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 разрывомопределении зависимости величины плотности разрядного энерговклада от объёма области межэлектродного пространства, ограниченной газодинамическим разрывомдетальном исследовании свойств течения после разрядного воздействияразработке методики определения доли разрядной энергии, идущей на нагрев газа за время разрядаполучении 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 газаприменимостью 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 каналеспособ импульсного воздействия на ударную волну в каналеметод управления объёмным разрядным энерговкладом при помощи газодинамических разрывовспособ визуализации области контактного переходаметодика оценки и оценка доли энергии объёмного разряда субмикросекундной длительности, идущей на нагрев газа за время разрядарезультаты исследования пространственно-временных и спектральных характеристик плазмы наносекундного объёмного разряда, инициированного в потоке с газодинамическим разрывомэкспериментальная зависимость плотности разрядного энерговклада от объёма области межэлектродного пространства, ограниченной газодинамическим разрывомрезультаты 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.

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 результатовдоценту Мурсенковой Ирине Владимировне, аспирантам Латфуллину Денису Фатбировичу и Орлову Денису Михайловичу за помощь в проведении экспериментов и плодотворные научные обсужденияпрофессорам Сысоеву Николаю Николаевичу, Осипову Алексею Иосифовичу и Уварову Александру Викторовичу за научные консультации и помощь в организации мероприятий, связанных с подготовкой диссертации к защитеведущим научным сотрудникам, Луцкому Александру Евгеньевичу и Попову Николаю Александровичу за теоретическую поддержку результатов работы и написание совместных статейвсем сотрудникам, аспирантам и студентам кафедры молекулярной физики, кто каким-либо образом участвовал в подготовке диссертации.