Введение к работе
Искровой разряд привлекает внимание исследователей в связи с многообразием форм существования, значительной интенсивностью воздействия на среду и малым временем отклика. Изучение сильноточных плазменных каналов связано с широким кругом практических задач, к числу которых относятся - физика молнии и молниезащиты, физика импульсных плазменных устройств, безопасность высоковольтного оборудования. Импульсные разряды высокой мощности были детально исследованы рядом авторов [1, 2]. Диапазон токов разряда распространяется от импульсов наносекундного разряда ~ 1 А до токов атмосферных разрядов -100 МА. Исследуемый в работе разряд - протяженная искра суб-микросекундной длительности занимает промежуточное положение с характерным временем токовой фазы в -100 не и пиковым током ~ 1 кА.
Настоящая квалификационная работа включает в себя результаты исследования процессов взаимодействия искровых каналов с неоднородными газовыми средами и с высокоскоростными газовыми потоками; исследование стримерной, переходной и сильноточной фазы разряда; особенностей распада послеразряд-ной тепловой каверны и зависимости указанного распада от геометрии энерговклада в разрядный канал; а также возможностей применения исследуемого разряда для интенсификации смешения компонентов неоднородной среды.
Актуальность темы.
В последние десятилетия активно развиваются смежные с физикой газовых разрядов области науки, такие, например, как плазменная аэродинамика [3]. Применение электрических разрядов различного типа позволяет создавать устройства с малым временем отклика и в перспективе позволит решать задачи, недоступные для механических устройств. Одной из актуальных задач современной плазменной аэродинамики является поддержание горения в прямоточных двигателях. Широко используются решения этой задачи механическими методами, обзор которых приведен в [4], однако большинство из них связаны с большими потерями полного давления в высокоскоростном потоке. Также опубликован ряд работ по поддержанию горения при помощи разрядов постоянного тока [5], СВЧ-разряда [6], а также наносекундных и стримерных разрядов [7]. Большинство представленных работ нацелено на наработку химически активных частиц в разрядной плазме и не затрагивает непосредственно проблему смешения топлива с окислителем. Указанная проблема может являться лимитирующей стадией горения в условиях высокоскоростного потока.
Поставленные задачи предлагается решить при помощи плазменного акту-атора на основе высоковольтного субмикросекундного разряда. Таким образом, актуальной становится задача исследования механизмов взаимодействия импульсного разряда с неоднородными газовыми средами.
Задачи диссертационной работы.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование механизмов взаимодействия импульсного филаментарного электрического разряда субмикросекундной длительности с неоднородной средой, в том числе в высокоскоростном потоке, включая изучение процессов его распространения, локализации и распада. В соответствии с поставленной целью, перед автором были поставлены следующие научные задачи:
-
Изучение динамики распространения филаментарного электрического разряда субмикросекундной длительности и формирования сильноточного канала.
-
Исследование особенностей локализации канала протекания разрядного тока в неоднородной среде и высокоскоростном газовом потоке;
-
Изучение динамики и морфологии неустойчивого распада послеразряд-ного горячего канала.
В силу практической направленности работы к числу решаемых задач относятся также:
-
Разработка методов управления распространением и локализацией импульсного разряда; оптимизация конфигурации разрядного филамента для повышения эффективности воздействия на среду;
-
Разработка и экспериментальная проверка метода определения локального соотношения концентраций газов на основе спектроскопии излучения пробного разряда;
-
Экспериментальное исследование процесса интенсификации смешения двухкомпонентной газовой среды мощным импульсным разрядом.
Научная новизна работы.
В данной диссертационной работе изложены экспериментальные результаты по исследованию поведения нестационарных электрических разрядов в неоднородной среде и высокоскоростном потоке. Некоторые из них были получены впервые. В частности:
1. Детально исследован процесс распада послеразрядного канала филаментарного разряда субмикросекундной длительности. Подробно исследованы и описаны неустойчивости мелкого масштаба (неустойчивость Рэлей-Тейлора) и крупномасштабные (струйные) неустойчивости. Струйный тип высокоскоростных неустойчивостей обнаружен и описан впервые. На основе экспериментальных данных и результатов численного моделирования проведен анализ динамики развития обнаруженных неустойчивостей. Предложена физическая модель развития газодинамических возмущений, индуцированных импульсным разрядом.
-
Впервые описан и исследован эффект специфической локализации разряда при различных типах неоднородности среды. Исследован механизм распространения субмикросекундного разряда длительностью < 100 не в неоднородной среде с градиентом концентрации компонентов и в высокоскоростном потоке. Распространение разряда происходит в две стадии - распространения разветвленного стримерного «дерева» и непосредственный энерговклад в один из возможных каналов пробоя. Экспериментально установлены два типа взаимодействия импульсного разряда с градиентом концентрации, определяющие специфическую локализацию разрядного канала - взаимодействие на стадии распространения стримеров, и на стадии развития ионизационно-перегревной неустойчивости.
-
Экспериментально изучен процесс интенсификации смешения топлива с окислителем при помощи филаментарного разряда в широком диапазоне условий. Исследованы возможные схемы построения плазменного актуатора смешения на основе импульсного субмикросекундного разряда.
-
Разработан комплекс диагностики включающий в себя систему визуализации газодинамических возмущений и метод определения локального соотношения концентрации газов. Визуализация газодинамических возмущений основана на теневой съемке по схеме Теплера с импульсной подсветкой. Предложен и реализован метод измерения локального соотношения концентраций газов на основе спектроскопии излучения пробного разряда. Разработанный комплекс диагностики применен для детального исследования процессов распространения, локализации и распада канала импульсного разряда. Возможности диагностического комплекса позволили исследовать процесс интенсификации смешения в неподвижном газе и в дозвуковом и сверхзвуковом газовых потоках.
Научно-практическая ценность работы.
В настоящий момент плазменно-инициированное горение является перспективным направлением в области прикладной плазменной аэродинамики. Перемешивание топлива с окислителем в потоке является одной из лимитирующих стадий горения в целом. Разработанные на основе экспериментальных данных плазменные актуаторы могут стать ключевым элементом системы поддержания горения в высокоскоростном потоке, необходимой для создания гиперзвукового двигателя. Использование электрических разрядов в высокоскоростном потоке в перспективе может решить задачу интенсификации смешения топлива с окислителем в высокоскоростном потоке без потери полного давления.
Полученные результаты могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся импульсными газоразрядными технологиями и техникой высоких напряжений. Механизм распространения стримеров и локализация филамента высоковольтного разряда, работающего в импульсном режиме, оказывают влияние на пробойные напряжения и геометрию энерговклада в разряд.
Исследование газодинамического распада канала тесно связано с восстановлением диэлектрической прочности промежутка. Результаты исследования газодинамического распада послеразрядного канала могут быть использованы для генерации интенсивных газодинамических возмущений среды, с целью, например, интенсификации смешения компонентов среды. В тех областях техники, где требуется высокая скорость возбуждения возмущений и малое время отклика, исследованные эффекты играют решающую роль в работе всей системы.
Объединение первых двух частей работы позволяет разрабатывать комплексную систему управляемого возбуждения газодинамических возмущений в различных типах сред. Разработанные основы применения излучения пробного разряда для анализа степени смешения газов могут быть использованы для создания модульной системы измерения с гибкими параметрами.
Достоверность полученных результатов.
Приведенные в диссертации экспериментальные результаты получены на трех экспериментальных установках с привлечением различных измерительных методик. Аналогичные наблюдения и измерения выполнены в Принстонском университете, США. Результаты в значительной степени совпадают в части пересечения постановки эксперимента. Часть результатов сравнивается с данными численного анализа, показывающего качественное и, в ряде случаев, количественное совпадение. Результаты обсуждались с ведущими мировыми специалистами в области развития неустойчивости и распространения электрических разрядов. Таким образом, достоверность изложенных экспериментальных результатов является весьма высокой.
Апробация работы.
Основные результаты работы были доложены лично автором и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, симпозиумов, рабочих совещаний и семинаров, из которых наиболее значимыми являются: (1) International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, Moscow, Russia (2009-2013); (2) 7th International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations, St. Petersburg, Russia, (3) October 4-8, 2010; FLUCOME 2011, National Taiwan University, Keelung, Taiwan, December 5-9, 2011; (4) Proceedings of 19th International Conference on Gas Discharges and Their Applications, Beijing, Sept 2012, paper 159.
Квалификационная ценность результатов исследований признана международным научным сообществом, в частности, посредством обсуждения результатов в рамках грантов Международного Научно-Технического Центра (проект МНТЦ №3793) и РФФИ (№10-08-00952-а). Результаты также использованы при выполнении Программ Президиума РАН №20 и №09.
Публикации и личный вклад автора. Основное содержание и результаты диссертационного исследования изложены в 21 работах, в том числе в 2 статьях в рекомендованных ВАК журналах. Во всех работах соискателю принадлежит
участие в постановке и проведение эксперимента, обработке данных и аналитическом анализе результатов. Все положения, выносимые на защиту, получены лично соискателем.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения, содержащего список публикаций по теме диссертации. Работа изложена на 134 страницах и включает 62 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 75 наименований.
