Содержание к диссертации
Введение
1 Введение 5
1.1 Актуальность исследований 5
1.2 Состояние исследований на текущий момент 9
1.3 Постановка задачи 21
1.4 Научная новизна работы 22
1.4.1 Основные положения, выносимые на защиту . 22
1.4.2 Научная и практическая ценность работы 23
2 Гиперзвуковые течения сильнонеравновесной плазмы 24
2.1 Экспериментальная установка для изучения гиперзвуковых потоков плазмы 24
2.1.1 Вакуумная система 24
2.1.2 Система инициирования и контроля разряда в гиперзвуковом потоке 26
2.1.3 Система диагностики 29
2.2 Изменение сверхзвукового обтекания при воздействии на гиперзвуковой поток газового разряда 36
2.2.1 Измерение давления полного напора за ударной волной 37
2.2.2 Влияние зоны энерговыделения на параметры обтекания 38
2.2.3 Энергия и концентрация электронов плазмы . 39
2.2.4 Распределение электрического поля 44
2.2.5 Изменение вращательной температуры потока . 47
2.2.6 Измерение величины отхода ударной волны 51
2.2.7 Изменение картины обтекания под действием энерговклада в разряд 57
3 Численное моделирование обтекания тел разреженным гиперзвуковым потоком газа с возбужденными внутренними степенями свободы 59
3.1 Разработка вычислительного алгоритма описания течения плазмы 59
3.1.1 Моделирование гидродинамики 59
3.1.2 Кинетическая схема 60
3.2 Результаты моделирования 62
3.2.1 Изменение картины обтекания цилиндра в зависимости от степени возбуждения внутренних степеней свободы гиперзвукового потока 62
3.2.2 Обтекание цилиндра при различных размерах зоны энерговыделения 63
4 Управление отрывом пограничного слоя с помощью скользящего наносекундного разряда 68
4.1 Развитие скользящего разряда вдоль поверхности 68
4.1.1 Экспериментальная установка для изучения развития разряда 68
4.1.2 Динамика развития наносекундного скользящего разряда 69
4.1.3 Изучение дополнительного импульса, вкладываемого в поток 73
4.2 Дозвуковая аэродинамическая труба МФТИ 74
4.2.1 Аэродинамический канал 74
4.2.2 Система измерения давления вдоль поверхности модели 75
4.2.3 Система подвода высокого напряжения и инициирования разряда 76
4.3 Влияние скользящего разряда на обтекание модели с хордой 0.1 м потоком газа 78
4.3.1 Измерение параметров потока и аэродинамических характеристик 78
4.3.2 Влияние геометрии электродов на параметры обтекания 86
4.4 Дозвуковая аэродинамическая труба ИТПМ 90
4.4.1 Экспериментальная установка 90
4.4.2 Организация разряда 91
4.4.3 Система диагностики течения потока 92
4.5 Экспериментальные результаты по управлению отрывом пограничного слоя при низком начальном уровне турбулентности 93
4.5.1 Влияние скользящего разряда на обтекание модели с хордой 0.1 м потоком газа 93
4.5.2 Влияние скользящего разряда на обтекание модели с хордой 0.5 м потоком газа 94
5 Выводы 103
СПИСОК РИСУНКОВ 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 111
- Актуальность исследований
- Экспериментальная установка для изучения гиперзвуковых потоков плазмы
- Кинетическая схема
- Динамика развития наносекундного скользящего разряда
Введение к работе
1.1 Актуальность исследований
При полетах летательных аппаратов одной из проблем является контроль положения точки отрыва погранслоя на профиле крыла - в частности, необходимо избегать отрыва потока, поскольку это оказывает катастрофическое влияние на аэродинамические характеристики профиля. Перспективной задачей является создание устройств, позволяющих быстро изменять положение точки отрыва и таким образом перестраивать структуру потоков около профиля и изменять аэродинамические характеристики.
В настоящее время используется два основных способа для изменения структуры потока с помощью различных типов разрядов. Первый из механизмов плазменного контроля обтекания - локальный нагрев газа возле поверхности, основанный на изменении температуры и плотности газа в зоне разряда. Для трансзвуковых потоков небольшого вложения добавочной энергии по сравнению с энергетикой основного потока достаточно для смещения слабых ударных волн и, следовательно, существенной перестройки структуры потока. В некоторых случаях можно считать, что такой нагрев эквивалентен изменению формы поверхности тела.
Воздействуя на поток импульсным разрядом, мы можем изменить скорость, температуру и давление потока газа из-за ускорения потока нескомпенсированным зарядом, находящимся в полях с сильными градиентами. Основными достоинствами таких устройств является отсут- ствие подвижных частей, малое время реакции и высокая надежность. В работах, выполненных по данной тематике, максимальная добавочная скорость потока составляет метры в секунду, что сильно ограничивает использование данного эффекта и ставит вопрос о границах применимости метода, в частности максимальной скорости потока, начиная с которой принципиально нельзя изменить положение точки отрыва. До начала данной работы типичная максимальная скорость потока, на которой удается получить смещение точки отрыва погранслоя равнялась 20 м/с. Основной проблемой является требование одновременного наличия плазмы с достаточно большой концентрацией заряженных частиц для эффективной передачи импульса газу и больших градиентов электрических полей для ускорения ионов. Для минимизации энергозатрат требуется использование электрических разрядов с очень локальным по пространству и малым во времени вкладом энергии. Итак, требуется вложение энергии в определенной точке пограничного слоя, соответствующей точке отрыва при высокой скорости релаксации энергии в разряде и существенной величине нескомпенсированного заряда. Наиболее подходящим в этих условиях является импульсный скользящий разряд.
До сих пор не существует численной модели, позволяющей корректно описать изменение картины обтекания под действием разряда с асимметричным расположением электродов. Предварительные оценки показывают, что такая модель не может строится в предположении однородного заполнения плазмой поверхности и должна учитывать нескомпенсиро-ванный заряд, образующийся при распространении одиночного стримера вдоль поверхности.
Как известно, при сверхзвуковых полетах с большими числами Маха основной вклад в сопротивление самолета вносит сопротивление, возникающее за счет образования перед телом ударной волны. Таким образом, если бы удалось уменьшить волновое сопротивление, зажигая разряд перед летящим телом, это дало бы существенную экономию топлива и позволило бы резко увеличить скорость полетов. По этой причине возник интерес к проблеме распространения сильных ударных волн через неравновесную низкотемпературную плазму и кинетики релаксации энергии из внутренних степеней свободы возбужденного газа за ударной волной.
Одним из ключевых вопросов является выбор способа вложения энергии в газ с максимальным КПД.
Таким образом, большой интерес представляет разработка детальной численной модели, включающей в себя совместное решение многомерных уравнений течений и поуровневых неравновесных кинетических уравнений, которая позволяла бы описывать общие особенности неравновесных молекулярных плазменных потоков для аэродинамических приложений. Как следствие, возникает задача экспериментального исследования процессов энергообмена в неравновесных условиях при высокой энергии возбуждения и оценка роли рекомбинационного/диссоциативного потока энергии на перераспределение энергии между различными степенями свободы. Такие исследования удобно проводить в гиперзвуковых потоках низкой плотности с низкой поступательной температурой, так как это позволяет пространственно разделить зону энерговложения разряда во внутренние степени свободы и дальнейшую релаксацию энергии в поступательные степени свободы.
Кроме того, при низкой плотности газа удается эффективно вкладывать энергию во внутренние степени свободы газа. В импульсных разрядах, например в импульсном коронном разряде, эффективность ионизации очень велика. В основном, это связано с тем, что сильное электрическое поле за короткое время может разогнать электроны до огромных скоростей. При использовании электронных пучков эффективность еще выше - до 50% энергии идет на ионизацию молекул газа.
При изучении неравновесных потоков газа важно уметь правильно описывать процессы распределения и обмена энергии в газе, такие как возбуждение и релаксация колебательных степеней свободы, электронное возбуждение и химические реакции между компонентами потока. Практическое применение неравновесных систем в молекулярных лазерах, химических реакторах, сверхзвуковых соплах и ракетных двигателях невозможно без понимания этих процессов. В частности, для компьютерного моделирования кинетики необходимо знать константы скоростей реакций.
Наиболее важным вопросом для плазменного контроля потоков является количество энергии, необходимое для эффективного изменения аэродинамических сил.
При больших перенапряжениях, тлеющий разряд, стабилизированный сверхзвуковым потоком газа, также может являться источником сильно возбужденной плазмы. В разреженных газах приведенное поле такого разряда соответствует режиму убегания электронов. До настоящего момента, при изучении влияния плазмы на распространение ударных волн, данный тип разряда не применялся. Благодаря высокой степени однородности, изучение кинетики процессов в таких неравновесных условиях представляет большой интерес.
1.2 Состояние исследований на текущий момент
В настоящее время используется два основных способа изменения структуры потока с помощью различных типов разрядов. Первый из механизмов плазменного контроля обтекания - локальный нагрев газа возле поверхности, основанный на изменении температуры и плотности газа в зоне разряда. Для трансзвуковых потоков небольшого вложения добавочной энергии по сравнению с энергетикой основного потока достаточно для смещения слабых ударных волн и, следовательно, существенной перестройки структуры потока. В некоторых случаях можно считать, что такой нагрев эквивалентен изменению формы поверхности тела [1].
Работы по аномальному поведению ударной волны в слабо ионизированной плазме были стимулированы в последнее время благодаря возможным промышленным приложениям. Перспективы использования плазмы в сверхзвуковых потоках включают в себя уменьшение сопротивления, изменение аэродинамического качества, создание МГД источников электроэнергии и МГД управление пограничным слоем. Это явление экстенсивно анализировалось в последние 15 лет, в основном в России в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в С.-Петербурге и Радио- техническом институте в Москве. Ранее подобные эксперименты проводились в U.S. Air Force Laboratories - Wright Patterson и в Arnold Engineering Development Center. Полученные результаты указывают на следующие эффекты [2]:
Ускорение, ослабление, и расщепление ударных волн, запущенных в плазме тлеющего разряда с степенью ионизации 0.1-1 ррш;
Ослабление носовой ударной волны, сформированной перед снарядом, распространяющегося через плазму разряда при сверхзвуковой скорости (увеличение расстояния отхода ударной волны);
Существенное сокращение волнового сопротивления на снаряде (до 50 %).
Эти эффекты были получены в разрядах в различных газах (Аг, Не, N2, воздухе и СОг) при давлениях 3-30 Торр для чисел Маха в диапа- зоне 1.5 - 4.5. Они также сохраняются на значительных временах после выключения разряда (1 мкс в воздухе).
В настоящее время преобладает точка зрения о термическом механизме воздействия плазмы. В частности, в Ohio State University, хотя и наблюдали изменение формы ударной волны и уменьшение сопротивления тела, но при гораздо больших мощностях, сравнимых по порядку величины с энергетикой потока, и считают, что данный эффект вызван нагревом потока разрядом [3].
Особенности распространения ударных волн в сильнонеравновесной плазме можно объяснить несколькими различными механизмами. Во-первых, это изменение состава газа за счет его ионизации и диссоциации в разряде, что приводит к изменению молекулярного веса и показателя адиабаты газа. Во-вторых, появление в потоке заряженных частиц приводит к появлению так называемого "ионного звука" - механизма передачи возмущений с большой скоростью. И, наконец, возможен перегрев газа и изменение его плотности под действием энерговыделения из разряда (из-за релаксации внутренних степеней свободы газа либо за счет нагрева молекул газа прямым электронным ударом). В условиях малых степеней ионизации газа влияние на ударную волну может осуществляться только за счет возбуждения поступательных степеней свободы, поэтому возникает вопрос о механизме передачи в них энергии разряда.
Рассмотрим второй способ. За счет ускорения частиц плазмы в сильном электрическом поле можно вложить дополнительный импульс в поток.
В течение последних лет была продемонстрирована возможность изменения обтекания с помощью так называемых актуаторов, представляющих собой систему из ассиметрично расположенных электродов, разделенных слоем диэлектрика, между которыми развивается скользящий разряд. В [4]-[8] продемонстрировано использование плазменных актуаторов для задержки отрыва потока при малых скоростях.
В настоящий момент существует две принципиально разные методики использования актуаторов. В первом случае актуатор оптимизируется таким образом, чтобы импульс, сообщаемый нейтральному газу, был максимален. Как известно, отрыв потока происходит, когда скорость в пограничном слое падает до некоторой критической величины. При этом возникает обратное движение газа и возникает обратный вихрь, приводящий к отрыву. Если в этой точке расположить устройство, добавляющее импульс в направлении движения основного потока, можно сместить точку отрыва вниз по потоку. Расположив ряд таких устройств вдоль поверхности, можно добиться безотрывного обтекания. Основной проблемой является то, что для смещения точки отрыва актуатор должен создавать перепад давлений, сравнимый с перепадом давления вдоль крыла. Таким образом, для эффективного контроля точки отрыва приходится добавлять скорость, сравнимую со скоростью основного потока. В настоящее время удается достичь скорости газа в зоне разряда порядка 10 — 15 м/с. Именно поэтому данная методика хорошо работает только на малых скоростях (до 40 м/с) [9]-[11].
Другой способ воздействия актуаторов — турбулизация пограничного слоя разрядом. Турбулентный пограничный слой отрывается дальше по потоку, чем ламинарный, поэтому, турбулизуя пограничный слой, удается задержать отрыв потока. Для такой методики скорость основного потока не играет такой роли, как в предыдущем случае. В работах [12], [13] впервые была показана возможность управления отрывом на скорости до 86 м/с с помощью импульсного наносекундного питания.
Корке и др. показали возможность присоединения потока на больших углах атаки при расположении актуатора в области передней кромки модели [14]-[16],[32]. В [17] было исследовано влияние актуаторов на структуру вихрей около цилиндра. В работах [18] продемонстрировано использование актуаторов для предотвращения образования отрывных зон на лопатках турбин. Сила, создаваемая одиночным актуатором была измерена в [19],[21]. В [22] предложен механизм влияния актуаторов. Предполагалось, что плазма представляет собой диполь, расположенный в сильном электрическом поле. Временная и пространственная структура разряда не учитывалась.
Структура разряда при синусоидальном типе питания была изучена в работе [20]. В [23] проведено сравнение цугового и обычного питания для контроля структуры потока при обтекании цилиндра.
Попытка изучения различного типа питания акуаторов была прове- дена в работе [24]. Помимо обычного синусоидального питания применялось импульсное с частотой повторения около 100 Гц и длиной импульса от 22 не до 2 /гс.
Существует довольно большое количество способов контроля пограничного слоя с помощью механических устройств.
Возможность отрыва пограничного слоя зависит от механической энергии газа вблизи стенки, различной для ламинарного и турбулентного пограничного слоя Турбулентное перемешивание увеличивает скорость газа вблизи поверхности, следовательно, при прочих равных условиях, турбулентный пограничный слой отрывается ниже по потоку, чем ламинарный [26].
Иногда отрыв приводит к нежелательным последствиям, таким как: уменьшение эффективности несущей способности тел, ухудшению управляемости, возрастанию тепловых потоков на отдельных участках обтекаемой поверхности. Однако отрыв потока может быть и полезен. Например, управляя отрывом, создают требуемые усилия и моменты, обеспечивают допустимый режим теплопередачи, улучшают аэродинамические характеристики летательных аппаратов[31].
Так как факторами, определяющими отрыв потока, являются положительный градиент давления и вязкость, отрывом можно управлять, изменяя структуру вязкого течения. Отрывом можно управлять без подвода и с подводом энергии, например выбирая соответствующую форму поверхности тела или применяя специальные методы, такие как отсос пограничного слоя.
За счет вдува воздуха можно значительно повысить энергию течения, благодаря чему поток остается присоединенным к поверхности при большом положительном градиенте давлений. Этот метод получил широкое распространение. Увеличение сопротивления за счет применения щелевого закрылка при малых углах атаки малб по сравнению с профилированными при той же подъчмной силе [28], поэтому щелевой закрылок весьма выгоден при взлете и посадке самолетов. На практике существует множество различных типов щелевых закрылков [29].
Генераторы вихрей подводят энергию из внешнего течения в пограничный слой и применяются главным образом для управления уже ото- рвавшимся потоком на крыльях, в диффузорах и коленах труб. Путем установки на крылья генераторов вихрей различной формы возможно увеличить подъемную силу, угол атаки, соответствующий максимальной подъч,мной силе [27] [30].
Для численного моделирования воздействия актуатора на обтекание, требуется создание модели развития разряда и включение ее в численную гидродинамическую модель. В настоящий момент модели, позволяющей описывать распространение разряда вдоль поверхности при больших перенапряжениях, реализующихся в эксперименте, не существует. Модель должна учитывать пространственную и временную структуру разряда.
В случае, когда на актуатор подается синусоидальное питание, разряд развивается в виде отдельных стримеров, разнесенных как по времени, так и по пространству, поэтому для корректного описания требуется создание трехмерной модели. В данной работе рассматривается импульсное наносекундное питание. В этом случае стримерные вспышки стартуют с кромки верхнего электрода одновременно, однако все равно имеют трехмерную структуру[12],[34].
Времена развития разряда (10 не) и характерных гидродинамических времен (0.1 мс) сильно отличаются, что позволяет разделить задачу на две отдельные части. При изучении влияния разряда на развитие турбулентности, необходимо уметь рассчитывать переход ламинарного течения в турбулентный, причем принципиально в трехмерной постановке задачи. В настоящий момент мощности компьютеров недостаточно для расчета такой задачи.
Существует большое число численных моделей, описывающих распространение разряда в различных 2D конфигурациях как в свободном пространстве[35] - [39], так и в присутствии диэлектрической поверхности [40]-[45]. Однако характерные приведенные поля, для которых производится расчет, примерно на порядок - два меньше чем реализуются в экспериментах с плазменными актуаторами.
В работе [41] было проведено моделирование распространения разряда вдоль поверхности в двухмерной постановке и рассмотрена структура разряда. Проведено сравнение скользящего разряда с объемным барьерным разрядом. Показано, что картина распространения в случае положительной и отрицательной полярности имеет различный характер. Изучена пространственная структура разряда, приведена времяразре-шенная картина тока в промежутке. Время развития отдельного стримера составляло 10 не при атмосферном давлении. Показано, что, в отличие от объемного барьерного разряда, вольт-амперная характеристика поверхностного разряда имеет нелинейный характер. Характерные поля в численной модели составляли порядка 100 таунсенд.
Отклик потока за отрывной зоной профиля NACA 0015 при угле атаки 15 градусов и числе Рейнольдса 45, 000 на объемную силу, возникающую при воздействии радиочастотным разрядом на несимметричном актуато-ре с диэлектрическим слоем был численно исследован в работе [46]. Была предложена теоретическая модель, феноменологически вводящая усредненную объемную силу в численную модель уравнений Навье-Стокса высокого порядка точности. Предполагалось, что распределение объемной силы изменялось линейно, убывая с расстоянием от поверхности до тех пор, пока не достигалась критическая величина электрического поля. Различные амплитуды и ориентации поля сил были исследованы в данной работе, начиная с направленных вертикально вверх (в направлении от тела), кончая направленными вертикально вниз (в направлении тела). Возникающие объемные силы объединяются с нелинейными инерционными членами и градиентом давления, порождая сложную последовательность событий. Значительный компонент скорости, направленный вниз по потоку, вызывает частичную или полную ликвидацию отрыва потока с помощью формирования стабильного пристенного потока. Когда присутствует только одна компонента вектора силы, направленная по нормали к поверхности к ней или от нее, эффект контроля отрыва по-гранслоя не наблюдается. С другой стороны, когда вектор силы направлен в направлении поверхности, наблюдается отрыв выше по потоку, сопровождающийся нестационарным развитием возмущений в пограничном слое. При низких числах Маха потока (0.1), работа, производимая объемными силами, дает малый вклад в решение, и изменения плотности остаются на уровне менее 5%. Эффект релаксации был изучен при внезапном выключении действующей силы, проведены оценки времени от- клика. Отсутствие механизма разрушения оторванного сдвигового слоя в 2D геометрии приводит к формированию крупных когерентных структур, отклик которых в переходных и нестационарных асимптотических режимах существенно отличается от режимов в случае 3D геометрии. Однако, если прикладываемая сила достаточно эффективна для предотвращения отрыва, течение в основном становится двумерным и стационарным в окрестности профиля, и результаты двумерного и трехмерного моделирования дают сходные результаты.
Так, например,результаты, полученные в случаях 1 и 2 показывают, что отрыв существенно уменьшен. Поток становится практически стационарным, но наблюдаются умеренные низкочастотные осцилляции в следе ниже задней кромки. В этой области сетка достаточно груба и возможные нестабильности в следе могут подавляться конечным размером размера расчетной области по размаху. Случаи 3 и 4 не дают квазистационарных асимптотик. Неэффективность случая 3, в котором сила направлена нормально к поверхности в направлении от тела не является чем-то неожиданным, поскольку просматривается параллель с вдувом потока нормально к поверхности. В случае, когда сила направлена вертикально вниз, размер возмущенной области уменьшается, но решение остается нестационарным, поскольку зарождаются когерентные структуры и сносятся затем вниз по потоку.
Поток на профиле с плазменным актуатором исследовался также в [47]. Использовалось переменное напряжение высокой частоты для создания и поддеРжания плазмы. Исследовался профиль NACA0012 в аэродинамическом канале. Измерялись скорости в следе за профилем в случае включенного и выключенного актуатора. В работе демонстрируется эффект снижения силы сопротивления профиля при больших углах атаки.
Некоторые эффективные параметры, управляющие эффективностью подавления отрыва пограничного слоя с использованием несимметричного барьерного разряда, были рассмотрены в работе [48] для потока слабо-ионизованного газа за плоской пластиной под углом атаки. Была использована самосогласованная модель плазменного актуатора для определения импульса, передаваемого от электрического поля газу. Уравнения, контролирующие движение электронов, ионов и нейтральных частиц решались совместно с уравнением Пуассона для исследования влияния различных параметров на управление отрывом. Показано, что диэлектрическая поверхность становится отрицательно заряженной и средняя по времени сила действует на поток преимущественно в направлении вниз по потоку, с поперечной компонентой, направленной к стене. Импульс, передаваемый полем заряженной компоненте, передается газу в серии упругих столкновений и при перезарядке. Таким образом, формируется пристеночный поток газа, который эффективно убирает отрыв потока. Показано влияние нескольких физических и геометрических параметров, таких как амплитуда, профиль возбуждения, диэлектрическая постоянная, начальный уровень ионизации, и геометрия электродов. Показано, что при увеличении количества пар электродов, находящихся в фазе, передача момента от поля к газу практически прямо пропорциональна числу пар электродов и демонстрирует только слабую тенденцию к снижению эффективности с ростом их числа.
Для повышения эффективности работы плазменных актуаторов в работе [49] было проведено разделение потока мощности через актуатор на четыре части: 1) Реактивные потери сопротивления из-за несоответствия импедансов генератора и актуатора; 2) Диэлектрический нагрев барьера; 3) Мощность, затрачиваемая на поддержание атмосферной плазмы; 4) Мощность, передаваемая потоку газа столкновениями между заряженными и нейтральными частицами. Эти четыре потока могут, и обычно являются, соизмеримыми по интенсивности. В работе [49] проводится анализ возможностей в понимании и минимизации первых трех потоков, и максимизировать четвертую с помощью улучшения геометрии актуатора и используемых материалов.
Детальная физическая модель несимметричного разряда с диэлектрическим барьером в воздухе была разработана в [50]. Проведено моделирование развития разряда при подаче синусоидального напряжения. Показана исключительно важная роль заряда диэлектрической поверхности электронами на фазе катодного разряда. На фазе анодного разряда электроны поверхности своим зарядом дополнительно ускоряют ионы и газ в целом. Показано, что движение положительных ионов к внешне- му электроду является основным источником неэффективности синусоидального или почти синусоидального напряжения. На основе достигнутого понимания физики барьерного разряда была предложена оптимальная форма высоковольтного импульса, состоящая из высокочастотного наносекундного (с длительностью несколько наносекунд) и постоянного напряжения, приложенных к высоковольтному электроду. Скорость око-лостеночного потока, создаваемого актуатором, может быть существенно (потенциально - на 1-2 порядка по величине) выше, чем скорости, получаемые на синусоидальном напряжении актуатора при одинаковых напряжениях.
Концепция плазменных предкрылков была продемонстрирована с использованием одноэлектродного барьерного плазменного актуатора на поверхности профиля в аэродинамической трубе открытого типа в работе [52]. Работа расширяет предпринимавшиеся ранее усилия той же группы авторов по контролю отрыва потока от передней кромки крыла. Система с активным контролем состоит из одного широкополосного датчика давления и системы, обеспечивающей обратную связь для управления актуатором и отрывом потока. Две различных системы управления обратной связью использовались для достижения результата. Экспериментальные измерения показали, что аэродинамический эффект адаптивного плазменного актуатора сравним с эффектом от актуатора открытого типа, действие которого приводит к исчезновению гистерезиса по углу отрыва потока, увеличению критического угла на 7 градусов и увеличению отношения подъемной силы к силе сопротивления почти в три раза. Отработаны методы снижения энергопотребления актуаторов.
В работе [53] были проведены эксперименты по изучению эффекта влажности воздуха на работу плазменного актуатора в условиях, близких к полетным. Вакуумный аэродинамческий канал открытого типа с сечением 30x30 см2 был использован при проведении измерений. Проведено сравнение распределения давлений по поверхности профиля для включенного и выключенного актуатора. Представлены рекомендации по использованию плазменных актуаторов.
В работе [54] предложена новая геометрия актуатора, основанная на вложенных кольцеобразных электродах. В этой геометрии возможно получение струи газа, направленной к или от поверхности профиля без ускорения потока как целого. Были проведены 2D PIV измерения распределения скоростей в области актуатора. Включение актуатора приводит к формированию трех вихревых колец, вращающихся в противоположных направлениях. Исследован эффект изменения частоты питающего напряжения и проведены предварительные эксперименты по использованию данного типа актуатора как устройства, создающего поток газа в нормальном к поверхности направлении.
В работе [56] разработана математическая модель плазменного актуатора, использующегося для контроля потока. Влияние плазменного актуатора на параметры потока были введены в уравнение Навье-Стокса как вектор некоторой объемной силы, являющейся действием внешнего поля на объемный заряд плазмы. Модель вычисляет эту силу на основе совместного решения уравнения Пуассона и уравнения движения заряженных частиц в самосогласованном поле. Эффект влияния плазменного актуатора на обтекание лопатки турбины РАК-В был продемонстрирован численно.
В работе [57] были измерены распределения скоростей перед и за плазменным актуатором в области сформированного пограничного слоя при скоростях внешнего потока от 4.6 до 6.8 м/с для диапазона частот 5-20 кГц и диапазона напряжений от 7.5 до 10 кВ. Объемная сила была рассчитана для каждого случая. Результаты показали, что объемные силы действуют в области, заметно меньшей по размеру чем толщина пограничного слоя. Для постоянного напряжения продемонстрировано, что объемные силы пропорциональны частоте следования импульсов, в то время как диссипация энергии в цикле не зависит от частоты. Объемная сила не зависит от скорости основного потока.
Диэлектрический барьерный разряд в работе [58] был использован для изменения скорости газа в пристеночном слое в двумерном течении с отрывом. Были получены профили погранслоя при различных мощностях и частотах разряда. Электроды барьерного разряда были ориентированы под углом 600 к потоку. Формировался отрывной пузырь на плоской тестовой поверхности с помощью создания противодавления в потоке. Точка расположения электродов лежала вблизи точки отрыва потока. Разряд работал на частоте 2 и 7 кГц, мощность разряда достигала 20,30 и 40 Вт при Re = 50,000; 75,000 и 100,000 , соответственно. Скорость потока варьировалась от 3 м/с до примерно 10 м/с. Уровень турбулентности составлял 3.3%, 5.4%. Обнаружено значительное влияние разряда на увеличение скорости ламинарного отрыва потока (до 40%). В турбулентном режиме существенных изменений не обнаружено.
В работах [59] - [61] была сделана попытка моделирования распространения разряда вдоль поверхности. Моделирование производилось с помощью метода Монте-Карло, в модели использовался метод частиц в ячейках (PIC- DSMC). Изучался нагрев газа в разряде и суммарная сила, создаваемая актуатором.
Расчеты проводились для чистого кислорода и чистого азота. Азот использовался для моделирования развития разряда в электроположительных, а азот - в электроотрицательных газах. Авторы указывают, что расчеты с кислородом более близко описывают эксперименты в атмосферном воздухе, так как энергия диссоциации кислорода меньше, чем у азота, поэтому химическая кинетика определяется в основном реакциями с атомарном кислородом. В модель были включены реакции, учитывающие диссоциативную и ион-ионную рекомбинацию, упругие столкновения, также в рассмотрение была включена вторичная электронная эмиссия с электрода. Кинетические процессы на поверхности не учитывались.
Был рассчитан профиль скоростей создаваемый разрядом, рассчитана суммарная сила, создаваемая актуатором. Результаты моделирования показали, что в течение первой четверти синусоиды (отрицательная часть с отрицательным градиентом) суммарная сила направлена по потоку, а в третьей четверти - против, причем сила, направленная против потока примерно в 20 раз слабее. По данным работы, дополнительный нагрев газа в разряде не существенен и не может объяснить наблюдаемые в эксперименте дополнительные скорости.
Основным недостатком данной работы является то, что при моделировании не учитывалась пространственная и временная структура разряда. Расчет проводился в предположении, что разряд существует в течение всего высоковольтного импульса, тогда как в экспериментах, проведенных этой же группой, четко показывалось, что в течение одного импульса развивается множество микросекундных импульсов, каждый из которых развивается в виде одиночного стримера и имеет, вообще говоря, трехмерную структуру.
В работе [62] предложено использование специального аэродинамического профиля для оптимизации плазменного управления обтеканием. Основной идеей являлось использование модели с ламинарным погранс-лоем практически вдоль всего профиля и с участком резкого наклона около задней кромки модели. Использование актутора перед наклонным участком позволяло существенно улучшить обтекание профиля.
1.3 Постановка задачи
Основной целью работы являлась разработка методики управления потоками газа вблизи поверхности с помощью неравновесной плазмы газового разряда.
Целью исследования сверхзвуковых потоков было:
Экспериментальное изучение влияния аномального тлеющего разряда на распространение ударных волн в условиях низкой температуры (20 К) и низкой плотности набегающего потока (5 Ю-3 торр).
Получение количественных характеристик потока плазмы, в частности, полей пространственного распределения концентрации и энергии электронов, температуры и давления потока, анализ возможных механизмов изменения параметров обтекания тела.
Целью изучения обтекания на дозвуковых скоростях являлось:
Экспериментальное исследование картины развития скользящего наносекундного разряда с наносекундньш разрешением при больших перенапряжениях на разрядном промежутке. Изучение однородности разряда, степени заполнения промежутка и скорости распространения разряда.
Получение зависимости изменения профиля давления вдоль крыла, аэродинамического качества и других характеристик потока от параметров наносекундного разряда (частоты повторения импульсов, длительности импульсов, напряжения на разрядном промежутке)
Экспериментальное исследование возможности применения импульсного наносекундного разряда для изменения положения точки отрыва пограничного слоя и изменения режима обтекания тел в широком диапазоне скоростей. Изучение возможности масштабирования эффекта.
1.4 Научная новизна работы
Получены данные по влиянию аномального тлеющего разряда на распространение ударных волн при давлениях 5 10~3 торр, температуре набегающего потока 20 К и числе Маха М = 9 при мощности разряда 10-200 Вт и напряжении 1-6 кВ. Показано, что изменение обтекания происходит вследствие нагрева потока разрядом.
Впервые получены данные по влиянию скользящего наносекундно-го разряда при больших перенапряжениях на обтекание профилей в отрывных режимах в широком диапазоне скоростей потока (20-110 м/с), частот следования импульсов (0.1 -10 кГц) и напряжений на разрядном промежутке (10-30 кВ). Впервые получена картина распространения наносекундного скользящего разряда при напряжениях 10-30 кВ с наносекундным разрешением (длительности импульса 10 - 30 не).
Впервые показана возможность управления с помощью разряда при мощности не превышающей 1 Вт на сантиметр хорды крыла обтеканием профиля потоком со скоростью до 110 м/с. Предложена методика управления обтеканием в отрывных режимах с помощью наносекундного импульсного разряда.
1.4.1 Основные положения, выносимые на защиту
Измерение перераспределения давления вдоль профиля за счет влияния импульсного наносекундного разряда в диапазоне углов атаки 10 — 20 и скоростей 20 — 110 м/с в широком диапазоне параметров разряда (частота повторения импульсов 0.1 -10 кГц, напряжение на разрядном промежутке 10-30 кВ).
Наличие максимума на зависимости подъемной силы от частоты следования импульсов скользящего наносекундного разряда.
Возможность управления обтеканием с помощью плазменных акту-аторов при малых (менее 0.1 м/с) дополнительных скоростях, сообщаемых потоку разрядом.
Экспериментальная демонстрация высокой эффективности применения наносекундного разряда для управления обтеканием тел в отрывных режимах.
Измерения влияния аномального тлеющего разряда на температуру и давление сверхзвукового потока газа в условиях низкой поступательной температуры (20 К) и низкой плотности набегающего потока (5 10""3 торр).
1.4.2 Научная и практическая ценность работы
Впервые детально исследовано влияние наносекундного скользящего разряда на обтекание профиля потоком газа в широком диапазоне скоростей (20 -110 м/с). Впервые продемонстрирована возможность управления обтеканием с помощью плазменных актуаторов при скоростях потока до НО м/с при мощности разряда 1 ватт на сантиметр хорды крыла. Показана возможность управления обтеканием при расположении электродов вдоль потока. Произведена съемка развития наносекундного скользящего разряда вдоль поверхности с наносекундным разрешением.
Изучено влияние аномального тлеющего разряда с измеренными полями концентрации и энергии электронов на поток в условиях низкой плотности и температуры газа. Обнаружено, что изменение обтекания происходит только при мощностях разряда, сравнимых с энергетикой потока. Проведено численное моделирование, показавшее, что в условиях эксперимента успевает происходить релаксация энергии запасенной в колебательных и диссоциативных степенях свободы. Показано, что, обеспечивая локализацию энерговыделения разряда, можно в несколько раз поднять эффективность влияния разряда на параметры потока.
Полученные данные позволяют строить модели энергообменов в низкотемпературной плазме и открывают возможности для практического применения плазменных систем для сверхбыстрого управления обтеканием летательных аппаратов.
Актуальность исследований
При полетах летательных аппаратов одной из проблем является контроль положения точки отрыва погранслоя на профиле крыла - в частности, необходимо избегать отрыва потока, поскольку это оказывает катастрофическое влияние на аэродинамические характеристики профиля. Перспективной задачей является создание устройств, позволяющих быстро изменять положение точки отрыва и таким образом перестраивать структуру потоков около профиля и изменять аэродинамические характеристики.
В настоящее время используется два основных способа для изменения структуры потока с помощью различных типов разрядов. Первый из механизмов плазменного контроля обтекания - локальный нагрев газа возле поверхности, основанный на изменении температуры и плотности газа в зоне разряда. Для трансзвуковых потоков небольшого вложения добавочной энергии по сравнению с энергетикой основного потока достаточно для смещения слабых ударных волн и, следовательно, существенной перестройки структуры потока. В некоторых случаях можно считать, что такой нагрев эквивалентен изменению формы поверхности тела.
Воздействуя на поток импульсным разрядом, мы можем изменить скорость, температуру и давление потока газа из-за ускорения потока нескомпенсированным зарядом, находящимся в полях с сильными градиентами. Основными достоинствами таких устройств является отсутствие подвижных частей, малое время реакции и высокая надежность. В работах, выполненных по данной тематике, максимальная добавочная скорость потока составляет метры в секунду, что сильно ограничивает использование данного эффекта и ставит вопрос о границах применимости метода, в частности максимальной скорости потока, начиная с которой принципиально нельзя изменить положение точки отрыва. До начала данной работы типичная максимальная скорость потока, на которой удается получить смещение точки отрыва погранслоя равнялась 20 м/с. Основной проблемой является требование одновременного наличия плазмы с достаточно большой концентрацией заряженных частиц для эффективной передачи импульса газу и больших градиентов электрических полей для ускорения ионов. Для минимизации энергозатрат требуется использование электрических разрядов с очень локальным по пространству и малым во времени вкладом энергии. Итак, требуется вложение энергии в определенной точке пограничного слоя, соответствующей точке отрыва при высокой скорости релаксации энергии в разряде и существенной величине нескомпенсированного заряда. Наиболее подходящим в этих условиях является импульсный скользящий разряд.
До сих пор не существует численной модели, позволяющей корректно описать изменение картины обтекания под действием разряда с асимметричным расположением электродов. Предварительные оценки показывают, что такая модель не может строится в предположении однородного заполнения плазмой поверхности и должна учитывать нескомпенсиро-ванный заряд, образующийся при распространении одиночного стримера вдоль поверхности.
Экспериментальная установка для изучения гиперзвуковых потоков плазмы
Эксперименты проводились на аэродинамической вакуумной трубе. Благодаря тому, что исследования проводились в стационарном режиме, стало возможным проведение измерений, требующих из-за низкой интенсивности сигнала режима накопления, в частности, разрешенных колебательно-вращательных спектров молекул, и, кроме того, упрощалась интерпретация полученных данных [63] - [65].
Объем рабочей камеры был достаточно большим (0.5 м3), что позволяло при рассмотрении истечения газа после сопла не учитывать влияние стенок камеры на картину обтекания. Следует3 правда, отметить, что несмотря на то, что стенки были достаточно удалены, в некоторых конфигурациях они оказывали существенное влияние на развитие разряда. В первую очередь это объясняется низкой плотностью газа, и, как следствие, большими приведенными электрическими полями, а также большими плотностями тока в разряде.
Камера соединялась клапаном ДУ 380 мм с основным объемом емкостью около 6 м3. Откачка производилась четырьмя паромасляны-ми бустерными насосами БН-4500 с суммарной производительностью 18000 л/с при давлении 0.1 торр и двумя последовательно с ними включенными форвакуумными механическими насосами ВН-6Г. К рабочей камере был подсоединен форвакуумный насос с производительностью 5 л/с, что позволяло производить откачку камеры независимо от остального объема.
Гиперзвуковой поток формировался при расширении рабочего газа из форкамеры в рабочую через коническое сопло. Расчетный режим соответствовал числу Маха М = 8.2. Расход газа равнялся примерно 0.5 г/с. Диаметр критического сечения сопла составлял 4 мм, а диаметр выходного сечения - 80 мм. При данных давлениях следует учитывать появляющийся в сопле пограничный слой, толщина которого при данных условиях составляет в выходном сечении сопла около 12 мм, вследствие чего изоэнтропическое ядро потока было меньше выходного сечения и равнялось 55 мм. Перепад давления между форкамерой и рабочей камерой регулировался натекателем и составлял 20 - 40 торр. Величина перепада измерялась с помощью U-образного манометра. Давление в камере и основном объеме вакуумной трубы измерялось с помощью термопарных ламп ЛТ-2 с вакуумметром ВИТ-1
Следует заметить, что, хотя при указанных выше условиях температура потока после сопла составляет 20 К, газ (воздух) в рабочей камере не успевает конденсироваться из-за малого времени движения.
Кинетическая схема
В данной части работы было проведено численное моделирование гиперзвукового пламенного потока вокруг цилиндра. Расчеты были проведены в осесимметричной двумерной постановке. Проанализированы режимы с независимым варьированием энергии внутренних степеней свободы газа в гиперзвуковом потоке. Была использована численная схема Мак-Кормака с коррекцией потоков. Уравнения для компонент, уравнения сохранения массы, импульса и энергии могут быть записаны в виде.
Динамика развития наносекундного скользящего разряда
Были получены фотографии развития наносекундного импульсного разряда вдоль поверхности с наносекундным временным разрешением. Сдвиг по времени между соседними кадрами составлял 0.5 не, время выдержки также равнялось 0.5 не. Были получены скорости распространения стримеров вдоль поверхности, однородность разряда и степень заполнения объема плазмой. Было получено, что в течение одного высоковольтного импульса стартует 2 стримерные вспышки. На рис. 4.2а представлена интегральная фотография излучения разряда.
Распространение разряда может быть условно разбито на три стадии. Вначале стримеры стартуют с кромки верхнего электрода и движутся вдоль поверхности над нижним электродом, достигая его края за время 4 не (рис. 4.2Ь).
Затем стримерная вспышка выходит за пределы нижнего электрода и скорости становятся гораздо меньше (0.3 мм/не рис. 4.2с). Данная стадия занимает 7 не. Затем стримеры стартуют с противоположной кромки верхнего электрода(рис. 4.2d). Через б не после этого стартует вторая стримерная вспышка. В целом, она похожа на первую, но интенсивность излучения несколько меньше.
