Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Тепловая и плазменная аэродинамика 16
1.1. Методы управления потоками в аэродинамике 16
1.2. Типы плазменных актуаторов 21
1.2.1. Плазменный актуатор с коронным разрядом 21
1.2.2. Плазменный актуатор с диэлектрическим барьерным разрядом 26
1.3. Применения плазменного управления потоками в промышленности 32
1.4. Иерархия времен 33
1.5. Образование вихрей 35
1.5.1. Тепловое образование вихрей 36
1.5.2. Плазменное образование вихрей 37
1.6. Выводы к главе 1 40
ГЛАВА 2. Методы численного моделирования 41
2.1. rAT(Gas Dynamics Tool) 41
2.1.1. Метод крупных частиц 41
2.2. COMSOL 44
2.3. FlowVision 45
2.4. Численное моделирование 46
2.4.1. Конвективное образование вихрей 47
2.4.2. Тепловое образование вихрей в сверхзвуковом потоке 49
2.4.3. Образование вихря под действием ДБР 51
2.4.4. Модификация пакета ГДТ. 56
2.5. Выводы к главе 2 62
ГЛАВА 3. Электроразрядные параметры плазмы 63
3.1. Функция распределения энергии электронов 63
3.2. Параметры плазмы ВЧ разряда 69
3.3. Выводы к главе 3 72
ГЛАВА 4. Вихревая структура ВЧ разряда 73
4.1. Применение ВЧ разряда 73
4.2. Численное моделирование течении с действием ВЧ разряда . 75
4.2.1. Система основных уравнений 75
4.2.2. Геометрия, начальные и граничные условия 77
4.2.3. Результаты расчетов 78
4.3. Выводы к главе 4 82
ГЛАВА 5. Плазменная аэродинамика самолетных профилей 83
5.1. Плоские задачи плазменной аэродинамики 83
5.1.1. Расчет обтекания эллипса 83
5.1.2. Расчет обтекания клина 85
5.1.3. Расчет обтекания профиля NACA64A212 88
5.2. Пространственные задачи плазменной аэродинамики 95
5.2.1. Обтекание клина 95
5.2.2. Обтекания профиля крыла NACA0012 97
5.3. Выводы к главе 5 100
Заключение 100
Литература 104
3
- Плазменный актуатор с диэлектрическим барьерным разрядом
- Тепловое образование вихрей в сверхзвуковом потоке
- Функция распределения энергии электронов
- Геометрия, начальные и граничные условия
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена теоретическому изучению влияния плазменного и теплового воздействия на структуру течения. Интерес к этим исследованиям связан с перспективностью использования различного рода электрических разрядов в разнообразных приложениях.
Несмотря на большое количество работ по воздействию коронного и диэлектрического барьерного разрядов на поток газа, в настоящее время нет точной теории предсказывающей изменение структуры потока при действии газового разряда. При зажигании разряда в потоке остается много вопросов связанных с плазмохимическими реакциями - нет точного списка реакций, а также неизвестны значения многих констант скоростей реакций. В настоящее время отсутствует модель учитывающая пристеночную турбулентность с учетом действия разряда и плазмохимических реакций. Помимо объемного электрического заряда, образутощегося вблизи электродов, важным остается вопрос, связанный влиянием поверхностного заряда.
При рассмотрении задач плазменной аэродинамики необходимо изучать действие плазмы на газодинамический поток и обратное воздействие потока газа на разряд.
Представленные исследования, связанные с образованием вихревой структуры под действием различных разрядов и исследованием изменения аэродинамических характеристик тел при их обтекании, определяют актуальность данной диссертации.
Объектом исследования диссертации являются процессы образования вихрей в потоке под действием газового разряда и образующейся плазмы, а также изменение аэродинамических характеристик тел под действием акту-аторов - устройств, изменяющих структуру течения.
Предметом исследования является изучение физических механизмов воздействия плазменных и тепловых актуаторов на структуру течения.
Цель работы.
Разработка физической модели и численное моделирование вихревого взаимодействия источников тепловой и плазменной природы с внешним потоком при обтекании аэродинамических тел.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.
Модельная система уравнений, определяющая взаимодействие электрического разряда и газодинамического потока учитывающая образование вихревых структур при плазменном воздействии на газодинамический поток.
Модификация пакета прикладных программ "ГДТ" для возможности трехмерного моделирования сверхзвуковых потоков у аэродинамических тел с учетом взаимодействия тепловых и плазменных источников с потоком газа.
Численная методика и результаты моделирования структуры течения над профилем крыла в трехмерном случае под действием теплового источника и плазменного источника в виде диэлектрического барьерного разряда.
Численная методика восстановления профиля скорости в газе под действием диэлектрического барьерного разряда в отсутствии набегающего потока.
Пакет прикладных программ численного решения кинетического уравнения Больцмана для электронов с расчетом скоростей ионизации, коэффициентов диффузии и средней энергии электронов в плазме электрического ВЧ-разряда.
Численная методика и результаты моделирования вихревой структуры возникающей под действием ВЧ разряда.
Результаты численного моделирования экспериментальных исследований сверхзвукового течения воздуха с импульсным источником тепло-
выделения приводящих к смещению точки отрыва, согласующиеся с экспериментом.
Научная новизна состоит в следующем:
Впервые сформулирована система уравнений, определяющая взаимодействие электрического разряда и газодинамического потока, показано, что вихревая структура в газе возникает, если градиент плотности объемного заряда неколлинеарен направлению электрического поля.
Для численного моделирования взаимодействия плазменных источников разработана модификация пакета прикладных программ "ГДТ" для возможности трехмерного моделирования аэродинамических тел в потоках газа.
Впервые проведено численное моделирование структуры течения над профилем крыла в трехмерном случае под действием плазменного источника.
Впервые для определения вихревой структуры в потоке газа с электрическим ВЧ разрядом разработана современная база данных элементарных процессов и численно решено кинетическое уравнение Больцмана для электронов, найдены скорости ионизации, коэффициенты диффузии и средняя энергия электронов, исследованы плазмохимические процессы, определяющие источники завихренности.
Впервые представлено численное моделирование вихревой структуры возникающей под действием ВЧ разряда.
Впервые проведено численное моделирование экспериментов сверхзвукового течения воздуха при числе Маха М=2 с импульсным источником тепловыделения, показано, что возмущение от импульсного источника тепла, взаимодействуя с отрывной зоной, смещает положение точки отрыва, согласующееся с экспериментом, что дает возможность плазменного управления потоком газа.
Научная и практическая значимость. Объяснение причин теплового и плазменного взаимодействия с газодинамическим потоком путем создания завихренности является научно - значимым результатом. Создание модуля в пакете прикладных программ ГДТ дает возможность широкого применения и внедрения методов конструирования летательных аппаратов с тепловым и плазменным воздействием в реальной трехмерной геометрии. Для задач плазменной аэродинамики разработан комплекс программ расчета свойств неравновесной плазмы в ВЧ полях, необходимый для задач плазменной аэродинамики с ВЧ разрядами. Создана база данных по сечениям различных процессов в воздухе и разработана численная программа решения уравнения Больцмана, проведены расчеты функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в высокочастотном поле. Полученные результаты могут применяться дію расчетов констант скоростей реакций, и на основе уравнений баланса различных компонент может быть рассчитан химический состав плазмы ВЧ разряда. Получены результаты по смещению точки отрыва потока при импульсном воздействии плазмы скользящего разряда на сверхзвуковой поток, которые могут быть основой плазменного управления аэродинамическими потоками.
Достоверность результатов диссертации подтверждается физической обоснованностью постановок задач, аналитическим характером их рассмотрения с применением современных теоретических концепций и математических средств физической и химической механики, а также качественным и количественным соответствием полученных результатов известным экспериментальным данным и численным решениям, полученным с помощью других программных комплексов.
Апробация работы. Основные результаты настоящего исследования опубликованы в 15 печатных работах и представлены на научных конференциях:
1. Зибаров А.В., Терешонок Д.В. Численное моделирование обтекание
тел с помощью пакета GDT // 50-я научная конференция МФТИ. г.Долгопрудный, Россия. 2007. с. 106.
Tereshonok V.Dmytro Aerodynamic flow control using plasma actuator in 2-D and 3-D cases // Int. Conference «46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit» placeCityReno, StateNevada, USA. 7-10 Jan 2008. AIAA2008-287.
Son E.E., Tereshonok D., Golub V.V., Gubin S.A., Zibarov A.V. Supersonic Plasma and Thermal Actuators // Int. Conference «46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Ekhibit» CityplaceReno, Nevada,USA. 7-10 Jan 2008. AIAA2008-1353.
Терешонок Д.В. Моделирование воздействия барьерного разряда на поток // XXIII Межд. конф. «Уравнения состояния вещества» п.Эльбрус, Россия. 2008. с.218.
Son Е. Tereshonok D. Thermal Effect on Flow Around Vehicles // Int. Conference «46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit» Orlando, FL, USA. 5 - 8 Jan 2009. AIAA2009-844.
Сон Э.Е., Терешонок Д.В. Тепловое образование вихрей и их воздействие на поток // XVII Школа-семинар молодых ученых и спец. под руководством ак. А.И. Леонтьева. «Проблемы газодинамики и тепломассообмена а аэрокосмических технологиях» Т.2. г.Жуковский, Россия. 2009. с.135.
Э.Е. Сон, Д.В. Терешонок Тепловое образование вихрей и их воздействие на поток // Сб. тезисов XVII школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, г. Жуковский, Россия. 2009. с. 289.
Son Е., Tereshonok D. Interaction Thermal Vortexes with a Flow // 8th Int. Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. Moscow, Russia. March 31-April 2, 2009. p.57.
9. Елесин В.В., Зибаров А.В., Сон Э.Е. Терешонок Д.В. Теоретическое исследование образования завихренности в потоке газа под действием электрического разряда //52-я научная конференция МФТИ. г.Долгопрудный, Россия. 2009. с.115.
Сон Э.Е., Терешонок Д.В. Создание завихренности в потоке газа с помощью разряда // Всероссийская конф. «Механика и наномеханика структурно-сложных и гетерогенных сред» г.Москва, Россия. 2009. с.62.
Son Е. Tereshonok D. Vortex Generation in Capacitive Discharge // Int. Conference «46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit» Orlando, FL, USA. 4 - 7 Jan 2010. AIAA2010-785.
Э.Е. Сон, Д.В. Терешонок. Образование вихрей в газоразрядной плазме и электролите под действием электрического поля // XXXVII Межд. (Звенигородская) конф. по физике плазмы и УТС. г. Звенигород, Россия. 8-12 февраля 2010 г. с.202.
Son Е. Tereshonok D. Vortex Created by Plasma Actuator // DPG Spring Meeting of the Section AMOP. Hannover, Germany. March 8th to 12th 2010.
Э.Е. Сон, Д.В. Терешонок Управление сверхзвуковым потоком газа тепловыми вихрями // ТВТ, 2010, Т. 48, №1 (доп.), с.З - 8.
В.В. Голуб, А.С. Савельев, В.А. Сеченов, Э.Е. Сон, Д.В. Терешонок Плазменная аэродинамика в сверхзвуковом потоке газа // ТВТ, 2010, Т. 48, №6, с.945 - 952.
Личный вклад автора. Обоснование модельной системы уравнений, определяющей взаимодействие электрического разряда с газодинамическим потоком, учитывающей образование вихревой структуры при плазменном воздействии на газодинамический поток, модификация пакета прикладных программ "ГДТ" для возможности трехмерного моделирования сверхзвуковых потоков у аэродинамических тел с учетом взаимодействия плазменных
источников с потоком газа, численная методика и результаты моделирования структуры течения над профилем крыла в трехмерном случае под действием плазменного источника в виде диэлектрического барьерного разряда, метод восстановления профиля скоростей при действии диэлектрического барьерного разряда на газ у поверхности, разработка пакета прикладных программ численного решения кинетического уравнения Больцмана для электронов с расчетом скоростей ионизации, коэффициентов диффузии и средней энергии электронов в плазме электрического ВЧ-разряда, численное моделирование вихревой структуры возникающей при взаимодействии ВЧ разряда с потоком газа, численное моделирование экспериментальных исследований сверхзвукового течения воздуха.
Первая глава посвящена обзору различных видов актуаторов. Описаны преимущества плазменных и тепловых актуаторов по сравнению с механическими и акустическими. Представлены различные геометрические конфигурации актуаторов. Проведен краткий обзор различных видов воздействия на газодинамический поток. Представлена система уравнений, описывающая взаимодействие теплового и плазменного источников с газодинамическим потоком. Показано, что в обоих случаях возмущение может быть представлено в виде вихря интенсивность и положение которого определяются параметрами теплового и плазменного источников. Приведена иерархия характерных времен различных процессов происходящих при плазменном воздействии, вследствие существенной многомасштабности задачи показана невозможность прямого численного моделирования плазменных и гидродинамических процессов.
Вторая глава посвящена описанию методов численного решения задач тепловой и плазменной аэродинамики. В качестве основного метода решения использовался пакет прикладных программ ГДТ (Gas Dynamic Tool), модифицированный в данной работе для решения задач плазменной аэродинамики. Представлено моделирование вихря в неподвижном потоке для
диэлектрического барьерного разряда. Предложен метод позволяющий восстановить продольную компоненту скорости, при воздействии диэлектрического барьерного разряда на окружающую среду (воздух) без набегающего потока. Выполнено моделирование по созданию вихря под действием источника тепла в неподвижном потоке. Представлена эволюция завихренности в сверхзвуковом потоке газа при обтекании нагретой пластины.
Третья глава посвящена численному решению кинетического уравнения Больцмана с целью определения вихревой структуры потока. В двухчленном приближении найдена функция распределения электронов оп энергиям (ФРЭЭ) в электрических полях при различных значениях частоты электрического поля. С учетом последних данных по сечениям различных процессов создана база данных и рассчитаны параметры плазмы - константы скоростей ионизации, коэффициент диффузии электронов и средняя энергия электронов. Представлен вклад энергии электронов идущей в различные плазмохи-мические процессы. Проведено сравнение теории и эксперимента для коэффициента ионизации и дрейфовой скорости электронов в постоянном поле для азота и кислорода. Удовлетворительное согласие свидетельствует о корректности решения кинетического уравнения Больцмана для ФРЭЭ по крайней мере для областей энергии, существенных для этих коэффициентов.
В четвертой главе на основе результатов расчетов коэффициентов ионизации, диффузии и температуры электронов при разных частотах поля, решена система транспортных уравнений для положительных, отрицательных ионов и электронов совместно с уравнениями гидродинамики (Навье-Стокса для несжимаемой жидкости). Получено распределение концентраций заряженных частиц в объеме разрядной камеры в разные моменты времени. Показана возможность образования завихренности в невозмущенном потоке газа в результате взаимодействия градиента объемного заряда и напряженности электрического поля.
Пятая глава посвящена моделированию управления аэродинамическими
профилями в потоке газа в двухмерной и трехмерной постановках в сверхзвуковых и дозвуковых потоках. В качестве обтекаемых тел использовались эллипс, клин и аэродинамические профили крыльев NACA0012 и NACA64A212. На основе численного решения с использованием модифицированного пакета "ГДТ" изучено воздействие плазменного актуатора на положение линии отрыва и изменение структуры турбулентной области течения над телом. Рассчитано изменение коэффициентов подъемной силы и силы сопротивления для клина при разных углах атаки и различной подводимой мощности теплового источника. Выполнено сравнение расчетов с экспериментом по смещению точки отрыва в результате воздействия импульсного источника тепла.
Плазменный актуатор с диэлектрическим барьерным разрядом
Известно, что при высоких числах Рейнольдса структура течения теряет устойчивость и происходит переход от упорядоченного движения (ламинарного) к хаотическому (турбулентному). Данное явление является определяющим фактором аэродинамических характеристик летательных аппаратов. При определенных условиях возникает отрыв потока при котором градиент давления вблизи поверхности тела становится положительным, тем самым заставляя двигаться среду в противоположном направлении общему потоку. В зависимости от скорости движения, угла атаки и геометрии обтекаемого тела, структура оторвавшегося течения различна. Возможно обратное присоединение к поверхности тела оторвавшегося потока, если возмущение было мало, а течение ламинарное. При этом возникает отрывной пузырь, с характерным размером меньше тела, а отрывная область представляет собой узкую полосу, вытянутой вдоль тела (в случае крыла - вдоль размаха) перпендикулярно потоку.
При увеличении угла атаки линия отрыва перемещается вверх по потоку, при этом в задней части обтекаемого тела возникает еще один отрыв турбулентного вихря. В этом случае не происходит присоединение оторвавшегося потока, и зона отрыва занимает всю область над телом от линии отрыва до задней кромки.
Отрыв потока в аэродинамике приводит к негативным явлениям, таким как уменьшение подъемной силы и увеличению силы сопротивления, что ухудшает маневренность и управляемость обтекаемого тела. Поэтому затягивание или смещение области отрыва и перехода от ламинарного режима к турбулентному имеет ряд преимуществ. Например, сила поверхностного трения ламинарного пограничного слоя, при определенных условиях, может быть на порядок меньше, чем турбулентного. Для летательного аппарата, уменьшение трения означает уменьшение расхода топлива и увеличение скорости [1].
Максимум подъемной силы и потери характеристик крыла влияют на многие аспекты летательного аппарата, включая взлет и приземление. Подъемная сила растет при увеличении угла атаки, но максимально достижимая ограничивается способностью потока плавно обтекать форму крыла, при этом поток отрывается. Один из способов уменьшения области отрыва или в полном его предотвращении состоит в применении предкрылков и закрылков, другие - связаны с применением актуаторов.
В случае ламинарного отрыва нужный результат может быть получен посредством приведения отрывного течения в турбулентное состояние, что в свою очередь увеличивает устойчивость к отрыву потока. Для этого используют турбулизаторы в пристеночной области, тем самым изменяя пространственную структуру.
Для того чтобы, управлять потоком, нужно уметь влиять на такие явления как ламинарно-турбулентный режим, отрыв и турбулентность. Изначально основные закономерности ламинарных течений, а также их переход к турбулентным были изучены на относительно простых движениях жидкости или газа. Пристеночную турбулентность и переход к ней проще всего изучать при обтекании длинной пластины или течения в круглой трубе. При этом устойчивость течения можно увеличить посредством откачки жидкости через обтекаемую поверхность, что в свою очередь приводит к увеличению критического числа Рейнольдса, определяющего границу перехода [2].
В работе [3] исследовалась устойчивость пограничного слоя с учетом возмущений в камере при отсасывании газа из пограничного слоя. С помощью асимптотического метода было показано, что устойчивость при этом ухудшается, что показывает, неэффективность применения "пассивных" методов стабилизации потоков.
В некоторых работах изучались явления, в которых структура течения изменяется посредством обратной связи. Наглядный пример подобного управления можно найти в книге [4], где для течения Пуазейля было достигнуто критическое число Рейнольдса Re = 105.
На практике наибольший интерес представляют электрические актуато-ры без механических частей, так как не содержат громоздких механических систем. Главные преимущества электрических и плазменных систем - надежность, простота, малое потребление энергии, а также возможность управлять с большой частотой.
На протяжении последних двадцати лет интерес к активному управлению потоком непрерывно рос. Фактически первые исследования в данной области были начаты в 1950-х годах в России. Позже несколько патентов было получено в Европе и США. Первые научные работы в США были выполнены и опубликованы Велкофом, Кичманом в 1968 и Юбе в 1978 [5].
В 2000 году было опубликовано всего несколько статей, а в 2003 уже докладов по данной тематике было более пятидесяти. Начиная с 2005, интерес к данной тематике существенно и сейчас несколько десятков научных коллективов в Европе, США и во всем мире работают по направлению плазменной аэродинамике, ежегодно публикуются сотни работ по данной тематике, эти работы ежегодно докладываются на конференциях Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA).
Тепловое образование вихрей в сверхзвуковом потоке
Пакет COMSOL позволяет решать стационарные и нестационарные комплексные задачи в области газодинамики, химии, прочности и т.д. как в двухмерных так и в трехмерных измерениях. Интуитивно понятный интерфейс программы дает возможность задавать геометрию, начальные и граничные условия задачи.
Численное решение в COMSOL основано на методе конечных элементов, при этом на выбор пользователя приводится список решателей систем линейных уравнений как прямых так и итерационных. В пакете реализована возможность самому задавать количество итераций и точность вычислений.
К достоинствам COMSOL можно отнести возможность прямо в нем задавать расчетную область различной формы как в двухмерных так и в трехмерных случаях. Более того, пакет способен решать системы уравнений включа- ющих в себя одновременно кинетику плазмы, гидродинамику газа и уравнения Максвелла и т.д. Пользователь имеет возможность задавать максимальный размер расчетной сетки как в отдельных областях (гранях, точках) так и во всей расчетной области с последующим дроблением. После чего автоматически происходит триангуляция-Недостатком COMSOL является то, что в нем предусмотрена только одна модель турбулентности к — є, которая плохо описывает отрывные течения. Более того, данная модель реализована в пакете только для несжимаемого случая. Пакет FlowVision предназначен для моделирования стационарных и нестационарных гидро- и газодинамических процессов. Численное решение во FlowVision основано на методе конечных объемов, при этом есть возможность выбора явного или неявного метода. Одно из главных достоинств FlowVision состоит в возможности использовать прямоугольную адаптивную локально измельченную сетку (АЛИС). Наличие адаптации позволяет произвести вычисления вблизи сложных поверхностей при наличие больших градиентов расчетных величин. При выборе явного метода решения вводится ограничение на шаг по времени техрі согласно условию Куранта-Фридрихса-Леви: где Tmin минимальный шаг по времени, соответствующий пролетному времени газа, двигающегося со скоростью ЩІ вдоль оси ХІ, в расчетной ячейке размером hki.При этом явный шаг по времени задается через "явное число Куранта-Фридрихса-Леви uCFLexpi, которое лежит в диапазоне 0 Для неявного метода нет ограничений на шаг по времени ггторг- Задать Тітрі можно двумя способами: либо сделать постоянным, либо определить через "неявное число Куранта-Фридрихса-Леви"С І/ітр/: T impl = Техр1 -Г J- impl Решение линейных уравнений, полученных после аппроксимации разностных схем, ищется методом либо верхней, либо нижней поточечной релаксации. Используемый итерационный метод (метод поточечной релаксации) содержит эмпирический параметр и, определяющий скорость сходимости. Для случая и 1 будет иметь место метод поточечной верхней релаксации. Разработчики FlowVision рекомендуют брать значение ш = 0.9, что соответствует методу поточечной нижней релаксации. Также следует отметить еще достоинство пакета FlowVision, котрое заключается в том, что при моделировании можно использовать различные модели турбулентности: Однако, при использовании данного пакета возникают трудности с заданием геометрии. Невозможно задать даже самую простую расчетную области без использования дополнительной программы для создания чертежа (например SolidWorks). 2.4. Численное моделирование Ниже приводятся расчеты, выполненные с помощью пакетов COMSOL и FlowVision, по изменению структуры течения под действием тепловых и плазменных актуаторов. 2.4.1. Конвективное образование вихрей. Рассмотрим конвективное вихреобразование для плоского случая в гравитационном поле без набегающего потока. Постановка задачи. В качестве расчетной области был выбран прямоугольник с размерами 1.6 xl.6 м. Внутри помещен дозвуковой профиль крыла NACA0015, с длиной хорды 1 м, на поверхности которого располагается объемный источник тепла Q с размерами 10x1 см (рис. 2.1).
Функция распределения энергии электронов
Уравнение (3.2) сводится к уравнению (3.1) для постоянного поля при vm » и » тах(8Еит, 5ит, і/є).
Таким образом, если частота напряжения на электродах соизмерима с частотой столкновения электронов с атомами, тогда различны константы реакций будут зависеть не только от параметра E/N, но и от ш. Ниже (3.6) приведено сравнение для коэффициента диффузии электронов, коэффициента Таунсенда и температуры электронов в азоте и кислороде при различных частотах о;. В газе с постоянными параметрами, давление р = Ю-4 ат и температура Т — 500К.
Частота установления энергетического спектра определяется величиной 5i/m. Если ш » bvm (что справедливо в нашем случае для ы — 27ГІ06 МГц) тогда электроны не успевают отслеживать за колебаниями поля. При этом средняя энергия не меняется в течении периода и может быть рассчитана как для постоянного поля со значением Е = Еа/ /2. Именно это наблюдается в расчетах (3.6). 1. Для сечений элементарных процессов был проведен анализ литературы, на его основе создана база данных для молекулярных газов - азота и кислорода. 2. Рассчитана ФРЭЭ в диапазоне параметра E/N = 10 п- ЗООТд в азоте, кислороде и в воздухе. Получено удовлетворительное совпадение теории с экспериментом для коэффициента ионизации и дрейфовой скорости электронов, тем самым выполнена верификация решения уравнения Больцмана. 3. Представлено сравнение коэффициентов ионизации, диффузии и температуры электронов при разных частотах. Одно из основных и интересных направлений в современной физике газовых разрядов и газовой электроники является плазма высокочастотного емкостного (ВЧ) разряда.
В настоящее время для смещения точки отрыва исследуется несколько типов разрядов - ДБР, коронный, искровой. Сравнительно недавно возник интерес наряду с вышеупомянутыми разрядами использовать ВЧ и СВЧ разряды [111] для управления потоком. Одно из преимуществ данного разряда состоит в том, что он безэлектродный. Кроме того, ВЧ разряд широко используется в таких приложениях как выращивание интегральных схем, обработки полупроводниковых материалов и металлов с помощью разряда низкого давления (р = 10 3 — 1 Тор).
В ВЧ разряде переменное напряжение с частотой порядка 10 МГц прикладывается к двум электродам, которые могут быть как открытыми, так и защищены диэлектриком. Все виды данного разряда можно условно разбить на два типа: емкостные и индукционные. Как следует из названия ВЧ разряды могут зажигаться под действием электромагнитной индукции, в этом случае поле является вихревым. А также в результате подачи разности потенциалов между двумя электродами, что приводит к появлению потенциального электрического поля.
Область применения индукционных ВЧ разрядов в основном лежит в производстве тугоплавких чистых материалов, порошков при атмосферном давлении. В то время как емкостной разряд используют при средних и низких давлениях, что приводит к сильно неравновесной и слабоионизированной плазме.
Геометрия, начальные и граничные условия
В диссертации приведен обзор работ, как по теоретическому, так и экспериментальному изучению плазменного воздействия на течения вокруг цилиндров, плоских плоскостей и профилей крыльев, а также его использованию в таких приложениях как свободные струи, перемешивание слоев. Множество публикаций показали большую эффективность применения различных разрядов на скоростях до 30 м/с и числах Рей-нольдса порядка 105.
Представлена система уравнений, описывающая взаимодействие теплового и плазменного источников с газодинамическим потоком. В обоих случаях теплового и плазменного воздействий возмущение может быть представлено в виде вихря интенсивность и положение, которого определяются параметрами теплового и плазменного источников, геометрии разрядника, состава окружающей среды и т.д. При тепловом воздействии вихрь является следствием неколлинеарности градиентов давления и температуры, а при плазменном - неколлинеарности градиента объемного заряда и напряженности электрического поля.
Выполнено численное моделирование образования вихря под действием объемного источника тепла в неподвижном газе. В результате нагрева, воздух в гравитационном поле поднимается вверх, образуя два вихря с противоположной циркуляцией на границах области, тепловыделения.
Рассмотрено образование вихревой структуры при обтекании нагретой пластины сверхзвуковым потоком газа, рассчитана эволюция завихренности. Наибольшая завихренность создается на краях нагретой пластины с наибольшим градиентом температуры. По мере продвижения вниз по потоку происходит диффузия и взаимодействие вихрей между собой и с потоком газа. Подобные задачи являются фундаментальным исследованием, которая может быть основой для задач теплового управления аэродинамикой тел произвольной формы. Данное обстоятельство связано с тем, что в условиях образования отрывного течения, тепловое воздействие может привести к смещению точки отрыва.
5. В настоящее время возможности прямого численного моделирования даже при современном уровне развития вычислительной техники ограничены 4 порядками по масштабам и времени (соответствует числам Рейнольдса порядка 30000), поэтому моделирование газодинамических процессов при плазменном воздействии, невозможно ни в настоящее время, ни в обозримом будущем. Поэтому в настоящее время численное моделирование задач плазменной аэродинамики может быть основано только на физических и математических моделях влияния разряда на газодинамический поток.
6. В диссертащги описаны методы численного решения задач плазменной аэродинамики. В качестве основного метода решения использовался пакет прикладных программ ГДТ (Gas Dynamic Tool), модифицированный в данной работе для решения задач плазменной аэродинамики. Для тестирования пакета были проведены расчеты с различными сетками и геометрией. В случаях, когда имелись экспериментальные данные, получено удовлетворительное согласие.
7. На основе анализа баланса импульса через выделенный объем вблизи поверхности диэлектрика и силой, создаваемой распределенным объемным зарядом, получено уравнение для продольной компоненты скорости вдоль поверхности диэлектрика. В результате получено удовлетворительное согласие рассчитанных и измеренных полей скорости для разных значений напряжения между электродами и разных расстояниях от края открытого электрода вниз по потоку.
8. Проведено исследование свойств плазмы ВЧ разряда. Для этого решалось уравнение Больцмана в двухчленном приближении. В результате решения найдена ФРЭЭ и рассчитаны параметры плазмы — константы скоростей ионизации, коэффициенты диффузии электронов и средняя энергия электронов, получены вклады энергии электронов в различные плазмохимические процессы. Для сечений элементарных процессов был проведен анализ литературы, на его основе создана база данных для молекулярных газов - азота и кислорода. 9. Используя результаты расчетов коэффициентов ионизации, диффузии и температуры электронов при разных частотах, в диссертации численно решена система транспортных уравнений для положительных, отрицательных ионов и электронов совместно с уравнениями гидродинамики (Навье-Стокса для несжимаемой жидкости) для ВЧ разряда. В результате получено решение и показана возможность образования завихренности в невозмущенном потоке газа под действием градиента объемного заряда. 10. В диссертации выполнено моделирование управления аэродинамическими профилями в потоке газа в двухмерной и трехмерной постановках в сверхзвуковых и дозвуковых потоках. В качестве обтекаемых тел использовались эллипс, клин и аэродинамические профили крыльев NACA0012 и NACA64A212. В результате расчетов продемонстрировано смещение линии отрыва и изменение структуры турбулентной области над аэродинамическим телом под действием теплового и плазменного актуаторов. Рассчитано изменение коэффициентов подъемной силы и силы сопротивления для клина при разных углах атаки и различной подводимой мощности теплового источника. Выполнено моделирование влияния искрового разряда на положение точки отрыва при обтекании профиля крыла NACA64A212 сверхзвуковым потоком. Результаты расчетов показали, что вначале появляется возмущение, которое начинает двигаться вниз по потоку изменяя положение точки отрыва, при этом происходит разбиение отрывной зоны на подобласти. Возмущение огибает турбулентную зону и прижимает ее к поверхности крыла.
