Взаимодействие наносекундных сильноточных разрядов с ударной волной тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат наук Кузнецов Александр Юрьевич

• Кузнецов Александр Юрьевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Кузнецов Александр Юрьевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор работ по исследованию разрядов в высокоскоростных потоках воздуха

2.2. Разрядная камера и электроразрядный контур для инициирования наносекундных сильноточных разрядов

2.3. Регистрация газодинамических и разрядных параметров и методы обработки результатов

Глава 3. Импульсный комбинированный объёмный разряд с плазменными электродами

3.1. Описание импульсного комбинированного объёмного разряда с плазменными электродами

3.3. Импульсный комбинированный объёмный разряд в присутствии ударной волны

9

10

1.1. Исследования воздействия разрядов на потоки газа

1.2. Исследования взаимодействия ударных волн с плазмой газовых разрядов

1.3. Основные кинетические процессы в плазме наносекундных разрядов

1.4. Выводы к главе 1 25 Глава 2. Экспериментальная установка и диагностическое оборудование

2.1. Ударная труба и параметры течения

38

42

2.4. Выводы к главе

51

51

3.2. Импульсный комбинированный объёмный разряд в неподвижном воздухе ^

61

3.4. Выводы к главе

Глава 4. Импульсный поверхностный скользящий разряд £0

4

4.1. Динамика свечения импульсного поверхностного скользящего разряда в

неподвижном воздухе

4.2. Динамика свечения импульсного поверхностного скользящего разряда при взаимодействии с фронтом ударной волны

4.3. Ток импульсного поверхностного скользящего разряда при взаимодействии с

94

ударной волной

4.4. Выводы к главе

Глава 5. Газодинамическое течение после взаимодействия импульсных сильноточных разрядов с плоской ударной волной

5.1. Описание явления распада газодинамического разрыва

5.2. Распад разрыва на фронте плоской ударной волны при ее взаимодействии с наносекундным объёмным разрядом

98

100

100

101

5.3. Движение газодинамических разрывов после взаимодействия плоской ударной

109

волны с поверхностными скользящими разрядами

5.4. Выводы к главе 5 ^ 14 Заключение 215 Благодарности ^20 Список литературы ^21

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие наносекундных сильноточных разрядов с ударной волной»

Введение

Актуальность работы связана с задачами плазменной аэродинамики, т.е. с вопросами применения газовых разрядов для управления высокоскоростными потоками воздуха и различных газовых смесей. Импульсные электрические разряды являются эффективным способом подвода энергии к потоку газа в результате джоулевой диссипации электрической энергии и могут служить источником контролируемых возмущений. В многочисленных работах показано, что газоразрядная плазма может влиять на режимы обтекания поверхностей и на структуру внутренних течений в каналах: возможно изменение лобового сопротивления обтекаемых тел, подъемной силы, положения и интенсивности локальных скачков уплотнения, смещение зон отрыва, воздействие на пограничный слой, теплообмен и т.п. Исследование взаимодействия высокоскоростных потоков и ударных волн с плазмой газовых разрядов играет важную роль в фундаментальном изучении механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений в сильных электрических полях и при больших скоростях течения газа. Актуальным является нахождение оптимальных режимов развития разрядов в потоках газа, определение величины энерговклада, анализ кинетических процессов в плазме, изучение влияния разряда на локальные параметры потока, а также на структуру течения в целом. При использовании газоразрядной плазмы для управления потоками необходимо учитывать взаимодействие плазменных образований с высокоскоростными потоками воздуха, т.е. их взаимное влияние. Использование импульсных разрядов наносекундной длительности дает возможность детально изучить поведение разряда во времени при постоянстве параметров течения, а также позволяет использовать ударную трубу для организации течения с плоской ударной волной и его синхронизации с реализующейся плазменной областью.

В работе экспериментально решалась задача о взаимодействии импульсных сильноточных разрядов в воздухе - поверхностного скользящего и комбинированного объемного - с плоской ударной волной, находящейся в разрядной области и за ее пределами.

Целью диссертационной работы было изучение параметров поверхностного скользящего разряда и комбинированного объемного разряда наносекундной длительности при взаимодействии с плоской ударной волной и структуры газодинамического течения после разряда.

Для этого были поставлены следующие задачи:

1) регистрация пространственно-временных характеристик излучения, спектров и тока разрядов в присутствии фронта ударной волны при различных числах Маха и при различных положениях фронта ударной волны в разрядной области и вне ее;

2) высокоскоростная теневая визуализация ударно-волнового течения и анализ движения газодинамических разрывов после взаимодействия разрядов с плоской ударной волной, находящейся внутри разрядной области и вне ее;

3) определение механизма послесвечения разрядов на основе сопоставления экспериментальных данных и моделирования столкновительно-излучательных процессов в плазме воздуха в послеразрядный период.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Впервые экспериментально получены осциллограммы тока и спектры излучения, временные характеристики излучения наносекундных сильноточных поверхностного скользящего и комбинированного объемного разрядов при взаимодействии с фронтом ударной волны. Показано, что присутствие ударной волны внутри или вне разрядной области приводит к изменению характера разряда, зависящего от числа Маха ударной волны.

2) Впервые детально с наносекундным разрешением исследована динамика излучения поверхностного скользящего и комбинированного объемного разрядов при взаимодействии с ударной волной; рассмотрена кинетика излучения плазмы в послеразрядный период и проведено моделирование временной зависимости заселенности состояния С3Пи молекулярного азота в условиях ударного сжатия плазменной области.

3) На основе высокоскоростного теневого зондирования экспериментально показано, что распады газодинамических разрывов на фронте ударной волны приводят к реализации различных ударно-волновых структур в случаях, когда фронт ударной волны находится внутри разрядной области и за ее пределами в момент инициирования разрядов.

Научная и практическая ценность работы.

Получен и обработан массив экспериментальных данных о режимах развития наносекундных поверхностного скользящего и комбинированного объемного разрядов в потоках с ударной волной при различных положениях фронта ударной волны относительно разрядной области: о пространственно-временном распределении излучения, спектрах излучения, токе разрядов. Получены временные зависимости интенсивности излучения разрядов при взаимодействии с ударной волной на основе рассмотрения кинетики излучения с учетом движения газодинамических разрывов, которые хорошо коррелируют

с экспериментальными зависимостями. С практической точки зрения полученные результаты можно использовать для прогнозирования воздействия импульсных разрядов на течение вблизи поверхности летательного аппарата, для коррекции положения скачков уплотнения в потоках в каналах. Реализация различных типов энерговклада с помощью импульсных разрядов может быть использована для перестройки структуры течения в технологиях управления высокоскоростными потоками.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается значительным объемом экспериментальных данных и высокой степенью повторяемости при одинаковых условиях проведения экспериментов. Моделирование и расчеты проводились на научно обоснованных физических моделях. Полученные результаты не противоречат результатам работ других исследовательских коллективов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования пространственно-временного распределения излучения и тока наносекундных сильноточных поверхностного скользящего и комбинированного объемного разрядов на основе регистрации девятикадровых изображений, разверток свечения, спектров излучения и осциллограмм тока разрядов в неподвижном воздухе при давлениях 2-185 торр и при взаимодействии с плоскими ударными волнами с числами Маха 1.90-5.00, находящимися внутри разрядной области и вне ее в момент инициирования разрядов.

2. Экспериментальные зависимости тока поверхностных скользящих и комбинированного объемного разрядов от положения фронта ударной волны за пределами разрядной области в момент инициирования разряда.

3. Экспериментальные зависимости времен затухания свечения поверхностного скользящего и комбинированного объемного разрядов от давления в неподвижном воздухе.

4. Экспериментальные временные зависимости интенсивности свечения поверхностного скользящего и комбинированного объемного разрядов при взаимодействии с фронтом плоской ударной волны, находящейся внутри и за пределами разрядного объема, показывающие двухступенчатый характер затухания.

5. Результаты высокоскоростного теневого зондирования течений после взаимодействия поверхностных скользящих и комбинированного объемного разрядов с ударной волной, показывающие различие формирующихся ударно-волновых структур при

разных положениях ударной волны внутри и за пределами разрядной области в момент инициирования разряда.

6. Результаты моделирования временной зависимости заселенности состояния С3Пи молекулярного азота в послеразрядный период на основе рассмотрения столкновительно-излучательных процессов в воздухе с учетом ударного сжатия плазменной области при взаимодействии с ударными волнами с числами Маха 2.00-5.00.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора по материалам работы, благодарностей и списка цитируемой литературы (91 ссылка). Объём диссертации составляет 128 страниц. Работа содержит 91 рисунок.

В первой главе сделан обзор работ по исследованию газовых разрядов в высокоскоростных потоках воздуха и при взаимодействии с ударными волнами. Показано, что взаимодействие ударных волн с газоразрядной плазмой исследовалось в основном в стационарных разрядах. Обнаруженные изменения скорости ударных волн и структуры фронта определялись преимущественно джоулевым нагревом среды. Воздействие сильноточных наносекундных разрядов на потоки с ударными волнами исследовано недостаточно полно, как и влияние ударных волн в разрядной области на характер развития разрядов.

Во второй главе дается описание экспериментальной установки и диагностического оборудования. Экспериментальная установка - ударная труба с разрядной камерой -позволяет исследовать взаимодействия импульсных разрядов с ударными волнами. Описаны методы регистрации основных газодинамических и электроразрядных параметров и методы обработки экспериментальных результатов.

Третья глава посвящена исследованию импульсного комбинированного объёмного разряда с плазменными электродами в неподвижном воздухе и в потоке с ударной волной. Проанализировано послесвечение разряда, ток разряда и энерговклад. Получены времена затухания свечения разряда.

В четвертой главе описывается исследование импульсного поверхностного скользящего разряда в неподвижном воздухе и в потоке с ударной волной. Проанализировано послесвечение разряда, ток разряда и энерговклад. Получены времена затухания диффузного свечения и свечения ярких каналов разряда.

В пятой главе на основе высокоскоростной теневой регистрации поля течения определен характер движения ударно-волновой конфигурации при различных начальных положениях фронта ударной волны в момент инициирования комбинированного объёмного

7

и поверхностного скользящего разрядов. Установлена зависимость типа распада газодинамического разрыва от начального положения фронта ударной волны.

В заключении представлены выводы и основные результаты работы.

Глава 1. Обзор работ по исследованию разрядов в высокоскоростных потоках воздуха

Задачи плазменной аэродинамики связаны с вопросами взаимодействия плазменных образований с высокоскоростными потоками воздуха и различных газовых смесей. Электрические разряды в потоках газа рассматриваются как эффективный способ подвода энергии к потоку в результате джоулевой диссипации энергии электрического тока разряда [1-6]. С практической точки зрения это можно использовать для перестройки ударно-волновых конфигураций перед летательным аппаратом, управляя обтеканием, или использовать как эффективный способ воспламенения воздушно-топливных смесей в двигателях при движении на больших скоростях [7-10].

Идея управления потоками посредством добавления энергии в поток появилась в конце прошлого века [5, 11-15]. В ЦАГИ [13] и в ИТПМ СО РАН [5, 12, 14] были выполнены исследования, которые подтвердили эффективность такого подхода к управлению потоками. В 80-х годах прошлого века научные коллективы различных организаций (МГУ им. М.В. Ломоносова, ЦИАМ им. Баранова, ЦАГИ, ИТПМ СО РАН и др.) участвовали в исследовательской программе под руководством академиков Г.Г. Черного и В.А. Левина [1-3]. В 90-х годах была создана международная коалиция ученых из России, США, различных стран Европы, Китая и других стран, проводились ежегодные международные конференции с участием российских ученых. Публикации результатов исследований в научных журналах и трудах конференций [5, 11-14, 16] привлекли внимание ученых во многих странах к разрабатываемым концепциям, используемым в магнитно-плазменной гидродинамике, в частности к магнитогидродинамическим (МГД) и плазменным методам управления потоками и обтеканием элементов летательных аппаратов. Был накоплен большой объем данных, которые привели к определенному мнению относительно практической реализации некоторых из них. В исследованиях было показано, что в сверхзвуковых потоках слабые возмущения, вызванные локально изменяющейся скоростью или плотностью, эффективно влияют на ударные волны перед затупленными телами и уменьшают их аэродинамическое сопротивление. Исследования тепловыделения в потоках с использованием мощных лазеров [5, 6, 12, 14], тлеющих разрядов [5, 12, 13, 16, 17] детально продемонстрировали газодинамику потоков с локальным энерговкладом и структуру обтекания тел; был исследован механизм снижения сопротивления. Поиск практических методов энерговклада оказался затруднительным, что усложнило экспериментальную проверку предсказанных теоретически режимов течений и

демонстрацию эффективного управления потоками [5, 6, 12].

9

Изучение сверхзвуковых потоков с ионизированной средой обнаружило особые свойства низкотемпературной газоразрядной плазмы при обтекании тел и при взаимодействии с ударными волнами [5, 13, 14, 15]. В настоящее время исследование плазмы газовых разрядов при взаимодействии с газодинамическими потоками остается одной из важнейших задач в фундаментальном изучении механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при больших скоростях течения газа и при высоких электрических полях. Она играет важную роль в изменении газодинамических характеристик течений и оптимизации плазмохимических процессов.

1.1. Исследование воздействия разрядов на потоки газа

Преимуществом использования газоразрядной плазмы для воздействия на поток является разнообразие форм и условий организации газового разряда, достаточная простота конструкции газоразрядных установок и быстрота воздействия на течение. В лабораторных условиях в потоке газа реализуют, как правило, разряды постоянного тока, импульсно-периодические и безэлектродные разряды (СВЧ, лазерный пробой). Объемные газовые разряды используются для управления режимами течения около тел различной формы [1 -6, 11-17], поверхностные разряды позволяют направленно воздействовать на пограничный слой вблизи обтекаемых поверхностей [6, 18-24]. Актуальным в таких исследованиях остается нахождение оптимальных режимов развития разряда в потоке газа, определение величины энерговклада, анализ кинетических процессов в плазме разряда, изучение влияния разряда на параметры пограничного слоя, трение, теплообмен.

В обзорах [5, 6] представлен анализ работ конца 20 - начала 21 века российских и зарубежных ученых о взаимодействиях плазмы с высокоскоростными потоками и ударными волнами. Подвод электрической энергии, требующейся для поддержания плазмы, приводит к нагреву газа, т.е. увеличению температуры компонент нейтрального газа. Это, в свою очередь, приводит к пространственным температурным градиентам в плазме. Температурные градиенты оказывают влияние на поток и на распространяющиеся возмущения. Основным выводом из исследований того времени следует считать следующий результат: для разрядов, протекающих при малых приведенных электрических полях Е/Ы (Е - напряженность электрического поля, N - концентрация нейтральных частиц) и высоких плотностях тока, общий нагрев газа является основным механизмом влияния на течение. Наоборот, для разрядов, протекающих при высоких приведенных электрических полях, нагрев газа будет зависеть от локальных условий, с учетом возбуждения молекул

электронным ударом и скорости ионизации. Влияние разряда на течения, на скорость распространения ударных волн и возмущений, таким образом, определяется не только прямым джоулевым нагревом, а также зависит от скорости релаксации возбужденных колебательных состояний молекул и электронных метастабильных состояний в плазме. Так, в экспериментах в плазме воздуха присутствие небольшого количества водяного пара оказывало сильное воздействие на все релаксационные процессы [6]. Средняя энергия электронов в плазме, плотность электронов и скорость релаксационных процессов зависят от плотности нейтрального газа и его состава. Оптимизация параметров плазмы для задач плазменной газодинамики осуществляется путем сокращения рабочего цикла разряда, позволяющего избежать развития неустойчивостей; для создания квазистационарного плазменного образования может использоваться высокая частота импульсов. Этот подход применим также для управления течениями вблизи поверхности.

Однородный объемный энерговклад в газ (поток газа) достигается при организации объемного разряда в диффузной форме, когда в течение десятков наносекунд формируется объемная область неравновесной плазмы [11, 25-29]. Разряды наносекундной длительности широко исследуются с целью воздействия на газодинамические течения [10, 28-33]. Особенностью таких разрядов является изменение состояния газа за короткое время протекания тока разряда и его быстрый нагрев в результате импульсного энерговклада. Часть электрической энергии, переходящая в тепловую энергию в микросекундном интервале времени после разряда, зависит от параметров разряда и свойств среды [6, 9, 10, 21, 22, 32]. Газодинамические параметры течения зависят от мощности разряда и геометрии области энерговклада, взаимодействующей с потоком. Инициирование горения с помощью плазмы основано на генерации активных частиц в плазменном объеме и быстром нагреве газа [8-10]. При инициировании импульсных разрядов в высокоскоростных потоках газа определяющими механизмами воздействия на течение, как показали эксперименты и численное моделирование, являются тепловой механизм (нагрев газа) [3, 6, 21, 22, 32, 34] и ударно-волновой [6, 22, 23, 31]. Ударные волны, возникающие в результате резкого изменения состояния среды, могут существенно влиять на газодинамический поток. Интенсивность этих ударных волн и их динамика зависят от процессов, происходящих на начальной стадии формирования ударно-волнового течения после инициирования разряда. На характер развития разрядов в сверхзвуковых потоках может оказывать влияние величина и направление магнитного поля [17, 35].

Филаментированные и каналированные разряды могут быть очень неоднородными по пространству и времени и реализуются, как правило, с использованием

высокочастотных и СВЧ- электромагнитных полей [18, 20, 25-27, 36-40]. Микроволновые разряды проявляют диффузный или филаментированный характер в зависимости от давления газа [37-40]. Температура в филаментированных каналах может достигать 20003000 К, и разряд такого типа значительно влияет на структуру головной ударной волны перед обтекаемым телом за счет тепловых градиентов и генерируемых вихрей [39, 41].

Импульсный комбинированный объемный разряд с предыонизацией ультрафиолетовым свечением от двух плазменных электродов [25-27], разработанный для возбуждения активной среды импульсных лазеров, обладает высокой степенью однородности при значительном объеме. Этот разряд инициировался в разрядной камере ударной трубы в неподвижном воздухе и в высокоскоростных с плоской ударной волной [28, 29, 42, 43]. На верхней и нижней стенках разрядной камеры на расстоянии 24 мм друг от друга создавались импульсные скользящие разряды площадью 30*100 мм2 (плазменные листы), обеспечивающие предыонизацию объема между ними [22, 28] и выполняющие роль электродов объемного разряда. Объемный разряд формируется в области 100*30*24 мм3 в течение 10-20 наносекунд (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Интегральное свечение разряда в неподвижном воздухе (60 торр, 25 кВ), зарегистрированное вдоль электродов (слева) и в перпендикулярном направлении (справа) [28].

В неподвижном воздухе были определены временные и амплитудные характеристики тока разряда, измерены времена свечения при разных давлениях воздуха [28]. Ток разряда затухающих колебаний с максимумом (амплитудой) 400-1200 А общей длительностью ~200-300 нс. С ростом давления максимум тока снижается, а полная длительность тока разряда увеличивается (рис. 1.2). Это связано с тем, что при повышении давления (и плотности) уменьшается величина приведенного электрического поля Е/Ы, что ведет к уменьшению скорости ионизации в разрядном объеме и увеличению времени наработки необходимой концентрации электронов. Длительность свечения разряда в

неподвижном воздухе зависит от прикладываемого напряжения и давления воздуха и не превышает 400 нс; при взаимодействии с плоской ударной волной длительность излучения в области фронта была больше 2 мкс [28].

Рис. 1.2. Осциллограммы тока комбинированного объемного разряда в неподвижном воздухе и при давлении 18 торр (1) и 73 торр (2), напряжении 30 кВ (а); максимальные значения тока разряда (б) и длительность первого полупериода (в) в зависимости от давления воздуха [28].

Данный тип разряда, обладая высокой пространственной однородностью и достаточной протяженностью, может эффективно использоваться для изучения воздействия на поток с плоской ударной волной [29, 42]. Когда фронт ударной волны находился в разрядном объеме [29], объемный разряд происходил перед фронтом ударной волны в области низкой плотности. В рассмотренном в [29] диапазоне экспериментальных условий токовые характеристики в однородном и в неоднородном потоках отличались незначительно, свечение разряда было усиленным около фронта. Одномерный расчет кинетических процессов, приводящих к нагреву газа, показал, что при различных числах Маха ударной волны изменение температуры газа во время разряда не превышало 200 К (Рис. 1.3 б). В то же время двумерное моделирование газодинамических процессов после импульсного энерговклада перед фронтом ударной волны в сходных условиях [42] показало, что нагрев газа в области разряда значительно выше.

Таким образом, остается открытым вопрос о влиянии ударных волн на характеристики разряда и параметры плазмы. При изучении разрядов с ударными волнами в разрядном объеме важно контролировать как характеристики разряда на стадии протекания тока и в послеразрядный период (ток, свечение, времена затухания излучения, и процессы послесвечения), так и газодинамические процессы, сопровождающие такое взаимодействие (движение ударно-волновых конфигураций после разряда).

Температура, К 550 г

Концентрации, см

10 .......к'ю ' ";ши 1 ю 100 ' ^ 1000

Время, не Время, не

Рис. 1.3. а) Динамика концентрации электронов, атомов кислорода 0(3Р) и молекул М2(А3Еи+) в зоне действия разряда при энерговкладе 0,407 эВ/мол (Уо/У=10), т.е. при прохождении ударной волной 90% разрядного промежутка; б) динамика температуры газа в зоне действия разряда для условий рис. 1.3 а (Уо/У=10, М=2), штриховая линия - температура газа за УВ (Т1 = 506 К) [29].

Понимание механизма управления потоками с помощью импульсных разрядов наносекундной длительности требует измерения параметров плазмы с хорошим временным и пространственным разрешением, в основном на временных масштабах, меньших, чем газодинамический временной масштаб (т. е. отношение характерного пространственного масштаба плазмы к скорости звука). Эти измерения необходимо сравнивать с кинетическим моделированием развития разряда и термализацией энергии, запасенной в возбужденных степенях свободы заряженных и нейтральных частиц. Такой подход позволяет количественно определить вызванные плазмой тепловые возмущения в потоке и предсказать их влияние на поле потока. Протекание тока разряда сопровождается свечением газа. В однородной неподвижной среде, как правило, излучает весь объем газа в разрядном промежутке и свечение объемного разряда однородно в основной фазе. В присутствии ударных волн, при неоднородном распределении плотности распределение излучения неоднородно [13, 16, 28, 42].

С помощью поверхностных разрядов можно интенсивно воздействовать на пограничный слой газодинамического течения [6, 19-24, 31, 44-46]. Одной из наиболее важных проблем для практического применения поверхностных разрядов (плазменных актуаторов) является поддержание рабочих характеристик и получение воздействия на поток при высоких скоростях потока.

Поверхностные разряды, которые исследовались для сверхзвуковых и гиперзвуковых приложений, включают поверхностные микроволновые разряды [18, 38], разряды постоянного тока и пульсирующие разряды между установленными на

поверхности электродами [30, 46, 47], диэлектрические барьерные разряды [21, 24] и скользящие разряды [23, 31, 45, 48]. Использование поверхностных разрядов для изменения характеристик пограничного слоя течения активно исследуется в настоящее время.

Плазма, генерируемая в потоках поверхностным диэлектрическим барьерным разрядом (DBD), тщательно изучалась в последние десятилетия [6, 21, 24, 32, 33]. Как правило, DBD-актуаторы инициируются высоковольтными импульсами напряжения -синусоидальными или сериями коротких (наносекундной длительности) импульсов. Доминирующий механизм действия такого актуатора в низкоскоростных потоках заключается в уносе пристеночного потока ионами, ускоренными в области пространственного заряда плазмы (электрогидродинамическое действие, или «ионный ветер») [21, 24]. Влияние джоулева нагрева газа в этом случае незначительно. Основными ограничениями использования DBD-актуаторов для высокоскоростного управления потоками являются небольшая протяженность плазменной области диэлектрического барьерного разряда (~20 мм) и необходимость поддержания высокой плотности объемного заряда и высокого электрического поля в разряде (главным образом в области вблизи высоковольтного электрода). Чтобы влияние актуатора на поток было значительным, отношение работы кулоновской силы к кинетической энергии потока (параметр электрогидродинамического взаимодействия) должно быть порядка единицы. Для типичных значений плотностей электронов и ионов и типичных значений разности потенциалов в области разряда при атмосферном давлении значительное влияние на поток реализуется при скоростях потока до нескольких десятков метров в секунду. Дальнейшее увеличение плотности электронов (и ионов) и электрического поля в плазме разряда может быть достигнуто за счет увеличения пикового напряжения и толщины диэлектрика, но оно ограничено развитием ионизационной неустойчивости, филаментацией разряда и локальным нагревом потока [21, 24, 33]. В результате использование DBD актуатора для высокоскоростного управления потоком при скоростях потока в несколько сотен метров в секунду является сложной задачей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузнецов Александр Юрьевич, 2021 год

Список литературы

1. Chernyi G.G. The impact of electromagnetic energy addition to air near the flying body on its aerodynamic characteristics. 2-nd WIG Workshop, proceeding, Norfolk, VA, April 24-25, 1998, P. 1

2. Черный Г.Г. Эффект энерговклада в областях электрического разряда около тел в потоке. Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. 2001, Пермь. С. 594.

3. Георгиевский П.Ю., Левин В.А. Управление обтеканием различных тел с помощью локализованного подвода энергии в сверхзвуковой набегающий поток. Известия РАН. МЖГ, 2003. №5. С.152.

4. Ларин О.Б., Левин В.А. Воздействие энергоподвода к газу на отрыв ламинарного пограничного слоя. ПМТФ. 2010. Т. 51, № 1. С. 16-21.

5. Fomin V., Tretyakov P., Taran J.-P. Flow control using various plasma and aerodynamic approaches (Short review). Aerospace Science and Technology, 2004. V. 8, № 5, P. 411.

6. Bletzinger P., Ganguly B.N., Van Wie D., Garscadden A. Plasmas in High Speed Aerodynamics. J. Phys. D: Appl. Phys, 2005. V. 38. P. 33.

7. Кобылкин И. Ф., Селиванов В. В., Соловьев В. С., Сысоев Н. Н. Ударные и детонационные волны: Методы исследования., М., 2004. 375 с.

8. Shibkov V.M., Aleksandrov A.F., Chernikov V.A., Ershov A.P. and Shibkova L.V. Microwave and Direct-Current Discharges in High-Speed Flow: Fundamentals and Application to Ignition. Journal of Propulsion and Power. 2009. Vol. 25, no. 1. P. 123-137.

9. Starikovskiy A., and Aleksandrov N. Plasma-assisted ignition and combustion. Progress in Energy and Combustion Science, 2013. V. 39. P. 61-110.

10. Adamovich I.V., Choi I., Jiang N., Kim J-H, Keshav S., Lemper! W. R., Mintusov E., Nishihara M., Samimy M. and Uddi M. Plasma assisted ignition and high-speed flow control: non-thermal and thermal effects. Plasma Sources Sci. Technol. 2009. 18. 034018

11. Андреев С.И., Знаменская И.А., Степанец И.В. Ударный слой в воздухе, возбужденном объемным разрядом. Химическая физика, 1993. Т. 12, № 3. С. 392.

12. Fomin V.M., Alziary Th. de Roquefort, Lebedev A.V. and Ivanchenko A.I. Gasdynamic and electric phenomena on glow discharge in a supersonic air flow. X International Conference on the Methods of Aerophysical Research. Proceedings. Novosibirsk. 2000. Part I. P. 79.

13. Алферов В.И. Исследование структуры электрического разряда большой мощности в высокоскоростном потоке воздуха. Известия РАН, Сер. МЖГ. 2004, № 6. С. 163.

14. Третьяков П.К., Гаранин А.Ф., Грачев Г.Н. и др. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического пульсирующего разряда. Докл. РАН. 1996. Т. 351. № 3. С. 339-340.

15. Климов А.И., Коблов А.М., Мишин Г.И. и др. Распространение ударных волн в плазме тлеющего разряда // Письма в ЖТФ, 1982, Т. 8, №7, С. 439-443.

16. Александров А.Ф., Ершов А.П., Тимофеев Б.И., Тимофеев И.Б. О влиянии числа Маха на характеристики электрического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха. Вестник МГУ сер. 3, физика, астрономия, 2004. Т. 45. № 4. С. 63.

17. Алексеев А. И., Ваулин Д. Н., Черников В. А. Влияние магнитного поля на продольно-поперечный разряд в высокоскоростных потоках воздушно-углеводородной смеси. Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия. 2015. № 4. С. 36-42.

18. Шибков В.М., Ершов А.П., Черников В.А., Шибкова Л.В. Сверхвысокочастотный разряд на поверхности диэлектрической антенны. ЖТФ, 2005. Т. 75, № 4, С. 67.

19. Кузьмин Г.П., Минаев И.М., Рухадзе А.А. Обтекание вязким потоком газа плазменного листа, образованного скользящим разрядом. Теплофизика высоких температур, 2002. Т.40. №3. С. 515.

20. Минаев И.М., Рухадзе А.А. О локализации импульсно-периодического поверхностного разряда на диэлектрике, обдуваемом вязким газом. Теплофизика высоких температур, 2003. Т.41. №6. С. 827.

21. Moreau E. Airflow control by non-thermal plasma actuators. J. Phys. D. Appl. Phys., Vol. 40, 2007.

22. 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. Т. 77 № 5. С. 10-18.

23. 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. Т. 36, № 17. 2010. с. 35-41.

24. Bayoda K.D., Benard N., Moreau E. Nanosecond pulsed sliding dielectric barrier discharge plasma actuator for airflow control: Electrical, optical, and mechanical characteristics. Journal of Applied Physics, 118, 2015. P. 605-636.

25. Боpисов В.М, Высикайло Ф.И., Христофоров О.Б. Исследование однородного сильноточного скользящего разряда. Теплофизика высоких температур, 1983. Т. 21. № 5. С. 844.

26. Ковалев И.О., Кузьмин Г.П., Нестеренко А.А. Импульсные СО2-лазеры с плазменными электродами. Труды института общей физики РАН, 1996. Т.52. М., С. 3-91.

27. Карлов Н.В., Кузьмин Г.П., Прохоров А.М. Газоразрядные лазеры с плазменными электродами. Известия академии наук СССР, 1984. Т. 48. № 7. С. 1430.

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

29. Знаменская И. А., Коротеев Д. А., Попов Н. А. Наносекундный сильноточный разряд в сверхзвуковом потоке газа. Теплофизика высоких температур. 2005. Т. 43, № 5. С. 820-827.

30. Parisse J.D., Leger L., Depussay E., Lago V. and Burtshell Y. Comparison between Mach 2 rarefied airflow modification by an electrical discharge and numerical simulation of airflow modification by surface heating. Physics of Fluids. 2009, 21, 106103

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

32. Russell A., Zare-Behtash H. and Kontis K. Joule heating flow control methods for high-speed flows. J. Electrost., 80, 34-68 (2016)

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

34. Георгиевский П. Ю., Левин В. А., Сутырин О. Г. Пространственные эффекты при взаимодействии ударной волны с продольным каналом газа пониженной плотности. Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44, № 20. С. 3-12.

35. Лапушкина Т.А., Ерофеев А.В. Особенности замыкания газового разряда при прохождении ударной волны через область приложения электрического поля. Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41, № 5, С. 35-41.

36. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Месяц Г.А., Юрике Я.Я. Развитие поверхностного разряда по диэлектрику с большой диэлектрической проницаемостью в газе в наносекундном диапазоне. Прикл. мех. и техн. физика. 1973. № 1. С. 48-55.

37. Александров К.В., Грачев Л.П., Есаков И.И., Федоров В.В., Ходатаев К.В. Области реализации различных типов СВЧ-разряда в квазиоптических электромагнитных пучках. Журнал технической физики, 2006, № 11, с. 52-60

38. L.P. Grachev, I.I. Esakov, A. A. Ravaev, K.V. Khodataev. On application of MW discharges on a dielectric net excited in the field of quasioptical electromagnetic beam in plasma aerodynamics. 51th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition. 2013, USA. Paper AIAA 2013-6173.

39. D. Knight, O. Azarova, Yu. Kolesnichenko. On Details of Flow Control via Characteristics and Location of Microwave Filament during Its Interaction with Supersonic Blunt Body. Paper AIAA-2009-847. P. 1-21.

40. Leonov S. B, Bityurin V. A., Yuriev A., Pirogov S., Zhukov B. Problems in energetic method of drag reduction and flow/flight control. 41st Aerospace Sci. Meeting and Exhibit (2003). AIAA, 2003. P. 1-8.

41. Азарова О.А., Грудницкий В.Г., Колесниченко Ю.Ф. Стационарное обтекание тел сверхзвуковым потоком газа, содержащим бесконечный тонкий разреженный канал. Матем. моделирование. 2006. Т. 18. №1. С. 79-87.

42. Znamenskaya I. A., Koroteev D. A., Lutsky A. E. Discontinuity breakdown on shock wave interaction with nanosecond discharge. Physics of Fluids. 2008. Vol. 20. P. 056101-1-056101-6.

43. Znamenskaya I., Mursenkova I., Doroshchenko I., Ivanov I. Flow analysis of a shock wave at pulse ionization: Riemann problem implementation. Physics of Fluids. 2019. Vol. 31, no. 11. 116101-(1-11)

44. 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. Т. 30, № 24. С. 38-42.

45. 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, № 4. С. 59-65.

46. Leonov S.B., 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.

47. В.С. Аксенов, В.В. Голуб, С.А. Губин, В.П. Ефремов, И.В. Маклашова, А.И. Харитонов, Ю.Л. Шаров. Скользящий электродуговой разряд как способ управления траекторией полета летательного аппарата. Письма в ЖТФ, 2004, T. 30, № 20. С. 62-68.

48. Дорощенко И.А., Знаменская И.А., Кузнецов А.Ю., Мурсенкова И.В., Сысоев Н.Н. Исследование плазмодинамических процессов наносекундного диапазона при формировании ударных волн от импульсных разрядов. ЖТФ. № 5, с. 684-691. 2018.

49. Sosa R, Arnaud E, Memin E, Artana G (2009) Study of the flow induced by a sliding discharge. IEEE Trans Dielectr Electr Insul 16(2):305-311

50. S. Pavon, J.-L. Dorier, Ch. Hollenstein, P. Ott and P. Leyland. Effects of high-speed airflows on a surface dielectric barrier discharge. J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 1733-1741

51. Zh. Fan, H. Yan, Y. Liu, H. Guo, Y. Wang, and Ch. Ren. Investigation of airflow effects on the dielectric barrier discharge with single/double discharge channel arrangement. Physics of Plasmas, V 25, 053519 (2018).

52. Шибков В. М., Шибкова Л. В., Логунов А. А. Влияние скорости воздушного потока на основные характеристики нестационарного пульсирующего разряда, создаваемого с помощью стационарного источника питания. Физика плазмы. 2018. Т. 44, № 8. С. 661-674.

53. Macheret S. O., Ionikh Y. Z., Chernysheva N. V., Yalin A. P., Martinelli L. and Miles R.B. Shock wave propagation and dispersion in glow discharge plasmas. Physics of Fluids, 2001, V. 13. № 9. Р.13.

54. Барышников А.С., Басаргин И.В., Бобашев С.В., Монахов Н.А., Попов П.А., Сахаров В.А., Чистякова М.В. Особенности взаимодействия ударной волны с плазмой газового разряда Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41, № 15, С. 83-89.

55. N. Siefert, B. N. Ganguly, and P. Bletzinger. Shock-wave-induced enhancement of optical emission in nitrogen afterglow plasma. PHYSICAL REVIEW E 72, 066402, 2005

56. Cicala G., Bruno D., Capitelli M., Longo S. and Raino A.C. Study of shock waves interacting with Ar and N2 low pressure dc discharges. Eur. Phys. J. D. 2010. V. 57. P. 375-385.

57. G. Cicala, A. Russo, M. Capitelli, O. De Pascale, S.Longo, D. Bruno, P. Minelli, A. Boggia, A. C. Raino, and V. Nassisi. Laser Deflection Diagnostics of Shock Wave Interacting With Ar and N2 DC Discharge. 25th international Symposium Rarefied Gas Dynamics. Novosibirsk, 2007

58. Лапушкина Т.А., Ерофеев А.В., Азарова О.А., Кравченко О.В. Прохождение плоской ударной волны через область тлеющего газового разряда. ЖТФ. 2019. Т. 89, № 1, С. 42-49.

59. V Lago, R Joussot and J-D Parisse. Influence of the ionization rate of a plasma discharge applied to the modification of a supersonic low Reynolds number flow field around a cylinder. Journal of Physics D Applied Physics. 2014 V. 47 (12), 13 pp.

60. Кудряшов И. Ю., Луцкий А. Е., Ханхасаева Я. В. Численное исследование влияния вложения энергии в поток на течение в донной области. Матем. Моделирование. 27 (9) (2015), С. 33-48.

61. Н.А. Герасимов, В.В. Кучинский, В.С. Сухомлинов, С.В. Сухомлинов. Распространение ударных волн в среде с рэлеевским механизмом энерговыделения. ЖТФ. 2007. Т. 77, № 7, С. 11 -17.

62. Ivanov I.E., Kryukov I.A., Orlov D.M. et al. Investigations of shock wave interaction with nanosecond surface discharge. Experiments in Fluids. 2010. 48, 4. P. 607-613.

63. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987 - 592 с.

64. Лебедев Ю. А., Шахатов В. А. Диагностика неравновесной азотной плазмы по излучению второй положительной системы азота. Физика плазмы. 2006, Т. 32. № 1, с. 5874.

65. В. Н. Очкин. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. 2006. 472 с.

66. Nagaraja S., Yang V., Adamovich I. Multi-scale modelling of pulsed nanosecond dielectric barrier plasma discharges in plane-to-plane geometry. J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V .46, 13 pp.

67. Mintoussov E. I., Pendleton S. J., Gerbault F. G., Popov N. A., Starikovskaia S. M. Fast gas heating in nitrogen-oxygen discharge plasma: II. Energy exchange in the afterglow of a volume nanosecond discharge at moderate pressures. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V.44, 285202.

68. Aleksandrov N.L., Anokhin E.M., Kindysheva S.V., Kirpichnikov A.A., Kosarev I.N., Nudnova M.M., Starikovskaya S.M., and Starikovskii A.Yu. Plasma Decay in the Afterglow of a High Voltage Nanosecond Discharge in Air. Plasma Physics Reports. 2012, V. 38, N 2, pp. 179186.

69. Pancheshnyi S.V., Starikovskaia S.M., Starikovskii A.Yu. Measurements of rate constants of the N2(C3nu, v ^ = 0) and N+(B2Z+, v ' = 0) deactivation by N2, O2, H2, CO and H2O molecules in afterglow of nanosecond discharge; Chemical Physics. 1998. V. 294. P. 523-527.

70. V. Guerra, P.A. Sa and J. Loureiro. Role played by the N2(A3Eu+) metastable in stationary N2 and N2-O2 discharges. J. Phys. D: Appl. Phys. 34 (2001). P. 1745-1755

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

72. Энциклопедия низкотемпературной плазмы: В 4-х тт. Т. 2. Генерация плазмы и газовые разряды; Диагностика и метрология плазменных процессов. - Под ред. В.Е. Фортова. М.: Наука, 2000.

73. https://bifocompany.com/rus/p-cameras.php.htm

74. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М., 1991, 224 с.

75. Велихов Е.П., Ковалев А.С., Рахимов А.Т. Физические явления в газоразрядной плазме. М., 1987, 160 с.

76. Beverly R.E. III. Electrical, gasdynamic and radiative properties of planar surface discharge. J. Appl. Phys, 1986. Vol. 60. P. 104.

77. Словецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М. 1980. 310 с.

78. Пирс Р., Гейдон А. Отождествление молекулярных спектров. М., 1949. 248 с.

79. Стриганов А.Р., Свентицкий Н.С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных газов, М., 1966. 900 с.

80. Brunet H., Vincent P. Predicted electron transport coefficients at high E/N values in Nitrogen, J. Appl. Phys. 1979. V. 50, N 7, pp. 4708-4713.

81. Kuznetsov A., Mursenkova I. Investigating the Nanosecond Combined Volume Discharge in Motionless Air and in Airflow with Shock Wave. Proceedings of the 25th Annual Conference of Doctoral Students - WDS 2016, Чехия. с. 103-107, 2016.

82. Кузнецов А.Ю. Мурсенкова И.В. Особенности излучения объемного наносекундного разряда в воздухе при взаимодействии с плоской ударной волной. Прикладная физика. 2016. № 5. P.16-21.87

83. Знаменская И.А., Мурсенкова И.В., Орлов Д.М., Сысоев Н.Н. Локализация импульсного энерговклада при инициировании поперечного поверхностного разряда в потоке с ударной волной. Письма в ЖТФ, 2007. Т. 33, №. 13. С. 72-77.

84. Кузнецов А.Ю., Мурсенкова И.В., Уланов П.Ю. Динамика излучения наносекундного поверхностного скользящего разряда в потоке с ударной волной. ПЖТФ, 2019. том 45, № 24, с. 48-51.

85. Mursenkova I.V., Kuznetsov A.Yu, Sazonov A.S. Unsteady interaction of nanosecond surface sliding discharge with plane shock wave. Applied Physics Letters, 2019 V. 115, № 11, 114102.

86. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: В 10 т. Т. VI. Гидродинамика. М.: Наука. 1986. 736 с.

87. Mursenkova I., Kuznetsov A., Ulanov P. Radiation of the sliding surface discharge interacting with the shock wave. Proceedings of XXXIV ICPIG & ICRP-10 (E-Book) Japan, с. PO18AM-034-1-2, 2019.

88. Знаменская И. А., Луцкий А. Е. Исследование эволюции и взаимодействия разрывов течения в канале под действием импульсного вложения энергии. Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. М., 2005. 21 с.

89. Doroshchenko I.A., Znamenskaya I.A., Kuznetsov A.Yu., Mursenkova I.V., Sysoev N.N. Analysis of Plasmadynamic Nanosecond-Range Processes in the Formation of Shock Waves from Pulsed Discharges. Technical Physics. 2018. V. 63. No. 5. P. 662-669.

90. Znamenskaya I., Kuznetsov A., Mursenkova I., Doroschenko I. Discontinuities dynamics after the interaction of a plane shock wave with pulse volume discharge. Journal of Physics: Conference Series, Т. 1112, с. 012006, 2018.

91. 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, № 2. С. 174-179.