Введение к работе
Актуальность темы
Исследование взаимодействия поток – плазменное образование является перспективным и быстро развивающимся направлением современной науки. Необ-ходимость более тщательного изучения такого взаимодействия возникла в связи с созданием высокоскоростных летательных аппаратов.
Целью проводимых в этой области экспериментальных и расчетно-теоретических исследований являются: 1) улучшение управляемости летательных аппаратов путем воздействия плазменных образований на параметры набегающего потока и пограничного слоя 2) снижение аэродинамического сопротивления и улуч-шение теплообмена; 3) интенсификация смешения и горения в сверхзвуковом пото-ке камеры сгорания.
Обеспечение выполнения устойчивого, эффективного смешения и сгорания газообразных топлива и окислителя в сверхзвуковом потоке камеры сгорания – одна из важных задач при создании двигателей гиперзвуковых самолетов. На коротких пролетных временах топливо и окислитель не успевают образовать способную к сгоранию смесь, и необходимо применять дополнительные способы интенсифика-ции смешения.
Одним из методов, позволяющим интенсифицировать смешение и горение в газовых потоках разделенных компонентов топлива и окислителя, является МГД-метод, который заключается: 1) в создании импульсного электрического разряда в газовом потоке; 2) в использовании взаимодействия электрического разряда с внеш-ним магнитным полем для организации вторичных вихревых течений. Преимущест-вом МГД-метода интенсификации смешения является быстродействие и бескон-тактное воздействие на потоки.
Применение МГД-метода интенсификации базируется на концепции реакци-онного объема. Горение как элементарная химическая реакция может произойти только в объеме, где имеет место столкновение молекул топлива и окислителя. Этот объем носит название “Реакционный объём” и формируется в результате диффузии на контактной поверхности струй топлива и окислителя: V(t)=S(t)(t), S(t) – площадь контактной поверхности струй топлива и окислителя, (t) – толщина диффузионного слоя. Концепция реакционного объема сформулирована, описана и апробирована в работах [1, 2].
Молекулярная диффузия достаточно медленный процесс на масштабах дос-тупных для смешения времен, лимитированных временем пребывания топлива и окислителя в камере сгорания: , D и t – коэффициент диффузии и время. Однако ускорить процесс создания реакционного объема можно, увеличивая пло-щадь контактной поверхности, например, генерацией вихревых возмущений в пото-ках топлива и окислителя (кинематическое перемешивание). Как показано в работах [3] и продемонстрировано в [4], в завихренном турбулентном потоке длины матери-альных линий и площади материальных поверхностей, в нашем случае площадь контактной поверхности топлива и окислителя, растут со временем по экспоненци-альному закону: S~S0exp, S0 – начальное значение площади контактной поверхности, W – масштаб характерной неоднородности завихренного потока.
Для организации вторичных вихревых течений и используется взаимодейст-вие тока электрических разрядов с внешним магнитным полем. Можно показать, что в среде с неоднородной проводимостью во внешнем магнитном поле непотенциаль-ная, вихревая электромагнитная сила не может быть уравновешена градиентом давления, и в системе возникают вихревые течения.
Таким образом, взаимодействие тока электрического разряда с магнитным полем используется для создания вторичных вихревых течений, которые способст-вуют росту реакционного объема через деформацию контактной поверхности топли-ва и окислителя, и тем самым интенсифицируют процесс смешения, в то же время энерговыделение в разрядной зоне и магнитное поле влияют на переносные свойст-ва компонентов.
Процессы и явления, обусловленные применением МГД-метода интенсифика-ции смешения, изучены недостаточно полно, и их экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование актуально для физики плазмы и плазменной аэроди-намики.
Цель работы – экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование взаимодействия контрагированных электрических разрядов с газовыми потоками во внешнем магнитном поле и влияния особенностей этого взаимодействия на смеше-ние предварительно неперемешанных газовых струй.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Выполнен комплексный анализ различных аспектов влияния взаимодейст-вия электрического разряда с внешним магнитным полем на структуру потока.
2. Получены экспериментальные результаты по эволюции и динамике элек-трического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном поле в ши-роком диапазоне параметров.
3. Проведено численное исследование эволюции и динамики электрического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном поле и влияния взаи-модействия электрического разряда с внешним магнитным полем на структуру и смешение потоков газа.
4. Применен подход Лагранжа к описанию эволюции и динамики электрическо-го разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном поле, на основе ко-торого разработана квазитрехмерная трехтемпературная модель контрагированного электрического разряда в потоках газа во внешнем магнитном поле.
5. Выявлены особенности эволюции и динамики электрического разряда в магнитном поле в газовой среде/потоках газа. Установлен общий характер эволюции формы разряда в магнитном поле в потоках газа. Предложен механизм, объясняю-щий вращение электрического разряда в коаксиальной конфигурации электродов. Описано явление вторичного пробоя.
6. Установлена структура вторичных вихревых течений, образующихся во внешнем магнитном поле в газовой среде с неоднородной проводимостью.
7. Продемонстрирована эффективность применения МГД-метода интенсифи-кации смешения предварительно неперемешанных газовых струй, через характер и особенности эволюции и динамики электрического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном поле, структуру потоков и оценку величины реакционно-го объема.
Достоверность результатов
Работа наглядно демонстрирует особенности взаимодействия контрагирован-ных электрических разрядов с газовыми потоками во внешнем магнитном поле и влияние особенностей этого взаимодействия на смешение предварительно непере-мешанных газовых струй. Достоверность экспериментальных результатов обеспечи-вается их воспроизводимостью и использованием для исследований современных средств измерений. Достоверность результатов численного моделирования под-тверждается их совпадением с результатами экспериментов.
Научная и практическая значимость
В результате экспериментальных и расчетно-теоретических исследований по-лучены новые сведения об особенностях взаимодействия контрагированных элек-трических разрядов с газовыми потоками во внешнем магнитном поле и о влиянии особенностей этого взаимодействия на смешение предварительно неперемешанных газовых струй. Результаты исследований демонстрируют эффективность примене-ния МГД-метода интенсификации смешения и необходимы при его практической реализации.
Положения, вынесенные на защиту
1. Результаты экспериментального исследования эволюции и динамики элек-трического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном поле, полу-ченные на базе созданной автором экспериментальной установки.
2. Квазитрехмерная трехтемпературная модель контрагированного электри-ческого разряда в потоках газа во внешнем магнитном поле.
3. Результаты расчетно-теоретического исследования эволюции, динамики и параметров электрического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем маг-нитном поле, полученные на базе разработанной квазитрехмерной модели.
4. Анализ результатов исследований параметров электрического разряда, его эволюции и динамики в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном поле, влияния взаимодействия электрического разряда с внешним магнитным полем на структуру и смешение потоков газа, полученных с использованием пакета программ двумерного моделирования PLASM AERO, разработанного к.ф.-м.н. А.Н. Бочаро-вым.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 4-th Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics in Aerospace Applications, 9-11 April, 2002; 14th International Conference on MHD Power Generation and High Temperature Technologies, Maui, Hawaii, 2002; 41st, 43rd, 44th, 45th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 2003 – 2007, 15th International Conference on MHD Energy Conversion and 6th International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Moscow, May 24-27, 2005; 27-th International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), Eindhoven, the Netherlands, 18-22 July, 2005; Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «проблемы создания перспективных авиационных двигателей», Москва, ЦИАМ, 27-30 сентября, 2005; Mинский международный коллоквиум по физике ударных волн, горения, взрыва, детонации и неравновесным процессам MIC 2005, Минск, 14-19 но-ября 2005; Школа-семинар по магнитоплазменной аэродинамике, 26-27 апреля, Мо-сква, 2006; 31st International symposium on combustion, Heidelberg, Germany, August 6-11, 2006; 16th International Conference on Gas Discharges and their Applications, Xian, China, Sept. 11-15, 2006; 7th International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Moscow, May 24-27, 2007; 16th International Conference on MHD Energy Conversion, 25-28 June 2007, Miami, Florida.
Публикации
Результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, список которых приводится в конце автореферата.
Объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 130 страниц, включая 95 рисун-ков.
