На правах рукописи

ЛАТФУЛЛИН Денис Фатбирович

Импульсный скользящий поверхностный разряд в

газодинамическом потоке

Специальности:

01.04.17 – химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

01.04.08 – физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В.

Ломоносова Научные руководители доктор физико-математических наук, профессор Н.Н. Сысоев кандидат физико-математических наук, И.В. Мурсенкова

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор А.Ф. Александров кандидат физико-математических наук, с.н.с. В.Ю. Гидаспов

Ведущая организация Институт химической физики им. Н.Н.

Семенова РАН

Защита состоится 20 мая 2009 года в 16:30 на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственном университете им. М.В.

Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ЮФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 20 апреля 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.01, кандидат физико-математических наук Т.В. Лаптинская 1

Общая характеристика работы

Актуальность темы В последнее время интенсивно развивается сравнительно новая область физики плазмы – плазменная аэродинамика. 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 [1-3]. С практической точки зрения это можно использовать для перестройки ударно-волновых конфигураций перед летательным аппаратом, управляя обтеканием, или использовать как эффективный способ воспламенения воздушнотопливных смесей в двигателях при движении на больших скоростях.

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. Объемные газовые разряды используются для управления режимами течения около тел различной формы, поверхностные разряды позволяют направленно воздействовать на пограничный слой вблизи обтекаемых поверхностей [2Актуальным 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 поверхностное трение, теплообмен, локальную структуру течения (зоны отрыва, скачки уплотнения).

Изучение процессов взаимодействия плазмы с газодинамическими потоками важно как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей и при высоких скоростях течения, так и с точки зрения оптимизации плазмохимических процессов и изменения газодинамических параметров течений. Разряды, создаваемые в молекулярных газах (воздух, азот, кислород и их смеси), приводят к эффективному возбуждению внутренних степеней свободы молекул, диссоциации молекул, наработке активных радикалов и нагреву среды.

низкотемпературной плазмы в высокоскоростных потоках газа, изучения влияния газового разряда на газодинамические характеристики потока вблизи обтекаемых поверхностей и выявления механизма развития разряда в высокоскоростном потоке. Для более глубокого понимания физикохимических процессов, протекающих при взаимодействии низкотемпературной плазмы газового разряда с потоком необходимо как проведение экспериментальных исследований, так и сопоставление их с расчетами в рамках газодинамических моделей.

исследование фундаментальной научной проблемы, связанной с изучением газодинамических и энергетических процессов, протекающих при развитии поверхностного распределенного скользящего разряда наносекундной длительности, и при взаимодействии плазмы разряда с высокоскоростным поперечным потоком воздуха.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

экспериментальное исследование пространственно-временных распределенного разряда в покоящемся воздухе при давлениях 15торр и в поперечном потоке воздуха при скоростях до 1600 м/с;

изучение эволюции газодинамических возмущений, возникающих при высокоскоростного потока;

определение уровня мгновенного энерговложения в газ на основе сопоставления экспериментально определяемой динамики ударных волн из области разряда с численными расчетами;

исследование разряда в ламинарном и турбулентном пограничном слое.

В целом использование скользящего поверхностного разряда позволяет интенсивно воздействовать на газодинамическое течение в области пограничного слоя за время, существенно меньшее времен характерных газодинамических процессов. Поверхностный скользящий разряд наносекундной длительности, обладающий высокой степенью однородности поверхностного энерговклада, не инициировался ранее в сверхзвуковых потоках газа. Этот факт обуславливает научную новизну работы, которая характеризуется следующими основными результатами:

создана экспериментальная база для исследования импульсного скользящего распределенного поверхностного разряда в потоке воздуха в ударной трубе при различных давлениях, скоростях потока, величинах энерговложения в поток;

впервые в широком диапазоне давлений воздуха (15-400 торр) и скоростей потока (до 1600 м/с) проведено изучение геометрии плазменного слоя скользящего поверхностного разряда;

впервые систематически исследована динамика ударных волн из области импульсного поверхностного скользящего разряда в воздухе при различных условиях инициирования разряда, оказывающая существенное влияние на газодинамическое течение в ударной трубе, в том числе на динамические нагрузки на стенки канала;

предложен и реализован новый метод визуализации структуры приповерхностного течения свечением импульсного поверхностного скользящего разряда; на его основе получены зависимости расстояния ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое при трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях потока.

Практическая ценность работы. Полученные в работе данные представляют не только академический интерес, но являются научной базой для выработки рекомендаций по использованию газоразрядной плазмы при создании летательных аппаратов нового поколения; для оценки влияния плазменных образований на приповерхностное течение;

для управления горением в высокоскоростных потоках. Результаты исследований включены в отчеты грантов РФФИ и Программы РАН № 09.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

характеристик плазмы импульсного поверхностного скользящего разряда от давления в неподвижном воздухе и от параметров течения в потоке за ударной волной.

2. Результаты исследования динамики ударных волн из области импульсного поверхностного скользящего разряда в воздухе при давлениях 15-400 торр и скоростях потока до 1600 м/с.

3. Способ определения энергии, мгновенного переходящей в тепловую в приповерхностном слое газа, на основе сравнения экспериментальной динамики ударных волн из области разряда с численными расчетами.

4. Зависимость доли энергии разряда, трансформирующейся в тепло за время энергоподвода, от плотности среды.

5. Новый метод визуализации структуры приповерхностного полученные на его основе параметры ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое при трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях потока.

конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе: на Всесоюзной Петрозаводск, 2004); XII Международной конференции Ломоносов- (Москва, МГУ, 2005); XIII Школе-семинаре «Современные проблемы аэрогидродинамики» (Сочи, 2005); на 8 и 9 Международных научнотехнических конференциях "Оптические методы исследования потоков" (Москва, 2005, 2007); на YI и YII Международных конференциях по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2006, 2008); на XXXIII и XXXY Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2006, 2008); International Symposium on Shock Waves (ISSWGermany, 2007) и на научных семинарах кафедры молекулярной физики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы (110 ссылок). Объем диссертации составляет страниц. Работа содержит 62 рисунка.

2 Содержание диссертации Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи диссертационной работы.

В первой главе приведен обзор литературы по взаимодействию потоков газа с плазменными образованиями и способам регистрации структуры потока.

В первом параграфе 1.1 проведен анализ работ по исследованию взаимодействия высокоскоростных потоков газа с газовыми разрядами. В экспериментальных и теоретических работ по исследованию взаимодействия газодинамических возмущений со слабоионизованной плазмой. Это позволило в значительной мере понять механизмы и продемонстрировать потенциальные возможности влияния плазменных образований на характеристики высокоскоростных потоков.

Электрические разряды являются эффективным способом создания плазменных областей в быстрых потоках газа.

Во втором параграфе 1.2 проанализированы работы, посвященные исследованию поверхностных скользящих разрядов. Скользящий поверхностный распределенный разряд (плазменный лист) – вид газового разряда, развивающийся вблизи поверхности диэлектрика при подаче высоковольтного импульса на систему электродов специальной конфигурации. Выбор скользящего поверхностного разряда как объекта исследования определялся его особыми свойствами по сравнению с другими типами разрядов, а именно:

1) развитием разряда в тонком приповерхностном слое газа на границе раздела твердого и газообразного диэлектриков;

2) значительной мощностью энерговложения в газ, определяющейся высокими значениями напряжения и тока в разрядной системе;

3) малой длительностью существования разряда по сравнению с временами характерных газодинамических процессов;

4) плоской геометрией развития разряда, позволяющей организовать разряд на стенках прямоугольного канала ударной трубы;

5) широким диапазоном рабочих давлений и возможностью инициирования, как в импульсном, так и в частотном режимах.

На рисунке 1 показана система электродов, используемая для создания импульсного скользящего поверхностного разряда. При приложении высоковольтного импульса напряжения к электроду А на определяется величиной напряжения, крутизной его нарастания и электродом К, покрывающим противоположную сторону диэлектрика.

Скользящие по поверхности диэлектрика разряды представляют собой хороший распределенный источник ультрафиолетового излучения вследствие высоких значений напряженности электрического поля. С их помощью можно осуществлять энергоподвод в приповерхностную область течения газа.

Рис. 1. Конфигурация электродов скользящего поверхностного разряда В параграфе 1.3 описываются методы визуализации структуры сверхзвуковых и дозвуковых течений. Рассматриваются преимущества и недостатки основных классических теневых методов, метода рассеяния излучения на специальных частицах в среде, метода визуализации течений свечением стационарных разрядов.

позволяющая моделировать и исследовать взаимодействия плазмы поверхностного разряда с газодинамическим потоком, диагностический комплекс и условия проведения экспериментов.

Параграф 2.1 посвящен описанию экспериментальной установки, представляющей собой ударную трубу с разрядной секцией (рис. 2).

Сечение канала камеры низкого давления и разрядной секции 2448 мм2.

Рабочим газом служил воздух при давлениях 15-400 торр. Скользящие неподвижном воздухе и в потоке за фронтом идущей по каналу ударной волны на двух стенках разрядной секции на расстоянии 24 мм друг от друга. Две другие стенки представляли собой плоскопараллельные кварцевые стекла, через которые осуществлялась оптическая диагностика процессов в разрядной камере. На электроды разрядов подавалось импульсное напряжение 25-30 кВ, ток разряда достигал ~1-2 кА.

Длительность разряда 200 нс, что существенно меньше времен протекания газодинамических процессов в ударной трубе (микросекунды).

Таким образом, воздействие импульсного скользящего поверхностного разряда на поток было практически мгновенным. В каждый плазменный Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 – камера высокого давления, 2 – камера низкого давления, 3 – разрядная камера лист вкладывалась энергия ~ 0.4 Дж. Высокие значения напряжения и тока обеспечивали эффективное возбуждение колебательных и электронных степеней свободы молекул. Схема синхронизации процессов позволяла инициировать поверхностные разряды в различных областях потока.

поверхностного разряда, проведена оценка параметра Таундсенда в разрядном промежутке (E/N=(125)10-15 Всм2) и концентрации электронов различным каналам.

Третий параграф 2.3 посвящен описанию методов исследования и диагностического оборудования. Структура свечения скользящего поверхностного разряда и его динамика исследовались с помощью цифровых фотоаппаратов и стробируемой камеры c наносекундным затвором. Для визуализации газодинамических возмущений, возникающих при развитии поверхностного разряда, применялось теневое зондирование.

экспериментов и методика обработки полученных экспериментальных данных.

Третья глава посвящена исследованию интегральных, временных и спектральных характеристик излучения плазмы скользящего разряда в неподвижном воздухе и в потоке воздуха за плоской ударной волной.

В первом параграфе 3.1 исследована пространственная структура свечения разряда в неподвижном воздухе при давлении 15-200 торр.

Определены толщина диффузного плазменного слоя, количество каналов на единицу длины, радиусы диффузного и яркого каналов. Толщина диффузного слоя определялась по изображениям интегрального свечения поверхностного разряда, полученным при регистрации в плоскости электродов. Полученная зависимость толщины диффузного слоя от плотности воздуха представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость толщины плазменного слоя от плотности воздуха Из графика видно, что толщина плазменного слоя в неподвижном воздухе уменьшается от 0.8 до 0.4 мм при указанном изменении плотности.

Толщина плазменного слоя скользящего поверхностного разряда в других газах зависит от рода газа и также возрастает с понижением давления, составляя 0.1-1 мм [9]. Таким образом, была определена структура и построена геометрическая модель развития поверхностного скользящего разряда в неподвижном воздухе.

Во втором параграфе 3.2 определена зависимость толщины плазменного слоя в потоке воздуха. В условиях проведенных экспериментов (диапазон плотностей 0.08-0.40 кг/м3, числа Маха потока 0.9-1.3) толщина плазменного слоя не зависла от параметров потока и составляла около 0.4 мм (рис. 3), что сравнимо с толщиной пограничного слоя на стенке канала. Таким образом, показано, что при развитии скользящего поверхностного разряда основной энерговклад происходит в области пограничного слоя течения.

В параграфе 3.3 исследовались временные характеристики свечения разряда в неподвижном воздухе давлениях 25-175 торр. Установлено, что длительность свечения диффузного слоя разряда при указанных условиях не превышает 300 нс, свечение ярких каналов может достигать 3.5 мкс.

Таким образом, время свечения плазмы разряда мало по сравнению с характерными газодинамическими временами. Это дает возможность использовать свечение импульсного скользящего поверхностного разряда в качестве визуализирующего средства в газодинамическом потоке.

В четвертом параграфе 3.4 проведен спектральный анализ состава излучения плазмы скользящего поверхностного разряда. Одной из характерных особенностей разряда является эффективное возбуждение электронных уровней молекул, на которое при высоких величинах напряженности электрического поля расходуется (наряду с ионизацией) значительная доля поглощаемой в плазме разряда энергии. Спектр излучения плазменного листа в воздухе определяется в основном электронно-колебательными полосами второй положительной системы азота, с присутствием высокоэнергичной ультрафиолетовой части (рис. 4).

В спектре излучения также присутствуют линии иона азота (N2+), атомарного кислорода, азота, водорода. Это подтверждает реализацию больших значений приведенного электрического поля, когда эффективно происходят процессы возбуждения электронных степеней свободы, ионизации, диссоциации.

При повышении давления интенсивность линий ультрафиолетовой части снижается, а линий видимой части спектра возрастает.

Рис. 4. Основные линии излучения скользящего разряда в воздухе:

------ (1) - линии второй положительной системы азота ------ (2) - линии атома водорода H (656.3 нм); H (486.1 нм) ------ (3) - атомарный кислород (777 нм) ------ (4) - атомарный азот (821.6 нм) ------ (5) - линии меди (материал электродов) Спектральный состав излучения плазменного листа в потоке за фронтом ударной волны отличается от спектра в неподвижном воздухе присутствием более интенсивных линий длинноволновой части спектра. В этом случае разряд инициируется при высокой температуре (зависящей от числа Маха прошедшей ударной волны), что оказывает влияние на протекание процессов с участием частиц в возбужденных состояниях.

Четвертая глава посвящена исследованию динамики возмущений из области разряда и определению энерговклада в пристеночный слой газа.

При инициировании импульсного скользящего поверхностного разряда возникают газодинамические возмущения в виде ударных волн, вызванные быстрым введением энергии в ограниченную область пространства.

Движение ударных волн определяется интенсивностью и распределением энерговложения. Исследование газодинамического воздействия разряда на среду является актуальной задачей, так как динамика движения возмущений позволяет достаточно точно определить долю электрической энергии разряда, переходящую в тепло за время тока разряда.

В первом параграфе 4.1 исследована динамика движения ударных волн от плазменных листов в неподвижном воздухе при давлениях 25торр. Регистрация возмущений проводилась теневым методом.

Скользящий поверхностный разряд развивается в многоканальной и диффузной форме. Теневое зондирование показало, что от каждого канала разряда образуется полуцилиндрическая ударная волна. Ударные волны от соседних каналов взаимодействуют между собой, в результате их интерференции формируется квазиплоский фронт результирующей ударной волны (рис. 5). Так как разряды инициируются на двух противоположных стенках разрядной камеры, то образуются две ударные волны, движущиеся навстречу друг другу от нижнего и верхнего плазменных листов.

Рис. 5. Теневые изображения ударных волн от плазменных листов в Обработка и анализ теневых изображений показали, что фронт квазиплоской ударной волны формируется в течении 2-3 мкс и начинает движение от электродов со скоростью 800 м/с. Затем движение фронта замедляется (в течение 5-6 мкс), и через ~10 мкс после разряда волна движется с постоянной скоростью около 450 м/с. Числа Маха ударных волн на стадии установившегося движения ~1.3-1.4. Далее происходит встречное взаимодействие ударных волн от двух плазменных листов и последующее их затухание. На рис. 6 представлена зависимость усредненной координаты фонта ударной волны от времени после разряда в неподвижном воздухе и в сверхзвуковом потоке с числом Маха 1.5.

Рис. 6. Зависимость положения фронта ударной волны от времени после инициирования разряда (25 кВ): 1, 2 – в неподвижном воздухе при плотности 1 - 0.04 кг/м3, 2 - 0.42 кг/м3; 3- в сверхзвуковом потоке Из полученной экспериментальной зависимости следует, что в неподвижной среде при одинаковом энерговкладе скорость движения ударных волн при повышении давления немного уменьшается.

Во втором параграфе 4.2 исследована динамика движения ударных волн от плазменных листов в потоке за ударной волной. Эксперименты проводились в дозвуковых и сверхзвуковых потоках (скорости 300м/с). Установлено, что образование ударных волн от плазменных листов в потоке воздуха происходит таким же образом, как и в неподвижном газе. Встречное движение ударных волн накладывается на движение в направлении потока.

В потоках за фронтом ударной волны температура и скорость звука выше, чем в неподвижном воздухе. Скорость движения ударных волн в потоках также была выше, чем в неподвижном воздухе (рис. 6). При скорости потока 950 м/с и температуре 1000 К встречное взаимодействие ударных волн от плазменных листов происходило через 13-15 мкс. При этом числа Маха ударных волн в потоке составляли примерно 1.3-1.4, то есть их интенсивность была такой же, как в неподвижном воздухе.

трансформирующейся в тепло на стадии энергоподвода (за время разряда) на основе сравнения экспериментально определенной динамики движения ударных волн с численным расчетом.