Введение к работе
Актуальность темы.
Исследования ударных волн (УВ) и сверхзвуковых течений при наличии в среде локальных зон неоднородности различной природы имеют большое значение для решения практических вопросов, связанных с созданием новых методов управления сверхзвуковыми течениями и полетом летательных аппаратов. В рамках нового направления - магнитоплазменной аэродинамики изучаются возможности энергетического воздействия на поток с использованием плазменных технологий. В экспериментах применяются различные способы создания газоразрядной плазмы в широком частотном диапазоне электрических полей, вплоть до оптических частот (лазерное излучение). Об этом свидетельствуют обзоры полученных до конца 90-х годов прошлого столетия результатов расчетных и экспериментальных исследований этого направления, представленные в публикациях [1-3]. Исследования распространения УВ и полета тел в слабоионизованной неравновесной плазме электрических разрядов различного типа проводились с начала 80-х годов. Позднее в ряде экспериментов локальная неоднородность в сверхзвуковом потоке создавалась при лазерном пробое. В обзоре [4] исследований оптических разрядов в газе показано, что в зависимости от механизмов пробоя осуществляется различная газодинамика плазмы - от симметричного радиального расширения в лазерной искре до формирования высокоскоростной струи (вдоль направления излучения) за фронтом светодетонационной волны. Однако до настоящего времени как в численном моделировании течений с лазерным энергоисточником, так и при анализе экспериментальных результатов учитываются не все происходящие в плазме пробоя процессы. Следовательно, изучены не все возможности использования лазерной плазмы в решении актуальных задач управления течениями.
В теоретических исследованиях ударных волн в плазме выявлена сложная структура течения с формированием перед фронтом предвестников с различными пространственными масштабами. Неравновесная газоразрядная плазма вследствие нелинейных дисперсионных свойств является акустически активной средой, и в определенных условиях малые возмущения параметров усиливаются, кардинально изменяя характер поведения такой среды. Эти результаты и выводы указывают на широкие потенциальные возможности плазменных технологий с целью создания новых эффективных способов управления обтеканием тел. С другой стороны, в настоящее время имеется недостаточно полное представление о плазменных механизмах и условиях их существенного влияния на структуру УВ и сверхзвуковых течений. Отсутствуют достоверные экспериментальные доказательства проявления таких механизмов. Свойственная газоразрядной плазме неоднородность структуры существенно затрудняет и фактически не позволяет получить в экспериментах с использованием электрических разрядов однозначные выводы
о роли плазменных механизмов на фоне неизбежного и значительного «теплового» эффекта. Поэтому имеющиеся предположения о нетепловых механизмах, определяющих структуру волн в слабоионизованном газе, вследствие отсутствия прямых и убедительных доказательств не являются общепризнанными. Результаты исследований более сильных УВ, в которых газ перед фронтом ионизуется опережающим излучением, также не позволяют пока получить однозначное решение принципиального вопроса о роли плазменных механизмов в формировании структуры течения за фронтом. Об этом свидетельствуют многочисленные гипотезы и предположения относительно механизмов, определяющих структурные изменения и неустойчивость ударных волн в атомарных и молекулярных газах.
Обобщение опыта и результатов многочисленных исследований проявлений плазменных механизмов в структуре УВ приводит к выводу о необходимости выбора таких условий экспериментов, при которых эффект «теплого» слоя, обусловленный неоднородностью среды перед фронтом не оказывает существенное влияние на структуру течения. В проведенных экспериментах с газоразрядной плазмой перед фронтом УВ это оказалось практически недостижимым. В экспериментах с сильными ионизующими волнами тепловой эффект является незначительным только при некоторых условиях, которые для инертных газов определены в расчетном исследовании [5]. Используя эти данные, установлено, что оптимальные для экспериментов в аргоне условия соответствуют малоизученному диапазону чисел Маха М~10-13 при давлении перед фронтом несколько Тор. Параметры плазмы за фронтом практически недоступны для измерений с необходимой точностью широко используемыми методами диагностики.
Таким образом, без новых подходов и методов исследования ударных волн не может быть решен принципиальный вопрос о том, каковы специфичные плазменные механизмы и условия их заметного влияния на структуру УВ и сверхзвуковых течений. Без новых экспериментальных результатов нельзя получить более полное представление о взаимосвязи плазменных и газодинамических процессов, создать адекватные расчетные модели и определить условия эффективного энергетического воздействия на структуру высокоскоростных течений.
Цель работы и задачи исследования.
Провести экспериментально-расчетное исследование взаимосвязи плазменных и газодинамических процессов за фронтом ионизующих УВ и за пульсирующим оптическим разрядом в сверхзвуковом потоке.
Основные задачи:
разработать новые подходы к исследованию и определить адекватность общепринятой модели ионизационной релаксации за фронтом ионизующих УВ реальному процессу;
разработать расчетные модели импульсно-периодического лазерного энергоисточника в сверхзвуковом потоке с определением критерия
квазистационарности, параметров течения за пульсирующей лазерной плазмой, образованной искровым разрядом и за фронтом светодетонационной волны.
Научно-технические задачи, решаемые в рамках данной работы:
создание газодинамической установки для генерирования ударных волн в атомарных газах с необходимыми параметрами - числами Маха в диапазоне М = 10-13 (для аргона) при давлении газа перед фронтом несколько Тор;
разработка и создание измерительного комплекса, обеспечивающего одновременные измерения динамики плотности электронов и атомов, температуры в потоке за фронтом ионизующих ударных волн в условиях достаточно слабой (в диапазоне 0,1-1 %) степени ионизации газа;
разработка подходов и методик определения газодинамических параметров, а также кинетических характеристик в потоке неравновесной плазмы за фронтом УВ с учетом влияния реальных факторов (пограничный слой на стенках канала, излучение, примеси);
экспериментальные исследования оптического пульсирующего разряда в сверхзвуковом потоке с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры в его окрестности и при обтекании тел.
Методы исследования и достоверность результатов
Основные экспериментальные методы диагностики: комплексная ИК-диагностика с одновременной фотоэлектрической регистрацией фазового сдвига, коэффициента поглощения и шлирен-эффекта зондирующего излучения СОг-лазера (10,6 мкм); двухволновая (3,39 и 1,15 мкм) интерферометрия; визуализация шлирен-методом волновой структуры и измерения аэродинамического сопротивления обтекаемых тел.
Достоверность полученных результатов обоснована использованием комплексной диагностики с подробным анализом методических погрешностей измерений, с учетом возможного влияния систематических факторов, сравнением с результатами экспериментов, выполненных другими авторами; а также использованием метода линейного регрессионного анализа многих экспериментальных данных в сравнении с результатами расчетов. Представленные в различных разделах работы данные являются непротиворечивыми и создают целостную картину изучаемых явлений.
Научная новизна выполненной работы:
создан ИК-комплекс и решены методические вопросы диагностики слабоионизованной равновесной и неравновесной плазмы в условиях оптической неоднородности и поглощения зондирующего излучения. Определена граница допустимых значений градиента плотности электронов, учтен вклад тормозного механизма поглощения при столкновениях электронов с атомами в общую величину коэффициента поглощения на длине волны СОг-лазера, рассчитан коэффициент поглощения аргоновой плазмы в рабочем диапазоне температур 6000-20000 К и степени ионизации 0,1-1%;
проведены эксперименты с ударными волнами в малоизученном диапазоне чисел Маха М = 10,5-12,7, начальном давлении 3-10 Тор, с
высокоточными (до 2-3% в области максимальных значений) измерениями распределений электронной плотности в плазме аргона за фронтом;
разработан новый подход к экспериментальному исследованию области лавинной ионизации за ударным фронтом, основанный на определении в рамках квазиодномерного течения газодинамических и кинетических (температура, источник электронов) параметров в неравновесной плазме с использованием результатов измерений динамики плотности электронов;
установлено с учетом влияния факторов неидеальности течения, что максимальные измеренные и рассчитанные равновесные значения плотности электронов за фронтом ударных волн в аргоне высокой чистоты наиболее близки в случае учета снижения потенциала ионизации в плазме по теории Дебая-Хюккеля, что служит ее экспериментальным доказательством;
определены энергетические потери равновесной плазмы аргона в температурном диапазоне 9700-11000 К, подтвердившие применение принципа спектроскопической устойчивости для расчета интегральных радиационных потерь низкотемпературной плазмы в условиях доминирующей роли излучения в дискретном спектре;
установлено, что процесс лавинной ионизации отличается от расчетного сценария в рамках общепринятой модели ионизационной релаксации более сильными локальными градиентами температуры, источника электронов, что указывает на наличие слабых температурных возмущений среды с величиной относительного изменения несколько процентов; экспериментально установлено, что их существенное усиление происходит при М<10,5-10,7;
выявлено в расчетах энергетического баланса электронов, что учет механизма межатомных столкновений с ассоциативной ионизацией приводит к изменению энергетической взаимосвязи электронов с атомами и при повышенной концентрации возбужденных атомов может вызвать усиление возмущений в релаксационной зоне за фронтом УВ;
проведены эксперименты с оптическим пульсирующим разрядом в сверхзвуковом (М=2) потоке аргона с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры и измерениями аэродинамического сопротивления обтекаемых тел, позволившие определить критерий квазистационарности течения;
разработаны на основе результатов экспериментов и известных механизмов распространения оптических разрядов аналитические модели для определения в сверхзвуковом потоке волновой структуры и оценки параметров квазистационарного течения в тепловом следе за пульсирующей лазерной плазмой, образованной в искровом разряде и за фронтом светодетонационной волны. На основе этих моделей показано принципиальное различие структуры течения в тепловом следе, вызванное различной динамикой плазмы пробоя.
Личный вклад автора в работу заключается в постановке задач экспериментов и их подготовке, разработке экспериментальных методик, проведении измерений, анализе и обобщении полученных результатов при
исследовании ионизующих УВ. В подготовке и проведении экспериментов с пульсирующим разрядом в потоке автор непосредственно участвовал в составе группы исследователей лаб. №2 ИТПМ. Расчетные модели разработаны единолично, большинство опубликованных работ написано лично автором.
Научная и практическая значимость работы.
Разработаны методы ИК-диагностики, создан лазерный ИК-комплекс, позволяющий также использовать его в экспериментальной практике многих исследований низкотемпературной плазмы. Измерения возможны в области параметров, которая практически недоступна при использовании излучения видимого и микроволнового диапазона.
Получены экспериментальные данные, позволяющие модифицировать имеющиеся модели ионизационной релаксации за фронтом УВ и на этой основе выявить реальную взаимосвязь между подсистемами электронов и тяжелых частиц в этой области течения, следовательно, уточнить представления о механизмах усиления возмущений в неравновесной плазме.
Разработанные модели позволяют прогнозировать масштаб явления и характерные особенности эффектов энергетического воздействия лазерного излучения на структуру сверхзвукового потока и условия обтекания.
Полученные результаты работы могут быть использованы: при разработке численных моделей и анализе устойчивости сверхзвуковых течений релаксирующего и излучающего газа в каналах энергетических устройств; в исследованиях и разработке методов управления сверхзвуковыми течениями и полетом тел, основанным на использовании плазменных технологий.
Реализация и внедрение результатов исследований. Работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института теоретической и прикладной механики СО РАН по теме: «Изучение газодинамики течения при подводе массы, энергии вблизи обтекаемой поверхности и горение в ограниченном сверхзвуковом потоке», а также в рамках хоздоговорной деятельности с НИИРП, МИЭФ по теме: «Планета-2» и гранту РФФИ № 96-01-01947.
На защиту выносятся:
создание экспериментальной установки для исследования ионизующих ударных волн в требуемом диапазоне рабочих параметров;
методы диагностики низкотемпературной плазмы на основе созданного лазерного ИК-комплекса;
результаты разработки методических вопросов интерференционных и абсорбционных измерений в ИК-диапазоне спектра;
- разработанная методика определения газодинамических и
кинетических параметров неравновесного потока за ударным фронтом,
основанная на результатах измерений динамики плотности электронов и
квазиодномерной (с учетом пограничного слоя) модели течения;
- экспериментальные данные о динамике и равновесных значениях
плотности электронов за фронтом ионизующих ударных волнах в атомарных
газах, результаты определения снижения потенциала ионизации и интегральных по спектру радиационных потерь равновесной плазмы аргона;
результаты экспериментального исследования области лавинной ионизации аргона в ударных волнах, показывающие, что характер изменения температуры, источника электронов существенно отличается от расчетной динамики этих параметров, полученных в рамках общепринятой модели ионизационной релаксации;
результаты экспериментальных исследований нестационарной и квазистационарной волновой структуры в сверхзвуковом потоке с оптическим пульсирующим разрядом;
- разработанные расчетные модели и критерий квазистационарности
волновой структуры и параметров течения в тепловом следе за пульсирующим
лазерным энергоисточником в сверхзвуковом потоке при различных
механизмах распространения оптического разряда.
Апробация работы.
Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях и семинарах: XI Международном симпозиуме по основным проблемам и методам в механике (Сопот, 1973 г.); на VI Международном коллоквиуме по газодинамике взрыва и реагирующих систем (Стокгольм, 1977 г.); на Международной школе-семинаре «Лазерные методы диагностики плазмы» (Минск, 1978 г.); на I Советско-французском семинаре по физике плазмы (Москва, ИВТАН, 1978 г.); на V Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979 г.); на Всесоюзном семинаре по ударным трубам и ударным волнам (Черноголовка, 1980 г.); на Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1994, 1996, 1998, 2000 г.г.); на 3-й Межгосударственной научно-технической конференции по оптическим методам исследования потоков (Москва, 1995 г.); на семинаре Физико-химическая кинетика в газовой динамике (Москва, Институт Механики МГУ, 1999 г.), на Международных конференциях по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Москва, ИВТ РАН, 2001, 2002, 2003, 2005, 2007 г.г.).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации содержатся в 36 научных публикациях (журналах, тематических сборниках, трудах конференций, препринтах), основные из которых приведены в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, две части, в составе которых 7 глав, заключение по диссертации, список используемой литературы (198 наименований), а также приложение (75 стр.) с собственным списком используемых источников (132 наименования). Общий объем диссертации включает 338 страниц, 69 рисунков (2 в приложении), 7 таблиц.
