Управление потоком вблизи аэродинамических тел с помощью плазменного высокочастотного актуатора Казанский, Павел Николаевич

Введение к работе

Актуальность тематики. Электронное безынерционное управление аэродинамическими характеристиками современных летательных аппаратов с помощью плазменных образований в настоящее время является важной научно- технической задачей. Для решения этой задачи возникло и бурно развивается новое направление - магнитоплазменная аэродинамика. Отметим, что механические методы управления подъемной силой крыла, аэродинамическим сопротивлением и аэродинамическими моментами летательного аппарата, его аэродинамическим качеством в настоящее время не отвечают современным тактико-техническим требованиям, предъявляемым к летательным аппаратам настоящего и ближайшего будущего времени. Современные механические методы управления аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов доведены практически до совершенства. Поэтому важен поиск альтернативных быстродействующих методов управления потоком вблизи аэродинамических тел. Одним из перспективных методов управления потоком вблизи летательных аппаратов является использование плазменных технологий.

Примерами важных практических задач, которые изучает плазменная аэродинамика являются следующие:

уменьшение сопротивления тела с помощью плазменных образований,

частичная или полная диссипация головной ударной волны перед телом,

уменьшение аэродинамического шума турбулентной струи,

увеличение подъемной силы крыла помощью поверхностных плазменных образований,

стимулированное смешивание, инициирование и горение воздушно топливных смесей,

уменьшение тепловых нагрузок на гиперзвуковых летательных аппаратах с помощью метода МГД управления и другие.

Управление потоком вблизи летательного аппарата производится с помощью специальных устройств, называемых плазменными актуаторами. Одним из важных свойств таких устройств является их быстродействие. Электронные системы включения-выключения электрического разряда позволяют обеспечивать работу плазменных актуаторов с характерными частотами до 1 МГц. Такое быстродействие требуется как для создания высокоточного оружия, а также для прецизионного управления воздушно комическими аппаратами. Напомним, что частота срабатывания лучших современных сервисных пневматических механизмов не превышает 3 кГц. В настоящее время достигнут значительный прогресс по оптимизации энергетических параметров плазменных актуаторов. Минимальная погонная мощность, потребляемая плазменными актуаторами и необходимая для управления потоком на крыле, составляет порядка 100 Вт/м. При типичном размахе крыльев летательного аппарата порядка 10-100 м оценка электрической мощности на его борту, необходимая для питания плазменных актуаторов, составляет порядка 10 кВт. Такая величина электрической мощности, требуемая для питания бортовых актуаторов, является допустимой для современных летательных аппаратов.

Массогабаритные характеристики плазменных актуаторов существенно ниже относительно тяжелых и громоздких механических устройств, используемых для управления потока на крыле. Современные плазменные актуаторы позволяют управлять как сухим, так и влажным газовым потоком вблизи летательных аппаратов. Такие устройства способны работать даже в условиях обледенения летательного аппарата.

В последние 20 лет как в России, так и за рубежом успешно развивается управление пограничным течением и отрывом потока вблизи аэродинамических тел с помощью поверхностных плазменных актуаторов, основанных на использовании диэлектрических барьерных разрядов. результаты в этом направлении получены в ЦАГИ, МРТИ РАН, МФТИ, ONERA, ИТПМ СО РАН, СГАУ, МЭИ ТУ и др. ведущих научных институтах. В ОИВТ (РАН) имеется значительный задел по созданию высокочастотных плазменных актуаторов. По нашему мнению, высокочастотный актуатор обладает целым рядом преимуществ по сравнению с актуатором на основе диэлектрического барьерного разряда, а именно:

повышенным значением мощности, вложенным в плазменные образования,

возможностью создания одноэлектродного высокочастотного актуатора емкостного типа. Это позволяет создавать плазменные образования внутри вихревых течений, которые могут находиться вдали от его поверхности. Например, в конических вихрях на дельтообразном крыле,

имеется возможность автоматической подстройки высокочастотного разряда под резонансные частоты газодинамических возмущений с помощью использования обратных связей,

Исследование функционирования поверхностного высокочастотного плазменного актуатора и фундаментальное изучение физики взаимодействия плазменных образований с потоком целесообразно проводить на простейших эталонных аэродинамических моделях (таких как, цилиндр, пластина, крыловой профиль и другие). В связи с этим, в настоящей работе особое внимание уделялось изучению высокочастотных актуаторов на модели крылового профиля и цилиндрической модели при различных углах атаки и скоростях воздушного потока.

Настоящая работа частично проводилась в рамках контрактной работы с Московским вертолётным заводом имени М. Л. Миля. В рамках этой работы была изучена возможность использования высокочастотных актуаторов на лопасти вертолетного винта (NACA 23012) для снижения его сопротивления при углах атаки выше критического.

Цели исследования

Управление потоком вблизи аэродинамической цилиндрической модели и модели профиля крыла с помощью поверхностной высокочастотной плазмы, созданной емкостным ВЧ разрядом.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

1. 1. Разработать и создать аэродинамические модели с поверхностными плазменными актуаторами. Создать экспериментальную установку для изучения обтекания аэродинамических моделей с плазменными актуаторами. Адаптировать и настроить высокочастотный генератор для создания поверхностной плазмы на аэродинамической модели.

   2. Собрать и настроить диагностическую аппаратуру для измерения параметров плазмы и газового потока в плазма-аэродинамическом эксперименте. Подготовить плазма-аэродинамические эксперименты по управлению отрывом потока на моделях крыла и цилиндра с помощью плазменного актуатора.

   3. Измерить поля давления в следе за моделью цилиндра и крылового профиля.

   4. Визуализировать течения потока вблизи исследуемых моделей.

   5. Измерить параметры плазмы и электрического разряда.

   6. Обработать и проанализировать полученные результаты. Оптимизировать параметры ВЧ плазменного актуатора.

   Научная новизна работы

   1. 6. 1. Впервые было обнаружено влияние поверхностной плазмы, созданной высокочастотным разрядом емкостного типа, на параметры потока вблизи модели крылового профиля NACA 23012 при высоких скоростях набегающего потока M<0,4 (У<140м/с) и углах атаки (11⁰<а<20⁰), Re=5.6 10⁵, p=110⁵ Па. Зафиксировано уменьшение аэродинамического сопротивления этой модели на 10 % при включении высокочастотного разряда.

         2. В эксперименте впервые изучена перестройка течения потока вблизи модели крылового профиля NACA 23012 под влиянием поверхностной плазмы, созданной высокочастотным разрядом емкостного типа (импульсно-периодический режим или моноимпульсный режим). Обнаружено смещение точки отрыва на 1/3 длины хорды крыла вниз по потоку при включении высокочастотного актуатора при закритических углах атаки (а<15⁰). Обнаружено также, что при выключении высокочастотного разряда вблизи модели происходит восстановление присоединенного потока в невозмущенное отрывное состояние в течение характерного времени 15 мс. Это время существенно больше характерного газодинамического пролетного времени - 1 мс. Угол атаки крылового профиля оставался неизменным.

         3. Исследована динамика и структура отрывной зоны на поверхности аэродинамической цилиндрической модели ( 40 мм) с работающим ВЧ плазменным актуатором и без него при скорости набегающего потока M - 0,06 (V - 20 м/с), Re = 3 10⁵. Обнаружено смещение точки отрыва с начального угла а = 110 вниз по потоку до а = 140⁰.

         4. Проведены параметрические исследования воздействия высокочастотного актуатора на течение в следе за круговым цилиндром. Изучена работа высокочастотного плазменного актуатора в зависимости от ориентации разряда относительно потока на модели кругового цилиндра. Обнаружено,

         что наиболее оптимальная ориентация высокочастотного разряда - вниз по потоку (по сравнению с разрядами, созданными против потока или поперек его).

         1. 6. 5. Изучено влияние частоты модуляции (числа Струхаля) высокочастотного разряда в плазменном актуаторе на параметры потока за цилиндром. Обнаружено, что максимальное воздействие плазмы на газовый поток наблюдается при числах Струхаля S t -0,3 и St> 3.

               На защиту выносятся следующие результаты и положения

               1. 6. 6. Результаты параметрических исследований (зависимость восстановления давления в следе за моделью цилиндра и крылового профиля NACA 23012 от числа Струхаля, положения актуатора, скорости набегающего потока, направления разряда).

                     7. Динамика и структура отрыва потока на аэродинамической модели при создании поверхностной высокочастотной плазмы.

                     8. Результаты измерений силы сопротивления и подъемной силы для аэродинамической модели цилиндра при функционировании высокочастотного плазменного актуатора. Распределения давлений в спутных следах за аэродинамическими моделями (крыловой профиль NACA 23012, цилиндр) при работе высокочастотного плазменного актуатора и без него и при различных углах атаки а<20⁰, в воздушном потоке со скоростью до 140 м/с.

                     Практическая ценность работы

                     Полученные в ходе работы экспериментальные результаты являются важными для дальнейшего развития магнитоплазменной аэродинамики, физики плазмы, физики газового разряда и других направлений науки и техники. Экспериментальные результаты могут быть использованы в практической аэродинамике при проектировании современных летательных аппаратов, а так же при производстве ветряных электрогенераторов, авиационных двигателей, в энергетике. Полученные результаты могут использоваться в следующих организациях: ЦНИИМАШ, МВЗ им. Миля, ЦАГИ, МРТИ РАН, ФГУП «Ленинец», академия им. Можайского, ЛИИ им. Громова, ЦИАМ, ФГУП «САЛЮТ», ОАО «ОКБ Сухого», НПО «Сатурн» и других организациях.

                     Достоверность полученных результатов. Достоверность и надежность результатов исследования обеспечивается использованием нескольких независимых диагностических методик для измерения одних и тех же параметров и величин, характеризующих газовый поток и плазменные образования вблизи аэродинамической модели. Кроме того, достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается их сравнением с результатами экспериментальных и теоретических исследований, полученными другими коллективами при близких условиях проведения плазма-аэродинамического эксперимента.

                     Личный вклад автора заключается в создании экспериментальной установки, отладке диагностической аппаратуры для определения параметров плазмы и потока вблизи аэродинамических тел, выполнении
                     экспериментальных работ и обработки полученных данных. Все экспериментальные результаты, изложенные в работе, получены при определяющем участии автора. Формулировка задач и обсуждение экспериментальных результатов проводилась при непосредственном участии автора.

                     Публикации. По теме диссертации опубликовано четырнадцать работ [1-14].

                     Апробация работы. Материалы диссертации докладывались автором на 15-17 международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов радиоэлектроники, электротехники и энергетики (Москва, 20092012г), седьмой и восьмой Курчатовских молодежных научных школах (Москва, 2009-2010г), а также зарубежных конференциях the 9th International Workshop on Magneto-plasma Aerodynamics (2009г), 48th, 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition(Orlando, Florida 2010-2012г).

                     Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 160 страниц, включая 106 рисунков.

                     Похожие диссертации на Управление потоком вблизи аэродинамических тел с помощью плазменного высокочастотного актуатора

                     

                     Магнитогазодинамическое управление теплообменом на поверхности тела в сверхзвуковом потокеПопов, Павел Аркадьевич

                     

                     Управление сверхзвуковым обтеканием тел при помощи локализованного подвода энергии в набегающий поток Георгиевский Павел Юрьевич

                     

                     Управление сверхзвуковым и трансзвуковым обтеканием тел с помощью локального теплоподвода и мини-щитковСтародубцев Михаил Александрович

                     

                     Термически-неравновесное управление пламёнами при помощи плазмы газового разрядаМинтусов Евгений Игоревич

                     

                     Управление режимами обтекания с помощью сильнонеравновесной плазмы газового разрядаРупасов Дмитрий Валентинович

                     

                     Управление эллиптичностью излучения с помощью плоскопараллельных кристаллических пластинок произвольной толщиныАндреев Павел Сергеевич

                     

                     Управление пучками положительных ионов с помощью диэлектрических каналовВохмянина Кристина Анатольевна

                     Управление электродуговым источником тепла с помощью неоднородных магнитных полейВоронин, Александр Васильевич

                     Управление высокоскоростными потоками газа с помощью плазменных образований и электромагнитных полейКоротаева, Татьяна Александровна

                     Управление характеристиками акустооптического коллинеарного фильтра с помощью коротких акустических импульсовХолостов, Кирилл Александрович