Воздействие электрических разрядов на структуру и параметры высокоскоростного воздушного потока

2
Содержание
Введение. Обоснование содержательности научного направления.
A. Формулировка предмета «Плазменной Аэродинамики».
B. Постановка задачи.
C. Положения, выносимые на защиту.
Э. Формапьные основания представления работы.
Е. Структура работы.
Р. Личный вклад автора в развитие направления, в. Терминология и обозначения.
Глава 1. Обзор литературы.
1.1. Первые работы по Плазменной Аэродинамике. Электрический разряд в потоке газа.
1.2. Снижение сопротивления тел поток)1' при воздействии зоны энерговклада. (Историческая справка).
1.3. Влияние нагрева и электромагнитных сил на параметры погранслоя и отрывные явления (Краткий обзор).
1.4. Влияние электрических разрядов на протекание химических реакций (Краткий обзор).
Глава 2. Электрические разряды в газовом потоке.
2.1. Определяющие параметры газового разряда для плазменной аэродинамики.
2.2. Одноэлектродный ВЧ разряд в сверхзвуковом потоке.
2.3. Импульсно-периодический поперечный разряд в потоке воздуха и магнитном поле.
2.3.1. Поперечный разряд в потоке.
2.3.2. Наносекундный искровой разряд.
2.4. Поверхностный многоэлектродный разряд в потоке воздуха.
2.5. Генерация эрозионных плазменных струй с вынесенным током проводимости.
2.6. Источники питания плазменных генераторов. Расчет характеристик электрических схем.
Глава 3. Особенности диагностики плазмы в потоке газа и измерение параметров потока.
3.1. Краткий обзор методов и анализ применимости.
3.2. Особенности теневых методов визуализации структурных неоднородностей.
С Леонов
3
3.3. Особенности спектроскопической диагностики электроразрядной плазмы в потоке.
3.4. Измерения вкладываемой электрической мощности.
3.5. Измерения параметров потока.
Глава 4. Снижение сопротивления тел в потоке при воздействии электрических разрядов.
4.1. Критерии эффективности снижения сопротивления тел потоку.
4.2. Воздействие выдува плазменных струй на параметры обтекания тел.
4.2.1. Описание экспериментальной установки и методики испытаний.
4.2.2. Устройство и характеристики 1енераторов плазменной струи и АД модели.
4.2.3. Результаты испытаний снижения сопротивления осесимметричных моделей.
4.2.4. Влияние выдува плазменной струи на характеристики модели крыла.
4.2.5. Несимметричное обтекание моделей.
4.3. Снижение сопротивления моделей при генерации ВЧ и СВЧ неоднородных разрядов.
4.3.1. Описание экспериментальной установки и методики испытаний.
4.3.2. Режимы генерации плазмы ВЧ одноэлектродного разряда.
4.3.3. Результаты весовых измерений.
4.3.4. Взаимодействие плазменных каналов ВЧ разряда с головной ударной волной.
4.3.5. Воздействие безэлектродного СВЧ разряда на обтекание тел. Эффекты нестационарности.
4.4. Влияние комбинированных разрядов на аэродинамическое сопротивление моделей.
4.4.1. Эксперимент с моделью 1\3 носовой части самолета.
4.4.2. Эксперимент с моделью Сх=0.1.
4.4.3. Определение механизма влияния поверхностного разряда на сопротивление осесимметричных тел.
4.5. Формулировка основных результатов по Главе 4.
Глава 5. Управление обтеканием тел воздействием разрядов поверхностного типа.
5.1. Модификация погранслоя и стимуляция отрывных явлений.
5.1.1. Экспериментальная установка и параметры разряда в сверхзвуковом потоке.
5.1.2. Режимы взаимодействия поверхностной плазмы с потоком.
5.1.3. Модель взаимодействия потока с поперечным поверхностным разрядом.
5.1.4. Отрыв пограслоя, стимулированный плазмой. Сравнение с расчетом.
С Леонов
4
5.1.5. Воздействие поверхностного разряда на структуру трансзвукового течения над пластиной.
5.1.6. Выводы по п.5.1.
5.2. Управление потоком в воздухозаборниках и каналах.
5.2.1. Постановка задачи исследования.
5.2.2. Влияние на параметры потока в канале при наличии препятствия.
5.2.3. Управление положением скачка в модельном воздухозаборнике.
5.2.4. Модификация течения за обратным уступом.
5.2.5. Формулировка результатов по п.5.2.
5.3. Воздействие поверхностного барьерного разряда на структуру воздушного течения.
5.3.1. Генератор поверхностной плазмы на основе барьерного разряда.
5.3.2. Измерение параметров плазмы барьерного разряда.
5.3.3. Описание эксперимента.
5.3.4. Плазменно-индуцированное течение.
5.3.5. Аэродинамические эффекты в дозвуковом и трансзвуковом потоках.
5.3.6. Заключение по разделу 5.3.
5.4. Формулировка основных результатов по Главе 5.
Глава 6. Плазменное зажигание топлива в потоке.
6.1. Постановка задачи плазменной стимуляции горения.
6.2. Описание экспериментальной установки
6.3. Влияние электрического разряда на параметры отрывного течения.
6.4. Зажигание топлива разрядом в отрывной зоне сверхзвукового течения.
6.5. Сравнение экспериментальных данных с расчетом.
6.6. Формулировка предварительных результатов по Главе 6.
Глава 7. Заключение. Проблемы и решения.
Список литературы.
С Леонов
5
введение.
Обоснование содержательности научного направления.
А. Формулировка предмета плазменной аэродинамики.
Плазменная аэродинамика (ПА) легла в основу хорошо известного сегодня направления исследований - магнитоплазменной аэродинамики [1-2]. Магнитоплазменная аэродинамика (МПА) - это современная отрасль физики и технической науки, которая изучает явления и процессы взаимодействия между высокоскоростным газовым потоком, плазмой электрических разрядов и электромагнитными полями. Основная идея развития МПА заключается в применении достижений плазменной технологии для решения фундаментальных задач аэрокосмической науки. В основе МПА лежат три основных научных направления:
• Газовая механика и аэродинамика,
• Физика низкотемпературной плазмы (газовый разряд и плазмохимия),
• Новая энергетика (магнитогидродинамика - МГД и тепловые машины).
В наиболее обобщенной форме научная задача МПА может быть обозначена как: физика и механика высокоскоростных газоплазменных потоков во внешних электрических, магнитных и электромагнитных полях. Изучение и использование неравновесных, нестационарных и неоднородных плазменных образований в экспериментальных и теоретических исследованиях принципиально отличает эту область от традиционных газодинамики, плазмодинамики и электро-гидродинамики.
Различные направления исследований в МПА объединены общностью применяемых методов. Таких основных направлений можно назвать три в соответствии с доминирующим механизмом взаимодействия и формализмом описания:
Энергетический метод (вложение тепловой энергии в предварительно определенную зону поля течения по определенному временному закону), Электромагнитный метод (взаимодействие плазменных объектов с самосогласованным электромагнитным полем в потоке),
Плазмохимический метод (изменения направления и скорости химических реакций при генерации плазмы).
Следует отметить, что в большинстве случаев довольно трудно разделить характерные плазменные эффекты на тепловую, электромагнитную или химическую составляющие, так как указанные процессы происходят одновременно. Упрощенная
С Пеонов
6
схема, в целом отражающая развитие МПА технологии и плазменной аэродинамики, показана на рис.АЛ.
Магнитоплазменная
аэродинамика
Магнитогидродинамика
Плазменно стимулированное горение
1?т11штщГОДи 11ІП111иЬг!!'•’Ш'п
1 | Плазменная активация И топлива и окислителя А
\- М
[Инициация реакций при высокой скорости потока
Стабилизация фронта пламени
Плазмохимическая конверсия топлива
Рис. АЛ.У прощенная схема МПА.
Предметом рассмотрения данной работы не является все многообразие явлений МПА, основной упор делается на плазменную аэродинамику (ПА). В данном изложении мы не будем касаться проблем МГД взаимодействия.
Важная часть ПА подхода заключается в мотивации задач данного научного направления, которая может быть представлена следующим образом:
1. Общепринятые газодинамические методы не позволяют решить все насущные проблемы управления потоком, полетом тел в атмосфере и высокоскоростного горения, особенно в нерасчетных режимах. Дія этого требуются дополнительные механизмы воздействия на поле течения и термодинамические свойства среды. Плазменная технология обеспечивает специфические методы влияния на структуру и параметры течения. Эти возможности включают: управление структурой поля течения и
Снижение сопротивления потоку
Генерация управляющих сил и моментов
Модификация
погранслоя
Управление отрывными Ч зонами
Управление структурой потока в каналах
Управление потоком и обтеканием
Плазменная аэродинамика
С. Леонов
7
пограничным слоем с помощью локального нагрева и объемных электромагнитных сил, регулирование тепловых нагрузок при помощи изменения структуры течения, управление скоростями химических реакций при плазменной активации среды;
2. Важные аэрокосмические задачи могут быть решены методами ПА. К таковым относятся: снижение волнового сопротивления и сопротивления трения; стабилизация и управление параметрами отрывных зон; управление конфигурацией ударных волн в воздухозаборниках, диффузорах и АД каналах; управление режимами сверхзвукового горения; подавление неустойчивостей в потоке.
Таким образом, плазменная технология может предоставить обширный набор возможных приложений в области практической аэродинамики. Очевидно, что не все из них получат реальное развитие. На сегодняшний день два напрааления представляются наиболее перспективными и имеют максимальный уровень научной проработки:
• Упрааление потоком и полетом тел в атмосфере;
• Горение в высокоскоростном потоке, индуцированное плазмой.
Управление потоком Традиционные методы улучшения аэродинамических
характеристик летательных аппаратов и их частей базируются на применении механических элементов, использующих энергию набегающего потока для перераспределения давления по поверхности, а также применения струйных течений в локальных зонах. Сегодня нет сомнений, что для дальнейшего существенного улучшения характеристик необходимы и другие, немеханические методы. Среди них плазменный метод, возможно, яаляется наиболее перспективным, если не единственным [3-8]. Расширенное понимание МПА метода для управления потоком включает не только нагрев газа, но также возбуждение поцдеромоторных объемных сил при взаимодействии плазмы с электромагнитными полями.
Могут быть перечислены несколько основных механизмов, алияющих на параметры и структуру потока: изменение термодинамических свойств среды; модификация структуры поля течения; генерация или стабилизация местных отрывных зон; изменения параметров погранслоя и т.п. В техническом смысле эти эффекты прояаляются в трансформации головной ударной волны, снижении волнового сопротиаления (термодинамический и форм-факторный эффекты), в снижении донного сопротиаления, изменении вязкого трения, перераспределении тепловых потоков, настройке структуры поля течения в воздухозаборниках и т.п. Такие возможности могут быть реализованы при генерации плазмы в электрических разрядах постоянного
С Леонов
8
и переменного тока, свободно локализованных разрядах в электромагнитных волновых пучках, при выдуве высокоэнтальпийных плазменных струй и при других подобных явлениях.
Горение, инициированное и поддерживаемое плазмой В настоящее время подавляющее число специалистов считают, что при полете в атмосфере с высоким числом Маха в качестве энергетической установки будет использован двигатель со сверхзвуковым режимом горения, использующий атмосферный воздух в качестве окислителя. С другой стороны, многие проблемы, связанные со сверхзвуковым горением, не решены до сих пор. Среди них быстрое смешение топлива с окислителем, зажигание пламени при низкой температурю и в излишне бедных/богатых смесях, снижение времени индукции горения, стабилизация фронта пламени, улучшение полноты сгорания, снижение вредных выбросов, снижение заметности в И К диапазоне и т.п. По-видимому, наиболее перспективным для решения подобных задач яазяется метод, основанный на генерации электрических разрядов в потоке [9-11]. Мог>т быть обозначены, по меньшей мере, четыре механизма влияния плазмы на зажигание и горение топлива в потоке: нагрев газа, производство активных радикалов и частиц, плазменно-стимулированное смешение и плазменно-индуцированныи отрыв потока.
В последние 15 лет в ПА получен значительный объем новых данных. Практическое использование полученных результатов позволяет решить некоторые важные технические задачи. Среди них, например, увеличение скорости полета тел метания и аэродинамических объектов в атмосфере, увеличение аэродинамического качества ЛА, особенно, в критических режимах, проектирование «коротких» авиационных двигателей (ГПВРД), снижение заметности ЛА, снижение шума и вредных эмиссий в атмосферу и т.п.
К настоящему времени прошло шесть конференций по слабоионизованной плазме в США и пять международных рабочих совещаний в России. Одна из 23-х научных программ фундаментальных исследований Президиума Академии Наук, инициированных в 2003г., направлена, в значительной степени, на решение задач в этой области. На сегодняшний день МПА следует считать вполне устоявшимся направлением исследований, претендующим на участие в формировании концепции летательных аппаратов будущего.
С Пеонов
9
В. Постановка задачи.
На сегодняшний день «Плазменная аэродинамика» ядтяется активно формирующейся отраслью прикладной науки на стыке физики плазмы и аэромеханики. Практические успехи обоих разделов хорошо известны. Исчерпание значительной части традиционных средств стимулирует применение плазменных генераторов для решения принципиальных задач механики газовых течений и динамики движения тел в атмосфере.
В основе проводимых исследований лежат несколько принципиально важных идей. Перечислим некоторые из них:
о Структура газового течения может быть существенно изменена за счет
энергоподвода. В практических случаях локальный нестационарный подвод энергии может быть осуществлен эффективно методами газового разряда,
о Параметры пограничного слоя (ПС) могут быть модифицированы как за счет
теплоподвода, так и с помощью объемных сил в электромагнитных полях в ионизованном газе приповерхностного разряда. Это дает возможность для управления касательными напряжениями и устойчивостью ПС.
о Структура фронта ударной волны (УВ) в плазме модифицируется существенным
образом по сравнению с начатьным газом вследствие механизма формирования слоев пространственного заряда. Это может приводить к снижению потерь полного даатения при прохождении газа через УВ в условиях возбуждения газового разряда, о Свойства электрических разрядов в газовом потоке во многих случаях
существенно отличаются от их поведения в покоящемся газе. Генерация неоднородных, неравновесных и нестационарных типов разряда существенно снижает уровень требуемой мощности для достижения необходимого физического эффекта, о Неравновесная плазма электрического разряда обладает способностью
существенного повышения реакционной способности топлива и окислителя без значительного увеличения температуры среды. Эго важно для ускорения зажигания и интенсификации высокоскоростного горения.
Таким образом, целью представляемой работы явчяется экспериментальное исследованиесвойствочектрическихразрядовввысокоскоростном воздушном потоке ивлиянияэлектрическихразрядовразличныхвидовнаегоструктуру и параметры
Сформулируем основные научные задачи, принятые в рамках данной работы.
С Леонов
10
1. Экспериментальное исследование процессов формирования и динамики электрических разрядов и плазменной струи электроразрядного источника в сверхзвуковом потоке воздуха.
2. Экспериментальное исследование эффекта снижения сопротивления тел вращения в сверхзвуковом и трансзвуковом потоках при генерации перед телом плазменных образований и выдуве высокоэнтальпийных струй.
3. Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование модификации структуры высокоскоростного воздушного потока при генерации приповерхностных разрядов
4. Экспериментальное изучение нетеплового эффекта поверхностного барьерного разряда на структуру течения над профилированной поверхностью.
5. Демонстрация зажигания и интенсификации смешения топлива при его непосредственной инжекции в высокоскоростной низкотемпературный воздушный поток с помощью филаментарного электрического разряда.
Помимо указанных задач значительная доля усилий затрачена на проектирование, глубокую модернизацию и создание заново экспериментальных установок, планирование экспериментальных работ на больших установках, разработку и создание оригинальных источников питания плазменных генераторов, создание технической базы измерительных средств, серьезную доработку диагностических методов под специфические условия применения. Эти технические и научно-технические разработки отражены в диссертационной работе лишь в необходимой части.
Для практического применения плазменной техники в аэродинамике необходимы не только демонстрации возможных эффектов электрических разрядов, но и систематические исследования для набора базы данных в обозначенной области знаний. Безусловно, что представленные здесь результаты являются малой частью необходимых обширных данных по влиянию плазменных образований на параметры и структуру высокоскоростных течений В частности, исследованы изменения аэродинамических характеристик моделей только в условиях продувок в аэродинамических трубах. К сожалению, сегодня нет данных по влиянию плазмы на характеристики реааьных аппаратов, поэтому все сделанные здесь выводы являются существенно прогностическими.
С Леонов
11
С. Положения, выносимые на защиту.
1. Изучен процесс взаимодействия некоторых видов неоднородных электрических разрядов с воздушным высокоскоростным потоком, в частности:
о Описана генерация одноэлектродного высокочастотного филаментарного разряда в сверхзвуковом потоке и взаимодействие такого разряда с присоединенной ударной волной.
о Предложен механизм ламинаризации начального участка высокоэнтальпийной плазменной струи с выносом электрического тока.
о Экспериментально продемонстрирован эффект поперечной неустойчивости тепловой каверны филаментарного разряда в сверхзвуковом потоке.
о Экспериментально исследована генерация поперечного и продольного поверхностных разрядов в сверхзвуковом потоке. Предложена физическая модель взаимодействия. Описан переход от поперечной к продольной моде в условиях циркуляционной зоны.
2. Предложен и использован ряд оригинальных методик исследования динамики разрядов в потоке, в частности: теневой фоторазвертки, И К мониторинга положения границы зоны отрыва и размера разрядной области, метода расфокусированной диафрагмы с последующим восстановлением профиля плотности.
3. Проведен обширный цикл экспериментальных работ по параметрическому исследованию снижения аэродинамического сопротивления моделей и созданию управляющих сил и моментов с помощью плазмы электрических разрядов.
о Впервые экспериментально продемонстрировано снижение сопротивления осесимметричных тел в сверхзвуковом потоке при выдуве высокоэнтальпийных струй навстречу потоку. Получены картины течения. В ряде случаев достигнута высокая энергетическая эффективность воздействия.
о Экспериментально исследовано влияние поверхностного разряда на сопротивление тел вращения. Показано, что основным механизмом является снижение сопротивления трения.
о Определены механизмы влияния одноэлектродного ВЧ-разряда на сопротивление моделей в сверхзвуковом потоке. В ряде случаев получен высокий уровень энергетической эффективности (до //7 = \80 %).
С Пеонов
12
о Впервые экспериментально продемонстрировано снижение сопротивления
моделей при генерации Неоднородного безэлектродного СВЧ-разряда в сверхзвуковом потоке.
4. Проведены эксперимента!ьные работы по изучению влияния поверхностных разрядов на параметры погранслоя и отрывные явления. В частности:
о Получены зависимости параметров отрывной зоны за уступом от
энергетических характеристик электрического разряда, о Экспериментально продемонстрировано снижение тангенциальной силы на
плоской и профилированной пластинах при генерации поверхностного разряда.
о Экспериментально достигнуто управление положением прямого
замыкающего скачка при трансзвуковых режимах обтекания профилированной пластины с помощью поверхностного барьерного разряда.
о Экспериментально получен и исследован эффект плазменной экранировки
препятствий на поверхности в высокоскоростном потоке, о Экспериментально продемонстрирован и изучен эффект генерации
искусственных отрывных зон с помощью поверхностных разрядов. Исследована динамика установления отрыва при генерации плазмы. Измерен энергетический порог отрыва потока на плоской поверхности, о Предложен способ управления параметрами и структурой потока в каналах
и воздухозаборниках. Экспериментально показана возможность снижения потерь полного давления в канале переменного сечения.
5. Экспериментально продемонстрирован эффект воспламенения неперемешанного топлива при низкой температуре с помощью неоднородного многоэлектродного разряда в условиях фиксированной циркуляционной зоны сверхзвукового потока. Получен эффект ускорения смешения в потоке при использовании филаментарного поперечного разряда.
1
С Леонов
13
D. Формальные основания представления работы.
Актуальность проблемы. В настоящее время в США (программы "Х-43", "Falcon" и "НурегХ"), Европе (в Великобритании и во Франции), Японии и Китае значительно возросла активность по созданию гиперзвуковых летательных аппаратов. В 2002 году на полигоне в Австралии проведены испытания гиперзвукового аппарата и продолжается выполнение программы в рамках проекта «Австралийская Гиперзвуковая Инициатива». В 2003 году проведены испытания (неудачные) аппарата Х-43 с гиперзвуковым воздушно-реактивным двигателем. В конце 2004 года повторные испытания Х-43 признаны успешными и объявлено наступление «эры гиперзвуковых полетов». Понятно, что такого сорта аппараты в будущем могут стать основой не только транспортных систем, но и, в первую очередь, систем оборонительного и ударного назначения следующих поколений.
В данной области успешно работают коллективы исследователей ИВТ РАН, МГУ, ИТПМ, МРТИ, МФТИ, ФТИ им. Иоффе и др. К разработке новых технологий плазменного управления привлечены значительные силы в университетах и специализированных организациях НАСА и ВВС США, а также национальных и международных агентств в Европе и Азии. Разрабатываемые технологии позволяют значительно изменять аэродинамические характеристики существующих JIA, в частности, увеличивать дальность полета без изменения стартовой массы и существенно уменьшить время отклика управляющих систем (т.е. увеличивать скорость маневра).
Повышенный интерес к этой области развития прикладной науки отражается в возросшем числе публикаций по возможному применению электроразрядных и магнитогидродинамических эффектов для решения задач внешней и внутренней аэродинамики. С другой стороны, многие новые результаты не разглашаются.
Научная новизна работы. В данной диссертационной работе систематически изложены экспериментальные результаты по плазменной аэродинамике за последние 15 лет. Многие из них были получены впервые (раздел С). В частности, впервые был проведен цикл систематических измерений эффекта плазменных струй на аэродинамические характеристики тел в сверхзвуковом потоке, описан критерий эффективности воздействия и экспериментально получена зависимость эффективности от начальных параметров, описан эффект отрыва пограничного слоя при генерации
С Леонов
14
разряда на плоской стенке, продемонстрирован эффект нетеплового воздействия поверхностного разряда на структуру трансзвукового течения, продемонстрировано зажигание неперемешанного топлива в сверхзвуковом потоке электрическим разрядом и т.д.
Практическая значимость. Конструирование современных высокоскоростных ЛА и совершенствование существующих управляемых и неуправляемых ЛА связано с комплексным решением рада научно-технических проблем принципиального характера. В настоящее время становится понятным, что потенциал традиционных аэродинамических технологий не обеспечивает возрастающих требований к тактикотехническим характеристикам ЛА. Известные результаты проработок по созданию транспортных систем следующего поколения в России и за рубежом, а также опыт создания и эксплуатации космических аппаратов многоразового использования
I
показывает, что указанные выше проблемы и, зачастую, противоречивые требования могут быть разрешены только в рамках комплексных подходов с использованием нетрадиционных и новых технологий. Возможно, МПА технология в настоящее время является единственной альтернативой эволюционному пути развития традиционной аэродинамики.
Результаты, изложенные в диссертационной работе представляют не только академический, но, в большей степени, практический интерес при формировании облика летательных аппаратов и газодинамических/энергетических установок следующего поколения. По-видимому, следующие шаги в этой области должны быть тесно связаны с работой отраслевых институтов и специализированных конструкторских организаций
Достоверность полученных результатов. Приведенные в диссертации экспериментальные результаты получены на различных экспериментальных установках с привлечением различных измерительных методик. Частично, аналогичные наблюдения выполнены другими авторами в России и за рубежом. Результаты в значительной степени совпадают в части пересечения постановки эксперимента. Наиболее важные эксперименты выполнены на «больших» экспериментальных установках ЦАГИ, ЦНИИМаш, ГосНИИАС, ВИКА им. Можайского, где основные измерения дублировались штатными системами, а <
соответствующие результаты подробно обсуждались с ведущими специалистами. Часть
С Пеонов
15
результатов сравнивается с данными численного анализа, выполненного признанными специалистами НИИМех МГУ, ЦАГИ, ВИКА им. Можайского, показывающего качественное и, в ряде случаев, количественное совпадение. Некоторые данные были целенаправленно перепроверены за рубежом. Таким образом, достоверность изложенных экспериментальных результатов яаляется весьма высокой.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены лично автором и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, симпозиумов, рабочих совещаний и семинаров, из которых наиболее значимыми являются: Международная конференция «МПА в аэрокосмических приложениях», ИВТАН, Москва (1999-2006); Weakly Ionized Gases Workshop, США (1997-2006); International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, CLLIA-Франция- Италия- Австралия (1999, 2003, 2005, 2006); Plasmadynamics and Lasers Conference, США (2000-2005); Всесоюзная Конференция по низкотемпературной плазме, Петрозаводск (1995); Конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород; HAKONE, Ирландия, (1999); Международный симпозиум «Термохимическая конверсия и МПА», Санкт-Петербург, (2001-2006); EUCASS, Москва, (2005); Конгресс ICAS, Гамбург (2006) и другие.
Квалификационная ценность результатов исследований признана международным научным сообществом, в частности, посредством предоставления фантов Международного Научно-Технического Центра (проекты МНТЦ №1870, №2084, №3057). Результаты обсуждались в рамках выполнения Программ Президиума РАН №20 и №09
С Леонов
16
Е. Структура работы.
I
В настоящей диссертационной работе излагаются результаты экспериментальных исследований в области плазменной аэродинамики и сопутствующих областях, полученные автором самостоятельно и в составе научных коллективов в период с 1980 по 2004 год. Значительная часть результатов опубликована в более 80 научных статьях и многоисленных отчетах, докладывалось на более 40 конференциях, симпозиумах и научных совещаниях.
Диссертационная работа состоит из введения, шести (6) глав и заключения, содержит 409 страниц текста, с 311 рисунками. Совокупный список литературы содержит 282 наименования.
Первая глава посвящена обзору экспериментальных и теоретических работ по направлениям, имеющим непосредственное отношение к теме диссертационной работы: электрические разряды в газовом потоке, снижение сопротивления движению тел в атмосфере, модификация структуры течения при генерации разрядов и влияние плазмы на протекание
*
химических реакций.
Во второй главе приведено описание поведения электрических разрядах в условиях внешних высокоскоростных потоков. Отдельно изложены данные по эрозионной плазменной струе с выносом электрического тока ввиду того, что значительная часть плазмоаэродинамических экспериментов проводилась именно при выдуве такой струи.
В третьей главе кратко изложены особенности применения диагностических методов в условиях высокоскоростного воздушного потока и пространственно неоднородных электрических разрядов.
Четвертая и пятая главы яаляются основными в диссертации. В них описаны результаты экспериментальных исследований влияния плазмы газовых разрядов на параметры обтекания ( тел (четвертая глава) и структуру течения у поверхностей (пятая глава). Подробно обсуждается проблема снижения аэродинамического сопротивления как, с одной стороны, наиболее популярная в последние 10 лет так, с другой стороны, отражающая все основные вопросы энер1етического метода управления потоками. Проведен сравнительный анализ экспериментальных результатов с расчетными результатами, полученными для близких к эксперименту условий. Сформулирован критерий эффективности применения энергетического метода снижения сопротивления. Изложены экспериментальные данные по влиянию плазменных струй на подъемную силу модельного крыла. Приведены данные по влиянию разрядов на отрыв потока Обсуждается способ упрааления структурой течения в гиперзвуковом воздухозаборнике. Изложен взгляд автора на эффективность плазменного" алияния на параметры высокоскоростного потока.
С Леонов
17
В шестой главе изложены некоторые экспериментальные данные по электроразрядной инициации горения и перемешивания топлива в высокоскоростном потоке. Опыты проводились при прямой инжекции топлива в воздушный поток комнатной температуры. Приведены данные по теневым измерениям, измерениям давления и оптической спектроскопии. Обсуждается проблема адекватности трактовки видеонаблюдений и спектроскопических измерений. Данная часть работы находится в активной фазе, поэтому приведены лишь предварительные выводы.
В заключении приводятся основные выводы, сделанные по результатам исследований и обсуждаются вопросы, связанные с их практическими приложениями. Излагается возможный подход к проблеме масштабирования плазменных явлений и соответствующего метода снижения аэродинамического сопротивления. Обсуждаются основные недостатки электроразрядного способа управления высокоскоростным потоком. Кратко перечислены нерешенные задачи плазменной аэродинамики в авторской иерархии.
Список литературы в диссертационной работе выстроен по главам с неизбежным пересечением части ссылок.
С Леонов
18
F. Личный вклад автора в развитие направления.
Автор позиционирует себя как экспериментатора в области механики газа и плазмы, физики газового разряда и методов измерений параметров электрических разрядов в газовых потоках. Большая часть расчетных работ, результаты которых приведены здесь, выполнена коллегами, где автор претендует лишь на постановочную часть. Подчас бывает крайне затруднительно указать точно автора той или иной идеи или инициатора конкретной работы. Тем не менее, в большинстве случаев для описанных здесь результатов автор диссертации являлся непосредственным исполнителем или, по меньшей мере, одним из технических руководителей. В Части исследования разрядов в потоке, влияния разрядов на обтекание тел и поверхностей большая часть представленных результатов является личным достижением. Автор считает необходимым отметить специально следующее.
Первым идею о немонотонном поведении вязкости плазмы по радиусу плазменной струи высказал Г. А. Лукьянов, будучи в то время научным руководителем исследований. Эксперименты по генерации СВЧ разряда в потоке велись силами большого коллектива. Здесь приводятся результаты, полученные в то время, когда техническое руководство работами осуществлялось при участии автора.
Спектроскопические наблюдения в присутствии химических реакций проводились совместно с Д А Яранцевым, измерения методом КАРС совместно с П.В.Козловым, теневые съемки УВ в разряде совместно с А.И.Харитоновым, спектроскопия продольного разряда в ударной трубе проводилась вместе с
В.Г.Бровкиным, расчет спектров первоначально выполнялся Ю.Ф.Колесниченко, теневые съемки в ЦАГИ проводил В.П.Головня, метод расфокусированной диафрагмы для нестационарных объектов развивал А.В.Шипилин. Система измерений давления на базе электронного коммутатора была первоначально создана Б.И.Тимофеевым и
А. В.Козловым. Разработка источника питания ЮОкГц осуществлена совместно с А В.Козловым.
Особенно следует отметить, что значительная часть работ по влиянию разрядов на обтекание в 1997-1999гг. велась совместно с А.И.Климовым. Значительный вклад в работы по снижению сопротивления при выдуве струй плазмы внесли В.П Небольсин и ВА Шилов. ВЧ плазменные генераторы первоначально разрабатывались А.И.Пащиной. Решающий вклад в постановку эксперимента по СВЧ разряду внесли Ю.Ф. Колесниченко, В. Г. Бровкин, ВАЛашков и А А Крылов. Безусловно
С Леонов
19
положительное влияние на постановку экспериментов в ЦАГИ оказали Ю.Е. Кузнецов и В. В. Скворцов.
Часть работ по воздействию поверхностного разряда на обтекание проводилась в ВИКА им. Можайского при непосредственном участии в постановочной части
A.С. Юрьева. Бессменным техническим соратником в последние годы был К.В.Савелкин.
В постановке задачи плазменной инициации горения принимал активное участие
B.А.Виноградов. Идеи по интенсификации смешения разрядом в магнитном поле принадлежат В.АБитюрину.
Расчет влияния поверхностного энерговклада на параметры обтекания осесимметричных моделей проводился в разное время В.Г.Громовым и А.С.Юрьевым. Расчет влияния энерговклада на обтекания ступеньки проводился А.Н.Бочаровым и Е А Губановым, а в последнее время М. АСтародубцевым. Анализ влияния релаксации на толщину слоя вытеснения провел В.Р.Соловьев. Термохимическая кинетика топлив с воздухом рассчитывалась Н.Ю.Бабаевой и И. В. Кочетовым. Расчет состава плазменной струи проводила И. А Соколова. Расчет состава воздуха на выходе плазменной ячейки провели АП.Напартович и И.В.Кочетов. Только малая часть этих данных вошла в диссертацию.
Экспериментальная работа на установках значительного масштаба всегда требует слаженных усилий коллектива исполнителей. Не имея возможности перечислить всех поименно, автор выражает свою искреннюю благодарность всем участникам проводимых экспериментов.
С Леонов
20
С Терминология и обозначения.
м - число Маха течения
Кп- число Кнудсена.
Яе- число Рейнольдса
число Струхаля.
С - электрическая емкость
Е- напряженность электрического поля.
Е/1Ч- приведенное поле
I - электрический ток
к- постоянная Больцмана.
К - аэродинамическое качество
1- индуктивность
N. п- концентрация нейтральных частиц
Н,- концентрация электронов.
N. - концентрация составляющих газа
Р,- статическое давление в потоке.
Р. ' давление торможения
Я активное сопротивление.
№ =соЕ индуктивное сопротивление
5 - площадь сечения.
V поступательная температура газа
т, - колебательная температура в молекулярном газе.
Тс - температура электронов в плазме
V - скорость потока.
и - напряжение на разрядном промежутке
\У- электрическая мощность
Ро- плотность газа.
Е0- диэлектрическая проницаемость вакуума
5 толщина пограничного слоя.
X- длина волны.
т - релаксационное время
о) - круговая частота.
АД К аэродинамическое качество модели.
АДС аэродинамическое сопротивление модели.
АДТ аэродинамическая труба
АДХ аэродиамические характеристики
ВЧ, НГ- высокая частота
вв- высокое напряжение
ДБР.ОВЭ- диэлектрический барьерный разряд
ПТ, ЭС- постоянный ток.
ЕГД электрогидродинамика
И АДТ, Р\\Т аэродинамическая труба кратковременного действия
ИК инфракрасное излучение
ИС испытательная секция
ЛА летательный аппарат.
МГД магнитогидродинамика
МПА магнитоплазменная аэродинамика
ПА плазменная аэродинамика
ПГ генератор плазмы.
ПС пограничный слой, плазменная струя
СВЧ сверх-высокочастотное излучение
УВ ударная волна
УФ ультра-фиолетовое излучение
С Леонов
21
Глава 1. Обзор литературы.
1.1. Первые работы по Плазменной Аэродинамике. Электрический разряд в потоке газа.
На сегодняшний день (декабрь 2004года) автору неизвестны книга или монографии, непосредственно излагающие предмет плазменной аэродинамики. Наиболее близкими к теме являются две научные области: электрические разряды в газовых потоках и газодинамика при наличии зон энергоподвода.
По-видимому, наиболее полное изложение физических явлений, сопутствующих генерации электрических разрядов в воздушном потоке, приведено в книгах Ю. П. Райзера с коллегами [1-4]. Здесь рассмотрены электрические разряды различных частотных диапазонов (от постоянного тока до лазерного пробоя), включая механизм начального пробоя и основы кинетики низкотемпературной плазмы. С практической точки зрения проблема электрического разряда в потоке изучалась для генерации высокоэнтальпийных течений в плазмотронах, например в работах [5-7]; возбуждения рабочей среды в проточных лазерах, например [8]; двигателей малой тяги для орбитальных аппаратов, например [9]; других, менее значительных, приложений [10]. Несколько дальше от обсуждаемой темы находится обширная литература по магнитной гидродинамике.
Среди книг по газовой механике отметим особо три [11-13], в которых влияние подвода энергии на течение обсуждается в интересующем нас аспекте.
Непосредственно к теме работы следует отнести открытие, ряд обзоров, диссертации и публикации (краткий обзор последних приведен также в последующих параграфах).
В 1988г. было зарегистрировано открытие [14], полученное совместно специалистами МРТИ, ФТИ имени А.Ф. Иоффе и НИИРП, где экспериментально был обнаружен ряд ранее неизвестных особенностей сверхзвукового обтекания тел и распространения ударных воли в неравновесной слабоион изованной плазме, необъясняемых простым нагревом газа в разрядной области. Последовавшие газетные публикации подогрели в значительной степени спекулятивный интерес к этой области, подчас сильно искажая научную основу и экспериментальные данные.
Первый систематический обзор данных в области плазменной аэродинамики был написан в 1995году под руководством РАвраменко и А. Климова группой специалистов
С Леонов
22
различных институтов при участии автора [15]. В последующие годы были выполнены несколько версий обзора данных по теме МПА [ 16].
«
Попытки обобщения результатов в области МПА предпринимались и за рубежом. Большая аналитическая работа была выполнена Т. Кейном на основе доступных публикаций [17]. Насколько можно судить по статьям и выступлениям, обзорно-аналитическая работа проводится также в США Ч. Сухомелом и Д. Ванви [18,19] Недавно опубликован обзор, выполненный учеными ИПТМ (Новосибирск) и посвященный, прежде всего, проблеме снижения аэродинамического сопротивления тел при полете в атмосфере [20].
В 2002году А. И. Климов успешно защитил докторскую диссертацию [21], посвященную прохождению ударных волн через разрядную область и управлению сверхзвуковым обтеканием моделей при помощи электрических разрядов. Фактически, это была первая квазификационная работа по теме МПА
«
Работ, посвященных исследованиям свойств собственно разрядов в сверхзвуковом потоке, немного. В работе [22] электрический разряд использовался для визуалиализации течения в эксперименте в сверхзвуковой аэродинамической трубе (ток разряда - Jd< 104 А, число Маха М= 1,5-4,5, давление Рст=16-160Торр, Re~ 106).
Было обнаружено, что в областях с повышенными значениями приведенного электрического поля Е/N светимость плазмы слаботочного разряда увеличивалась. Этот результат позволил хорошо визуазизировать скачки уплотнения, контактные разрывы, зоны разрежения и т. д., где реалтзовывалось высокое значение параметра E/N. Удельная мощность, вложенная в разряд, и степень ионизации были небольшими и, практически, не влияли на структуру потока.
В обширном цикле работ [23-25] и, позже, [26] исследовазось влияние разряда на движение тел со сверхзвуковой скоростью (баллистические эксперименты). Однако, сам разряд был реази зован в неподвижном воздухе или инертном газе.
В конце 80х - начале 90х гг совместная группа МРТИ-ЦАГИ провела ряд экспериментов по изучению влияния разряда на обтекание моделей тел вращения в сверхзвуковом потоке [25, 27]. Здесь использовазся продольный разряд постоянного тока между электродами. Параметры и структура разряда были впервые измерены и описаны
В последние годы значительный вклад в изучение разрядов в потоке внесла група кафедры электроники физического факультета МГУ [28-34]. В этих работах *
излагаются результаты экспериментальных и теоретических исследований
С Леонов
23
стационарных и импульсно-периодических разрядов с взаимно перпендикулярной ориентацией прикладываемого электрического поля и сверхзвукового потока. Эксперименты проведены в сверхзвуковых газовых потоках с числом Маха М = 2 в области давлений затоаленного пространства 10 - 200 Тор, разрядных токов 0.1-40 А, длительностей импульса 3 - 1000 мкс, и на АДТ Института Механики МГУ с М = 6.
Для диагностики разрядов использовался комплекс осциллографических, зондовых и спектроскопических методов. Визуализация разряда осуществлялась с помощью сверхскоростного фоторегистратора типа СФР в режиме покадровой сьемки, визуализация картины истечения осуществлялась теневым методом. Исследование динамики разряда показало, что поток оказывает доминирующее действие на распространение и конфигурацию разряда. Экспериментально было показано, что механизмом неустойчивости разрядов в сверхзвуковых потоках, ограничивающих их протяженность и создающих колебательный режим горения, является вторичный пробой между анодной и катодной струями разряда. При этом в сильно недорасширенных потоках вторичный пробой происходит вблизи диска Маха, при малых степенях нерасчетности (формировании многобочечной структуры истечения), как правило, в конце второй бочки струи. Также исследовано влияние на колебательный режим горения характеристик разряда: типа разряда (дуговой, тлеющий), задаваемого величиной разрядного тока и межэлектродного расстояния.
Проведены подробные измерения пространственно-временной эволюции микроскопических характеристик импульсного разряда - концентрации заряженных частиц, температуры газа, потенциала пространства и электрического поля. Параметры плазмы в протяженных областях за электродами характеризуются следующими величинами: для давлений затопленного пространства -100 тор при изменении разрядного тока от 0.1 до 30 А плотность электронов пе меняется от единиц 1012 см'3 до единиц 10й см'3, температура газа Tg растет от -1000 К до -3500 К, колебательная температура Ту падает с -8000 К до -4000 К, а электрическое поле Е с -200 В/см до -40 В/см. На основе полученных данных проанализирована кинетика процессов образования и гибели заряженных частиц в разрядной плазме и предложен возможный механизм поддержания разряда.
Представлены результаты экспериментальных исследований электрического разряда в сверхзвуковых потоках воздуха и углеводородно - воздушной смеси (эксперименты проведены для числа Маха сверхзвукового потока М = 2, давлений
С Леонов
24
затопленного пространства 40-400 Topp и разрядных токов 140 А); рассмотрены механизмы неустойчивости поперечных к потоку электрических разрядов, а также условия воспламенения сверхзвукового потока пропан-бутан-воздушной смеси импульсным разрядом.
Значительный прогресс наблюдается в исследованиях свойств СВЧ разрядов в высокоскоростных потоках как поверхностного типа [33-34], так и инициированных [35-37] и свободно-локализованных [38-41].
С Леонов
25
1.2. Снижение сопротивления тел потоку при воздействии зоны энерговклада. Краткая историческая справка.
В общем случае сила сопротивления летающего аппарата представляется суммой двух компонент: сопротивление давления и сопротивление трения. Первая содержит головное сопротивление (в основном, волновое при М>1), и донное сопротивление. Вклад каждой из компонент в полное сопротивление при дозвуковом, трансзвуковом и сверхзвуковом режимах полёта различны. При сверхзвуковом и гиперзвуковом режимах волновое сопротивление составляет 60% и более от полной величины Для современных магистральных самолётов величина сопротивления трения при числах Маха М=0.7 - 0.9 соста&зяет примерно 60% от величины полного сопротиазение (30% фюзеляж, сопротиазение трения на крыльях 20-25%). Хорошо известно утверждение, что энерговклад в воздушный поток около обтекаемого тела может снизить полное сопротиазение этого тела. Иногда это происходит при высоком уровне энергетической эффективности [1-5|. В большинстве случаев внимание концентрируется на таких составляющих полного сопротиазения как сопротиазение давления и/или волновое сопротивление. Несколько важных работ было посвящено снижению воздушного трения механическими и электрическими методами [6-8].
Автор не претендует на проведение полного обзора ситуации и больше внимания уделяет хорошо ему известным экспериментальным работам. В разделах 12 и 13 по опубликованным данным кратко проанализируем возможные плазменные эффекты в двух- отдельных аспектах:
о Снижение сопротиазения тел вращения в высокоскоростном потоке; о Около-поверхностный энерговклад и возбуждение электромагнитных объемных сил.
История ПА берет начазо в 70-х годах прошлого века с работ советских ученых, хотя некоторые разрозненные данные известны были и ранее (см. например [5]). Указанные работы велись в рамках программы специальной тематики и лишь небольшая часть результатов опубликована в открытой печати. Например, в книге [9] изложены некоторые аспекты генерации свободно-локализованного СВЧ разряда в атмосфере. Автор принимал участие в измерениях параметров разряда [10[.
Первая публикация, в которой проблема изложена в явном виде, была расчетнотеоретическая работа В. АЛ евина с сотрудниками [11]. Наиболее ранние результаты по
С Леонов
26
проблеме снижения сопротивления с помощью плазменных объектов изложены в [11-21). В них было продемонстрировано, что:
«
Плазма электрических разрядов и лазерной искры снижает сопротивление затупленных тел на величину до 50% в сверхзвуковом и дозвуковом потоках.
Эффективность плазменного воздействия может быть более 1 для затупленных тел.
Огход головной волны увеличивается, а давление в лобовой точке модельных тел уменьшается.
Аэродинамическое качество простого профиля может быть улучшено.
Как пример ранних работ можно привести данные по воздействию высокоэнтальпийных струй плазмы [17,21]. Позже результаты были повторены и значительно улучшены в ряде работ [2, 22-24].
Модель представляла собой сочленение конусной или полусферической
головной части (полуугол 30°) с цилиндрическим телом диаметром 40, 60 и 70мм и <
плоской донной частью. Коэффициент сопротивления такой модели был в пределах
0.8-1.0 при числе Маха потока 1.7-2.0. Пример теневой съемки приведен на рис. 1.2.1.
Хорошо видны как изменение отхода ударной волны, так и генерация турбулентного
нагретого слоя у поверхности.
I
Рис. 1.2.1. Теневая съемка взаимодействия плазменной струи со сверхзвуковым
потоком.
Пример данных весовых измерений для этого случая при М=1.6 показан на рис. 1.2.2.
С. Леонов
Model
Plasma Jet
m
Рис. 1.2.2. Пример весовых измерений при выдуве плазменной струи из носовой части
модели.
На рис. 1.2.3 представлена зависимость физической эффективности г\\ воздействия плазменной струи от числа Маха воздушного потока. Эта зависимость похожа на полученные данные для коэффициента сопротивления в работе [22-23]. Однако, значения эффективности в настоящей работе много выше, и, что особенно важно, превышают единицу. Видно, что эффективность максимальна при трансзвуковом потоке, что хорошо коррелирует с величиной отхода волны.
200п
160-
120-
е&-
40-
ЕЛ'мкгспим.Ч д
/ '
V А*
ч
Mach number
1
1.0
ч—I—г
15
I
2.0
0.5 1.0 15 2 0 25
Рис. 1.2.3. Эффективность воздействия плазменной струи от числа Маха.
Повышение эффективности воздействия ПС выше уровня 1 является ключевым моментом данной работы. Известно, что расчеты показывают возможность такого превышения во много раз [25]. Однако, экспериментальным образом для «нетупых» тел это достигается с большим трудом, благодаря, например, искусственному созданию застойных циркуляционных зон.
С. Леонов
28
Еще с 1993 году было показано [27], что при оптимальном расположении зоны энергоподвода на телах с присоединенной волной возможно эффективное снижение сопротивления.
В работе [28] исследовалось изменение сверхзвукового обтекания тел в экспериментах на аэродинамических трубах (М = 2,5,1Р = 1А, FIt = 60-80 Topp). Было обнаружено, что поток за разрядной областью был неоднородным: начальная турбулентность потока в разрядной плазме значительно усиливалась. Вследствие этого, взаимодействие такого неоднородного потока с головной УВ перед моделью носило нестационарный характер. Авторы считают, что обнаруженные результаты могут объясняться тепловыми процессами, происходящими в разрядной плазМе.
В работе [29] приведены результаты экспериментального и расчетного исследований сверхзвукового обтекания (М=4) затупленного тела с иглой И электрическим разрядом, зажигаемым в его головной части, в аэродинамической трубе и численного моделирования реального эксперимента. Модель представляла собой цилиндрическое тело, переходящее в конус с затупленным носом и пикой в головной части. Угол при вершине конуса составлял 0=15°. Радиус затупленного конуса R равнялся 1 см. В конусную часть модели были вмонтированы «заподлицо» 8 электродов секционированного анода (или катода). В вершине конуса имеется выдвижная игла - электрод. В эксперименте имелась возможность изменять длину иглы L от 20 до 60 мм и располагать на ней дополнительный поджигающий электрод -кольцо, соединенное с одним из восьми электродов на головной части. Плазменный генератор позволял зажигать на модели, помещенной в поток, разряд нескольких видов. Разряд постоянного тока возбуждался при полном токе Ia< 4А и мощности Wd <4 кВт. В аэродинамическом эксперименте по сверхзвуковому обтеканию (М= 4) затупленного тела с иглой и с разрядом в головной части обнаружено, что сопротивление тела при включении разряда уменьшается на 33- 36%, при средней мощности, вложенной в разряд, 2.1-ь 2.6 кВт. По-видимому, это первое
экспериментальное свидетельство генерации передней отрывной зоны на модели вследствие возбуждения разряда.
В [30, 31] исследовалось обтекание моделей с плазмоидом перед ними, образованным оптическим разрядом. Дтя образования оптического разряда в сверхзвуковом потоке использовались мощные импульсно- периодические лазеры. В эксперименте показана возможность образования устойчивого оптического плазмоида
С Леонов
29
в сверхзвуковом потоке газа при определенном потоке мощности оптического излучения. Измерено снижение сопротивления тела при наличии плазмоида до 40%, правда, на модели с плоской носовой частью. Получена зависимость силы сопротивления модели от частоты следования лазерных импульсов и средней мощности, подведенной к разрядной области. Определение эффективности использования плазмы в этих экспериментах было затруднено в связи с трудностью аккуратного измерения мощности лазерного излучения, вложенного в оптический разряд и в нагрев газа. Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными позволяет интерпретировать наблюдаемый эффект снижения сопротивления потоку, как тепловой.
В 1996-97 годах на АДТ ЦАГИ была выполнена экспериментальная работа но воздействию комбинированного разряда (плазменная струя и поверхностный разряд) на характеристики хорошо обтекаемой модели Сс1=0.09-0.14 [32). Вывод был
малоутешителен: эффект плазмы и эффективность низки.
В 1997-98 эксперименты по влиянию поверхностных разрядов постоянного и переменного гока были проведены на аэродинамической трубе ЦАГИ. Измерение параметров плазмы производилось МГУ. По результатам работы были описаны новые режимы разряда (см. рис. 1.2.4) [33]. Результирующее снижение сопротивления было лС<#0=Ю-15% при физической эффективности 30-100%. Позднее анализ результатов показал, что наиболее вероятным механизмом воздействия был механизм снижения вязкого трения.
Рис. 1.2.4. Продольный поверхностный разряд в сверхзвуковом потоке. Существенно отличный от предыдущих тип взаимодействия был продемонстрирован в ходе экспериментальной работы 1997-98года но воздействию
С .Леонов
30
импульсной СВЧ плазмы на сверхзвуковой поток [34-35]. Использовались газодинамический стенд И ММ Ст-ПбГУ и СВЧ установка ВНИИ РА.
Пример теневой съемки представлен на рис. 1.2.5. Данные получены в следующих условиях: длительность СВЧ импульса около 1 .зил, период повторения 1.1 пи, импульсная мощность около 200к\У, плазмоиды располагались в 3 и 5см от модели вверх по течению, экспозиция съемки \\ю, задержка 30|хз, число Маха потока М=1.5.
Рис. 1.2.5. Нестационарная УВ картина обтекания при воздействии СВЧ плазмы на
поток и модель.
Очевидно, что такого сорта картины («расщепление» УВ) могут быть получены только при нестационарном режиме обтекания. Весь процесс взаимодействия занимает 12он-1бош.5. Измерения усредненного значения снижения сопротивления сферической модели дали 5н-9%. Пример записи весовых измерений приведен на рис. 1.2.6. Формальный пересчет результата на «чистое» значение при оптимальной скважности дает 30-ь40% снижения при эффективности ф=50-П00%.
1.3000-
1,2000-1,1000-1.0000-0,9000-0,8000=, 0/000 0
jForc^Newton^I
Balances Data
у
/
av«l without plisnu
Level with MW plasm«
I I I I
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
hi.
Рис. 1.2.6. Пример весовой записи при воздействии импульсной СВЧ плазмы. М=1.5.
С. Леонов
п
В 1998-99 были выполнены эксперименты по управлению обтеканием с помощью одноэлектродного высокочастотного разряда [36,37]. Работа выполнялась на установках ГосНИИАС, ЦАГИ и ИВТАН. В этих экспериментах впервые были продемонстрированы филаментарные разряды в сверхзвуковом потоке, эффект прохождения ВЧ разряда через ударную волну и изменение параметров УВ (см. теневую фотографию на рис. 1.2.7). Три различные механизма взаимодействия были описаны, в том числе снижение сопротивления хорошо обтекаемого тела с ()«0.1 составило /10/0 = 5-Тб% при эффективности 30-180%.
Рис. 1.2.7. Взаимодействие одноэлектродного разряда с головной УВ при М=2.
Сравнение результатов этого эксперимента с данньми по плазменным струям, разрядам постоянного\иеременного тока и СВЧ разряду позволило предположить, что механизм взаимодействия в данном случае существенно иной, чем просто нагрев газа перед телом.
В 1997-99 годах были выполнены эксперименты с моделями большого диаметра с использованием экспериментальных стендов ЦНИИ Маш и, позже, ЦАГИ. Первая модель соответствовала размеру 1/3 носовой части летательного аппарата (320мм в диаметре), вторая модель была в два раза меньше по диаметру. К сожалению, работа с первой моделью не была закончена вследствие технических неполадок. Предварительный результат был /4С<#С</=4±3% при эффективности 20-И 00%. Модель 1/6 носовой части испытывалась с оригинальным расположением электродов. В этом эксперименте, формально, была продемонстрирована самая высокая эффективность воздействия при применении разряда переменного тока на вынесенном вперед электроде, АС(1Р(1=(!% при эффективности до 360% [34,38,39].
Процитированные работы показали, что плазменный (энергетический) метод управления потоками имеет смысл в приложениях. Основная проблема состоит в понимании механизмов взаимодействия и последующей оптимизации. Другим важным
С. Пеонов
32
достижением был вывод о том, что плазменный метод эффективен для неоптимальных тел и\или неоптимальных параметров потока. И третий Вывод заключался в том, что следует уделять особое внимание управлению состоянием погранслоя й, в частности, оптимизации параметров отрывных зон. Анализ показал, что влияние трения и эффектов отрыва и интерференции может быть, в значительной степени, смягчено посредством энерговклада в поток.
В то же время, ожидаемый положительный эффект от применения энергетического метода управления потоком всегда сопряжен с рядом отрицательных последствий. Эго утверждение может быть проиллюстрировано рядом примеров, такими, как снижение донного давления при снижении давления в носовой части аппарата или снижения расхода воздуха через воздухозаборник. Таким образом, любая АД ситуация требует анализа всех возможных, в т.ч. негативных, последствий.
В настоящее время очевидно, что большое число важных явлений осталось за рамками процитированных работ и нуждается в тщательном изучении. Настоящая диссертационная работа суммирует многие из вышеперечисленных экспериментальных фактов и приводит детальное изложение методологии и результатов.
С Леонов
33
1.4. Влияние нагрева и возбуждения внутренних степеней свободы на параметры погранслоя и отрывные явления.
Краткий обзор.
Проблемы управления погранслоем и процессами отрыва при помощи локализованного электрического разряда интенсивно разрабатываются в последние годы [1-18]. Такое управление можно осуществить двумя способами: изменением вектора скорости внешнего потока или/и свойств и температуры поверхности. Плазменный метод управления пограничным слоем (объёмное энерговыделение в газе около поверхности с помощью электрического разряда и изменение импульса газа за счет объемных электромагнитных сил) приводит, часто, к нетривиальным результатам.
Работы разных авторов показывают, что структура и параметры пограничного слоя определяются большим количеством разных факторов, которые можно суммировать в три основные категории:
о параметры и структура внешнего невязкого потока; о параметры газа и потока внутри пограничного слоя; о параметры и условия на самой стенке.
Хорошо известно, что положение ламинарно-турбулентного перехода пограничного слоя может быть изменено путём охлаждения или нагрева поверхности или выделением тепла непосредственно в газ внутри пограничного слоя [19-21]. Вязкое трение в ламинарном ПС гораздо меньше турбулентного. Проблема заключается в том, что в практических случаях ПС ламинарен на пренебрежимо малой части поверхности. В этих случаях важно снизить турбулентное трение или вторично ламиниризовать ПС.
При объёмном типе энерговклада в пограничный слой газ оказывается горячим не только около точки нагрева, но и вниз по потоку (независимо от скорости внешнего течения). Ниже точки (линии) энергоподвода существует нагретый пограничный слой и относительно холодная стенка. В этом случае ПС стабилизируется благодаря его более полному профилю. Температура газа в ПС меняется медленнее вдоль линий течения благодаря рекомбинационным процессам. Поэтому локальное чисто Рейнольдса также меняется медленнее, чем в невозмущенном потоке. Лучшее место для создания плазмы (выделения тепла) - это область с максимальными механическими потерями энергии, а именно: область критической точки и линии присоединения посзе отрыва потока, головная часть пластин и профилей и области взаимодействия скачков уплотнения с ПС. Ламинарно-турбулентный переход при таком воздействии может перемещаться
С Леонов
34
ниже по потоку. В случае отрыва потока из-за взаимодействия ПС и УВ на профиле, плазменное образование предотвращает процесс отрыва. В целом, объёмный тип энерговклада в ПС воздействует также на внешний невязкий поток.
Другой причиной неоднозначности результата плазменного воздействия яазяется то, что при высоком уровне энерговклада и тонком ПС (высокая плотность энергии) плотность газа в ПС может стать столь низкой, что режим течения может перейти от непрерывного к переходному или свободно-молекулярному. Число Кнудсена в этом случае Может быть Меньше 1. Например, на высоте 20-30км и температуре газа 3*10кК число Кнудсена может быть в диапазоне Кп=0.02-0.1.
Характер термического влияния плазмы зависит от конкретной модели взаимодействия между разрядом и газовым потоком. Могут реализовываться два предельных режима: "обтекание" и "сквозное протекание" (22]. На практике оба механизма действуют одновременно в разной пропорции. В первом случае шшяние на внешний поток больше, чем во втором. Здесь определяющим фактором я&пяется скорость потока так, что при некоторых геометрических конфигурациях энерговклада возможно обеспечить течение вокруг тела без трения. Во втором случае энерговыделение или плазменное образование сильнее влияет на пограничный слой, в частности, приводит к увеличению кинетической энергии газа.
Часто прослеживается сильная корреляция между факторами, влияющими на компоненты аэродинамического сопротивления |23-28]. Поэтому попытка изменения одной компоненты приводит к изменению остальных и это изменение может иметь как тот же знак, так и противоположный. Например, снижение коэффициента трения перед донной частью приводит к увеличению разрежения в ней и, как следствие, к увеличению сопротивления.
Существующие (традиционные) пути снижения сопротивления трения основаны на прямом воздействии на поток около поверхности и, по сути, являются методами управления ламинарным и турбулентным пограничными слоями. При ламинарном режиме течения сопротивление трения во много раз меньше, чем при турбулентном режиме. Поэтому сохранение ламинарного режима течения в пограничном слое позволяет в отдельных случаях снизить сопротивление трения на 90%. Как известно, ламинаризация может быть достигнута путем выбора контура поверхности, путём отсоса части газа сквозь проницаемую оболочку, применением упруго-гасящих покрытий и воздействием электромагнитных полей на переход от ламинарного режима <
к турбулентному.
С Леонов
35
Рассматривая тот или иной путь снижения сопротивления трения необходимо учитывать, что ламинарный пограничный слой более предрасположен к отрыву, чем турбулентный. Таким образом, воздействие на пограничный слой для снижения сопротивления трения увеличивает вероятность его отрыва, что может привести к появлению нерасчётных режимов. Если эти режимы приведут к более негативным последствиям, чем увеличение трения, необходимо принять меры по предотвращению отрыва. Такими мерами могут быть изменение контура поверхности тела или турбулизация пограничного слоя путём применения механических турбулизаторов различной конструкции. Также возможен противоположный случай - например, турбулизация пограничного слоя для смещения отрыва на "толстых”, плохообтекаемых телах (сфера) и на "тонких" телах (профили крыльев). В первом случае снижая донное сопротивление путём увеличения сопротивления трения из-за турбулизации можно достичь снижения полного сопротивления. Во втором - величина роста сопротивления трения превышает величину снижения донной составляющей, что приводит к росту полного сопротивления.
Необходимо отметить, что методы снижения сопротивления трения основаны или на удалении слоев высоко-энтропийного газа со стенки (отсос), или на подводе дополнительной механической энергии к этим слоям (подвижная стенка, тангенциальная эжекция, интенсификация смешения верхних слоев с пограничным слоем и т.д.)
Другие хорошо известные пути снижения сопротивления трения используют нагрев или охлаждение стенки, так как изменение температуры стенки сильно влияет и на саму величину сопротивления при том или ином режиме течения, и на ламинарнотурбулентный переход, т.е. на величину критического числа Рейнольдса. Известно, что передача тепла от стенки к пограничному слою уменьшает градиент скорости, увеличивая толщину слоя, что приводит к снижению трения. Физическое объяснение заключается в том, что относительная температура стенки увеличивается с ростом числа Маха при термоизолированной поверхности. В результате толщина пограничного слоя возрастает, градиент скорости снижается и ламинарный пограничный слой становится менее устойчивым.
В поисках новых экономичных и простых методов управления пограничным слоем, рассмотрена возможность управления с помощью изменений свойств газа и его состояния в самом пограничном слое и во внешнем невязком потоке. Это направление связано с развитием силовых методов управления обтеканием, основанных на подводе
С Леонов
36
энергии к обтекаемому потоком телу. Хотя теоретические и экспериментальные исследования, проведённые в рамках этого направления, в основном посвящены
1
снижению волнового сопротивления, результаты некоторых из них демонстрируют возможность воздействия также и на пограничный слой.
Величина тангенциального напряжения трения сильно зависит от числа Маха невязкого потока и от продольного градиента скорости. С другой стороны, степень начальной турбулизованности существенно влияет на развитие нестабильности пограничного слоя. Она воздействует на точку ламинарно-турбулентного перехода, т.е. на критическую величину числа Рейнольдса.
Шероховатость стенки обтекаемого тела оказывает такое же влияние, как и степень начальной турбулентности. При турбулентном режиме шероховатость стенки определяет напряжение трения. Кроме того, кривизна стенки (влияние центробежных сил), проницаемость стенки (выдув, отсос газа через стенку, эрозия поверхности стенки), упругость, относительная температура стенки, каталитическая способность стенки влияют на сопротивление трения и точкуг отрыва. Два последних фактора довольно важны для высокотемпературных, химически активных слоев. Рекомбинация происходит разным образом в зависимости от соотношения между температурой стенки и температурой торможения потока Она напрямую влияет на величину термической нагрузки на стенку и на напряжение трения. Введение плазмы в пограничный слой может привести к существенному снижению величины турбулентности из-за механизма эффективного раздувания пограничного слоя (шероховатость поверхности оказывается относительно низкой). Каталитическая способность поверхности также влияет на процессы внутри пограничного слоя.
Кроме факторов во внешнем потоке и условий на стенке, важна роль свойств газа внутри пограничною слоя, также как термических и химических процессов [29]. Это вязкость, теплопроводность, диффузия, характер и интенсивность прямых и обратных химических реакций, их скорость и относительные скорости релаксационных процессов.
При математическом моделировании задачи затягивания перехода пограничного слоя было определено, что начальные данные на левом краю влияют на развитие ПС ниже по потоку. В то же время они (начальные условия) зависят от процессов формирования ПС. Большие различия существуют в начальном состоянии турбулентного ПС в случае развития при присоединении после ламинарного отрыва •
или в случае ламинарно-турбулентного перехода. Такое же отличие может быть при
С Леонов
37
формировании ПС в критической точке затупленных тел в сверхзвуковом потоке в зависимости от условия и в точках присоединения на телах с носовой иглой. Дальнейшее развитие пограничного слоя зависит от типа перехода или от начальных условий. В любом случае (на профилированных телах и плоских пластинах), напряжение вязкости достигает максимальной величины в местах формирования и перехода ПС. Эго говорит о факте, что именно в таких местах потери механической энергии максимальны. Поэтому параметр, предстааляющий собой отношение толщины потерь энергии к толщине потерь импульса, является очень важным. Представляется, что именно по этой причине выдувание газа около критической точки наиболее эффективно. Более того, нагрев простой пластины около переднего края уменьшает сопротивление трения и приводит к стабилизации ламинарного пограничного слоя (в противоречии с основной концепцией). В качестве примера термического приближения можно указать [30], где экспериментальная работа сопровождена интересными численными расчётами.
Тепловойметодстабилизациипограничногослоя
В работах Когана [9-10] была исследована возможность стабилизации ламинарного пограничного слоя с помощью нагрева пластины на переднем крае. Было показано, что нагрев увеличивает стабильность ламинарного пограничного слоя. Результат интересен, особенно если учесть, что обычно такой эффект происходит при охлаждении стенки. Было рассмотрено электро-газодинамическое влияние на развитие малых возмущений в пограничном слое на пластине и на тонком профиле. Униполярная заряженная ионная струя возбуждалась вдоль поверхности. Система электродов, использованная для создании ионной струи в тлеющем разряде, была моделирована двумя полубесконечными газовыми электродами (не приводящими к возмущению потока), установленными в сечении, перпендикулярном набегающему1 поток}', и одним электродом на краю профиля. Было показано, что при электрогазодинамическом обтекании число Рейнольдса перехода пограничного слоя может возрастать на 13% для плоской пластины и до 8-11% для тонкого профиля.
Исследованию влияния нагрева и охлаждения поверхности на характеристики устойчивости ламинарного пограничного слоя посвящено большое число как теоретических, так и экспериментальных работ, в которых изучалась устойчивость автомодельных пограничных слоев на телах с постоянной температурой поверхности [27, 33]. При дозвуковых скоростях набегающего потока охлаждение поверхности приводит к повышению устойчивости пограничного слоя и увеличению
С Леонов
38
ламинарного участка. В свою очередь, нагрев поверхности приводит к существенной дестабилизации течения и более раннему переходу к турбулентному режиму. Однако, если поверхность обтекаемого тела нагревать неравномерно, то можно получить совершенно противоположные результаты. Действительно, в работах [34, 35] на основе численного решения линейной задачи устойчивости было показано, что локальный нагрев поверхности плоской пластины вблизи ее передней кромки может приводить к стабилизации пограничного стоя й увеличению протяженности ламинарного участка.
Примерно в это же вреМя были проведены исследования возможностей управления состоянием пограничного слоя с помощью локальных участков нагрева поверхности, расположенных вдали от передней кромки обтекаемого тела [36-38]. Было показано, что периодическое изменение температуры малого локального участка поверхности может индуцировать в пограничном слое возмущения типа волн Толмина-Шлихтинга и, в зависимости от фазы колебаний, приводить к генерации или подавлению возмущений [39]. Эти работы можно рассматривать как развитие идей, высказанных в работе [40], где впервые рассматривались вопросы активного управления ламинарно-турбулентным переходом. Однако, вопрос о возможности управления положением ламинарно-турбулентного перехода остался открытым, так как в указанных работах не удалось продемонстрировать конечного влияния вводимых в поток возмущений на переход.
Как известно, неблагоприятный градиент давления, дестабилизируя течение, приводит обычно к быстрой турбулизации течения в пограничном слое. Тем не менее, как было показано в [41 ], локальный нагрев поверхности вблизи передней кромки тонкого профиля может обеспечить значительную протяженность ламинарного участка, захватывающего и область поверхности с неблагоприятным градиентом давления.
В [42-44] было показано, что не только нагрев поверхности, но и объемный подвод тепловой энергии в пограничный слой приводит к существенной стабилизации течения. Одной из особенностей ламинаризации на неизотермической поверхности является существенная дестабилизация пограничного слоя вблизи самого участка нагрева, которая может при определенных условиях привести к возникновению перехода уже на самом участке нагрева, если степень нарастания возмущений окажется достаточно велика [45].
С Пеонов
39
Были предприняты исследования влияния градиента температуры вдоль всей обтекаемой поверхности тела на устойчивость пограничного слоя, которые также показали важность выбора протяженности участка нагрева для достижения положительного эффекта затягивания перехода (461. Одновременно с теоретическими исследованиями проводилась и экспериментальная проверка методов ламинаризации нагревом поверхности [47-49, 58], которые подтвердили основные выводы теоретических исследований. Следует упомянуть об исследован иях, предпринятых для поиска оптимальных способов нагрева поверхности при условии ее те пл о и зол и ро ва н н ости за участком нагрева, поскольку в обычной ситуации требуется принудительное охлаждение поверхности для поддержания требуемой температуры [50-52].
При обтекании тел с ненулевым углом скольжения ситуация осложняется появлением в пограничном слое поперечного течения и еще одного вида неустойчивости, называемого неустойчивостью поперечного течения (cross-flow instability). На стреловидных крыльях именно нарастание этих возмущений и приводит к ламинарно-турбулентному переходу. Еще одним типом неустойчивости, присущим пограничному слою на стреловидных крыльях, является неустойчивость течения на линии растекания крыла, которая при больших числах Рейнольдса может стать первопричиной турбулизации пограничного слоя непосредственно с передней кромки крыла. Поэтому одним из важных вопросов о возможности применения локального нагрева, как способа ламинаризации обтекания, является вопрос о влиянии нагрева на устойчивость пограничного слоя на линии растекания стреловидного крыла. Ранее эта проблема изучалась на моделях течений вязкой несжимаемой жидкости [53-54].
В [55] было рассмотрено влияние сжимаемости и температуры поверхности на устойчивость пограничного слоя на линии растекания стреловидного крыла на основе численного решения линейной задачи устойчивости для вязкого теплопроводного газа. Было показано, что при дозвуковых скоростях набегающего потока число Маха и температура поверхности оказывают значительное влияние на нарастание возмущений и критические числа Рейнольдса потери устойчивости течения в пограничном слое на линии растекания. Было установлено также, что при дозвуковых скоростях увеличение температуры приводит к уменьшению критического числа Рейнольдса и росту' инкрементов нарастания возмущений.
С Леонов
40
При сверхзвуковых скоростях набегающего потока на крыльях со сверхзвуковыми передними кромками влияние температуры поверхности на характеристики устойчивости оказывается более сложным из-за различного влияния температуры поверхности на различные моды неустойчивых возмущений [56-57]. Было показано, что нагрев и объемный подвод энергии в пограничном слое может в определенном диапазоне температур оказывать даже некоторое стабилизирующее влияние на пограничный слой на линии растекания [57].
ЭчектрогазодиНамическиеэффектывПС
Следующий вид плазменного воздействия может проявтяться благодаря электростатическим (униполярным и дипольным) силам. В последние годы значительное внимание было уделено изучению возможности управления течениями слабоионизованного газа с помощью электрогазодинамического (ЭГД) взаимодействия [59]. Этот метод основан на ускорении ионов в электрическом поле и передачи импульса нейтральным молекулам при столкновениях ионов с молекулами. Заметные электростатические силы могут возникать в течениях с униполярным объемным зарядом в присутствии достаточно сильного электрического поля [60]. Коронный разряд является одним из наиболее удобных для практических применений методом создания таких условий.
В обычном коронном разряде в воздухе плотность объемного заряда мала (порядка 10”' К/м3), а среднее значение напряженности электрического поля не больше пробойного значения (порядка 10" В/м в воздухе). В случае однородного распределения параметров среды мы можем сравнить плотность кинетической мощности потока газа \У=1/2рУ2 с плотностью электрической мощности \Уе=1/2ЕЕ2, где Е самосогласованное электрическое поле. Для атмосферных условий и вблизи пробойного поля результирующая скорость не превышает У=10М/С. Поэтому для характерной скорости потока порядка 100 м/с электрические члены в уравнениях импульса и энергии (объемная Кулоновская сила и Джоулева диссипация, соответственно) малы по сравнению с конвективными членами. Как сказано в [59], «Что касается практического применения, Необходим механизм значительного усиления возможных малых возмущений. Пограничный стой является одной из областей течения, в которой малые возмущения могут приводить к значительному изменению аэродинамических сил вследствие либо смещения ламинарнотурбулентного перехода, либо устранения или затягивания отрыва пограничного слоя».
Таким образом, в условиях пограничного слоя и сильной неоднородности
С Леонов