2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................5
Цель работы:.................................................5
Актуальность задачи:.........................................5
Научная новизна:.............................................7
Положения, выносимые на защиту:..............................8
Практическая ценность:.......................................9
ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................10
1.1 Управление системой скачков в воздухозаборнике..........10
1. 2 МГД и ЭГД управление течением..........................11
1.3 МГД управление внешним течением.........................17
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................19
Введение....................................................19
2.1 Ударная труба...........................................20
2.2 Рабочая секция..........................................22
2.3 Система генерации магнитного поля.......................24
2.4 Организация подачи внешнего электрического поля.........26
2.4.1 Формирование импульсов тока длинной линией...........27
2.4.2 Совместная работа искусственной длинной линии и МГД генератора..............................................29
2.4.3 Организация последовательности токовых импульсов.....32
2.5 Методы исследования.....................................34
2.5.1 Регистрация ударно-волновых разрывов.................34
2.5.2 Метод измерения полного давления.....................36
Заключение..................................................38
ГЛАВА 3. СТАЦИОНАРНАЯ КАРТИНА ТЕЧЕНИЯ В МАГНИТНОМ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЯХ.........................................52
Вводные замечания...........................................52
з
3.1 Расчетное распределение параметров потока..................53
3.2 О силовом и энергетическом воздействии.....................57
3.3 Выбор признаков, характеризующих ударно-волновую конфигурацию...................................................60
3.4 Стартовые процессы при входе потока в диффузор в отсутствие и при наличии внешних воздействий................................61
3.5 Характеристики стационарных ударно-волновых конфигураций при различных параметрах взаимодействия. Переход регулярного отражения в Маховское..........................................65
3.6 Потери полного давления....................................69
Заключение.....................................................72
ГЛАВА 4. УСТАНОВЛЕНИЕ СТАЦИОНАРНОЙ КАРТИНЫ ТЕЧЕНИЯ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ И ОТКЛЮЧЕНИИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 88 Вводные замечания................................................88
4.1 Особенности формирования токовых импульсов.................89
4.2 Установление ударно-волновой картины при включении и выключении тока................................................91
4.2.1 Определение минимальной длительности токового импульса, необходимого для достижения стационарной ударно-волновой конфигурации...............................................91
4.2.2 Изменение ударно-волновой конфигу рации при изменении со временем силы тока.........................................94
4.2.3 Определение скорости изменения параметров ударно-волновой конфигурации при различной скорости возрастания тока.......96
4.2.4 Сравнение результатов экспериментов и численного моделирования.............................................101
4.3 Специальный эксперимент по релаксация ударно-волновой
конфигурации при отключении тока..............................103
Заключение....................................................108
4
ГЛАВА 5. ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 126 Вводные замечания......................................126
5.1 Энергетический выигрыш при импульсно-периодическом взаимодействии........................................126
5.2 Влияние соседних импульсов друг на друга..........128
5.3 Импульсно-периодичекое воздействие................131
Заключение.............................................132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................140
5
ВВЕДЕНИЕ
Цель работы:
Целью работы являлось изучение особенностей изменения ударноволновой конфигурации в диффузоре при приложении импульсных магнитогазодинамических (МГД) и электрогазодинамических (ЭГД) воздействий.
В соответствии с целью работы, основное внимание уделялось:
1. Созданию экспериментальной базы для изучения импульсных МГД и ЭГД воздействий на сверхзвуковое течение в диффузоре.
2. Определению стационарных характерных параметров 4-х скачковой ударно-волновой конфигурации при различных интенсивностях внешних воздействий и определению области существования регулярного взаимодействия присоединенных скачков.
3. Исследованию стартовых процессов при входе потока газа в диффузор в отсутствие и при наличии внешних воздействий.
4. Исследованию изменения характерных параметров ударно-волновой конфигурации при различных скоростях возрастания и спада тока.
5. Изучению воздействия на ударно-вол новую конфигурацию последовательности импульсов внешних воздействий и возможности организации импульсно-периодического воздействия.
Актуальность задачи:
Одной из наиболее важных проблем при разработке гиперзвуковых летательных аппаратов является управление потоком газа. Необходимость управления течением и, что наиболее важно, положением входных скачков в воздухозаборниках обусловлена тем, что воздухозаборник летательного аппарата проектируется дтя определенного (крейсерского) числа Маха полета, и при отклонении
6
числа Маха полета от этого значения он начинает работать в нерасчетных режимах, что приводит к нежелательным последствиям, а в наиболее неблагоприятных случаях может привести, например, к помпажу двигателя. На современных сверхзвуковых самолетах управление течением в воздухозаборнике осуществляется путем изменения газодинамического факта механическим способом.
В начале 90-х годов холдинговой компанией «Ленинец» была предложена концепция гиперзвукового (М > 4) летательного аппарата “АЯКС”. В этой концепции, наряду с другими предложениями, предполагаюсь использовать магнитогазодинамическое (МГД) и электрогазодинамическое (ЭГД) воздействия дтя управления ударноволновой сфуктурой в воздухозаборнике. В настоящее время многие предложения из этой концепции нашли свое офажение в новом разделе газодинамики - магнито-плазменной аэродинамике. По этой тематике проводится ряд ежегодных конферетщий (AIAA Conference on Hypersonic Systems and Technologies, AIAA Plasmadynamics and Lasers) и рабочих совещаний (AIAA Weakly Ionized Gases Workshop, Рабочее Совещание по Магнито-Плазменной Аэродинамике, Термохимические Процессы в Плазменной Аэродинамике).
Преимуществом МГД и ЭГД методов управления структурой течения в воздухозаборнике является более высокое быстродействие. Именно поэтому возник интерес к исследованию нестационарных процессов в условиях воздействия на ионизованный сверхзвуковой поток элекфических и магнитных полей. Следует отметить, однако, что в настоящее время практически отсутствуют работы, направленные на изучение нестационарных газодинамических процессов, вызванных нестационарностью внешних МГД и ЭГД воздействий, а большинство представляемых на конференциях работ являются теоретическими и в основном относятся к стационарным течениям. По этой причине данная
7
работа, направленная на изучение нестационарных процессов при МГД иЭГД воздействиях, является актуальной.
Научная новизна:
Научная новизна работы заключается в том, что впервые проведены экспериментальные исследования нестационарных процессов при ЭГД и МГД воздействиях, в результате чего получен ряд новых и важных сведений относительно активно развивающейся области газодинамики -магнитоплазменной аэродинамики. Работа проводилась в тесном контакте с сектором численного моделирования ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.
В данной работе впервые:
1. Разработан метод импульсного, многократного МГД и ЭГД воздействия на течение в диффузоре. Кратковременность МГД воздействия при квазистационарном магнитном поле обеспечивалась кратковременностью импульса тока, регулируемого внешним напряжением.
2. Прослежены изменения характерных параметров стационарных ударно-волновых конфшураций и потерь полного давления в диффузоре при различных интенсивностях внешних воздействий. Показано, что по мере усиления внешних воздействий параметры ударно-волновой конфигурации приближаются к границе перехода регулярного отражения в Маховское. При увеличенной зоне взаимодействия изучен нестационарный процесс возникновения Маховской конфигурации. Сделано предположение, что ствол Маха тождественен прямому скачку, образующемуся в сильных внешних полях, который переводит сверхзвуковое течение в дозвуковое.
3. Выявлены различия в стартовых процессах при входе потока в диффузор при наличии и в отсутствие внешних воздействий.
8
Показано, что при наличии внешних воздействий время формирования стационарной ударно-волновой конфигурации меньше, так как она возникает при торможении вторичной ударной волны, возникшей в сопле.
4. Обнаружено, что в зависимости от скорости изменения тока изменение параметров ударно-волновой конфигурации может происходить или квазистационарно с током, или с запаздыванием относительно него. Определена скорость изменения тока, при которой изменение ударно-волновой конфигурации происходит квазистационарно с ним. Оценено время установления стационарной ударно-волновой конфигурации при мгновенном включении и выключении тока. В специально поставленном эксперименте выявлены особенности релаксации ударно-волновой конфигурации при выключении тока.
5. Прослежено установление стационарной ударно-волновой конфигурации при подаче последовательности токовых импульсов. Показано, что с помощью серии импульсов возможно имитировать импульсно-периодический процесс. Оценен энергетический выигрыш при импульсно-периодическом воздействии.
Положения, выносимые на защиту:
1. Особенности организации импульсного МГД и ЭГД воздействия на течение в диффузоре.
2. Результаты по определению характеристик стационарных ударноволновых конфигураций и изменению потерь полного давления при различных интенсивностях стационарных внешних воздействий. Демонстрация перехода регулярного отражения в Маховское.
3. Обнаружение различий стартовых процессов при входе потока в диффузор при наличии и в отсутствие внешних воздействий.
9
4. Обнаружение эффекта запаздывания изменения параметров ударноволновой конфигурации относительно изменения тока. Определение времени установления стационарной ударно-волновой конфигурации при различных скоростях изменения тока
5. Организация импульсно-периодического воздействия и оценка энергетического выигрыша по сравнению со стационарным воздействием.
Практическая ценность:
В результате проведенных исследований получены новые сведения о нестационарных аспектах магнитоплазменной аэродинамики. Результаты опытов по определению времени установления стационарной ударно-волновой конфигурации при включении и выключении внешних воздействий могут быть использованы для апробации и верификации программ численного моделирования и экстраполированы на более крупномасштабные установки, а способ организации импульсно-периодического воздействия может быть использован на других лабораторных установках в различных организациях (ИВТАН, ЦАГИ, ЦИАМ, ЦНИИМАШ).
Результаты исследований используются в научных исследованиях в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и в учебных программах в рамках СПБГПУ (кафедра «Г иперзвуковые технологии»).
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Основные публикации по теме диссертации приведены в списке литературы [77-88].
10
ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
В данном обзоре, в основном, будут рассмотрены работы, касающиеся управления течением с помощью МГД и ЭГД методов, остальные направления современной ллазмоаэродинамики хорошо представлены в обзорах [1-3].
1.1 Управление системой скачков в воздухозаборнике
Проблема управления структурой скачков в воздухозаборниках высокоскоростных летательных аппаратов связана с тем, что воздухозаборник проектируется под определенное (крейсерское) число Маха полета (Мр) [4], и изменение скорости полета приводит к изменению ударно-волновой структуры в воздухозаборнике. На рис. 1.1 показана принципиальная схема воздухозаборника и положение скачков в трех случаях: а) М = Мр, б) М > Мр, в) М < Мр. Отличие числа Маха полета от расчетного приводит к уменьшению удельного расхода через воздухозаборник и к изменению полного давления, вследствие чего значительно снижается эффективность работы гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД).
Рис. 1.1 Принципиальная схема воздухозаборника и положение скачков в трех случаях: а) М = Мр, б) М > Мр, в) М < Мр.
11
Для того, чтобы ударно-волновая конфигурация при любых скоростях полета соответствовала оптимальной, в настоящее время применяется геометрическое управление трактом воздухозаборника. Мину сом такого подхода является большой вес таких систем и не очень высокая степень их быстродействия.
Другим подходом, широко обсуждаемым в последнее время, является метод управления ударно-вол новой структурой с помощью внешних электрического и магнитного полей (ЭГД и МГД управление течением). Этот метод был предложен холдинговой компанией Ленинец в концепции гиперзвукового летательного аппарата «АЯКС» [5-9].
і 2 МГД и ЭГД управление течением
Отметим, что проблема МГД взаимодействия активно изучается уже более пятидесяти лет. Исследования в данном направлении в основном были стимулированы энергетическими нуждами преобразованием тепловой энергии сгорания органических топлив или тепла, вырабатываемого на атомных станциях, в электрическую с максимально высоким к.п.д. Такое направление исследований несколько ограничило круг задач и, как следствие, исследования в основном проводились для расширяющихся каналов, где отсутствовали диссипативные структуры (скачки уплотнения) [10-14], а работы по МГД взаимодействию в потоках, изначально содержащих скачки уплотнения, не проводились.
Исследования применения МГД и ЭГД методов для управления течением в таких сложных каналах как воздухозаборник высокоскоростного летательного аппарата начались около десяти лет назад. Одной из основных проблем в данных исследованиях является ионизация возду ха. Метод ионизации должен удовлетворять следующим
12
условиям: в сравнительно однородном объеме ионизованного газа должна достигаться низкая газовая температура и высокая температура электронов, обеспечивающая проводимость, достаточную для МГД взаимодействия.
В настоящее время разрабатываются различные методы ионизации сверхзвукового потока воздуха при входе в воздухозаборник. Так, применение электронного пучка, которое в данный момент считается самым перспективным способом, рассматривается в работах [15-17], возможность ионизации с помощью СВЧ излучения - в [18,19], использование различного рода разрядов - в [20,21]. Однако, создать неравновесную плазму с требуемыми параметрами до сих пор не удалось, и поэтому большинство существующих на данный момент работ имеют теоретический характер. Для эксперимент&чьной проверки возможности МГД управления течением в ФТИ им. Иоффе было предложено проводить моделирование с использованием плазмы инертных газов [22-27].
Рассмотрим наиболее характерные работы по управлению течением в воздухозаборниках с помощью МГД метода.
В работе [28] приведены результаты вычислительного эксперимента для случая, когда ионизация электронным пучком осуществлялась в начальной части воздухозаборника при наличии поперечного магнитного поля. В работе приводятся расчеты полного цикла двигателя, что позволяет проследить влияние МГД управления скачками в воздухозаборнике на общую эффективность двигателя. В качестве основной конфигурации воздухозаборника была принята конфигурация, рассчитанная на число Маха полета Мр = 10.
Оценивалась эффективность работы двигателя при полете на нерасчетных числах Маха полета 6 и 8. В работе представлены результаты по изменению удельного массового расхода воздуха,
ІЗ
удельного импульса и тяги. Так, например, показано, что при числе Маха полета 6 использование МГД управления течением позволяет увеличить удельный массовый расход на 25-37%, что приводит к увеличению удельного импульса на 10-12% и увеличению тяги на 40-50% по сравнению со случаем отсутствия управления.
В работах [29-32] также приводятся результаты расчетов эффективности использования МГД управления для изменения ударноволновой конфигурации в воздухозаборнике на нерасчетных режимах работы. В работах [29-31] показано, что использование МГД систем позволяет увеличить удельный массовый расход и степень сжатия в случае полета при числе Маха меньше расчетного. В работе [29] проведено сравнение эффективности МГД управляемых воздухозаборников с однородными и неоднородными магнитными полями. Показано, что при использовании однородного магнитного поля интегральные характеристики (тяга, удельный импульс) значительно выше, чем в случае неоднородного магнитного поля. В работе [31] проведено сравнение МГД управляемого воздухозаборника и концепции «виртуальной кромки» (изложенной в работе [40]) и показано, что МГД метод позволяет получить более высокие характеристики (тягу), чем при использовании «виртуальной кромки». Однако, к плюсам «виртуальной кромки» могут быть отнесены более низкие потери полного давления и увеличение тяги в нерасчетном режиме, хотя и меньшее, чем в случае МГД управления, но все равно достаточно значительное.
В работе [33] рассматривается МГД и ЭГД управление структурой течения в воздухозаборнике и в результате выявляются три основные режима работы в зависимости от направления магнитного и электрического полей. Первый режим управления (по авторскому названию - режим расширения потока) приводит к торможению потока,
- Київ+380960830922