 10th International Conference on Fluid Control, Measurements, and Visualization (FLUCOME),

2009, 1-15 pp.

4. Голуб B.B., Савельев A.C. Скользящий разряд в плазменной аэродинамике. // Успехи механики сплошных сред — Дальнаука, 2009. С. 141154.

5. V.V. Golub, A.S. Saveliev, V.A. Sechenov, E.E. Son. Dielectric Barrier Discharge Initiation Under the Supersonic Airflow // ALAA-2010-467 Paper 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Orlando, Florida, Jan. 4-7, 2010 P. 1-10.

6. Golub V.V., Saveliev A.S. A study of airflow induced by dielectric barrier discharge //Physics of Extreme States of Matter-2010 pp.205-207

7. V.S. Aksenov, S.A. Gubin, V.V. Golub, A.S. Saveliev, V.A. Sechenov, E.E. Son. Supersonic airflow around airfoil with sliding discharge initiation on its surface // Proceedings the 8th Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Moscow: JIHT RAS, 31 March - 02 April 2009 ISBN 5-201-09553-4, pp.181-187.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Впервые возможность управления течением воздуха и картиной обтекания потока профилированного тела с помощью диэлектрического барьерного разряда была показана экспериментально группой американских ученых [3, 4]. Первоначально цель работы этой экспериментальной группы заключалась в создании нового более эффективного способа обеззараживания и дезинфекции поверхности. Однако оказалось, что разряд генерировал поток воздуха с характерной скоростью 1 м/с. Одним из очевидных выводов работы стал тезис, что будущее аэродинамики с активным управлением потоком стоит за применением именно этого вида поверхностного разряда, так как экспериментаторы показали простоту и надежность устройства генерации потока воздуха с разрядом. Проведение экспериментов с диэлектрическим разрядом не представляет сложности для. экспериментаторов, которые никогда ранее не занимались задачами генерации плазмы.

В отличие от искрового или СВЧ-разряда, к примеру, диэлектрический барьерный разряд проще получить как в лаборатории, так и на поверхности модели летательного аппарата или даже на поверхности крыла реального самолета. В связи с вышесказанным, быстро появились работы в этой области аэродинамики: к 2000 году были изданы в мире 3 статьи касательно диэлектрического барьерного разряда с управлением потоком, в 2003 и в 2004— 15, в 2005 году над этой проблемой работало около 30 научных групп по всему миру, к концу 2006 года было опубликовано примерно 150 работ [5]. В настоящее время интерес экспериментаторов и теоретиков, работающих в области аэродинамики, к диэлектрическому барьерному разряду не уменьшился. К примеру, количество докладов по барьерному разряду на крупнейшей конференции AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition за 2010 год увеличилось в несколько раз по сравнению с 2009 годом. Следует отметить, что, хотя основные результаты экспериментальных работ по плазменной аэродинамике публикуются в различных рецензируемых журналах мира, детальное обсуждение экспериментальных или теоретических работ проходит на нескольких тематических конференциях. Самая большое научное мероприятие в области плазменной аэродинамики — это уже упомянутая конференция, проходящая в США AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Большая часть обзора составляет обсуждение результатов экспериментов по теме диссертации, представленных на данной конференции. В России таких конференций, пожалуй, две — Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics (Москва) и конференция Symposium on Thermal-Chemical Processes, "Leninets" (Санкт-Петербург).

В работе [6J представлено теоретический расчет мощности, необходимой для создания течения вязкого газа (воздуха) с заданной скоростью. Анализ позволил установить связь между мощностью, потребляемой разрядом, и амплитудой напряжения, приложенного между электродами, максимальным значением пульсационной компоненты тока в разряде, положением этого максимума относительно момента начала отклонения напряжения от нуля, отношением характерной ширины распределения пульсационного тока по времени к периоду напряжения, соотношением между указанной шириной и периодом пульсаций тока, отношением интервала времени, за который достигается максимум пульсационного тока, к указанной ширине.

В работе [7] экспериментально исследован процесс формирования течения воздуха при инициировании ДБР в начальный момент времени после подачи напряжения. При этом в работе с помощью шлирен-визуализации исследовалась структура нестационарного течения в зависимости от формы приложенного переменного или пульсирующего напряжения. Показана возможность относительно простого способа наблюдения течения слабоионизированного газа. Кроме того, экспериментально установлено, что из-за взаимодействия неподвижного окружающего воздуха и нестационарной струей пристеночного течения возникает вихрь, который постепенно затухает с течением времени после момента инициирования разряда. В работе также используется метод оценки скорости потока по слежению за вихрями, генерируемыми в потоке воздуха.

Важным этапом в исследованиях ДБР индуцированного течения является результат экспериментальной работы, представленный в [8]. В работе было проведено сравнение экспериментальных измерений профиля скорости в пристеночном течении, вызванном ДБР, с помощью насадки полного давления (трубка Пито) и particle image velocimetry (PIV). Эксперимент показал, что полученные с помощью разных методов профили скорости совпадают с точностью до погрешностей измерений. Фактически, была показана возможность измерения пространственно-временных характеристик потока слабоионизированного газа с помощью частиц, помещенных в воздух.

Экспериментальное исследование формирования ламинарного отрыва потока воздуха с модельного крыла (NACA-0015) проведено в работе [9]. В ходе экспериментов измерялось распределение статического давления на поверхности крыла с ДБ разрядом и без. Визуализация течения проводилась с помощью разрушения горячей проволоки, помещенной на поверхности профиля. Показано, что присутствие разряда на поверхности существенно влияет на картину обтекания и смещает точку отрыва вниз по потоку. К тому же, эффект тем больше, чем больше амплитуда переменного напряжения, прикладываемого к актуатору. Диапазон чисел Рейнольдса потока воздуха в аэродинамической трубе составил 2-4 -104.

Эксперименты по отрыву проводятся не только с простыми моделями (NACA-профили), но и с различными модельными элементами крыла, которые присутствуют на крыльях практически всех моделей самолетов. В работе [10] проведено экспериментальное исследование влияния разрядной плазмы в ДБР-актуаторе на процесс формирования отрывного течения с закрылка крыла с высоким коэффициентом подъемной силы. Рассмотрены случаи с разным числом Рейнольдса 2-105 и 4-105, а также вариант с двумя ДБР-актуаторами, действующими в противоположных направлениях. Показано, что в стационарном случае действие актуатора приводит к уменьшению размера пузыря (отрыв с присоединением) вихревого течения на поверхности модели крыла.

Попытки инициирования ДБР в потоках воздуха с большими числами Рейнольдса также проводятся. В работе [11] экспериментально исследуется влияние присутствия неравновесной плазмы ДБ разряда на поверхности крыла при обтекании его трансзвуковым потоком воздуха. При таком режиме течения на поверхности крыла возникает лямбда-скачок уплотнения, приводящий к возникновению зон на поверхности профиля с увеличенным значением статического давления, что приводит к отрыву потока воздуха. Результат этой работы говорит о том, что действие классического ДБР не может компенсировать столь сильного негативного ударно-волнового воздействия. Режим трансзвукового обтекания не может быть управляем с помощью ДБР-актуатора, более того, сам поток существенно влияет на форму и локализацию разряда. Авторы считают, что это действие можно рассматривать как негативное, т.к. размер зоны свечения разрядной плазмы уменьшается, а значит и величина ускорения потока уменьшается.

Предпринимаются попытки применения ДБР в аэроакустике. При этом основной целью работ является получения влияния ДБР на акустический шум моделей элементов летательного аппарата, например, турбулентный след, сходящий с задней кромки крыла. В работе [12] проведено исследование собственного шума струи воздуха, формируемой в ДБ разряде. Рассматривается как стационарный, так и нестационарный случай инициирования разряда. При этом исследуется также параметры плазмы — температура ионов азота, измеряемая с помощью эмиссионной лазерной спектроскопии, регистрируется процесс развития свечения плазмы после включения разряда, а также проводится шлирен-визуализация течения.

Анализ показал разницу между процессами формирования пристеночного течения в случае пульсирующего (прямоугольные высоковольтные наносекундные импульсы) и переменного напряжения, приложенного к актуатору.

Хотя каждый конструкционный элемент летательного аппарата «шумит» в полете, именно струя из двигателя является источником шума наибольшей интенсивности. В настоящее время проводятся испытания влияния присутствия неравновесной плазмы на структуру струи воздуха, истекающей из модели двигателя, на процесс смешения в области тангенциального разрыва. В работе [13] показано, что в принципе применение актуатора с генерацией неравновесной плазмы меняет структуру ядра струи, а также генерирует когерентные структуры в зоне линии смешения. Но в целом интенсивность перемешивания воздуха из выхлопного сечения модели двигателя с окружающим не изменяется. Визуализация течения внутри струи и когерентных структур на' ее периферии в работе проводилась с помощью дыма.

Из перечисленных выше работ видно, что успешное применение ДБР для управления потоком ограничено величиной скорости этого потока. В связи с этим в последнее время появилось несколько работ с теоретическими оценками максимальной величины скорости набегающего потока и максимальной скорости индуцированного потока с помощью ДБР. К примеру, в [14] рассматривается все та же схема ДБР актуатора, использованного в перечисленных выше работах, но в простой модели, в которой движущей воздух силой является давление электрического поля. Вывод данной расчетно-теоретической работы заключается в том, что максимальная скорость индуцированного потока воздуха в разряде ограничивается электрической прочностью диэлектрических материалов и составляет величину порядка 80 м/с. Это оценка величины скорости сверху. Также показано, что расчетная величина скорости, индуцированного ДБР-актуатором, примерно вдвое больше в случае невязкого газа, чем в случае I учета вязкости. При этом в вязком газе величина тяги уменьшается в пять раз. В связи с чем авторами сделано заключение о сильном влиянии вязкой диссипации на параметры течения газа.

Кроме вязкости на параметры индуцированного течения влияет также и состав газа, в котором происходит разряд. В работе [15] теоретически рассматривается процесс формирования течения в атмосфере чистого кислорода и чистого азота — главных компонент воздуха. Молекулы этих газов имеют различный потенциал ионизации, что приводит к различным скоростям в потоке. При этом отличается и ионный состав, если в азоте преобладают положительно заряженные ионы, то в кислороде — отрицательные. Это также влияет и на направление объемной электрической силы, ускоряющей газ вблизи электродов. Механизм формирования течения объясняется передачей импульса от ионов и электронов, движущихся в электрическом поле, нейтральным молекулам. Объясняется также тот факт, что в переменном поле, где в среднем по времени электрическое поле равно нулю, есть ненулевая движущая сила. Считается, что режим разряда различный для отрицательного и положительного полупериода синусоидального напряжения на актуаторе. При этом при положительном потенциале на внешнем электроде реализуется стримерный наносекундный разряд, а при отрицательном — диффузионный. В последнем случае распределение заряженных частиц более равномерно, при этом концентрация ионов больше. Этот факт экспериментально подтвержден с помощью скоростного фотографирования разряда в приэлектродной области [16].

Большая часть исследований индуцированного ДБР-актуатором течений воздуха проводится в стационарном случае, т.е. при установившемся течении газа с постоянными электрическими характеристиками, например амплитуда и частота напряжения на актуаторе. Но также важно исследование нестационарных явлений, происходящих в развивающемся пристеночном течении после включения разряда. Этой теме посвящена большая часть данной диссертационной работы. В последнее время возрастает интерес к таким исследованиям, но количество работ по-прежнему небольшое. К примеру, в работе [17] описано экспериментальное исследование начального этапа формирования течения. Как и в работе [7] было показано с помощью метода Р1У образование вихревого течения вблизи края внешнего электрода. Изучена динамика распространения вихря, его эволюция с течением времени до 1 с после начала разряда. Сделан вывод о величине характерного времени установления течения. Пожалуй, данная работа является наиболее близкой к теме данной диссертации. Однако, диагностика и постановка эксперимента в целом не позволили авторам более детально изучить процесс формирования вихревого течения. Более того, «стандартное» пространственное разрешение Р1У-диагностики не позволило получить более достоверный профиль скорости. Более того, применение РГУ с пространственным разрешением, равным характерным размерам структур в потоке неизбежно приводит к искажению исследуемой картины в целом. Тем не менее, в работе достоверно исследован процесс формирования и диссипации основного вихря, возникающего при подаче напряжения. Сделан вывод о влиянии вязкости на процесс затухания вихря и установления стационарного профиля скорости.

Исследования по инициированию искрового разряда в потоке воздуха также ведутся в различных научных группах мира. Искровой разряд интересен прежде всего тем, что с его помощью можно быстро нагреть область движущегося газа до температур в несколько тысяч градусов, что, конечно, невозможно сделать с помощью теплопередачи от стенки.

В работе [18] экспериментально получен и исследован искровой разряд с частотой до 5 кГц внутри аэродинамического тела (клин под углом 24° к потоку). При этом разрядным канал сообщается с движущимся воздушным пространством с числом Маха 3. При такой схеме из разрядного канала выходит периодически ударная волна, что приводит в среднем к формированию струи с нулевым расходом, так называемой синтетической струи, со скоростью 300 м/с. Исследованы влияние электрического разряда и производимой им синтетической струи на параметры пограничного слоя, определяющие процесс отрыва потока, а также на процесс взаимодействия пограничного слоя со скачком уплотнения. В работе проводилась регистрация электрических параметров разряда, мгновенного и импульсного давления на поверхности аэродинамического тела, скоростная шлирен-визуализация течения. Показано, что при включенном разряде положение косого скачка уплотнения, возникающем на переднем краю отрывной зоны, существенно смещается вниз по потоку. Обнаружено, что положение актуатора имеет существенное значение. Если актуатор находится выше по потоку относительно поверхности разрыва (ударной волны), то существенное влияние импульсно-периодического разряда экспериментально наблюдается. Если место инициирования разряда находится за фронтом ударной волны, то влияние оказывается пренебрежимо малым (сравнимым с флуктуациями).

В работе [19] экспериментально исследовано влияние импульсно-периодического влияния искрового разряда на процесс взаимодействия ударной волны и пограничного слоя в сверхзвуковом потоке воздуха. При этом ударная волна создавалась клином, расположенным на верхней стенке аэродинамической трубы, падала на гладкую плоскую поверхность, обтекаемую сверхзвуковым потоком воздуха с числом Маха 2. Плазменный актуатор представляет из себя набор пар электродов, подключенных к высоковольтным источникам, обеспечивающим импульсно-периодическое зажигание разряда. Эти пары электродов расположены в линию, которая перпендикулярна линиями тока сверхзвукового потока. Для увеличения повторяемости экспериментов и достоверности результатов основа актуатора — нитрид бора, материал, который химически инертен, хорошо обрабатывается и держит высокие температуры. В качестве диагностики использовались Р1У-методика и шлирен-визуализация течения. Результаты измерений показывают, что при определенном положении актуатора относительно места взаимодействия ударной волны и пограничного слоя его действие способно увеличить скорость в пограничном слое, существенно уменьшить или полностью предотвратить отрыв за фронтом ударной волны.

При этом авторы замечают, что положение плазменного актуатора имеет значение. Если он расположен вверх по потоку, но эффект значителен, если ниже по потоку относительно ударной волны — эффект пренебрежимо мал. Этот результат согласуется с выводами работы [18].

В работе [20] приведены результаты экспериментального и расчетного исследования взаимодействия пристеночного электрического разряда со сверхзвуковым воздушным потоком в канале постоянного сечения. Описаны особенности генерации приповерхностного разряда в потоке. Продемонстрированы режимы с возникновением отрыва потока за областью разряда. Предложена модель взаимодействия искрового разряда с набегающим потоком. Исследован режим газодинамического экранирования механического препятствия на стенке канала. Приведены данные по изменению параметров основного потока вследствие генерации пристеночного разряда. Проведено сравнение с результатами расчета на основе упрощенной модели взаимодействия.

Эффективность влияния плазменного актуатора на основе искрового разряда на картину сверхзвукового течения исследована в работе [21]. Влияние импульсно-периодического инициирования искрового разряда в канале, сообщающимся с движущимся сверхзвуковым потоком с числом Маха 3 и статическим давлением 35 мм рт. ст., на положение ударной волны, создаваемой клином с раствором 30°, закрепленным на обтекаемой поверхности, было исследовано. Плазменный актуатор был выполнен из керамической заготовки, внутри которой располагались пары электродов, между которыми происходил искровой разряд с максимальной энергией 500 мДж и частотой до 5 кГц. Основной метод исследования течения представлял из себя шлирен-визуализацию, максимальная скорость регистрации которой составляла 60 Гц, а экспозиция - 16 мс. При этом мгновенное фотографирование осуществлялось с помощью вспышки, работающей с частотой, близкой к 60 Гц, но срабатывающей по сигналу разрядного тока. Таким образом, авторам удалось получить усредненную картину течения в системе в определенный момент времени после начала разряда. Показано, что возмущение (синтетическая струя, генерирующая завихренность в поперечном направлении относительно направления распространения сверхзвукового течения воздуха) потока, создаваемое разрядом, приводит к перемещению ударной волны вверх по потоку. При этом показано, что при частоте, соответствующей числу Струхаля порядка единицы (5 кГц), изменение положения скачка в среднем по длительному периоду времени заметно. При низком значении частоты инициирования разряда (2 кГц) в среднем картина, если сравнить случай с включенным актуатором и случай без плазменного влияния на течения.

В работе [22] исследован процесс инициирования протяженного искрового скользящего разряда в покоящемся и в движущемся воздухе. Измерены параметры воздушного потока до и после фронта ударной волны, возникающей в потоке воздуха после момента разряда, с помощью интерферометрии и измерения давления: Получены условия устойчивого инициирования скользящего разряда на обтекаемой поверхности — диапазоны статического давления и скорости набегающего потока. Сделано предположение, что ударные волны, возникающие при инициировании искрового разряда на поверхности летательного аппарата в частотном режиме, способны существенно изменить картину течения вблизи поверхности, что может привести к изменению траектории.

Таким образом, из публикаций последнего десятилетия можно сделать следующие выводы. Исследования движения слабоионизированного воздуха в сильном электрическом поле вблизи обтекаемой поверхности являются актуальными. Если ранее направление исследований было более узкое и имело более прикладной характер, связанный с влиянием плазмы ДБР на отрыв потока, то сейчас круг задач расширился, например ДБР сейчас применяется в области аэроакустики. К тому же уклон последних исследований направлен в сторону фундаментальных исследований, связанных с процессами, происходящими в плазме при более простой газодинамической модели (покоящейся воздух, поверхность в виде плоскости). Также интересным и малоизученным является процесс формирования пристеночного течения вблизи электрода в начальный момент времени после подачи высокого напряжения. При этом применение диагностики с высоким разрешением с очевидностью необходимо для качественного и количественного описания газодинамических процессов, происходящих в приэлектродной области.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Савельев, Андрей Сергеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

На основе результатов диссертационной работы можно сформулировать основные выводы:

• Взаимодействие индуцированной разрядом струи с окружающим вязким газом (воздухом) приводит к рождению постепенно затухающего с течением времени вихря.

• Параметры стационарного и нестационарного индуцированных разрядом течений зависят от параметров разрядной схемы: амплитуды напряжения, величины сопротивления балластного резистора, изменений в значении амплитуды (модуляции амплитуды) напряжения.

• С помощью шлирен-визуализации разряда показано, что в потоке стационарного и нестационарного течений воздуха, вызванного разрядом, существуют области с большим уровнем нагрева газа, вызванного электрическим пробоем с характерным временем 10 не.

• Экспериментально показано, что время формирования (достижения максимума завихренности) составляет величину порядка 1 мкс. Далее завихренность потока падает, но со скоростью, существенно меньшей, чем скорость нарастания. Вектор завихренности направлен параллельно краю внешнего электрода, что свидетельствует о двумерности течения, получаемого с помощью актуатора.

• Впервые обнаружено, что помимо основного вихря, вблизи края внешнего электрода разрядника формируется вторичный вихрь, причем величина завихренности в этом месте по величине совпадает с завихренностью основного вихря, но противоположна по направлению. Экспериментально показано, что сверхзвуковой поток воздуха существенно влияет на форму светящейся области ДБ разряда. При этом в эксперименте не обнаружено каких-либо изменений в структуре сверхзвукового течения вокруг аэродинамической модели с плазменным актуатором на ее поверхности. Разработан и реализован способ создания протяженного искрового разряда в сверхзвуковом потоке воздуха на поверхности аэродинамического тела с частотой в несколько кГц.

• Обнаружено, что эффективная пробойная напряженность электрического поля не зависит от длины разрядного промежутка, но зависит от статического давления и скорости набегающего потока воздуха.

• Сверхзвуковой поток воздуха не влияет на быстрый процесс протекания искрового разряда, но разряд влияет на процесс формирования отрывного течения. Данное явление выражено наиболее сильно в случае, когда граница вихревого течения находится ниже по потоку относительно места инициирования разряда. В случае, когда разрядник находится в отрывной области, его влияние на вихревую структуру не наблюдается.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Савельев, Андрей Сергеевич, 2010 год

1. Flow Control: Fundamentals and Practices (Lecture Notes in Physics New Series M) под ред. Mohamed Gad-El-Hak, Springer Verlag, 1998.

2. Pietsch G. Peculiarities of Dielectric Barrier Discharges. Contrib. Plasma Phys. 2001. V.41,N. 6. P. 620-628.

3. Roth J. R., Sherman D. M. and Wilkinson S. P. Boundary layer flow control with a one atmosphere uniform glow discharge surface plasma // AIAA Meeting (Reno, USA, January 1998) paper #98-0328

4. Roth J. R. Electrohydrodynamically induced airflow in a one atmosphere uniform glow discharge surface plasma // 25th IEEE Int. Conf. Plasma Science (Raleigh, USA, 1998).

5. Moreau E. Airflow control by non-thermal plasma actuators. J. Phys. D: Appl, Phys. 2007. V. 40, N. 3. P. 605-636.

6. В. В. Скворцов. Средняя мощность, вносимая в барьерный разряд пульсирующим электрическим током. Теплофизика высоких температур, 2010, том 48, № 1, с. £-13

7. Thomas C. Corke, Martiqua L. Post and Dmitriy M. Orlov. Overview of plasma flow control: concepts, optimization, and applications // Experiments in Fluids. Vol. 46, No. 1. 2009. pp. 1-26.

8. Gabriel I. Font, W. Lowell Morgan. Plasma Discharges in Atmospheric Pressure Oxygen for Boundary Layer Separation Control // 35th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit 6-9 June 2005, Toronto, Ontario Canada. AIAA paper 2005-4632.

9. Dmitri M. Orlov, Gabriel I. Font, and Daniel Edelstein. Characterization of Discharge Modes of Plasma Actuators // AIAA-Journal. Vol. 46, No. 12, 2008. pp. 3142-3148.

10. Balcon N., Benard N., Moreau E. // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2009. V. 16 N. 2 P. 463-469.

11. Caraballo, E., Webb, N., Little, J., Kim, J-H., and Samimy, M., "Supersonic inlet flow control using plasma actuators", AIAA 2009-724, 2009.

12. С. Б. Леонов, Д. А. Яранцев. Управление отрывными явлениями в высокоскоростном потоке с помощью приповерхностного электрического разряда // Изв. РАН. МЖГ. 2008. № 6. С. 121-129.

13. Narayanaswamy, V., Shin, J., Clemens, N. Т., and Raja, L. L., "Investigation of plasma- generated jets for supersonic flow control", AIAA-2008-0285, 2008.

14. Аксенов B.C., Голуб B.B., Губин C.A., Ефремов В.П., Маклашова И.В., Харитонов А.И., Шаров Ю.Л. // Письма в ЖТФ, 2004, Т. 30, вып. 20. С. 1-7.

15. Васильев Л.А. «Теневые методы». М.: Наука, 1968.

16. Raffel М. et. al. "Particle Image Velocimetiy". Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007, PP. 448.

17. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics / ed. by Tropea C. et. al. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007, PP. 1557.

18. Чжен П. «Отрывные течения». М.:Мир, 1973, Т. 2, С. 280