Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время наблюдается повышенный интерес к явлению распространения и формирования ударных волн в плазме. Это, с одной стороны, связано с интенсификацией разработок нетрадиционных методов управления аэродинамическим обтеканием, с другой - с полученными экспериментальными результатами по аномальному поведению ударных волн в низкотемпературной плазме. Так, в экспериментах по, так называемому, плазменному обтеканию обнаружено значительное снижение коэффициента лобового сопротивления, уширение и ослабление бегущих ударных волн.
Аномальные эффекты, наблюдаемые в экспериментах с ударными волнами, (на баллистических трассах, и в аэродинамических трубах) достаточно хорошо изучены. Тем не менее, до сих пор отсутствует единый взгляд на механизмы, вызывающие такие изменения и на перспективы их практического применения. Так, в литературе активно обсуждается вопрос, являются ли эти аномалии следствием чисто теплового воздействия, или же имеет место специфическое влияние собственно плазмы на характер течения. Кроме того, предпринимаются попытки исследовать возможность изменения структуры ударного слоя за счет внешнего энергоподвода, что позволяет, в частности, снизить лобовое сопротивление при сверхзвуковом обтекании.
Большинство теоретических работ по данной тематике носило характер численных расчетов для частных случаев пространственной формы области энерговыделения, что затрудняло проведение анализа физических причин изменения структуры потока при локальном энергоподводе в зону ударного слоя, характерном при распространении ударных волн в плазме. В настоящее время остаются невыясненными такие важные вопросы как:
- физические механизмы влияния плазмы на процесс
распространения в ней ударной волны;
структура ударного слоя при внешнем подводе энергии;
энерговыгодность такого метода управления аэродинамическим обтеканием;
Таким образом, актуальность выбранной темы научного исследования обусловлена, с одной стороны, важным прикладным значением, с другой -недостаточной изученностью вышеупомянутых явлений.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование взаимодействия ударной волны с областями внешнего энергоподвода и анализ возможных механизмов влияния плазмы на структуру ударного слоя. Мы рассмотрим сравнительно слабые ударные волны, когда число Маха не превосходит 2.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
построить физическую модель, описывающую течение газа с движущимся источником энерговыделения произвольной формы.
построить аналитическое решение задачи о формировании и распространении ударной волны в идеальном газе с продольными градиентами температур.
разработать физическую модель влияния низкотемпературной плазмы на аэродинамическое обтекание тел;
разработать методику оценки энерговыгодности снижения лобового сопротивления за счет внешнего энергоподвода в область ударного слоя;
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. Для решения поставленных задач используются современные аналитические и численные методы теоретической и математической физики. Достоверность аналитических расчетов проверяется сравнением с численными решениями модельных задач и с известными экспериментальными данными других авторов.
Положения, выносимые на защиту:
Развита теория для описания структуры ударной волны при наличии в области ударного слоя внешнего источника энерговыделения, движущегося вместе с ударной волной.
Развита теория для описания структуры ударной волны, которая формируется и распространяется в неоднородной области нейтральный газ - плазма самостоятельного разряда.
Предложена физическая модель влияния низкотемпературной плазмы на структуру распространяющейся в ней ударной волны.
Предложены методы оценки параметров плазмы по результатам экспериментального исследования процесса распространения в этой плазме ударных волн.
Научная новизна.
Все результаты, изложенные в оригинальной части диссертационной работы, получены впервые.
Практическая значимость.
Практическая значимость настоящей работы заключается в том, что полученные в ней результаты позволяют перейти к решению оптимизационных задач сверхзвукового обтекания с помощью плазменных образований.
Личный вклад.
Основные научные результаты, представленные в настоящей диссертационной работе получены лично соискателем.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, список которых приведён в конце автореферата.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 32-ой и 43-ей международной конференции AIAA Plasmadynamics and Lasers (Anahem, CA, 2001, Reno, NV, 2005), на III и IV симпозиумах «Термохимические процессы в плазменной аэродинамике» (Санкт-Петербург, 2002, 2003), на международной конференции «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений» (Москва, 2004), а также на научных семинарах кафедры оптики физического факультета Санкт-Петербургского Государственного Университета и научно -технических советах Научно-исследовательского предприятия гиперзвуковых систем.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Список литературы содержит 77 наименований. Работа изложена на 147 страницах и 68 страницах приложения, содержит 60 иллюстраций.
