Взаимодействие наносекундного объемного разряда с газодинамическими разрывами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Коротеев, Дмитрий Анатольевич

• Коротеев, Дмитрий Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Коротеев, Дмитрий Анатольевич

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Обзор основных работ по исследованию взаимодействия плазмы и ударных волн.

1.2. Обзор основных работ по разработке и исследованию объёмных наносекундных разрядов.

1.3. Анализ методов реализации распада произвольного разрыва

1.4. Выводы к главе 1.

Глава 2. Методика эксперимента.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.1.1. Газодинамическая часть.

2.1.2. Разрядная часть.

2.2. Особенности проведения экспериментов по исследованию пространственных характеристик плазмы разряда.

2.3. Особенности проведения экспериментов при исследовании временных характеристик плазмы разряда.

2.4. Особенности проведения экспериментов при исследовании спектральных характеристик плазмы разряда.

2.5. Особенности проведения экспериментов при исследовании газодинамических характеристик течения после разрядного воздействия.

2.6. Выводы к главе 2.

Глава 3. Пространственно-временные, спектральные и энергетические характеристики плазмы поперечного наносекундного объёмного разряда с плазменными электродами наличии в разрядной камере газодинамических разрывов.

3.1. Интенсивность свечения разряда в покоящемся газе как функция давления.

3.1.1. Интегральные характеристики.

3.1.2. Спектральные характеристики.

3.2. Интенсивность свечения разряда в покоящемся газе как функция времени.

3.3. Пространственное распределение плазмы разряда при наличии в разрядной камере ударной волны.

3.3.1. Интегральные характеристики.

3.3.2. Спектральные характеристики.

3.3.3. Временные характеристики.

3.4. Пространственное распределение плазмы разряда при наличии в разрядной камере области контактного перехода.

3.5. Зависимость величины удельного объёмного энерговклада от объёма разрядной камеры, отсекаемого скачком уплотнения.

3.6. Выводы к главе 3.

Глава 4. Течение в канале после наносекундной ионизации области потока с газодинамическим разрывом.

4.1. Анализ свойств течения по теневым изображениям.

4.1.1. Экспериментальная реализация распада разрыва.

4.1.2. Экспериментальная реализация неустойчивости Рихтмайера-Мешкова.

4.2. Сопоставление экспериментальных данных с аналитическим решением задачи о распаде произвольного разрыва и результатами численного моделирования параметров течения в условиях эксперимента. Оценка доли энерговклада, идущей на нагрев газа за время свечения разряда.

4.3. Характеристики проходящей ударной волны.

4.4. Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие наносекундного объемного разряда с газодинамическими разрывами»

Актуальность проблемы взаимодействия потоков газа с плазменными образованиями обусловлена в первую очередь возможностью применения плазменных технологий для управления потоками. Активно обсуждается использование плазмы для снижения теплового воздействия набегающего потока на летательные аппараты, управления внешним и внутренним обтеканием, увеличения подъёмной силы крыла, уменьшения шумового эффекта летательных аппаратов и аэродинамических установок. Кроме того, существует ряд других важнейших научных задач, решение которых невозможно без детального изучения фундаментальных закономерностей плазменной газодинамики. Среди таких задач можно выделить следующие:

- проблема возникновения ударно-волновых образований в газоразрядных лазерах, влияние ударных волн на параметры излучения;

- влияние газовых разрядов на процессы воспламенения, горения и детонации;

- проблема ослабления взрывных ударных волн.

Постановка задачи. В данной работе решается фундаментальная задача плазменной газодинамики о взаимодействии газодинамического разрыва с однородной объёмной областью наносекундной плазмы. Представлены результаты экспериментального исследования взаимодействия плоской ударной волны и зоны контактного перехода с областью короткоживущей плазмы, реализованной при инициировании на участке канала течения импульсного объёмного разряда с плазменными электродами. Целью диссертационной работы является комплексное экспериментальное исследование процесса взаимодействия разрывного газодинамического течения с областью наносекундной ионизации, созданной поперечным объёмным импульсным разрядом. Достижение этой цели предполагает решение ряда основных задач:

- экспериментальная реализация наносекундной ионизации области газодинамического разрыва;

- исследование пространственно-временных и спектральных характеристик плазмы наносекундного объёмного разряда, инициированного в потоке с газодинамическим разрывом;

- исследование поля течения после разрядного воздействия на поток;

- разработка и верификация методики определения доли разрядной энергии, идущей на нагрев газа за время разряда;

- оценки эффективности воздействия разряда на ударную волну в канале. Объёмные разряды субмикросекундной длительности, обладающие высокой степенью однородности энерговклада, не рассматривались ранее в приложении детального изучения их взаимодействия с высокоскоростными потоками газа. Этот факт обуславливает научную новизну работы, которая характеризуется следующими основными результатами:

- установлен эффект локализации разряда перед газодинамическим скачком;

- показана возможность управления параметрами разрядного энерговклада при помощи газодинамических скачков;

- установлено, что при локализации наносекундного разряда перед ударной волной на фронте последней возникает распад разрыва;

- проведены вычисления доли разрядной энергии, идущей на нагрев газа за время протекания тока импульсного объёмного разряда с плазменными электродами;

- показана возможность применения наносекундных объёмных разрядов для управления параметрами течения в канале.

Научная ценность работы заключается в получении экспериментальных данных по свойствам плазмы наносекундного объёмного разряда при его инициировании на участке течения с газодинамическим разрывом; определении зависимости величины плотности разрядного энерговклада от объёма области межэлектродного пространства, ограниченной газодинамическим разрывом; детальном исследовании свойств течения после разрядного воздействия; разработке методики определения доли разрядной энергии, идущей на нагрев газа за время разряда; получении систематических экспериментальных данных по динамике разрывов, на основе которых возможна верификация численных моделей и методов расчёта газодинамических течений с энергоподводом.

Практическая ценность работы обуславливается возможностью использования полученных данных при проектировании устройств для управления параметрами потоков газа; применимостью результатов по управлению параметрами разрядного энерговклада при помощи газодинамических разрывов в приложении к газоразрядным лазерам. Основные положения, выносимые автором на защиту: бездиафрагменный способ реализации явления распада плоского разрыва в канале; способ импульсного воздействия на ударную волну в канале; метод управления объёмным разрядным энерговкладом при помощи газодинамических разрывов; способ визуализации области контактного перехода; методика оценки и оценка доли энергии объёмного разряда субмикросекундной длительности, идущей на нагрев газа за время разряда; результаты исследования пространственно-временных и спектральных характеристик плазмы наносекундного объёмного разряда, инициированного в потоке с газодинамическим разрывом; экспериментальная зависимость плотности разрядного энерговклада от объёма области межэлектродного пространства, ограниченной газодинамическим разрывом; результаты исследования свойств квазидвумерного течения после наносекундной ионизации области плоской ударной волны в канале;

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (67 ссылок). Объём диссертации составляет 106 страниц. Работа содержит 43 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Коротеев, Дмитрий Анатольевич

4.4. Выводы к главе 4.

Проведены исследования течения, возникающего после импульсной ионизации области перед плоской ударной волной в канале, реализованной при самолокализации наносекундного объёмного разряда с плазменными электродами. Установлено, что на фронте исходной ударной волны после разрядного воздействия происходит распад разрыва. Исходный разрыв распадается на две ударные волны, между которыми образуется контактная поверхность. Течение после разрядного воздействия является квазидвумерным и описывается в рамках двумерной модели нестационарных уравнений Эйлера с учетом мгновенного энергоподвода в областях объёмного разряда и поверхностного разряда плазменных электродов. Показана возможность реализации неустойчивости Рихтмайера-Мешкова при воздействии на поток импульсным разрядом с плазменными электродами.

Разработана методика определения доли разрядной энергии Кт, идущей на нагрев газа непосредственно за время свечения разряда. Показано, что в диапазоне давлений 25-^-80 торр эта доля составляет 25%. Адекватность измерения Кт подтверждена при сравнении экспериментальных теневых изображений структуры течения с результатами численного расчёта параметров течения в условиях эксперимента. Установлено, что при локализации области энерговклада ударной волной величина повышения температуры после разрядного воздействия может достигать 900 К, что соответствует скорости нарастания температуры 5 К/нс.

Показана возможность применения импульсного разрядного воздействия для управления параметрами течения с разрывами. Установлено, что на некотором участке канала течения при разрядном воздействии в условиях эксперимента можно добиться двукратного уменьшения интенсивности проходящей ударной волны по сравнению и интенсивностью падающей.

Заключение. Основные выводы по результатам работы.

1. Выполнено комплексное исследование нестационарного процесса взаимодействия разрывного газодинамического течения с высокооднородной неравновесной областью объёмной ионизации, созданной импульсным разрядом с предыонизацией ультрафиолетовым свечением от плазменных электродов. Проведены эксперименты по изучению влияния ударных волн с числами Маха 1.7-И.5 и областей контактного перехода на параметры объёмного разряда субмикросекундной длительности. Экспериментально исследовались особенности течения после импульсной ионизации области плоской ударной волны.

2. Исследования пространственно-временных и спектральных характеристик плазмы наносекундного объёмного разряда, инициированного в области потока газа с плоским скачком уплотнения, показали возможность управления параметрами разрядного энерговклада при помощи эффекта самолокализации разряда в потоке с разрывами. Установлено, что величина удельного разрядного энерговклада может быть охарактеризована средней локальной интенсивностью свечения плазмы разряда, интенсивностью одной из характерных полос спектра или интегральной по спектру интенсивностью свечения. Показано, что используемый тип разряда может применяться для визуализации структуры течения в ударной трубе.

3. Установлено с применением теневой методики, что после воздействия импульсного объемного разряда на область потока с плоской ударной волной (М= 1.7-^-3.2) в канале реализуется явление распада разрыва на границе газ-короткоживущая плазма. Возникает двумерное нестационарное разрывное течение с образованием контактной поверхности и двух ударных волн, одна из которых распространяется по области неравновесного газа.

4. Разработана методика определения доли разрядной энергии, идущей на нагрев газа непосредственно за время свечения. В условиях эксперимента эта доля составляет 25%. Сравнение экспериментальных теневых изображений структуры течения (2-М 00 мкс после разряда) с результатами двумерных численных расчётов для условий эксперимента показало точность двумерной модели мгновенного энерговложения в область перед фронтом ударной волны. Установлено, что при локализации области энерговклада ударной волной величина повышения температуры после разрядного воздействия может достигать 900 К, что соответствует скорости нарастания температуры 5 К/нс.

5. Проанализирована возможность применения импульсных объёмных разрядов для управления параметрами разрывного течения газа. Установлено, что при разрядном воздействии в условиях эксперимента можно добиться двукратного уменьшения интенсивности проходящей ударной волны на некотором участке канала по сравнению с интенсивностью падающей.

6. Визуализирована область контактного перехода (воздух-гелий) импульсным объемным разрядом.

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю, профессору Знаменской Ирине Александровне, за постановку уникальной научной задачи, организаторские усилия, затраченные при подготовке экспериментов, плодотворные дискуссии по поводу полученных результатов; доценту Мурсенковой Ирине Владимировне, аспирантам Латфуллину Денису Фатбировичу и Орлову Денису Михайловичу за помощь в проведении экспериментов и плодотворные научные обсуждения; профессорам Сысоеву Николаю Николаевичу, Осипову Алексею Иосифовичу и Уварову Александру Викторовичу за научные консультации и помощь в организации мероприятий, связанных с подготовкой диссертации к защите; ведущим научным сотрудникам, Луцкому Александру Евгеньевичу и Попову Николаю Александровичу за теоретическую поддержку результатов работы и написание совместных статей; всем сотрудникам, аспирантам и студентам кафедры молекулярной физики, кто каким-либо образом участвовал в подготовке диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Коротеев, Дмитрий Анатольевич, 2008 год

1. Bletzinger P., Ganguly В. N., Van Wie D. and Garscadden A. Plasmas in high speed aerodynamics // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. Volume 38. Issue 4. P. R33-R57.

2. Георгиевский П. Ю., Левин В. А. Управление обтеканием различных тел с помощью локализованного подвода энергии в сверхзвуковой набегающий поток // Изв. РАН. МЖГ. 2003. № 5. С. 154-167.

3. Skews В.W, Draxl М.А., Felthun L., Seitz M.W. Shock wave trapping // Shock Waves. 1998. Volume 8. P. 23-28.

4. Ionikh Y.Z., Chernysheva N.V., Meshchanov A.V., Yalin A.P., Miles R.B. Direct evidence for thermal mechanism of plasma influence on shock wave propagation // Physics Letters A. 1999. Volume 259. P. 387-392.

5. Kolb A. C. Production of High-Energy Plasmas by Magnetically Driven Shock Waves // Physical Review. 1957. Volume 107. P. 345 350.

6. Климов А.И., Коблов A.H., Мишин Г.И. и др. Распространение ударных волн в распадающейся плазме // Письма в ЖТФ. 1982. Том 8. Выпуск 9. С. 551 -554.

7. Горшков В.А., Климов А.И., Коблов А.Н., Мишин Г.И., Федотов К.В., Явор И.П. Особенности поведения электронной плотности в слабоионизованной неравновесной плазме при распространении в ней ударной волны // ЖТФ. 1987. Том 57. Выпуск 10. С. 1893-1898.

8. Авраменко Р.Ф., Рухадзэ А.А., Теселкин С.Ф. О структуре ударной волны в слабоионизованной неизотермической плазме // Письма в ЖЭТФ. 1981. Том 34. Выпуск 9. С. 485 488.

9. Алфёров В.И., Дмитриев JI.M. Электрический разряд в потоке газа при наличии градиентов плотности // ТВТ. 1985. Том 23. № 4. С. 677 682.

10. Найдис Г.В. Пространственное распределение параметров плазмы вблизи фронта ударной волны в газовом разряде // ТВТ. 1991. Том 29. № 1. С. 15 -20.

11. Климов А.И., Мишин Г.И., Федотов А.Б., Шаховатов В.А. Распространение ударной волны в нестационарном тлеющем разряде // Письма в ЖТФ. 1989. Том 15. № 20. С. 31 36.

12. Мишин Г.И., Серов Ю.Л., Явор И.П. Обтекание сферы при сверхзвуковом движении в газоразрядной плазме // Письма в ЖТФ. 1991. Том 17. Выпуск 11. С. 65-71.

13. Серов Ю.Л., Явор И.П. Абляция при сверхзвуковом движении тела в плазме // ЖТФ. 1995. Том 65. Выпуск 3. С. 38 45.

14. Lowry Н., Smith М., Sherrouse P., Felderman J., Drake J., Bauer M, Pruitt D., Keefer D. Ballistic range tests in weakly ionized argon // proc. AIAA Weakly Ionized Gases Workshop, 3rd, Norfolk, VA, Nov. 1 5, 1999 (AIAA-1999-4822).

15. Candler G.V., Kelley J.D., Macheret S.O., Shneider M.N. Adamovich I. Vibrational Excitation, Thermal Nonuniformities, and Unsteady Effects on Supersonic Blunt Bodies // AIAA Journal. 2002. Volume 40. №9. 1803- 1810.

16. Greenberg O.W., Sen H.K., Treve Y.M. Hydrodynamic Model of Diffusion Effects on Shock Structure in a Plasma // Physics of Fluids. 1960. Volume 3 P. 379-386.

17. Великович A.JI., Либерман M.A. Физика ударных волн в газах и плазме. М.: Наука, 1987. 320 с.

18. Kolesnikov A.F. Mechanism of the ion baro-thermal-diffusion pumping in weakly ionized shock layer // proc. AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, 32nd, Anaheim, CA, June 11-14, 2001 (AIAA-2002-2871).

19. Hershkowitz N. Review of recent laboratory double layer experiments // Space Science Reviews. 1985. Volume 41. P. 351 391.

20. Raadu M.A. The physics of double layers and their role in astrophysics // Physics Reports. 1989. Volume 178. Issue 2. P. 25 97.

21. Maciel H.S., Allen J. E. Free double layers in mercury-arc discharge // Journal of Plasma Physics. 1989. Volume 42. P. 321 352.

22. Williamson J.M., Ganguly B.N. He metastable density in a double layer formed by a diameter discontinuity in a positive column // Physical Review E. 2001. Volume 64. P. 036403.

23. Bletzinger P., Ganguly B. N. Local acoustic shock velocity and shock structure recovery measurements in glow discharges // Physics Letters A. 1999. Volume 258. P. 342-348.

24. Bletzinger P., Ganguly B.N., Garscadden A. Strong double-layer formation by shock waves in nonequilibrium plasmas // Physical Review E. 2003. Volume 67. P. 047401.

25. Bletzinger P., Ganguly B.N., Garscadden A. Electric field and plasma emission responses in a low pressure positive column discharge exposed to a low Mach number Shockwave // Physics of Plasmas. 2000. Volume 7. Issue 10. P. 4341 -4346.

26. Месяц Г.А., Бычков Ю.И., Кременев B.B. Импульсный наносекундный электрический разряд в газе // УФН. 1972.Том 107. Выпуск 2. С. 201 228.

27. Энциклопедия низкотемпературной плазмы под ред. Фортова В.Е., Серия Б, Тематический том VIII-1, С. 170, изд «Янус-К», Москва, 2005.

28. Fletcher R.G. Impulse Breakdown in the 10~9 Sec. Range of Air at Atmospheric Pressure Physical Review. 1949. Volume 76. P.1501-1511.

29. Бычков Ю.И., Королев Ю.Д., Гаврилюк П.А. Формирование разряда и образование высокопроводящего канала при электрическом разряде в наносекундном диапазоне // ЖТФ. 1972. Т. 42. № 8. С. 1674-1680.

30. Бычков Ю.И. и др. Импульсный объёмный разряд с плазменным катодом в молекулярных газах высокого давления // ЖТФ. 1983. Том 53. Выпуск 11. С. 2138-2141.

31. Карлов Н.В., Кузьмин Г.П., Прохоров А.Н. Газоразрядные лазеры с плазменными электродами // Изв. АН СССР, сер. Физическая. 1984. Том 48. №7. С. 1430-1436.

32. Зарослов Д.Ю., Карлов Н.В., Кузьмин Г.П., Никифоров С.М. Спектральные характеристики вакуумных ультафиолетовых источников предыонизации для СОг лазеров // Квантовая электроника. 1978. Т. 5. С. 1221-1230.

33. Kosugi S., Ohishi Т., Маепо К., Honma Н. Shock waves in the cavity of excimer laser of Xe-He inclusion // proc. Shock Waves. Marseille, 1993. P. 329-334.

34. Кочин H. E. Собрание сочинений. Т. 2. М.-Л.: АН СССР, 1949 С. 5-42.

35. Чёрный Г.Г. Газовая динамика. М.: Наука, 1988. 424 с.

36. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика т. VI: Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.

37. Годунов С. К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики // Мат. сб. 1959. Том. 47(89), №3. С. 271-306.

38. Баженова Т.В., Гвоздева Л.Г. Нестационарные взаимодействия ударных волн. М.: Наука, 1977. 274 с.

39. Мешков Е.Е. Неустойчивость границы раздела двух газов, ускоряемых ударной волной // Изв. АН СССР. МЖГ. 1969. № 5. С. 151 157.

40. Скотников М.М. Теневые количественные методы в газовой динамике. М.: Наука, 1976. 160 с.

41. Знаменская И.А., Гвоздева Л.Г., Знаменский Н.В. Методы визуализации в механике газа. М.: МАИ, 2001. 57 с.

42. Hiramatsu М., Furuhashi Н., Goto Т. Determination of electron density in discharge-pumped excimer laser using Stark broadening of Hp line // J. Appl. Phys. 1986. Volume 60. P. 1946 -1948.

43. Hiramatsu M., Furuhashi H., Goto T. Longitudinal discharge XeCl excimer laser with automatic UV preionization // Appl. Phys. Lett. 1987. Volume 50. Issue 14. P. 883-885.

44. Kosugi S., Maeno K., Honma H. Measurement of Gas Temperature Profile in Discharge Region of Excimer Laser with Laser Schlieren Method // Jpn. J. Appl. Phys. 1993. Volume 32. P. 4980.

45. Алфёров В.И., Бушмин A.C. Электрический разряд в сверхзвуковом потоке воздуха // ЖЭТФ. 1963. Том 44. № 6. С. 1775-1179.

46. Алферов В.И. Исследование структуры электрического разряда большой мощности в высокоскоростном потоке воздуха

47. Изв. РАН. МЖГ. 2004. № 6. С. 163-175.

48. Знаменская И.А., Коротеев Д.А. Наносекундный объёмный газовый разряд в потоке с газодинамическими разрывами // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2008. №1. С. 81-83.

49. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Попов Н.А. Наносекундный сильноточный разряд в сверхзвуковом потоке газа // ТВ Т. 2005.Том 43. №6. С. 820-827.

50. Hoocker WJ. Testing time and contact zone phenomena in shock tube // Phys. Fluids. 1961. Volume 4. Number 12. P. 1451-1463.

51. Васильева P.B., Зуев А.Д., Миршанов Д.Н. О распределении толкаемого газа в ударной трубе и структуре пробки за сильными ударными волнами // ЖТФ. 1979. Том 49. Выпуск 2. С. 419-426.

52. Duff. R. Shock Tube Performance at Low Initial Pressure // Phys. Fluids. 1959. Volume 2. Number 2. P. 207-216.

53. Hall J. Transition Through a Contact Region // Journal of Applied Physics. 1955. Volume 26. Number 6. P. 698-700.

54. Levine M. Turbulent Mixing at the Contact Surface in a Driven Shock Wave // Phys. Fluids. 1970. Volume 13. Number 5. P. 1166-1171.

55. Mirels H. Test Time in Low Pressure Shock Tubes // Phys. Fluids. 1963. Volume 6. Number 9. P. 1201-1214.

56. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Луцкий A.E. Экспериментальная реализация двумерной задачи о распаде разрыва при импульсной ионизации потока с ударной волной // Доклады академии наук. 2008. Том 420. №4. С. 619-622.

57. Znamenskaya I.A., Koroteev D.A., Lutsky А. Е. Discontinuity breakdown on shock wave interaction with nanosecond discharge // Physics of Fluids. 2008. Vol. 20. P. 056101.

58. Кузнецова JI.А., Кузьменко H.E., Кузяков Ю.Я., Пластинин Ю.А. Вероятности оптических переходов двухатомных молекул. М.: Наука, 1980. 320 с.

59. Радциг А.А., Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике. М.: Атомиздат, 1980. 240 с.

60. Знаменская И.А., Луцкий А.Е., Мурсенкова И.В. Исследование поверхностного энерговклада в газ при инициировании импульсного разряда типа «плазменный лист» // Письма в ЖТФ. 2004. Том 30. С. 38-42.

61. Знаменская И.А., Латфуллин Д.Ф., Луцкий А.Е., Мурсенкова И.В., Сысоев Н.Н. Развитие газодинамических возмущений из зоны распределенного поверхностного скользящего разряда // ЖТФ. 2007. Том 77. Выпуск 5. С. 10-18.

62. Richtmyer R.D. Taylor instability in shock acceleration of compressible fluids // Comm. Pure. Appl. Math. 1960. Volume 13. P.297-319.

63. Sasoh A., Ohtani Т., Mori K. Pressure Effect in a Shock-Wave-Plasma Interaction Induced by a Focused Laser Pulse // Phys. Rev. Lett. 2006. Volume 97. P. 205004.

64. Знаменская И.А., Луцкий А.Е Исследование эволюции и взаимодействия разрывов течения в канале под действием импульсного вложения энергии, Препринт ИПМ № 88, Москва, 2005 г.

65. Овсянников Л.В. Лекции по основам газовой динамики. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований. 2003. 336 с.