Оглавление
2
ВВЕДЕНИЕ..................................................................................6
Глава 1. Обзор литературы по задачам управления параметрами потока с помощью поверхностной плазмы электрических разрядов.............................................................17
1.1 Причины отрыва потока...............................................................17
1.2 Режимы обтекания цилиндра...........................................................18
1.3 Устойчивость течения в пограничном слое.............................................20
1.4 Диэлектрический барьерный разряд.................................................. 21
1.4.1 Способ создания диэлектрического барьерного разряда.............................21
1.4.2 Электрические свойства ДБР......................................................23
1.4.3 Исследования структуры и скорости индуцированного потока при различных
параметрах разряда. Оптимизации актуатора...............................................28
1.4.4 Силовые измерения...............................................................36
1.5 Влияние отрицательных ионов.........................................................37
1.6 Численное моделирование ДБР.........................................................38
1.7 Управление обтеканием аэродинамических тел с помощью плазменных актуаторов 38
1.7.1 Обтекание крыловых профилей.....................................................38
1.7.2 Обтекание цилиндра с плазменным актуатором......................................51
1.8 Управление турбулентным трением с помощью диэлектрического барьерного разряда 53
1.9 Выводы по главе 1...................................................................56
ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК.............................................57
2.1 Экспериментальная установка АДТ-1...................................................57
2.2 Экспериментальный стенд АК-1........................................................60
2.3 Описание ВЧ плазмогенератора........................................................62
2.4 Измерительная аппаратура............................................................62
2.4.1 Система измерения давления набегающего потока...................................63
2.4.2 Прямой теневой метод............................................................64
2.4.3 Метод Р1У.......................................................................67
2.4.4 Метод визуализации потока стимулированного флюоресценцией паров ацетона 68
2.4.5 Измерение мощности..............................................................71
2.4.6 Весовые измерения...............................................................72
2.4.7 Оптический интерферометр Майкельсона............................................74
2.5 Аэродинамические модели.............................................................75
2.5.1 Аэродинамическая модель круглого цилиндра.......................................75
3
2.5.2 Аэродинамическая модель крылового профиля №АСА 23012............................83
Глава 3 Изучение параметров поверхностного ВЧ разряда емкостного типа......................86
3.1 Условия проведения эксперимента......................................................86
3.2 Измерение электрических параметров 84 разряда........................................89
3.3 Визуализация ударных волн вызванных зажиганием ВЧ разрядом...........................93
3.4 Измерение параметров плазмы методом оптической спектроскопии.........................94
3.5 Выводы по главе 3....................................................................95
Глава 4. Исследование влияния поверхностного ВЧ разряда на аэродинамику кругового цилиндра
..........................................................................................96
4.1 Измерение статического и динамического давления в следе за цилиндрической моделью 96
4.2 Параметрические исследования различных модификаций ВЧ актуатора.....................101
4.3 Влияние частоты модуляции ВЧ разряда на характеристики следа за аэродинамической
моделью цилиндра..........................................................................107
4.4 Интерференционные измерения температуры газа вблизи цилиндра........................110
4.5 Визуализация потока на модели кругового цилиндра прямым теневым методом.............112
4.6 Дымовая визуализация потока за моделью кругового цилиндра...........................117
4.7 Визуализация течения вблизи модели кругового цилиндра методом Р1\/..................118
4.8 Измерения подъемной силы и аэродинамического сопротивления цилиндра.................122
4.9 Выводы по главе 4...................................................................126
Глава 5 Влияние поверхностного разряда на отрыв потока на модели крылового профиля ЫАСА 23012.....................................................................................129
5.1 Влияние поверхностного ВЧ разряда на параметры потока следа за аэродинамической
моделью при различных углах атаки.........................................................130
5.2 Оптимизация параметров высокочастотного разряда на обтекаемой аэродинамической
модели под углом атаки....................................................................131
5.3 Управление отрывом потока на передней кромке аэродинамической модели крыла МАСА
23012 с помощью импульсно-периодического поверхностного высокочастотного разряда емкостного типа в высокоскоростном потоке.................................................133
5.4 Визуализация обтекания аэродинамической модели крылового профиля №АСА 23012
теневым методом...........................................................................139
5.5 Визуализация течения интерферометром сдвига.........................................141
5.6 Визуализация отрыва потока методом Р1У..............................................141
5.7 Выводы к Главе 5 и обсуждение результатов...........................................146
Заключение...............................................................................149
Список литературы.........................................................................153
4
Список используемых обозначений
МГД- магнитная гидродинамика,
АП — плазменный актуатор,
ЛА - летательный аппарат,
МПА - магнитная плазменная аэродинамика,
ВЧ - высокая частота,
ВЧР - высокочастотный разряд
ВЧЕР - высокочастотный емкостной разряд
ДКР - диэлектрический барьерный разряд,
АЦП - аналого-цифровой преобразователь,
М — —— — число Маха,
а
а - местная скорость звука,
- скорость набегающего потока,
ац - угол, характеризующий положение актуатора относительно лобовой точки цилиндра
а - угол атаки крыла,
Ие = - число Рейнольдса,
V - характерный размер системы, диаметр цилиндра, у - кинематическая вязкость (воздуха),
81 - число Струхаля,
Гмод - частота модуляции,
Гиг - несущая частота генератора, tH.Mii “ время импульса,
ЫПР - электрическая мощность в одном импульсе,
Wcp = NHf fwoj t„Mn - средняя мощность, вложенная в разряд, U - напряжение разряда,
I - ток разряда,
0 - проводимость плазмы
Е - напряжённость электрического поля E/N - приведённое электрическое поле
1 -хорда крыла,
Сх - коэффициент лобового сопротивления,
Су - коэффициент подъемной силы,
К - Су / Сх аэродинамическое качество.
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
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 [1-11]:
• 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.
8
В последние 20 лет успешно развивается управление пограничным течением и отрывом потока вблизи аэродинамических тел с помощью поверхностных плазменных актуаторов, основанных на использовании диэлектрических барьерных разрядов. В ОИВТ (РАН) имеется значительный задел но созданию высокочастотных плазменных актуаторов [12-16]. 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,
• использование единого индуктора для возбуждения серии резонансных вторичных катушек в таких актуаторах. Появляется возможность использования единого источника питания для набора пассивных высокочастотных актуаторов, расположенных на летательном аппарате. Отсутствует необходимость прокладки высоковольтных линий питания на летательном аппарате.
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 для снижения его сопротивления при углах атаки выше критического.
Цель работы
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. 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 вблизи исследуемых модели.
5. Измерить параметры плазмы и электрического разряда.
10
6. Обработать и проанализировать полученные результаты. Оптимизировать параметры ВЧ плазменного актуатора.
Научная новизна работы
1. Впервые было обнаружено влияние поверхностной плазмы, созданной высокочастотным разрядом емкостного типа, на параметры потока вблизи модели крылового профиля NACA 23012 при скоростях набегающего потока М<0,4 (V< 140м/с) и углах атаки (а<20), Re=5.6-10\ р=1-10' 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<15°). 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 (D=40 мм) с работающим плазменным актуатором и без него при скорости набегающего потока М-0,06 (V-20 м/с). Re = 3-105. Обнаружено смещение точки отрыва с начального угла а = 110° вниз по потоку до а = 140°.
4. Проведены параметрические исследования воздействия высокочастотного актуатора на течение в следе за круговым
11
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).
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 St~0,3 и St>3.
Нл ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ.
1. Результаты параметрических исследований (зависимость восстановления давления в следе за моделью цилиндра и крыловою профиля NACA 23012 от числа Струхаля, положения актуатора, скорости набегающего потока, направления разряда).
2. Динамика и структура отрыва потока на аэродинамической модели при создании поверхностной высокочастотной плазмы.
3. 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<20°, в воздушном потоке со скоростью до 140 м/с.
12
Научная и 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 и надежность результатов исследований
Научная достоверность и надежность результатов исследования обеспечивается использованием нескольких независимых диагностических методик для измерения одних и тех же параметров и величин, характеризующих газовый ноток 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-аэродинамичсского эксперимента.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях:
1.П. Н. Казанский, А. И. Климов. Управление воздушным потоком с помощью емкостного ВЧ актуатора // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Москва: 2009, С.133
2. П. Н. Казанский, А. И. Климов, И. А. Моралев. Управление воздушным потоком вблизи тела с помощью емкостного ВЧ-актуатора // 7-я Курчатовская молодежная научная школа. Москва: 2009, С. 273
3.1.A. Moralev, V.A. Bityurin, P.N. Kazansky, A.I. Klimov, D.A. Chcrtov. Flow control around cylinder by HF DBD Discharge // The 9th International Workshop on Magneto-plasma Aerodynamics 2010, P. 7-11
4.1.A. Moralev, V.A. Bityurin, P.N. Kazansky, A.I. Klimov, D.A. Chertov. Flow control around wing model by HF DBD Discharge // The 9th International Workshop on Magneto-plasma Aerodynamics 2010. P. 13-15
5. П.Н. Казанский, А.И. Климов, И. А. Моралев. Управление воздушным потоком вблизи аэродинамических тел с помощью емкостного ВЧ актуатора // VIII Курчатовская молодежная научная школа Москва: 2010, С. 152
6. П. Н. Казанский, И. А. Моралев, А. И. Климов. Управление воздушным потоком вблизи тела с использованием емкостного ВЧ актуатора // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Москва: 2010, С. 44-45
7. A Klimov, V Bitiurin, I. Moralev, P. Kasansky. Plasma Actuator Created by Capacity Coupled Surface HF Discharge // 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Orlando, Florida, Jan. 4-7,2010
8. I.A. Moralev, P.N. Kazansky, D.S. Chertov, A.I. Klimov, V.A. Bityurin,
I.A. Borisov. Bluff body aerodynamic wake structure control by a high frequency dielectric barrier discharge // The 10 th International Workshop on Magneto-plasma Aerodynamics p. 11 (2011)
9. I. Klimov, I.A. Moralev, V.A. Bityurin, P.N. Kazansky, D.A. Chertov. Flow Around Wing Model with a Surface HF Discharge // 49th AIAA Aerospace
14
Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 4-7 January 2011. Orlando, Florida.
10. П. H. Казанский, И. А. Моралев, Д. А. Чертов, А. И. Климов. Изменение воздушного потока вблизи аэродинамических тел с помощью емкостного ВЧ актуатора // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. С. 36 (2011)
11. ПН Казанский, И А Моралев, А.В. Григоренко, А И Климов. Влияние параметров емкостного ВЧ-разряда на аэродинамическое сопротивление крылового профиля // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. С. 37 (2012)
12. Klimov, I.A. Moralev, V.A. Bityurin, P.N. Kazansky. Flow Control over NACA 23012 Airfoil Model by Surface HF Plasma Actuator // 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 09-12 January 2012, Nashville, Tennessee, AIAA 2012-1031
По теме диссертации опубликовано 2 работы:
ТБитюрин В.А., Казанский П.Н., Климов А.И., Моралев И.А. Управление нестационарным отрывом потока на плохо обтекаемых телах с помощью поверхностного высокочастотного разряда. // М.: Физматкиига, 2011. с 137-141.
2. П. Н. Казанский, А. И. Климов, И. А. Моралев. Управление воздушным потоком вблизи кругового цилиндра с помощью ВЧ актуатора. Влияние параметров разряда на аэродинамическое сопротивление цилиндра. // ТВТ, 2012 т.50 М>3, с.346-354
- Київ+380960830922