Взаимодействие наносекундного поверхностного скользящего разряда с зоной отрыва в сверхзвуковом потоке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ляо Юйгань

• Ляо Юйгань
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Ляо Юйгань

Введение

Глава I. Обзор литературы по исследованию газовых разрядов в потоках

1.1 Исследование управления газовыми течениями с помощью электрических разрядов

1.2. Исследование ударных волн при инициировании импульсных разрядов

1.3. Импульсный скользящий поверхностный разряд

1.4. Теоретические и численные расчеты потоков газа с энерговкладом

1.5. Выводы к Главе

Глава II. Экспериментальная установка и методы диагностики

2.1. Описание экспериментальной установки

2.2. Диагностический комплекс установки

2.3. Параметры течений в разрядной камере

2.4. Описание поверхностного скользящего разряда

2.5. Методика обработки экспериментальных данных

2.6. Выводы к Главе

Глава III. Динамика ударных волн, инициированных разрядом в потоке за клином

3.1. Условия экспериментов по инициированию поверхностного разряда в потоке при

обтекании клина

3.2. Описание структуры течения в канале около клина

3.3. Параметры поверхностного скользящего разряда в потоке с вихревой зоной за клином

3.4. Движение ударных волн от разряда в потоках за ударной волной

3.5. Выводы к главе

Глава IV. Экспериментальные исследования поверхностного скользящего разряда в потоке с наклонной ударной волной

4.1. Условия экспериментов по инициированию поверхностного разряда в потоке с наклонной ударной волной

4.2. Описание структуры течения в канале за препятствием

4.3. Параметры поверхностного скользящего разряда в потоке с наклонной ударной волной

4.4. Движение ударных волн от разрядного канала в потоке

4.5. Выводы к главе

Глава V. Расчеты сверхзвуковых течений с ударными волнами в канале

5.1. Расчёты сверхзвукового течения в канале с тонким клином

5.2. Расчёты сверхзвукового течения в канале с препятствием

5.3. Выводы к Главе

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Список обозначений

Уф - вертикальная координата фронта ударной волны от разряда и из области энерговклада

Ах^ - расстояние от дна клина до канала разряда М - число Маха ударной волны Мп - число Маха потока

4 - радиальная координата фронта ударной волны в центральной части 1е - радиальная координата фронта ударной волны в боковой части I - расчетные положения области пониженной плотности(р/рп<0.5) 1рк - расстояния от дна клина до канала разряда А!к - расстояние от донной части препятствия до разрядного канала Дхт - смещение теплового следа от разрядного канала вдоль оси х Дут - смещение теплового следа от разрядного канала вдоль оси у

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие наносекундного поверхностного скользящего разряда с зоной отрыва в сверхзвуковом потоке»

Введение

Актуальность работы. В задачах плазменной аэродинамики управление высокоскоростными потоками воздуха может осуществляться с помощью электрических разрядов, которые могут служить источником энергоподвода и создавать контролируемые возмущения. Газоразрядная плазма поверхностных разрядов может применяться для воздействия на приповерхностные течения, на пограничный слой, локальные скачки уплотнения. Взаимодействие сверхзвуковых потоков и ударных волн с плазмой представляет также фундаментальный интерес с точки зрения физики газового разряда и кинетики плазмы при больших скоростях течения. При разработке способов управления потоками с помощью газоразрядной плазмы необходимо учитывать взаимное влияние высокоскоростного газового потока и плазменной области. Поверхностные разряды наносекундной длительности дают возможность отдельно определить тепловое и плазменное воздействие разряда на течение в целом и на пограничный слой. Актуальным является также описание режимов развития поверхностных разрядов в высокоскоростных потоках, определение параметров генерируемой плазмы, величины тепловыделения и оценка влияния разряда на локальные характеристики течения и на общую ударно-волновую структуру.

В работе экспериментально решалась задача о взаимодействии наносекундного поверхностного скользящего разряда со сверхзвуковыми потоками воздуха, обтекающими тонкий клин или малое прямоугольное препятствие в канале ударной трубы и содержащими зоны отрыва. Численно решалась задача о движении ударных волн из области импульсного поверхностного энерговклада в неоднородных сверхзвуковых потоках в канале.

Целью диссертационной работы было определение параметров поверхностного скользящего разряда наносекундной длительности при развитии в сверхзвуковых потоках с вихревой зоной и зоной отрыва, изучение динамики ударных волн после разряда, а также численные расчеты течений для определения величины локального энерговклада.

Для этого были поставлены следующие задачи:

1. Регистрация пространственно-временных характеристик свечения, спектров и тока наносекундного поверхностного скользящего разрядов в потоках с вихревой зоной и зоной отрыва при различных условиях в потоке;

2. Высокоскоростная теневая визуализация ударно-волнового течения в канале и анализ динамики ударных волн после разряда.

3. Численное моделирование сверхзвуковых потоков и динамики распространения ударных волн из области энерговклада в неоднородном сверхзвуковом потоке в канале.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые экспериментально получены пространственно-временные характеристики излучения, токовые и спектральные характеристики наносекундного поверхностного скользящего разряда в сверхзвуковых неоднородных потоках с вихревой зоной и зоной отрыва. Показано, что режим развития разряда связан с параметрами локальной зоны пониженной плотности.

2. Впервые экспериментально получены последовательности теневых изображений ударных волн, индуцированных наносекундным поверхностным скользящим разрядом в неоднородных сверхзвуковых потоках, с микросекундным интервалом между кадрами. На основе цифровой обработки изображений проанализирована динамика ударных волн, индуцированных разрядом, и их влияние на ударно-волновую структуру высокоскоростного течения.

3. Проведено численное моделирование локального поверхностного энерговклада в неоднородный сверхзвуковой поток в канале на основе нестационарных двумерных уравнений Навье-Стокса, в результате которого показана зависимость динамики индуцированных ударных волн от пространственно-временных характеристик энерговклада и параметров течения. На основе сопоставления экспериментальных и численных результатов определена величина локального энерговклада в сверхзвуковых неоднородных потоках с вихревой зоной и зоной отрыва.

Научная и практическая ценность работы

Получены и обработаны экспериментальные данные о режимах развития наносекундного поверхностного скользящего разряда в сверхзвуковых потоках при обтекании клина и препятствия: пространственно-временному распределению излучения, токовым и спектральным характеристикам.

Получены и обработаны высокоскоростные теневые изображения течений, в которых ударные волны от канала разряда взаимодействуют со сверхзвуковым потоком, с вихревой зоной и зоной отрыва.

Проведено численное моделирование сверхзвукового течения в канале с локальным энергоподводом на основе нестационарных двумерных уравнений Навье-Стокса.

С практической точки зрения эта работа демонстрирует потенциал применения поверхностных скользящих разрядов в качестве плазменных актуаторов для воздействия на неоднородные сверхзвуковые потоки. Полученные результаты могут быть использованы для управления течениями, например, вблизи поверхности сверхзвуковых самолетов, в сверхзвуковых воздухозаборниках и двигателях, которые могут содержать наклонные ударные волны.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается значительным объемом и высокой степенью повторяемости экспериментальных результатов при идентичных условиях. Моделирование основано на научно обоснованных физических моделях. Результаты, изложенные в диссертационной работе, многократно докладывались на всероссийских и международных конференциях и опубликованы в высокорейтинговых научных журналах. Полученные результаты не противоречат результатам работ других исследовательских коллективов.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования пространственно-временного распределения излучения

7

наносекундного поверхностного скользящего разряда на основе регистрации с наносекундным разрешением, показывающие локализацию разрядных каналов в области низкой плотности в вихревой зоне или зоне отрыва в сверхзвуковых потоках с числами Маха 1.15-1.68, плотностью 0.01-0.45 кг/м3.

2. Экспериментальные зависимости положения разрядных каналов наносекундного поверхностного скользящего разряда от параметров локальных областей низкой плотности в вихревой зоне за клином, обтекаемым сверхзвуковыми потоками воздуха с числами Маха 1.15 -1.37.

3. Экспериментальные зависимости положения и формы разрядного канала наносекундного поверхностного скользящего разряда от параметров области низкой плотности и зоны отрыва, образованной при взаимодействии наклонной ударной волны с пограничным слоем, в сверхзвуковых потоках воздуха с числами Маха 1.181.68 при плотности 0.02-0.45 кг/м3, а также временные зависимости интенсивности свечения разрядного канала.

4. Результаты высокоскоростного теневого исследования ударно-волновых течений, развивающихся при взаимодействии ударных волн, индуцированных наносекундным поверхностным скользящим разрядом, с высокоскоростными потоками, показывающие продолжительность воздействия на течения более 100 мкс.

5. Экспериментальные временные зависимости вертикальной координаты фронта генерируемых разрядом полуцилиндрических ударных волн в сверхзвуковых потоках с вихревой зоной и зоной отрыва.

Результаты численного моделирования неоднородных сверхзвуковых потоков воздуха в канале с обтекаемыми препятствиями после локального поверхностного энерговклада, показывающие зависимость динамики генерируемых ударных волн от удельной энергии, пространственных параметров объема энерговклада и временных условий.

В первой главе приведен обзор работ по исследованию газовых разрядов разного типа в потоках воздуха и механизмов воздействия на потоки. Режимы развития

поверхностных разрядов наносекундной длительности в неоднородных сверхзвуковых потоках исследованы на сегодняшний день недостаточно полно. Изучение динамики ударных волн, инициированных наносекундными разрядами в потоках с переменными параметрами, дает возможность определить влияние разряда на течение в целом и на его локальные характеристики, и представляет значительный интерес для фундаментальных и прикладных исследований.

Во второй главе описывается экспериментальная установка и диагностическое оборудование. Эксперименты проводились в ударной трубе с разрядной камерой, которая состоит из камеры низкого давления и камеры высокого давления, разделенных диафрагменной секцией.

В главе 3 приводятся результаты исследования динамики ударных волн, инициированных поверхностным скользящим разрядом в потоке за клином.

В четвертой главе приведены результаты исследования наносекундного поверхностного скользящего разряда в потоке с наклонной ударной волной и газодинамическое поле течения после разряда.

В главе 5 описано численное моделирование неоднородных сверхзвуковых течений воздуха с поверхностным энерговкладом в вихревых зонах и зонах отрыва.

В заключении представлены выводы и основные результаты работы.

Глава I. Обзор литературы по исследованию газовых разрядов

в потоках

1.1. Исследование управления газовыми течениями с помощью электрических разрядов

В течение почти полутора веков атмосферных полётов и более чем полувека космических полётов аэрокосмические науки остаются активно развивающейся областью. С середины 20 века электрические разряды в дозвуковых токах связывают с электрификацией самолетов. В 1950-70-х годах были проведены работы по магнитогидродинамическим исследованиям и смежным технологиям. Более поздние исследования в этой области были сделаны в СССР в 1980-90-х годах [1-7], далее был почти двадцатилетний этап плодотворного международного сотрудничества [5-9]. За последние несколько десятилетий было разработано множество технологий управления для создания или поддержания требуемых схем потока. Устройства управления потоками могут быть пассивными или активными [10-14]. Одним из наиболее перспективных методов является использование активного управления потоком для улучшения аэродинамических характеристик сверхзвукового самолета. В сверхзвуковом поле потока преобладают ударные волны, поэтому их формирование и взаимодействие с пограничным слоем является важным направлением исследований в области управления потоком. В настоящее время плазменное управление потоками представляется вполне осуществимым, особенно для локальных приложений, где энерговклад в среду может быть невысоким [9,10,11,14]. Плазменные устройства (актуаторы) имеют малые размеры и могут быстро воздействовать на поток. При инициировании электрических разрядов разного типа в высокоскоростных потоках газа основными механизмами воздействия на течение могут служить тепловой механизм (нагрев) [1,3,5-8,12-17], ударно-волновой механизм для импульсных разрядов длительностью меньше микросекунды (движение ударных волн от разряда) [810,13,14,17-20], пристеночное течение (ионный ветер) для поверхностных разрядов [910

11,14,17]. Быстрое импульсное вложение энергии в газовую среду может быть реализовано при взрывных процессах, оптическом пробое среды, разрядах наносекундной длительности [11-14,18-20].

В обзорной работе [16] 2016 года в основном описаны активные методы управления потоком с использованием теплового механизма, в том числе с помощью импульсной плазмы наносекундного диэлектрического барьерного разряда (ДБР, DBD), плазменные актуаторы с локальной дугой, импульсные плазменные синтетические форсунки, плазма, генерируемая лазером и плазма, генерируемая микроволновым излучением. Обсуждается возможное применение разных методов энерговклада для управления потоком в высокоскоростных двигателях при высоких скоростях. Плазменные актуаторы на основе диэлектрического барьерного разряда, установленные на поверхности, могут использоваться для создания пристенной струи, часто называемой ионным ветром, с величиной в несколько метров в секунду [16,17]. Ионы, ускоренные электрическим полем, сталкиваются с нейтралами и, таким образом, передают газу импульс, и создают объемную силу [17, 18]. Этот механизм важен для управления низкоскоростными потоками. Другой подход состоит в том, чтобы индуцировать вихри для управления отрывом потока [18]. В обзоре [21], где основное внимание уделяется динамике плазмы приповерхностных разрядов, выделены четыре основных типа возмущений от разрядов в неподвижном воздухе и в потоках: 1) низкоскоростные приповерхностные струи, генерируемые электрогидродинамическим взаимодействием (ионный ветер); 2) продольные вихри, образованные электрогидродинамическими и тепловыми эффектами, движущиеся в разных направлениях относительно потока; (3) слабые ударные волны, возникающие при быстром нагреве в импульсных разрядах субмикросекундного масштаба времени; и (4) приповерхностные локализованные возмущения субмиллисекундного времени. Ряд разрабатываемых актуаторов включают специально генерируемые струи [22] и включение магнитогидродинамического воздействия [23].

Подробно разные типы взаимодействия возмущений с потоками изучались теоретически в работах [3-6,24-27], в частности аэродинамические эффекты при вводе источника фиксированной энергии в сверхзвуковой поток и силовое воздействие на тела

различной формы. В [3,24,25] численно на основе системы уравнений Эйлера изучена возможность улучшения аэродинамических характеристик обтекания и рассчитана эффективность энерговклада. Количественно проанализировано влияние локальных источников энергии на аэродинамику объектов различной формы в сверхзвуковых потоках. Показано, что для затупленных тел нерегулярные режимы обтекания регулируются простым изменением источника энергоподвода. Для заостренных тел необходимо оптимизировать вклад энергии, чтобы сформировать дозвуковой канал в набегающем потоке. Этого можно достичь, увеличив источник энергии до фиксированного поперечного размера и до некоторой степени снизив расход энергии. В [27] продемонстрированы возможности использования уравнений Эйлера для численного моделирования развития зон локализованного энергоподвода в покоящемся воздухе и в условиях сверхзвукового течения. На основе расчетов сверхзвукового течения в рамках уравнений Навье-Стокса проанализировано изменение структуры и параметров течения в окрестности зоны энергоподвода с использованием разных моделей. В [26] Дано обобщение результатов, полученных при исследовании возможности управления трансзвуковым потоком с помощью энергетического воздействия. Установлено, что подвод энергии перед скачком уплотнения вблизи обтекаемой поверхности тела порождает нелинейное взаимодействие возмущений и сдвиг скачка уплотнения, который может приводить к уменьшению волнового сопротивления трансзвуковых профилей. Установлен эффект стабилизации трансзвукового обтекания профиля при внешнем подводе энергии. Получены зависимости оптимальной частоты подвода энергии от свойств источника энерговыделения, числа Маха набегающего потока.

В работе [7] экспериментально исследовалось влияние низковольтного дугового разряда постоянного тока на установившееся обтекание с числом Маха 5 цилиндров с коническим носиком и сферическим в результате добавления энергии в поток и конвекции. Была проведена серия экспериментов по нагреванию носовой части цилиндра с постоянной мощностью нагрева 2.3 кВт, чтобы показать изменение головной ударной волны и ее взаимодействие с тепловым следом от разряда (рис. 1.1.). Согласно измерениям силы сопротивления, мощность тяги, сэкономленная за счет уменьшения волнового сопротивления, а также коэффициент энергоэффективности, показывают

сильное увеличение с увеличением интенсивности головной ударной волны, как и в предыдущих исследованиях этих авторов. Результаты показывают, что максимальное снижение сопротивления при максимальном полуугле конуса 65° составляет 70%.

Рис 1.1. Эффект локализованного подвода энергии для цилиндров с коническим носом при числе Маха 5: а) без энергоподвода, b) с разрядом ( в = 35°); с) без энергоподвода, d) с разрядом ( в = 45°); e) без энергоподвода, f) с разрядом ( в = 55°); g) без энергоподвода в = 65°, h) с разрядом ( в = 65°). 1 - нагретый след, 2 -рециркуляционный пузырь, 3 - «отрывные» скачки уплотнения, 4 - движущиеся скачки уплотнения. Мощность дугового разряда постоянного тока 2.27 кВт. [7]

Механизмы управления ламинарного-турбулентным переходом с помощью плазменного актуатора на основе диэлектрического барьерного разряда исследовались с использованием моделирования методом крупных вихрей (LES) [28]. При числе Рейнольдса 63000 переход от ламинарного течения к турбулентному происходил вблизи переднего края профиля крыла. Сравнивались постоянное и импульсные плазменные воздействия, исследовалось влияние частоты на механизм управления ламинарно-

турбулентным переходом, основанный на различных способах ввода импульса в пограничный слой в каждом случае.

В работе [29] рассматривается влияние квазипостоянного электрического разряда (О-ОС) на структуру течения вблизи угла сжатия 19.4° в сверхзвуковом потоке с числом Маха 2. В диапазоне параметров потока Ро = 1-3 бар, То = 294-600 К и чисел Рейнольдса Re =5.3х105-3.4*106 проводились эксперименты в сверхзвуковой аэродинамической трубе с использованием разряда квазипостоянного тока. Делается вывод, что давление на наклонную поверхность угла можно снизить на 9-16% с помощью плазменного актуатора. Давление на горизонтальную поверхность угла увеличилось на 20-60%. Шлирен-визуализация а показывает, что угол скачка уплотнения на угле составляет примерно 45° по отношению к направлению потока. После включения плазменного актуатора положение косой ударной волны сместилось к электроду, образуя косую ударную волну с углом около 36°. Давление на поверхности уменьшается почти линейно с увеличением мощности разряда. Эффективность плазменного управления авторы оценивают в пределах от 17.5 до 25%.

1-4едгее *аН пс1 тапоп

(Ь)

Рис 1.2. Типичные шлирен-изображения: (а) поток без разряда; (Ъ) смещенная ударная волна перед плазмой, (с) влияние мощности разряда на величину давления. [29]

При импульсном энерговкладе в газ с помощью наносекундных электрических разрядов [12,14,15,18-20,30,31], оптическом пробое [13,32], взрывных процессах [33-36]

возникают ударные волны, которые влияют на течение газа. В работе [30] проведены расчёты параметров слабой ударной волны, возникающей при реализации импульсного диэлектрического барьерного разряда (плазменного актуатора) в потоке при малых числах Рейнольдса, и влияния актуатора на режим течения около профиля крыла.

Рис.1.3. Схема плазменного актуатора на основе диэлектрического барьерного разряда и индуцированного потока (ионный ветер). [30]

Рассчитывались параметры течения около аэродинамического профиля, в

качестве управляющих уравнений использовались трёхмерные уравнения Навье-Стокса

для сжимаемого газа, в безразмерном виде представляющиеся как:

др дрик

дЬ + дхк

— 0

дрщ д(рщик+р61к) _ 1 дТ[к + ~ — — ~ +

д^^д((е+р)ик) 1 дщт1к

дг

дхъ

дхк Яе дхк

1 дак

__11 I п с

* (г - 1)РгЯеМ1 дхк + ис*ки*

дх

$ —

(11) (1.2)

(1.3)

(1.4)

Здесь символами х^ щ, qi, р, р, е, Ту, 5у и t обозначены радиус-вектор, векторы скорости и теплового потока, далее плотность, давление, полная энергия на единицу объёма, компоненты тензора напряжений, символ Кронекера и время соответственно. Безразмерные параметры Яе, Мда и Рг обозначают число Рейнольдса, число Маха и число Прандтля соответственно и определяются следующим образом:

Ре —-,Мт——,Рг — (1.5)

где ц, а, с, ср и к обозначают вязкость, длину хорды, скорость звука, удельную

теплоёмкость при постоянном давлении и коэффициент теплопроводности соответственно. Нижний индекс да обозначает условия в набегающем свободном потоке. Вязкость рассчитывается с использованием закона Сазерленда. В уравнениях (1.2) и (1.3), последние слагаемые в правой части представляют собой соответственно силу и мощность, добавляемые к единице объёма газа действием плазменного актуатора.

0.0 0.2 0.4 0.6 О.а 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.3 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

х/с х/с х/с

Рис. 1.4. Среднее давление и коэффициент трения вдоль аэродинамического профиля.

Слева (а) показаны результаты эксперимента и моделирования. Графики (Ь) и (с) показывают чувствительность численных расчётов к параметрам сетки. [30]

Актуаторы на основе диэлектрического барьерного разряда наносекундной длительности (пв-ОБО) можно использовать для изменения местоположения наклонной ударной волны [18,23,37]. На рис. 1.5. показано воздействие, которое волна сжатия, генерируемая плазмой, оказывает на исходную ударную волну, создаваемую клином (базовая линия). Задаваемым числом Маха набегающего потока можно было изменять угол наклона ударной волны. Отмечено, что генерируемая разрядом ударная волна вызывает колебания в потоке. Если частота возбужденных колебаний может быть согласована с нестабильностью потока, это можно использовать для управления потоком.

Compression ramp

Displaced Baseline

Oblique shock Oblique Shock

Рис 1.5. Различие между двумя наборами шлирен-изображений в моменты времени 35 и 44 мкс. Исходная ударная волна - белая область, возмущенная ударная волна - темная область; пунктирная белая линия и красные стрелки указывают взрывную волну от актуатора. [37]

В работе [12] обсуждается взаимодействие нагретого импульсным плазменным актуатором наносекундной длительности (^-ОББ) с областью отрыва сдвигового слоя при обтекании профиля крыла в воздухе атмосферного давления. Методом высокоскоростной шлирен-визуализации исследовано поле плотности при взаимодействии плазменного актуатора и передней кромки профиля. В эксперименте одновременно измерялась подъемная сила и регистрировались шлирен-изображения течения (см. рис 1.6). Зона нагрева (п) показана только на одном изображении при распространении по поверхности профиля, поскольку скорость ее распространения высока (рис 1.6 а). Осредненная по фазе периодическая составляющая шлирен-изображения показала образование и взаимодействие нагретых зон. Волна сжатия, генерируемая быстрым нагревом газа, по-видимому, не влияет на структуру отрывного сдвигового слоя, но горячий воздух, текущий от передней части аэродинамического профиля, взаимодействует с отрывным сдвиговым слоем. Восстановление подъемной силы связано со средней по времени интенсивностью контраста шлирен-сигнала из области отрывного сдвигового слоя. Это исследование дает современное понимание взаимодействия между областью нагрева газа, полем градиента плотности, вызванным актуатором, и характеристиками потока.

В обзоре 2021 года [14] рассматриваются итоги некоторых современных работ по использованию сильно неравновесной импульсной плазмы для управления динамическим потоком газа. Описан физический механизм разрядов при взаимодействии с потоком воздуха (наносекундные поверхностные барьерные разряды, импульсные искровые разряды, наносекундные оптические разряды). Продемонстрировано, как плазменные актуаторы используются для управления конфигурацией ударных волн перед сверхзвуковым объектом, управления его траекторией, управления квазистационарными отрывными течениями и слоями, управления ламинарно-турбулентным переходом, управления статическим и динамическим отрывом пограничного слоя при больших углах атаки.

Рис 1.6. а) Осредненные по фазе шлирен-сигналы для = 0.25 при ас =18.5°. Частота камеры /р = 1 к/р$, время экспозиции камеры 1ехр = 10 ¡и>ъ, среднее количество изображений пте = 1000. (Ъ) распределения интенсивности шлирен-сигнала, и (с) положение, где сигнал имеет минимальную интенсивность. [12]

Использование поверхностного диэлектрического барьерного разряда с ограниченным подводом энергии может эффективно уменьшить нагрев газа и оказать сильное влияние на протекающий газ [14]. Рисунок 1.7 показывает динамику распространения ударной волны, возникшей из-за импульсного энерговыделения в разряде. За 32 мкс ударная волна становится слабой и переходит в звуковое возмущение. Однако возмущение течения в пограничном слое, вызванное появлением ступеньки газа низкой плотности, провоцирует перемешивание пограничного слоя с основным потоком,

разгоняет его, и резко уменьшает высоту отрывной зоны в области взаимодействия (рис. 1.7). По мере увеличения частоты следования высоковольтных импульсов влияние нагрева усиливается, что приводит к увеличению размеров зоны отрыва. Из результатов численного моделирования видно, что из-за воздействия возмущения пограничный слой явно истончается (78 мкс), а затем область тонкого пограничного слоя переносится потоком в зону взаимодействия (98 мкс и 163 мкс), что приводит к отрыву. Размер области значительно уменьшается (258 мкс) (см. рис. 1.8 и 1.9).

Ударная волна

Отраженная ударная

? /

Отраженная ударная волна движется вниз потоку Положение ири 0 мкс Отражённая ударная волна движется обратно к точке возникновения Положение N * при 0 мкс

Рис. 1.7. Слева: распространение ударной волны, созданной импульсным разрядом: 8 мкс (а), 16 мкс (б), 24 мкс (в) и 32 мкс (д) после импульса. Справа: движение отраженной ударной волны показывает уменьшение размера отрывной зоны: 0 мкс (а), 16 мкс (б), 224 мкс (в) и 520 мкс после импульса (г). [14]

Рис. 1.8. Вертикальный размер отрывной зоны при взаимодействии наклонной ударной волны с пограничным слоем (8ШБЫ) в зависимости от частоты следования

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ляо Юйгань, 2022 год

Список использованных источников

[1] Левин В.А., Нетесов В.В., Туник Ю.В. Действие импульсного несамостоятельного разряда на течение релаксирующего газа. Квантовая электроника. 1985. том 12, № 3, с. 540-545.

[2] Быстров С.А., Иванов В.И., Шугаев Ф.В. Распространение плоской ударной волны в слабоионизованной плазме. Физика плазмы. 1989. Т. 15. № 5. C. 558-562

[3] Георгиевский П. Ю., Левин В. А. Управление обтеканием различных тел с помощью локализованного подвода энергии в сверхзвуковой набегающий поток. Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2003. № 5. С. 54-167.

[4] Пилюгин H. H., Талипов P. Ф., Хлебников В. С. Сверхзвуковое обтекание тел потоком с газодинамическими неоднородностями. Теплофизика высоких температур. 1997. Т. 35. № 2. 322-336.

[5] Георгиевский П. Ю., Ершов А.П., Левин В.А., Тимофеев И.Б., Шибков В.М. Поперечные электрические разряды в сверхзвуковых потоках воздуха. Моделирование газодинамических эффектов в разрядном канале. ТВТ. 2006. 44 1, 5-15.

[6] Двинин С.А. Ершов А.П., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Шибков В.М. Моделирование разряда постоянного тока в поперечном сверхзвуковом потоке газа. Теплофизика высоких температур. 2004. Т. 42, № 2. С. 181-191.

[7] Schulein E., Zheltovodov A. Effects of steady flow heating by arc discharge upstream of non-slender bodies. Shock Waves. 2011. 21, Р. 383-396.

[8] Starikovskiy A., and Aleksandrov N. Nonequilibrium Plasma Aerodynamics. Aeronautics and astronautics. 2011. 55-96.

[9] Moreau E. Airflow control by non-thermal plasma actuators. J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. 40 (3), 605-636.

[10] Wang J.J., Choi K., Feng L., Jukes T.N. and Whalley R.D. Recent developments in DBD plasma flow control. Progress in Aerospace Sciences. 2013. 62, 52-78.

[11] Poggie J., Mclaughlin T., Leonov S. Plasma Aerodynamics: Current Status and Future Directions. J. AerospaceLab. 2015. 10 1-6.

[12] Komuro A., Takashima K., Suzuki K., Kanno S., Nonomura T., Kaneko T., Ando A. and Asai. K. Gas-heating phenomenon in a nanosecond pulse discharge in atmospheric-pressure air and its application for high-speed flow control. Plasma Sources Sci. Technol. 2018. 27, 104005 (18pp)

[13] Зудов В.Н., Третьяков П.К. Взаимодействие оптического разряда с ударной волной. Журнал технической физики. 2018. Т. 88, № 3. С. 350-357.

[14] Стариковский А.Ю., Александров Н. Л. Управление газодинамическими потоками с помощью сверхбыстрого локального нагрева в сильнонеравновесной импульсной плазме. Физика плазмы. 2021. T. 47, № 2, стр. 126-192.

[15] Matsuno T., Kawaguchi M., Fujita N., Yamada G., Kawazoe H. Jet Vectoring and Enhancement of Flow Control Performance of Trielectrode Plasma Actuator Utilizing Sliding Discharge. In Proceedings of the 6th AIAA Flow Control Conference. 2012. AIAA-2012-3238.

[16] Russell A., Zare-Behtash H. and Kontis K. Joule heating flow control methods for highspeed flows. J. Electrost. 2016. 80, 34-68.

[17] Neretti G. Active Flow Control by Using Plasma Actuators. Recent Progress in Some Aircraft Technologies, InTech. 2016.

[18] Nishihara M., Gaitonde D., Adamovich I. Effect of nanosecond pulse DBD plasma actuators on oblique shocks and on shock/boundary layer interaction. In: 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2013. Pp. 1-17.

[19] Знаменская И.А., Латфуллин Д.Ф., Луцкий А.Е., Мурсенкова И.В., Сысоев Н.Н. Развитие газодинамических возмущений из зоны распределенного поверхностного скользящего разряда. Журнал технической физики. 2007. Т. 77, № 5. С. 10-18.

[20] Знаменская И.А., Латфуллин Д.Ф., Луцкий А.Е., Мурсенкова И.В. Энерговклад в пристеночный слой газа при инициировании наносекундного скользящего поверхностного разряда. Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, № 17. С. 35-41.

[21] Leonov S.V., Adamovich I.V. and Soloviev.V.R. Dynamics of near-surface electric discharges and mechanisms of their interaction with the airflow. Plasma Sources Sci. Technol. 2016. 25, 063001

[22] Xie W., Luo Z., Zhou Y., Gao T., Wu Y., Wang Q. Experimental study on shock wave control in high-enthalpy hypersonic flow by using SparkJet actuator. Acta Astronautica, 2021. V. 188, P. 416-425.

[23] Gong G., Li Y., Wang Yu. and Kuang P. Investigation on wedge shock wave control by surface MHD actuation. AIP Advances. 2020. 10 055212

[24] Георгиевский П. Ю., Левин В. А. Режимы сверхзвукового обтекания тел в условиях энерговклада различной геометрической конфигурации в набегающий поток. Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48, № 1 (приложение). С. 77-84.

[25] Георгиевский П. Ю., Левин В. А., Сутырин О. Г. Взаимодействие ударной волны с продольным слоем газа пониженной плотности. Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2016. № 5. С. 125-132.

[26] Аульченко С. М., Замураев В. П., Калинина А. П. Управление трансзвуковым потоком с помощью энергетического локального воздействия. Журнал технической физики. 2011. Т. 81, № 11. 13-22.

[27] Жeлтоводов. А.А., Пимонов. Е.А. Численное моделирование развития зоны энергоподвода в покоящейся воздушной среде и в сверхзвуковом потоке при взаимодействии с прямым скачком. Журнал технической физики. 2013. том 83, вып. 2.

[28] Kuhnhenn M., Simon B., Maden I., and Kriegseis J. Interrelation of phase-averaged volume force and capacitance of dielectric barrier discharge plasma actuators, J. Fluid Mech. 2016. 809, R1.

[29] Watanabe Y., Houpt A. and Leonov S.B., Plasma-assisted control of supersonic flow over a compression ramp. Aerospace. 2019. V. 6(3), 35.

[30] Sato M., Nonomura T., Okada K., Asada K., Aono H., Yakeno A., Abe Y., Fujii K. Mechanisms for laminar separated-flow control using dielectric-barrier-discharge plasma actuator at low Reynolds number. Phys. Fluids. 2015. V. 27, 117101.

[31] Correale G., Michelis T., Ragni. D., Kotsonis M. and Scarano F. Nanosecond-pulsed

plasma actuation in quiescent air and laminar boundary layer. J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. 47,105201

[32] Райзер. Ю.П. Пробой и нагревание газов под действием лазерного луча. Успехи физических наук. 1965г. том 87, вып.1.

[33] Taylor. G.I. The formation of a blast wave by a very intense explosion. Proc. Roy. Soc. London A. 1950. V. 201. pp. 159-174.

[34] Murphy. M.J. and Adrian. R.J. PIV space-time resolution of flow behind blast waves. Exp. Fluids. 2010. 49 (1), 193.

[35] Porneala C. and Willis D.A. Time-resolved dynamics of nanosecond laser-induced phase explosion. J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. 42, 155503

[36] Callies G., Berger P. and Hugel H. Time-resolved observation of gas-dynamic discontinuities arising during excimer laser ablation and their interpretation. J. Phys. D Appl. Phys. 1995. 28, 794-806.

[37] Vernet J.A, Orlu R., Alfredsson P.H. Flow separation control behind a cylindrical bump using dielectric-barrier-discharge vortex generator plasma actuators. J. Fluid Mech. 2018. 835, 852-879.

[38] Баранов С.А., Киселёв А.Ф., Моралев И.А., Сбоев Д.С., Толкачёв С.Н., Чернышев С.Л. Управление ламинарно-турбулентным переходом в трёхмерном пограничном слое при повышенной внешней турбулентности с помощью диэлектрического барьерного разряда. Доклады академии наук. 2019. Т. 486, № 6, с. 668-672.

[39] Moralev I.A., Selivonin I.V., Tatarenkova D.I., Firsov A.A., and Preobrazhenskii D.S. Damping of the longitudinal streak in the boundary layer by 'plasma panel' actuator, J. Phys. D: Appl. Phys. 2019. 52, 304003 (10pp).

[40] Бычков В.Л., Грачев Л.П., Есаков И.И., Семенов А.В. Снижение донного сопротивления и создание подъемной силы с использованием микроволнового разряда в сверхзвуковом потоке. Журнал технической физики. 2020. Т. 90, № 8.

[41] Ju Y., Sun W. Plasma assisted combustion: dynamics and chemistry. Prog Energy Combust Sci. 2015. 48, 21-83.

[42] Шибков В.М., Шибкова Л.В., Громов В.Г., Карачев А.А., Константиновский Р.С. Влияние поверхностного СВЧ-разряда на воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков. ТВТ. 2011. 49 2, 163-176.

[43] Popov N.A., Starikovskaia S.M. Relaxation of electronic excitation in nitrogen/oxygen and fuel/air mixtures: fast gas heating in plasma-assisted ignition and flame stabilization. Progress in Energy and Combustion Science. 2022. 100928.

[44] Ландау Л. Д. Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. 1986. 736 с.

[45] Коробейников В.П., Мельникова Н.С., Рязанов Е.В. Теория точечного взрыва. М. 1961. 330с.

[46] Сысоев Н.Н., Селиванов В.В., Хахалин А.В. Физика горения и взрыва. Часть 2. Ударные волны в различных средах. М., МГУ, 2017, 236 с.

[47] Mursenkova I.V., Znamenskaya I.A. and Lutsky A.E. Influence of shock waves from plasma actuators on transonic and supersonic airflow. J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51 (5), 105201

[48] Campanella B., Legnaioli S., Pagnotta S., Poggialini F., Palleschi V. Shock Waves in Laser-Induced Plasmas. Atoms. 2019. 7, 57.

[49] Ivanov I.E., Kryukov I.A., Orlov D.M., Znamenskaya I. A. Investigations of shock wave interaction with nanosecond surface discharge. Experiments in Fluids. 2010. 48, 4. P. 607613.

[50] Xu D.A., Shneider M.N., Lacoste D.A and Laux C.O. Thermal and hydrodynamic effects of nanosecond discharges in atmospheric pressure air. J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. 47, 235202 (13pp).

[51] Zhao Z., Li J., Zheng J., Cui Y.D. and Khoo B.C. Study of Shock and Induced Flow Dynamics by Nanosecond Dielectric-Barrier-Discharge Plasma Actuators. AIAA Journal. 2014. 53(5):1336-1348.

[52] Bayoda K.D., Benard N., Moreau E., Nanosecond pulsed sliding dielectric barrier discharge plasma actuator for airflow control, J. Appl. Phys. 2015. 118, p. 063301.

[53] Moreau E., Bayoda K., Benard N., Streamer propagation and pressure waves produced by a nanosecond pulsed surface sliding discharge: effect of the high-voltage electrode shape, J. Phys. D: Appl. Phys. 2021. 54, 075207 (15pp).

[54] Koroteeva. E., Mursenkova. I., Liao. Yu., and Znamenskaya. I. Simulating particle inertia for velocimetry measurements of transient flows with shock waves. Physics of Fluids. 2018. 30, 011702.

[55] Мурсенкова И.В., Сазонов А.С., Ляо Ю. Влияние импульсных скользящих поверхностных разрядов на сверхзвуковое обтекание тонкого клина в ударной трубе. Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44, вып. 4. С. 59-65.

[56] Gojani A.B., Kokaj J., Obayashi S. Identification of discontinuities in plasma plume evolution. Applied Physics B. 2013. Vol. 112, 4, pp. 571-577.

[57] Aleksandrov N.L., Konchakov V. Discharge energy distribution across internal degrees of freedom in air. Plasma Physics Reports. 1982.

[58] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука. 1987 - 592 с.

[59] Shkurenkov I. and Adamovich I.V. Energy balance in nanosecond pulse discharges in nitrogen and air. Plasma Sources Sci. Technol. 2016. 25, 015021 (12pp).

[60] Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. 1977, 440c.

[61] Goldstine H., Neumann J. Blast Wave Calculation. Communications on Pure and Applied Mathematics. 1955. Vol. 8, 327-354.

[62] Zheng. J. G., Li. J., Zhao. Z. J., Cui. Y. D. and Khoo. B. C. Numerical Study of Nanosecond Pulsed Plasma Actuator in Laminar Flat Plate Boundary Layer. Communications in Computational Physics. 2016. Vol. 20, No. 5, pp. 1424-1442.

[63] Калмыков С.Г., Мирошников И.В., Петренко М.В., Сасин М.Э. Распространение лазерной искры вдоль луча в стационарных газах при низких давлениях. Письма в ЖТФ. 2011. том 37, вып. 6.

[64] Wei T. and Hargather M.J. A new blast wave scaling. Shock Waves. 2021. 31, 231-238.

[65] Bocharov A., and Mareev E.A., Popov, N.A., Numerical simulation of high-current pulsed arc discharge in air. Journal of Physics D: Applied Physics. 2022. 55, 115204.

[66] Архипов Н.О., Знаменская И.А., Мурсенкова И.В., Остапенко И.Ю., Сысоев Н.Н. Эволюция наносекундного комбинированного объемного разряда с плазменными электродами в потоке воздуха. Вестник Московского университета, Сер. 3. Физика. Астрономия. 2014. № 1, C. 88-95.

[67] Мурсенкова И.В., Ляо Ю., Иванов И.Э., Сысоев Н.Н. Характеристики

наносекундного поверхностного скользящего разряда в сверхзвуковом потоке воздуха, обтекающем тонкий клин. Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия. 2019. № 3, С. 54-60.

[68] Зельдович. Я. Б., Райзер. Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. 1966. 688 с.

[69] Coliban R.-M., Marinea? M., Hatfaludi C., Ivanovici M. Linear and Non-Linear Models for Remotely-Sensed Hyperspectral Image Visualization. Remote Sensing. 2020. 12, 2479.

[70] Kolláth Z., Cool A., Jechow An., Kolláth K., Száz D., Tong K. Introducing the Dark Sky Unit for multi-spectral measurement of the night sky quality with commercial digital cameras. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2020. 253, 107162.

[71] Вовченко Е.Д., Кузнецов А.П., Савёлов А.С. Лазерные методы диагностики плазмы. М. 2008. 204 с.

[72] Mursenkova I.V., Liao Yu., Ulanov P.Yu., Shi L. High-Speed Shadowgraphy of the Interaction of an Oblique Shock Wave in a Channel with a Surface Sliding Discharge. Scientific Visualization. 2021. V. 13, No 3, p. 47-57.

[73] https://bifocompany.com/rus/

[74] Brunet H., Vincent P., Predicted electron transport coefficients at high E/N values in Nitrogen, J. Appl. Phys. 1979. 50, No. 7, p.4708-4713.

[75] Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. 2006. 472 с.

[76] Знаменская И.А., Латфуллин Д.Ф., Мурсенкова И.В. Ламинарно-турбулентный переход в сверхзвуковом пограничном слое при инициировании импульсного поверхностного разряда; Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. No 15, С. 75-80.

[77] Мурсенкова И.В., Сазонов А.С., Ляо Ю., Иванов И.Э. Визуализация области взаимодействия косого скачка уплотнения с пограничным слоем свечением наносекундного поверхностного скользящего разряда. Научная визуализация. 2019. Т. 11. No 3, С. 76-87.

[78] Баженова Т.В., Гвоздева Л.Г. Нестационарные взаимодействия ударных волн. М. 1977. 274 с.

[79] Боровой В.Я., Мошаров В.Е., Радченко В.Н., Скуратов А.С., Струминская И.В. Влияние затупления передних кромок на течение в модельном воздухозаборнике. Изв. РАН. МЖГ. 2014. No 4, С. 43-57.

[80] Hadjadj A., Perrot Y., Verma S. Numerical study of shock/boundary layer interaction in supersonic overexpanded nozzles; Aerosp. Sci. Technol. 2015. V. 42. P. 158-168.

[81] Знаменская И.А., Иванов И.Э., Орлов Д.М., Сысоев Н.Н. Импульсное воздействие на ударную волну при самолокализации сильноточного поверхностного разряда перед ее фронтом. Доклады Академии наук. 2009. Т. 425. С. 174-179.

[82] Korotkikh I., Malakhov Yu., Skornyakova N. High-speed registration of discharge formation in inductively coupled plasma. Scientific Visualization. 2017. 9, 3.

[83] Александров Н.Л., Высикайло Ф.И., Исламов Р.Ш., Кочетов И.В., Напартович А.П., Певгов В.Г. Функция распределения электронов в смеси 02:N2=1:4. ТВТ. 1981. Т. 19, № 1, С. 22-27.

[84] Aleksandrov N., Kindysheva S., Kochetov I. Kinetics of low-temperature plasmas for plasma-assisted combustion and aerodynamics. Plasma Sources Science and Technology, 2014. Vol. 23, 015017.

[85] Aleksandrov N., Kindysheva S., Nudnova M. and Starikovskiy A. Mechanism of ultra-fast heating in a non-equilibrium weakly ionized air discharge plasma in high electric fields J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. 43 255201.

[86] Попов Н.А. Исследование механизма быстрого нагрева азота и воздуха в газовых разрядах. Физика плазмы. 2001. T. 27. № 10. C. 940-950.

[87] Соловецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М.: Наука. 1980. С. 310.

[88] Michael J. Murphy* Ronald J. Adrian. PIV space-time resolution of flow behind blast waves. Exp Fluids. 2010. 49, Р. 193-202.

[89] Глушко Г. С., Иванов И. Э., Крюков И. А., Метод расчета турбулентных сверхзвуковых течений. Матем. Моделирование. 2009. Т. 21, № 12, С. 103-121.

[90] Вараксин А.Ю., Поляков А.Ф., Ревизников Д.Л., Стратьев В.К., Третьяков А.Ф. Исследование течения вблизи затупления из пористого материала на цилиндрическом обтекаемом теле. ТВТ. 2002. T. 40 6, C. 909-915.

[91] Ivanov I.E., Kryukov I.A. Numerical study of ways to prevent side loads in an over-expanded rocket nozzles during the launch stage. Acta Astronautica. 2019. Vol. 163. P. 196-201.

[92] Кузнецов А.Ю., Мурсенкова И.В., Уланов П.Ю. Динамика излучения наносекундного поверхностного скользящего разряда в потоке с ударной волной. Письма в Журнал технической физики, 2019. Т. 45, № 24, с. 48-51.

Приложение

Система уравнений в программе расчета [89].

Полную систему уравнений для описания плоских и осесимметричных турбулентных течений сжимаемого однокомпонентного вязкого газа можно записать в следующем виде:

где

<2 =

р ри рг

ри ри2 +р рш> (П2 + Р

рп риг

ргю Г = ) * 1П риги' риги* , 5 =

е и(е + р) и(е + р)

рк рик рик

. Р- . риЕ Р1'£

р/у + а (р + ри>

О

Р}т

тч*р) /г

гри

рГ ■ V

Рк - ре + Бк

{се1Рк-С£2Р€)Е/к + 8е

(2)

где р - плотность; р - давление; V = (п,у,н)т- вектор скорости; Е - внутренняя энергия; д - приток тепла через теплопроводность; Е = ([х,/у,/ф)т - плотность распределения объемных сил (объемная сила); к - кинетическая энергия турбулентности; е - скорость диссипация кинетической энергии турбулентности; е - полная энергия

В плоском случае г = 1 и а = 0. В осесимметричном случае г = у и а = 1. При отсутствии закрутки четвертое уравнение системы заменяется соотношением н = 0.

В приведенных выше уравнениях использованы следующие обозначения:

где ¡Ле и Хе - эффективные коэффициенты вязкости и теплопроводности

Л - коэффициент динамической (сдвиговой) вязкости; Х - коэффициент теплопроводности; ¡г и Хг - турбулентные коэффициенты вязкости и теплопроводности. Рк - порождение кинетической энергии турбулентности

& и & - дополнительные источниковые члены, которые вводятся в некоторых вариантах

к - е модели турбулентности.

Для замыкания системы (1) делается ряд дополнительных преположений 1. Газ удовлетворяет уравнению состояния идефльного газа

где Я - универсальная газовая постоянная; т - молекулярный вес газа.

2. Газ калорически совершенен: коэффициенты теплоемкости газа Ср и Су не зависят от температуры газа и являются физическими константами газа.

3. Коэффициент динамической вязкости является функцией только температуры. В частности, используется формула Сатерленда

где То и ¡ло - некоторые характерные значения температуры и вязкости; Т - постоянная Сатерленда, имеющая для воздуха значение, близкое к 110К.

4. Коэффициент турбулентной вязкости определяется в к - е модели следующим образом:

5. Коэффициенты теплопроводности Х и Хг пропорциональны соответствующим коэффициентам вязкости Х = Ср ¡л/Рг и Хг = Ср л/Рг\, где Рг и Рг\ - ламинарное и турбулентное числа Прандтля.