Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время предложены способы управления процессом обтекания поверхности летательных аппаратов с помощью генерации дополнительных источников завихренности в пограничном слое для улучшения их летных характеристик. Явление формирования пристеночного течения воздуха в сильных электрических полях сейчас исследуется в ведущих экспериментальных и расчетно-теоретических лабораториях мира, но в деталях картина этого процесса не ясна. Прямое численное моделирование этого явления невозможно провести из-за большой разницы характерных времен электрического и газодинамического процессов. Поэтому детальное исследование пространственно-временных характеристик разряда, индуцированного им вихревого течения воздуха, а также влияние разрядной плазмы на картину обтекания тела в целом является актуальной физической проблемой.
Цель работы. Экспериментальное исследование процесса формирования вихревых течений воздуха в приэлектродной области. Экспериментальное рассмотрение случаев стационарного (установившегося) течения слабоионизированного воздуха и нестационарного (начальный период времени после момента инициирования разряда). Экспериментальное определение характеристик электрического разряда - формы разрядного тока и напряжения, - а также установления связи между этими электрическими параметрами с формой индуцированной разрядом течения и его количественными характеристиками. Исследование динамики развития возмущения набегающего потока, вызванного электрическим разрядом, и влияние его на картину течения газа вблизи поверхности тела в целом. Научная новизна. С помощью современных методов диагностики с высоким временным и пространственным разрешением проведено исследование формирования завихренных течений воздуха в сильных электрических полях с величиной напряженностью поля, большей прочности воздуха и близкой к прочности современных изолирующих диэлектрических
материалов. Впервые экспериментально обнаружен вторичный вихрь в потоке газа, детально исследована структура течения слабоионизированного воздуха в пристеночной области вблизи электродов разрядника. Экспериментально получен и исследован процесс инициирования протяженного искрового разряда в сверхзвуковом потоке воздуха с периодом инициирования порядка пролетного времени.
Практическая значимость. Экспериментальное изучение детальной структуры течения, параметры индуцированного электрическим разрядом течения воздуха и зависимость их от электрических параметров самого разряда являются важными для проверки моделей, описывающих процессы электромагнитогидродинамики, т.к. современные вычислительные мощности суперкомпьютерных центров не позволяют проводить крупномасштабное прямое моделирование вязких течений в присутствии плазмы из-за большой разницы характерных времен процессов разной природы. Кроме того, полученные в работе результаты зависимости параметров индуцированного разрядом течения воздуха и их зависимость от электрических параметров разрядной схемы представляют ценность для проектирования плазменных актуаторов - перспективных устройств управлением потоком вблизи поверхности летательного аппарата. Экспериментально показано, что процесс инициирования течения воздуха вблизи электродов сопровождается образованием вихревых течений, причем этот процесс может быть контролируемым с помощью электрических параметров разрядной схемы. С практической точки зрения это обстоятельство может быть использовано для создания миниатюрных вихревых генераторов без механических частей. Тепловые плазменные актуаторы, предложенные в работе, могут быть использованы при создании двигателей с новым типом инициирования горения, а также для создания устройств управлением траекторией движения летательного аппарата.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
экспериментальное определение пространственно-временных характеристик стационарного воздушного потока, генерируемого слаботочным диэлектрическим барьерным разрядом, в зависимости от параметров электрической схемы, а также от конфигурации электродов (пространственной конфигурации электрического поля).
результаты экспериментального исследования процесса формирования завихренного потока, измерение завихренности потока воздуха в момент времени, близкого к начальному моменту инициирования разряда, экспериментальное определение характеристик первичного и вторичного вихрей, их размер, скорость, завихренность в различный момент времени после начала разряда.
способ получения искрового разряда с высокой частотой инициирования в сверхзвуковом потоке воздуха при пониженном значении эффективной напряженности электрического поля, необходимой для пробоя воздушного промежутка, а также результаты исследований электрических и энергетических характеристик искрового разряда.
исследование взаимодействия локальных зон мгновенного теплоподвода (плазменный шнур протяженного искрового разряда) с вихревыми образованиями, возникающими на поверхности аэродинамической модели, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях, в том числе: LI, LII научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва 2008, 2009), 10th International Conference on Fluid Control, Measurements and Visualization FLUCOME (Moscow 2009), Всероссийская конференция «Успехи механики сплошных сред» (Владивосток 2009), XXV International Conference on Equations of State for Matter (Elbrus 2010), 47th, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition (USA,
Orlando, FL, 2009, 2010), XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород 2010), 8th, 9th International workshop on magneto-plasma aerodynamics (Moscow 2009, 2010), Symposium on Thermal-Chemical Processes, St-Petersburg, "Leninets" (St-Petersburg 2008), VII, VIII Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, 2008, 2010).
Личный вклад автора. Создание экспериментального стенда для исследования процесса формирования течения в сильном электрическом поле. Создание моделей разрядных устройств - генераторов плазмы. Отладка методик диагностики течений слабоионизированного газа, настройка приборов. Разработка и отладка схем синхронизации процессов инициирования разряда и диагностических комплексов. Обработка и анализ полученных экспериментальных данных. Выступление на конференциях с результатами работы по теме диссертации, в том числе и на международных конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (26 ссылок). Объем диссертации составляет 99 страницы. Работа содержит 57 рисунков.
