CC BY
34
Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 793-794
УДК 533.6.071
ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕЧЕНИЯХ С УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ
© 2011 г. И.А. Знаменская
Московский госуниверситет им. М.В. Ломоносова
Поступила в редакцию 16.05.2011
Исследуются энергетические характеристики наносекундных локализованных разрядов (объемного и поверхностного) в нестационарных сверхзвуковых потоках на основе экспериментального и численного анализа возникающих газодинамических течений.
Ключевые слова: ударная труба, наносекундный поверхностный разряд, объемный разряд, энерговклад, двумерное моделирование.
Энергоподвод в газодинамический поток является одним из методов управляемого воздействия на течение. Эффективность воздействия разряда на поток определяется отношением В вложенной в поток энергии разряда И'разр к энтальпии газодинамического потока: Б = Жразр/^пот (аналог числа Дамкелера для физико-химических процессов в потоке газа). Для сверхзвуковых течений газа эффективное воздействие предполагает увеличение значения Иразр. В стационарном режиме энергоподвода при увеличении энергии (тока) разряда повышается вероятность возникновения плазменных неустойчивостей. Исследования показали, что осуществление эффективного воздействия на высокоэнтальпийные газовые потоки возможно на основе импульсного (импульсно-периодического) энергоподвода. Основным средством реализации такого энергоподвода являются импульсные разряды: оптический разряд, сильноточные наносекундные разряды - объемный и поверхностный. За время ^разр << , плазменные неус-
тойчивости не успевают развиться. При этом инициирование разряда в потоке приводит к возникновению нестационарного ударно-волнового течения, которое воздействует на исходный высокоскоростной поток. Воздействие определяется энерговкладом и конфигурацией разрядной области в потоке, параметрами и структурой исходного газодинамического течения.
Для описания газодинамических последствий инициирования разряда в потоке в случае, если время протекания тока разряда ^разр много меньше характерных газодинамических времен ^пот, можно использовать модель мгновенного энерговклада. Пусть за время ^разр в нагрев газа (поступательные степени свободы) переходит энергия
Жразр = КЕ, где Е — полная электрическая энергия, К — доля энергии разряда, перешедшая в тепло на стадии протекания тока разряда. Нахождение значения коэффициента К через физико-химический анализ плазмы разряда требует учета множества кинетических процессов, определяемых параметрами плазмы, газа, эволюцией течения. Предложен и реализован для ряда двумерных нестационарных течений с энергоподводом альтернативный подход к данной проблеме: определение энергии, импульсно введенной в поток разрядом, путем решения обратной задачи. Численно моделируется возникающее при мгновенном локальном энерговкладе нестационарное газодинамическое течение. Экспериментально теневым методом исследуются быстропротекающие квази-двумерные газодинамические процессы, возникающие после инициирования разрядов наносе-кундной длительности в течениях с разрывами. Проводится сравнение теневых изображений возникающих ударно-волновых конфигураций и соответствующих данным условиям численных картин течения. При решении обратной задачи методом подбора находятся энергетические характеристики разрядов в потоке: значения поглощенной газом энергии Иразр (и коэффициента К).
Исследовались экспериментально в газодинамическом потоке два сильноточных наносекунд-ных разряда: 1) распределенный поверхностный разряд, скользящий по поверхности диэлектрика (плазменный лист) размером 30x100x0.5 мм [1, 2]; 2) объемный разряд с предыонизацией ультрафиолетовым излучением от плазменных листов в прямоугольном канале размером 48x100x24 мм [3]. Для численного моделирования течения с импульсным энергоподводом использовалась схе-
ма Годунова повышенного порядка точности.
На рис. 1 изображено газодинамическое течение, образовавшееся после взаимодействия плоской ударной волны в канале с течением, возникшим после инициирования плазменного листа на стенке канала поперек потока.
висимости от протяженности зоны разряда х: Р = 25 торр (треугольники) и 75 торр (кружки).
Показано, что значение К для сильноточного нано секундного разряда достигает при некоторых условиях 60%, что указывает на особый механизм быстрого нагрева газа.
Рис. 1
К моменту разряда ударная волна М = 2.1 двигалась по области разрядного промежутка в течение 8 мкс. Разряд локализовался только перед ударной волной — в зоне низкой плотности (эффект самолокализации [1—3]). Для данных условий совпадение расчета (снизу) с экспериментом (сверху) достигается для К = 30±5%. Метод позволяет исследовать зависимости характеристик импульсных разрядов в нестационарных течениях с ударными волнами от параметров газа, конфигурации потока. На рис. 2 представлена зависимость энерговклада на единицу поверхности в за-
Рис. 2
Работа выполнена при участии И.Э. Иванова, А.Е. Луцкого, И. В. Мурсенковой, аспирантов МГУ, при поддержке грантами РФФИ.
Список литературы
1. Знаменская И.А., Иванов И.Э., Орлов Д.М. Сысоев Н.Н. // Докл. РАН. 2009. Т. 425, №2. С. 174-177.
2. Ivanov I.E., Kryukov I.A., Orlov D.M., Znamenskaya I.A. // Experiments in Fluids. 2010. V. 48, No 4. P 607-613.
3. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Луцкий А.Е. // Докл. РАН. 2008. Т 420, №5. С. 619-622.
THE INVERSE PROBLEM OF ANALYZING THE CHARACTERISTICS OF PULSE DISCHARGES IN NON-STATIONARY FLOWS WITH SHOCK WAVES
I.A. Znamenskaya
The energy characteristics of nanosecond localized discharges (volume and surface) in unsteady supersonic flows are studied on the basis of experimental and numerical analysis of the dynamics of emerging flows.
Keywords: shock tube, nanosecond surface discharge, volume discharge, energy input, two-dimensional simulation.
