Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы по взаимодействию потоков газа с плазменными образованиями и способам регистрации структуры потока 9
1.1. Разряды в потоках газа 9
1.2 Импульсный скользящий распределенный поверхностный разряд (плазменный лист) 14
1.3 Методы визуализации структуры сверхзвуковых и дозвуковых течений 18
2. Описание экспериментальной установки и методов диагностики 26
2.1 Экспериментальная установка 26
2.2 Параметры скользящего разряда 31
2.3 Диагностический комплекс установки 34
2.4 Методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных 38
3. Интегральные, временные и спектральные характеристики излучения плазмы скользящего разряда 42
3.1. Регистрация интегрального излучения и исследование пространственной структуры разряда в неподвижном воздухе 43
3.2. Эксперименты по регистрации свечения плазменного листа в потоке 50
3.3. Исследование временных характеристик свечения плазмы разряда 52
3.4 Спектральные характеристики излучения разряда 54
4. Исследование динамики возмущений из области разряда и определение энерговклада в газ 62
4.1 Движение ударных волн от плазменного листа в неподвижном воздухе 62
4.2 Движение ударных волн от плазменного листа в потоке за ударной волной 72
4.3 Оценка уровня энерговложения в приповерхностный слой газа на основе сравнения с численными расчетами 75
4.4 Динамика давления на стенке канала при инициировании разрядов 83
5. Развитие разряда в пристеночном течении 89
5.1 Эксперименты по инициированию разряда в различных областях пограничного слоя 89
5.2 Визуализация ламинарно-турбулентного перехода свечением разряда 93
5.3 Анализ динамики движения ударных волн при инициировании разряда в ламинарном и турбулентном пограничном слое 100
Заключение. Основные выводы по результатам работы 104
- Импульсный скользящий распределенный поверхностный разряд (плазменный лист)
- Диагностический комплекс установки
- Спектральные характеристики излучения разряда
- Оценка уровня энерговложения в приповерхностный слой газа на основе сравнения с численными расчетами
Введение к работе
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 воздушно-топливных смесей в двигателях при движении на больших скоростях [4-5].
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 [2-3, 6-13]. 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.
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. Возникла задача поиска оптимальных способов создания 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 физико-химических 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.
Целью диссертационной работы было экспериментальное исследование фундаментальной научной проблемы, связанной с изучением газодинамических и энергетических процессов, протекающих при развитии поверхностного распределенного скользящего разряда наносекундной длительности, и взаимодействии плазмы разряда с высокоскоростным поперечным потоком воздуха.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
экспериментальное исследование пространственно-временных и спектральных характеристик излучения импульсного поверхностного скользящего распределенного разряда в покоящемся воздухе при давлениях 15-250 торр и в поперечном потоке воздуха при скоростях до 1600 м/с;
изучение эволюции газодинамических возмущений, возникающих при инициировании изучаемого разряда в условиях неподвижной среды и 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 характерных времен 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 зоны
поверхностного импульсного скользящего разряда в воздухе при различных
условиях инициирования разряда, оказывающая существенное влияние на
газодинамическое течение в канале ударной трубы, в том числе на динамические
нагрузки на стенки канала ударной трубы;
- 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 «Исследование вещества в экстремальных условиях».
Основные положения, выносимые автором на защиту:
зависимость пространственно-временных и спектральных характеристик плазмы импульсного поверхностного скользящего разряда от давления в неподвижном воздухе и от параметров течения в потоке за ударной волной
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
способ определения энергии, мгновенно переходящей в тепловую в
приповерхностном слое газа, на основе сравнения экспериментальной динамики
ударных волн из области разряда с численными расчетами
рост доли энергии разряда, трансформирующейся в тепло за время
энергоподвода (~200 не), от 15% до 60% с увеличением плотности среды
Q новый метод визуализации структуры приповерхностного нестационарного течения свечением импульсного разряда и полученные на его основе параметры ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое при трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях потока.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в реферируемых журналах:
Знаменская И.А., Латфуллин Д. Ф., Мурсенкова И.В., Сысоев Н.Н. Экспериментальное исследование взаимодействия распадающейся плазмы импульсного объемного разряда с ударным слоем. Вестник МГУ, Сер. 3. Физика. Астрономия. 2006. № 3. С. 57-61.
Знаменская И.А., Латфуллин Д. Ф., Луцкий А. Е., Мурсенкова И.В., Сысоев Н.Н. Развитие газодинамических возмущений из зоны распределенного поверхностного скользящего разряда. ЖТФ, 2007. Т. 77, Вып. 5. С. 10-18.
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, вып. 15. С. 75-80.
Латфуллин Д.Ф., Мурсенкова И.В., Сысоев Н.Н. Динамика давления в сверхзвуковом потоке при инициировании импульсных скользящих поверхностных разрядов. Вестник МГУ, Сер. 3. Физика. Астрономия. 2009. №3.
Кроме того, результаты диссертации докладывались на 15-ти российских и международных конференциях. Тезисы и материалы докладов опубликованы в сборниках конференций. Список этих работ приведен в конце диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы (110 ссылок). Объем диссертации составляет 117 страниц. Работа содержит 62 рисунка.
Первая глава диссертационной работы посвящена анализу работ по исследованию взаимодействия высокоскоростных потоков газа с газовыми разрядами. В главе также приводится обзор публикаций по исследованию свойств и параметров скользящего поверхностного разряда. Описываются способы визуализации приповерхностных структур течений различными методами.
Во второй главе описывается экспериментальная установка и диагностический комплекс для исследования пространственных, временных и спектральных свойств плазмы наносекундного скользящего поверхностного разряда при его инициировании в невозмущенном газе и в однородном поперечном потоке за ударной волной. Приводится описание теневой схемы, использованной для изучения динамики движения газодинамических возмущений, образующихся в результате инициирования разряда.
Третья глава посвящена описанию и анализу экспериментальных данных по исследованию пространственно-временных и спектральных свойств плазмы
импульсного скользящего поверхностного разряда в неподвижном воздухе и в потоке воздуха за ударной волной
В четвертой главе представлены результаты по исследованию динамики движения ударных волн, распространяющихся из области поверхностного разряда в неподвижном воздухе и в поперечном потоке за ударной волной. Проведено сравнение полученных в широком диапазоне давлений экспериментальных данных с результатами численного моделирования мгновенного энерговложения в приповерхностный слой. На основе сравнения определена доля энергии, трансформирующейся в тепло за времена менее 1 мкс при экспериментальных условиях. Показано, что инициирование импульсного скользящего поверхностного разряда возмущает поперечный поток воздуха, увеличивая среднее давление в пристеночной области.
В пятой главе приводится описание экспериментов по инициированию скользящего разряда в ламинарном и турбулентном пограничном слое. Предложен новый метод визуализации структуры нестационарного приповерхностного течения свечением плазмы импульсного скользящего поверхностного разряда. Установлено, что режим течения в приповерхностном слое не влияет на динамику образующихся ударных волн.
Импульсный скользящий распределенный поверхностный разряд (плазменный лист)
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 воздушно-топливных смесей в двигателях при движении на больших скоростях [4-5]. 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 [2-3, 6-13]. 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. 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.
Возникла задача поиска оптимальных способов создания 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 физико-химических 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. Целью диссертационной работы было экспериментальное исследование фундаментальной научной проблемы, связанной с изучением газодинамических и энергетических процессов, протекающих при развитии поверхностного распределенного скользящего разряда наносекундной длительности, и взаимодействии плазмы разряда с высокоскоростным поперечным потоком воздуха. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: экспериментальное исследование пространственно-временных и спектральных характеристик излучения импульсного поверхностного скользящего распределенного разряда в покоящемся воздухе при давлениях 15-250 торр и в поперечном потоке воздуха при скоростях до 1600 м/с; изучение эволюции газодинамических возмущений, возникающих при инициировании изучаемого разряда в условиях неподвижной среды и 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 характерных времен 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 зоны поверхностного импульсного скользящего разряда в воздухе при различных условиях инициирования разряда, оказывающая существенное влияние на газодинамическое течение в канале ударной трубы, в том числе на динамические нагрузки на стенки канала ударной трубы; - 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 «Исследование вещества в экстремальных условиях». Основные положения, выносимые автором на защиту: зависимость пространственно-временных и спектральных характеристик плазмы импульсного поверхностного скользящего разряда от давления в неподвижном воздухе и от параметров течения в потоке за ударной волной 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 способ определения энергии, мгновенно переходящей в тепловую в приповерхностном слое газа, на основе сравнения экспериментальной динамики ударных волн из области разряда с численными расчетами рост доли энергии разряда, трансформирующейся в тепло за время энергоподвода ( 200 не), от 15% до 60% с увеличением плотности среды Q новый метод визуализации структуры приповерхностного нестационарного течения свечением импульсного разряда и полученные на его основе параметры ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое при трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях потока. Результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в реферируемых журналах:
Диагностический комплекс установки
С середины XX века интерес к изучению электрических разрядов в дозвуковых потоках был связан с явлением электризации летательных аппаратов. В 70-80-е гг. тлеющие разряды широко изучались с точки зрения получения холодной однородной плазмы как активной среды мощных быстропроточных лазеров [14]. Цикл исследований по проблеме нагрева сверхзвуковых потоков электрическими разрядами постоянного тока был проведен в ЦАГИ В.И.Алферовым [9, 15]. В конце 90-х годов широким фронтом начались фундаментальные исследования по использованию плазменных технологий в современной авиации и гиперзвуковой технике, это вызвало новый виток интереса к разрядам в сверхзвуковых потоках, появился термин «плазменная аэродинамика». Образовалось два основных направления исследований — выяснение эффективности воздействия различных типов разрядов на характеристики обтекаемых тел и стимулирование воспламенения и поддержание горения. Кроме разрядов постоянного тока, в быстрых потоках широко исследуются различные типы СВЧ разрядов [12, 13, 16-18], оптические разряды [11, 19], комбинации различных типов разрядов [20-21], наносекундные высоковольтные импульсные разряды [7, 22]. В [23-24] изучался продольный тлеющий разряд в гиперзвуковом газовом потоке непосредственно перед лобовой поверхностью тела. В качестве катода использовалось затупленное тело, а в качестве анода — тонкая пластина или кольцо, расположенное в набегающем потоке и не создающее значительных возмущений. Визуально зафиксирована диссипация головного скачка уплотнения и образование косых висячих скачков на периферии катодной части разряда. Таким образом, катод и область разряда формируют новое эффективное тело, которое обтекается сверхзвуковым потоком. Зафиксированы потери полного давления в области разряда, многократно превышающие потери за прямым скачком уплотнения. В работах [25-26] рассматривался высокотемпературный след в потоке, создаваемый продольным электрическим разрядом, в который помещались различные тела.
Было отмечено существенное изменение характера течения вблизи поверхности сферы и затупленного конуса, связанное с отходом головного скачка уплотнения. В [27-29] изложены результаты экспериментов по воздействию электрического разряда на полную силу сопротивления осесимметричных тел различной формы, проведенных в большой аэродинамической трубе. Модели имели встроенные электроды, что позволяло создавать как тлеющие, так и импульсно-периодические разряды в передней части тел. Зафиксировано снижение сопротивления от 5 до 10% в зависимости от модели, полярности включения электродов и типа разрядов, а в отдельных случаях даже его увеличение. В работах [30-31] обнаружена перестройка головных ударно-волновых структур для затупленных и заостренных тел при создании импульсно-периодического СВЧ разряда перед телами в сверхзвуковых потоках воздуха. В [32-33] представлены результаты экспериментального исследования поверхностного СВЧ разряда. Предполагается, что поверхностный разряд, развивающийся в пограничном слое обтекаемого потоком диэлектрического тела, может существенно снизить сопротивление трения. В [34] отмечена перестройка головной ударно-волновой конфигурации при воздействии лазерного импульса в приосевой зоне потока, обтекающего конус или цилиндр. При этом наблюдалось образование передней отрывной зоны, которая сохранялась в течение всего времени действия импульса лазера. Высказано мнение, что при импульсно-периодическом энерговкладе в поток организуется квазистатическое течение. В [35] исследовано обтекание различных моделей при подводе энергии вверх по потоку. Приведены фотографии структуры течения и результаты прямого измерения аэродинамического сопротивления, которые указывают на существенную зависимость эффективности подвода энергии от частоты повторения импульсов. В работах [36-38] предлагается использовать плазменную струю, выдуваемую навстречу потоку для совершенствования аэродинамических характеристик тел. В [39] приводятся результаты экспериментальных исследований по управлению аэродинамическими характеристиками осесимметричных тел. В переднюю отрывную зону производилась инжекция инертной или химически активной массы на теле с жесткой иглой, а также посредством создания локальных зон энерговыделения в пульсирующем оптическом или продольном электрическом разрядах. Показана возможность изменения структуры обтекания тел и снижения волнового сопротивления. Моделирование воздействия плазменных образований на поток, обтекающий тело, позволило проанализировать возможности управления аэродинамическими характеристиками тел. Как правило, для данного описания используется подход, не учитывающий истинных механизмов подвода энергии, но позволяющий исследовать газодинамические аспекты такого взаимодействия.
Широко известна модель теплового источника, в которой удельный энерговклад в поток описывается заданной функцией координат и времени. Эта модель впервые была использована в работе Белоконя, Руденко и Хохлова [40] для описания аэродинамических явлений, происходящих при сверхзвуковом обтекании лазерного луча, а затем последовательно развивалась Левиным и Георгиевским применительно к сверхзвуковому обтеканию тел [41-42]. Искусственно организованный и контролируемый подвод энергии в область перед телом позволяет изменять свойства набегающего потока и, соответственно, влиять на процесс обтекания тела. При этом основное внимание уделялось параметрам возникающего высокотемпературного следа, который имеет пониженные значения плотности, числа Маха и увеличенную скорость в продольном направлении. Результаты теоретических работ позволили сформулировать концепцию управления обтеканием тел посредством локального энерговклада в набегающий поток [41-44]. Численное моделирование стало активно развиваться после повышения характеристик ЭВМ и создания серьезной базы кинетических процессов в плазме воздуха при относительно невысоких температурах газа [45-47]. Наиболее полное описание разряда, основанное на совместном решении неодномерных, нестационарных уравнений электродинамики, газодинамики и кинетики, развивается Суржиковым [48]. В то же время академиком Г.Г. Черным было сделано два выступления, посвященных предмету плазменная аэродинамика [1-2]. К плазменной аэродинамике близкими являются две научные области: электрические разряды в газовых потоках и газодинамика при наличии зон энергоподвода. Наиболее полное изложение физических явлений, сопутствующих генерации электрических разрядов в воздушном потоке, приведено в книге Ю.П. Райзера [49]. В ней рассмотрены электрические разряды различных частотных диапазонов (от постоянного тока до лазерного), включая механизм начального пробоя и основы кинетики низкотемпературной плазмы. Также в книгах по газовой динамике [50-52] обсуждается влияние подвода энергии на течение в интересующем нас аспекте, причем [52] включает в рассмотрение эффекты электрического поля и ионизации. Попытки обобщения результатов в области магнитоплазменной аэродинамики предпринимались и за рубежом. Большая аналитическая работа была выполнена Т. Кейном на основе доступных публикаций [53]. В обзоре, выполненном в ИТПМ (Новосибирск), рассмотрена проблема снижения аэродинамического сопротивления тел при полете в атмосфере [6]. Таким образом, анализ имеющихся данных показывает высокую эффективность использования газоразрядной плазмы для управления обтеканием тел. Наличие двух выделенных направлений — электрического тока и газового потока — задает два предельных случая, две предельных конфигурации разряда: разряд в продольном и разряд в поперечном потоке.
Спектральные характеристики излучения разряда
Исследования [61-66] показали, что однородность скользящего разряда зависят от ряда взаимосвязанных параметров, таких, как зарядное напряжение U, крутизна переднего фронта импульса напряжения dU/dt,r толщина диэлектрика и его диэлектрическая проницаемость. Экспериментально установлено [62], что протекание тока в завершенном скользящем разряде происходит в две стадии. Первая стадия характеризуется малым током разряда (I = d(CdU}ldt), который является в основном током зарядки распределенной емкости диэлектрика С а и не превышает сотен Ампер. На этом этапе большие значения E/N вызывают в приповерхностном слое диэлектрика ударную ионизацию газа, и по поверхности диэлектрика распространяется слабо светящийся предразряд со скоростью 10 м/с [67-68]. Этот предразряд обеспечивает проводимость в разрядном поверхностном промежутке. Вторая стадия представляет собой пробой предыонизованного на первой стадии слоя газа вблизи поверхности диэлектрика и характеризуется резким возрастание тока до десятков килоампер [62, 66]. При этом в межэлектродном промежутке образуются ярко светящиеся каналы [61]. Излучение разряда содержит интенсивную коротковолновую компоненту и создает свободные фотоэлектроны, что обуславливает диффузную и многоканальную форму разряда. Многоканальность скользящего разряда может быть вызвана тем, что распределенная емкость диэлектрической подложки выступает в роли фактически большого количества конденсаторов, развязывающих по питанию отдельные участки протяженного инициирующего электрода во время формирования разряда. Прорастание канала на длину разрядного промежутка связано с переносом определенного электрического заряда, поэтому, чем выше величина удельной емкости диэлектрика, тем с меньшего участка электрода будет развиваться отдельный канал, не мешая прорастанию соседних каналов, т.е. повышается частота плазменных каналов, образующих плазменный лист на поверхности диэлектрика. Сильноточная стадия разряда определяет энерговклад в приповерхностный слой газа.
Плазма завершенного скользящего разряда обладает также большим погонным сопротивлением, которое сохраняется высоким в течении всего разряда и обеспечивает выделение в нем до 97 % энергии, запасенной в питающем накопителе [66]. Однородность скользящего поверхностного разряда связана с наличием распределенной емкости диэлектрика, определяющей однородное распространение скользящего разряда на первой стадии при высоких значениях E/N, а они обусловлены высоким значением перпендикулярной к диэлектрической поверхности составляющей поля на начальном участке фронта волны ионизации, распространяющейся по диэлектрику. Составляющая поля вдоль направления распространения каналов тоже велика, что обусловлено малой толщиной слоя плазмы разряда и соответственно ее высоким удельным сопротивлением [64]. Скользящие по поверхности диэлектрика разряды представляют собой хороший распределенный источник ультрафиолетового излучения вследствие высоких значений E/N. Поэтому разряды такого типа активно используются для однородной предыонизации основного разрядного объема в газоразрядных и эксимерных лазерах. В электрические схемы лазеров они могут входить как отдельные вспомогательные разряды или в качестве плазменных электродов основного объемного разряда. В работе [69] было проведено сравнительное исследование спектральных характеристик скользящего разряда и искрового. Показано, что скользящий разряд имеет преимущество перед искрой и позволяет корректировать спектр излучения выбором материала диэлектрика. Завершенный скользящий разряд позволяет получать большую интенсивность излучения из-за большего энерговклада и лучшей управляемости спектра излучения. Была определена степень влияния материалов электродов и диэлектрика (кварц,. стекло, стеклотекстолит, кремний) на спектр излучения скользящего разряда. Показано, что выбор материала электродов влияет на интенсивность эмиссионных линий газа и континуума. В работе [70], посвященной измерению температуры воздуха в канале скользящего разряда, в спектре излучения разряда наблюдались полосы первой и второй положительных систем азота, полосы красной и фиолетовой систем CN, молекулы которого образуются в разряде. При некоторых условиях наблюдалась линия водорода На. Температура газа в канале скользящего разряда отождествлялась с вращательной температурой, которая определялась по измеренному распределению интенсивности компонент разрешенной вращательной структуры полос второй положительной системы азота. Измерения проводились в широком интервале давлений (от 20 до 760 торр). Значения измеренной газовой температуры не превышали 2000 К, а для давлений в диапазоне 20-260 торр температура в канале составляла 750-1300 К, причем с ростом давления температура увеличивалась приблизительно линейно. В работе [65] отмечено, что особенности формирования скользящего разряда в зависимости от рода газа можно объяснить при учете совокупности следующих факторов, оказывающих неодинаковое количественное влияние на процессы ионизации в разных газах: предварительной ионизацией газа перед фронтом волны ионизации УФ-излучением и ускоренными электронами, генерируемыми в плазме скользящего разряда; зависимостью частоты прямой ионизации vt от параметра E/N и сорта газа; зависимостью толщины слоя плазмы разряда на стадии его формирования от рода газа; дрейфом заряженных частиц под действием нормальной к поверхности диэлектрика составляющей напряженности электрического поля, и формированием на диэлектрике поверхностного заряда, приводящим к экранированию этой составляющей. В отдельных работах исследовались ударные волны, образующиеся от одиночной искры, скользящей по поверхности диэлектрика.
Ударная волна возникала в результате быстрого выделения энергии в канале скользящей искры, что приводило к резкому росту давления [71, 72]. Эти исследования проводились с точки зрения влияния этих газодинамических возмущений на работу лазеров, в которых скользящий разряд используется в качестве источника предыонизации. Было установлено, что газодинамические возмущения не сказываются существенно на генерации лазера, так как возмущают активную среду после генерации излучения [73]. 1.3 Методы визуализации структуры сверхзвуковых и дозвуковых течений. В настоящее время прогресс в аэродинамике, то есть уменьшение сопротивления среды движущимся в ней аппаратам, увеличение их маневренности, улучшение аэродинамических характеристик, помимо прочего связывают с решением нескольких физических проблем: во-первых, с сохранением ламинарного режима обтекания летательного аппарата (проблема ламинаризации); во-вторых, с пониманием и управлением отрыва потока на обтекаемой поверхности; в-третьих, с преобразованием структуры турбулентного течения с целью снижения сопротивления. В то же время эти вопросы являются составной частью более общей фундаментальной проблемы описания турбулентности, и здесь, несмотря на большие успехи, еще многие задачи требуют своего решения. Для понимания причин возникновения ламинарно-турбулентного перехода и их дальнейшего исследования и построения математических моделей, описывающих процессы в пограничном слое, требуется качественно и правильно визуализировать реальные картины течений вблизи поверхностей обтекаемых тел. Течение реальных жидкостей и газов связано с турбулентностью. При малых числах Рейнольдса (Re = — , где р — плотность среды, и — характерная скорость, / — характерный размер, ц. — динамическая вязкость среды) течение является ламинарным; при возрастании числа Рейнольдса в течениях жидкости и газа как в трубах и каналах, так и в пограничном слое на обтекаемом теле происходит отчетливо выраженный переход ламинарной формы течения в турбулентную.
Оценка уровня энерговложения в приповерхностный слой газа на основе сравнения с численными расчетами
Эксперименты проводились на установке, представляющей собой однодиафрагменную ударную трубу, в рабочей секции которой расположен электроразрядный контур для организации импульсного поверхностного газового разряда. В ударных трубах диафрагменного типа формируются плоские ударные волны с однородными потоками за ними [83]. Простота получения ударных волн и потоков газа, надежность определения параметров ударной волны и потока за ней по начальным условиям дают возможность использовать ударную трубу как эффективное средство для изучения взаимодействия дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых потоков газа с плазмой поверхностного скользящего разряда. Газодинамические параметры потока в ударной трубе являются функциями пространственной и временной переменных, а также начальных параметров газа: давления, температуры, показателя адиабаты газа и т.п. При идеализированном рассмотрении принципа работы ударной трубы предполагается, что разрыв диафрагмы и образование ударной волны происходят мгновенно, при этом течение газа в области между ударной волной и контактной поверхностью одномерно и стационарно, а влиянием диссипативных процессов и перемешивания на контактной поверхности можно пренебречь. При таких условиях величины плотности, давления, температуры, скорости газа за фронтом ударной волны определяются из решения одномерной задачи о распаде произвольного разрыва. Для идеального газа с показателем адиабаты у значения параметров за фронтом ударной волны с числом Маха М определяются соотношениями Рэнкина-Гюгонио [4]. В одномерном случае идеализированная схема течения в ударной трубе представлена на рисунке 2.1. После разрушения диафрагмы Д от места ее нахождения по рабочему газу в состоянии 1 распространяется ударная волна УВ со сверхзвуковой скоростью, зависящей от начальных условий. За фронтом ударной волны движется спутный поток - область течения сжатого горячего рабочего газа в состоянии 2. Эта область заканчивается контактной поверхностью КП, разделяющей рабочий и толкающий газы.
В камере высокого давления по толкающему газу в состоянии 4 распространяется центрированная волна разрежения ВР и оставляет газ в состоянии 3. Однородное состояние газа 2 за фронтом ударной волны (спутный поток) характеризуется высокими значениями давления, плотности, температуры, скорости газа и используется в качестве рабочего состояния для исследования различных явлений в газах. Длина спутного однородного потока в зависимости от длины камеры низкого давления и скорости ударной волны, составляет десятки сантиметров, а длительность — сотни микросекунд. Однако малая продолжительность рабочего течения накладывает определенные ограничения на диагностическую аппаратуру и схему построения экспериментов. Ударная труба состоит из камер высокого (1) и низкого давлений (2), разделенных диафрагменной секцией. Камера низкого давления общей длиной 240 см состоит из отдельных секций, изготовленных из медного волновода с внутренним сечением 24x48 мм . При разрыве диафрагмы, разделяющей газы в камерах высокого и низкого давлений, происходит сверхзвуковое истечение легкого толкающего газа в камеру низкого давления. По исследуемому газу в камере низкого давления распространяется ударная волна, за ней движется поток с высокими значениями давления, плотности, температуры, скорости газа, он используется в качестве рабочего среды для исследования различных явлений в газах. Все секции камеры низкого давления плотно состыкованы друг с другом так, чтобы внутренняя поверхность не имела выступов и щелей. Пьезоэлектрические датчики в текстолитовых секциях располагаются заподлицо с поверхностью канала и не вносят возмущений в поток. Для устранения воздействия на течение в рабочей секции отраженной от задней стенки трубы ударной волны, камера низкого давления оканчивается гасящим баком (4). С ним соединена система вакуумирования и наполнения рабочим газом камеры низкого давления. Форвакуумным насосом камера низкого давления откачивается до остаточного давления в несколько десятых торра. Натекание в камере низкого давления не превышало 1 торр за время проведения эксперимента. При помощи металлической трубки и редуктора камера высокого давления присоединена к баллону (5) со сжатым гелием, использовавшимся в качестве толкающего газа. Рабочим газом служит воздух при давлениях до 250 торр в неподвижном воздухе и до 400 торр в потоке. Ударная труба позволяет получать в воздухе ударные волны с числами Маха М = 1.1- -5.0 и потоки за ними со скоростями до 1600 м/с. Синхронизация процессов в рабочей секции производилась при помощи сигналов с пьезоэлектрических датчиков давления. После прохождения ударной волной синхронизирующего датчика в канале ударной трубы сигнал с него поступал на генератор импульсов, на котором выставлялась заранее рассчитанная задержка выходных сигналов по времени. Далее сигнал поступал на вход блока запуска разряда. Реализация наносекундного скользящего разряда в нестационарном потоке в канале ударной трубы позволяет экспериментально моделировать мгновенный поверхностный энерговклад в заданный участок газодинамического потока. Время энерговклада (протекания тока) существенно меньше характерных времен быстропротекающих процессов в ударной трубе: At«tg. Внутренняя область разрядной камеры (3) является продолжением камеры низкого давления ударной трубы сечением 24x48 мм . На участке длиной 17 см противоположные стенки рабочей секции были заменены плоскопараллельными кварцевыми стёклами без изменения поперечного сечения канала.
Плазменные листы площадью 30x100 мм инициировались на двух противоположных стенках рабочей секции на расстоянии 24 мм друг от друга (рис. 2.3). Система электродов скользящего разряда была изготовлена из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Разрядный промежуток имел ширину 3 см и длину 10 см. В электрической схеме использовался конденсатор емкостью 2300 пФ и одноканальный разрядник РУ-65. Эксперименты проводились при положительной полярности высоковольтного электрода (рис. 2.4). Для получения осциллограмм тока скользящего разряда между разрядником и заземляющим электродом ставился специальный шунт с малым сопротивлением, на который отводилась часть тока из разрядного промежутка. После подачи управляющего импульса на вход блока запуска (БЗ) на его выходе формировалось импульсное маломощное высокое напряжение, которое с помощью импульсного трансформатора увеличивалось до U=25-30 кВ и через разделительный конденсатор подавалось на управляемый электрод разрядника. При импульсной зарядке распределенных по длине электродов и равных по величине емкостей Сі возникают разряды по поверхностям диэлектрика, образующие верхний и нижний плазменные электроды. Электрическое поле в разрядном промежутке на поверхности диэлектрика распределено резко неравномерно, с преобладанием нормальной составляющей к поверхности, высокие значения напряженности поля достигаются при умеренных амплитудах питающих разряд высоковольтных импульсов. В таких жестких режимах тока его излучение содержит интенсивную коротковолновую компоненту, простирающуюся вплоть до области мягкого рентгена [59, 61], что обуславливает диффузную и многоканальную форму скользящего разряда и обеспечивает интенсивную предыонизацию среды в качестве распределенного источника ультрафиолетового излучения. При этом падения напряжения на плазменных электродах взаимно компенсируют друг друга, так что разность потенциалов между любыми противоположными точками электродов одинакова. Обостряющие конденсаторы Сі включались параллельно зазорам скользящих разрядов для увеличения амплитуды и скорости нарастания тока, что приводило к улучшению однородности разряда.