140 мкс
В последнее время в рамках нового научного направления — плазменной аэродинамики — ведутся интенсивные поиски эффективных методов управления высокоскоростными потоками с помощью внешнего энергетического воздействия [1]. В этой связи появляется большое количество работ, посвященных численным, экспериментальным и теоретическим исследованиям взаимодействия сверхзвуковых течений с областями локального подвода энергии. В качестве источников энергии рассматриваются, в основном, различные типы газовых разрядов (т.н. «плазменные актуаторы»), а также сфокусированное лазерное излучение. Пробой газа приводит к образованию плазмы, область локализации и термодинамические параметры которой определяются параметрами разряда. Исследование физических особенностей и механизмов воздействия на течение для каждого конкретного типа энергоподвода является сложной задачей, требующей отдельного рассмотрения.
В представленной диссертационной работе выполняется анализ и численное моделирование взаимодействия плоской ударной волны с зоной поверхностного энерговклада, реализованного на основе распределенного скользящего сильноточного разряда наносекундной длительности типа «плазменный лист». Инициирование разряда сопровождается «плазменным взрывом» в среде: формированием в области пробоя слабоионизованной неравновесной плазмы и газодинамическими явлениями, свойственными взрывным процессам. Преимуществом данного типа энерговложения является возможность осуществления импульсного подвода значительной энергии в протяженный квазидвумерный приповерхностный слой.
Несмотря на повышенный интерес к проблеме активного управления течением, на настоящий момент известно не так много работ, посвященных анализу влияния разрядов на нестационарный поток с ударной волной. В работах, в которых подобные исследования проводятся, геометрия задачи ограничена, как правило, точечными либо протяженными, но линейными источниками энерговыделения [14, 27, 28, 32, 38, 46, 53, 55]. Для более сложных конфигураций основной проблемой является контроль пространственно-временного распределения плазмы разряда и борьба с плазменными неустойчивостями [18].
Помимо возможных аэродинамических приложений задача моделирования взаимодействия ударной волны с результатом импульсного поверхностного энерговложения представляет собой один из вариантов более общей, фундаментальной задачи о распространении ударных волн в средах с локальными неоднородностями различной природы. К таким задачам относятся, в частности, дифракция ударных волн на цилиндрических или сферических «газовых пузырях» [90−101], на областях повышенной или пониженной плотности [58−63, 67−72], движение ударных волн в неоднородных [76−80, 103, 104] и турбулентных средах [107−113], и т. д.
В диссертации численно исследуется распространение плоской ударной волны по нестационарной релаксирующей области газа, образованной в результате инициирования разряда, — моделируется реальный физический процесс. Сравнительный анализ экспериментальных и численных данных позволяет решить обратную задачувосстановить начальные пространственно-энергетические характеристики разряда и динамику возникающего течения. Показано, что подобный подход может быть применен для класса течений с импульсным энерговкладом на основе локализованных субмикросекундных разрядов различных конфигураций.
Постановка задачи.
С точки зрения всестороннего исследования возможного взаимного воздействия двух объектов — газодинамического разрыва (ударной волны) и импульсного разряда, интерес представляют три качественно различающихся режима: инициирование разряда в потоке за ударной волнойинициирование разряда в момент, когда набегающая ударная волна находится внутри разрядной межэлектродной областиинициирование разряда за определенное время до вхождения ударной волны в зону разряда.
Первые два режима взаимодействия ударной волны с «плазменным листом» исследовались ранее на кафедре молекулярной физики Физического Факультета МГУ им. М. В. Ломоносова [2, 3]. В данной работе рассматривается третий вариант постановки задачи: разряд инициируется в неподвижном воздухе на нижней стенке канала, а плоская ударная волна оказывается в разрядной области через заданный промежуток времени после его завершения.
Цели диссертационной работы.
1. Решить обратную задачу — рассчитать величину и пространственное распределение энерговложения от импульсного разряда («плазменного листа») в момент его инициирования путем сравнения теневых изображений и результатов численного моделирования с различными начальными условиями.
2. Провести численный анализ воздействия области энергоподвода от импульсного распределенного скользящего разряда на набегающую ударную волну с числом Маха М=1.5−3.0 и поток за ней после прекращения тока разряда.
3. Исследовать динамику и механизм остывания неравновесного приповерхностного газового слоя, созданного «плазменным листом», путем анализа течения, возникающего в результате взаимодействия слоя с плоской ударной волной.
Научная новизна.
В данной работе впервые:
• Предложена методика анализа параметров возмущенного разрядом газа, основанная на взаимодействии плоской ударной волны с областью разряда.
• Решена обратная задача — рассчитаны величина и пространственное распределение энерговложения от импульсного разряда на основе сравнительного анализа теневых изображений и результатов численного моделирования движения ударной волны по зоне разряда с различными начальными и граничными условиями.
• При наличии начальной неоднородности в энерговложении выявлено влияние областей турбулентного конвективного перемешивания на динамику остывания газа вблизи поверхности разряда.
• Выявлены и идентифицированы пространственные эффекты в структуре течения при распространении ударной волны по области импульсного поверхностного разряда на основе трехмерного численного моделирования задачи.
Достоверность полученных результатов.
Результаты численного моделирования, представленные в работе, были получены с использованием широко применимых и апробированных численных алгоритмов. Проводилась верификация программ реализации использованных алгоритмов на известных однои двумерных газодинамических задачах. Достоверность представленных результатов также подтверждается прямым сравнением с экспериментальными данными.
Научная и практическая ценность работы.
Научная ценность работы состоит в детальном анализе воздействия неоднородной нестационарной приповерхностной области, образованной за счет реализации импульсного поверхностного энерговклада, на движение плоской ударной волны на основе сопоставления численного расчета с данными экспериментов. Важным результатом диссертации является разработка и верификация численной модели и алгоритма расчета, применимой к численному анализу течений с импульсным локализованным энергоподводом различной геометрии.
Результаты работы могут быть применены в качестве рекомендаций при проектировании устройств активного управления высокоскоростными течениями, в т. ч. при обтекании поверхностей, а также при разработке методик интенсификации процессов перемешивания, зажигания и горения предварительно несмешанных горючих смесей.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
1. Методика нахождения пространственного распределения энергии импульсного сильноточного разряда на основе варьирования начальных условий численного моделирования до совпадения с экспериментальными картинами взаимодействия области разряда с плоской ударной волной (решение обратной задачи).
2. Результаты двумерного численного моделирования распространения ударной волны по нестационарному газовому слою, образованному разрядом вблизи поверхности (для случаев однородного и неоднородного энерговклада).
3. Механизм быстрого остывания области возбужденного разрядом газа вблизи поверхности.
4. Результаты трехмерного численного моделирования задачи с учетом пространственной геометрии разряда в канале.
5. Времена проявления эффектов от различных механизмов воздействия импульсного распределенного поверхностного разряда на сверхзвуковое нестационарное течение с ударной волной в послеразрядной стадии.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих конференциях, семинарах и съездах: Международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность» (Звенигород, 2010), Научных конференциях «Ломоносов — 2010» и «Ломоносов -2011» (Москва), 10-й Международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (Евпатория, Украина, 2010), International Advanced Workshop on the Frontiers of Plasma Physics (Триест, Италия, 2010), 4-й Всероссийской Школе-семинаре «Аэрофизика и физическая механика открытых и квантовых систем» (Москва, 2010), 10th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics (Москва, 2011), 28th.
International Symposium on Shock Waves (Манчестер, Великобритания, 2011), 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing (Москва, 2011), 10-й международной школе-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2012), а также на научных семинарах кафедры молекулярной физики физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из них 3 статьи в периодических изданиях из списка ВАК и 13 статей в трудах и тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях.
Личный вклад автора.
Основные результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором был реализован и оттестирован вычислительный алгоритм, выполнены расчеты, проведена обработка и анализ как численных, так и имевшихся экспериментальных данных, подготовлены печатные работы и доклады.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 137 наименований. Объем диссертации составляет 125 страниц. Работа содержит 35 рисунков и 1 таблицу.
Выводы к Главе 5.
Трехмерное численное моделирование задачи взаимодействия плоской ударной волны с зоной импульсного энерговклада от «плазменного листа» позволило восстановить пространственную структуру фронта волны в канале на послеразрядной стадии, недоступную для визуализации экспериментальными теневыми методами.
Расчеты показали, что в условиях эксперимента возникающее в разрядной камере течение является в значительной степени двумерным, за исключением небольших областей вблизи передней и задней стенок канала ударной трубы, где влияние разряда на высокоскоростное течение несущественно.
.
По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы:
1. Решена обратная задача определения величины и пространственного распределения импульсного энерговклада от распределенного поверхностного разряда («плазменного листа») путем моделирования взаимодействия области энерговклада с набегающей плоской ударной волной (М= 1.5−3.0) и последующего анализа теневых изображений и результатов численного моделирования.
2. Определены характерные времена основных механизмов воздействия импульсного распределенного поверхностного разряда на сверхзвуковое нестационарное течение с ударной волной в послеразрядной стадии: ударно-волновой" эффект ослабевает к 40 мкс и практически исчезает на временах до 120−140 мкс за счет постепенного затухания взрывных ударных волн от импульсного энерговклада. тепловой" эффект снижается по мере остывания приповерхностного газового слоя и перестает существенно влиять на структуру течения с ударной волной в разрядной камере в среднем через 300−350 мкс после разряда (при однородном энерговкладе — через 450−500 мкс). турбулентный" эффект возникает через 150−200 мкс и сохраняется на временах порядка 500 мкс после инициирования «плазменного листа».
3. Выявлено два основных газодинамических аспекта взаимодействия плоской ударной волны с зоной поверхностного импульсного разряда на временах 40−500 мкс после вложения энергии: возникновение ударно-волновой конфигурации с предвестником (вплоть до 250−300 мкс после разряда) — образование крупномасштабных когерентных вихревых структур и турбулизация среды вблизи поверхности в спутном потоке (на временных интервалах, превышающих 150−200 мкс после разряда, при наличии неоднородностей в энерговкладе).
4. Показано, что в модели изотермической стенки за 450−500 мкс происходит охлаждение приповерхностного теплого слоя с 900−1100 К до 300−350 К, что согласуется с экспериментальными данными для однородного энерговклада. Расхождение между экспериментом и расчетом в темпах остывания при неоднородном энерговкладе объясняется формированием в слое областей турбулентного конвективного перемешивания, за счет которых осуществляется более интенсивный, по сравнению с молекулярной теплопроводностью, перенос тепла.
5. Впервые проведено численное ЗЭ моделирование взаимодействия ударной волны с плоской зоной импульсного скользящего разряда. Показано, что влияние краевых эффектов на квазидвумерную структуру течения в разрядной камере выражается в появлении неискаженной части фронта ударной волны у стенки, визуализируемой на теневых снимках.
10. Коротеева Е. Ю., Орлов Д. М. Исследование тепловых процессов, сопровождающих взаимодействие ударной волны с разрядной областью, оптическими методами // Сборник тезисов X Международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2012). С. 68.
11. Коротеева Е. Ю., Знаменская И. А., Иванов И. Э. Термодинамика взаимодействия плоской ударной волны с пристеночным слоем, нагретым поверхностным разрядом // Сборник тезисов докладов научной конференции «Ломоносовские чтения — 2011». Секция физики (Москва, 2011). С. 230−233.
12. Знаменская И. А., Орлов Д. М., Иванов И. Э., Коротеева Е. Ю. Исследование взаимодействия ударной волны с областью релаксации плазмы наносекундного поверхностного разряда // Сборник тезисов докладов научной конференции «Ломоносовские чтения-—2010». Секция физики (Москва, 2010). С. 212−214.
13. Знаменская И. А., Иванов И. Э., Коротеева Е. Ю., Орлов Д. М., Крюков И. А. Взаимодействие неравновесной плазмы импульсного поверхностного разряда с ударной волной // Материалы VII Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях NPNJ'2010 (Алушта, Украина, 2010). С. 251−254.
14. Знаменская И. А., Иванов И. Э., Коротеева Е. Ю., Орлов Д. М., Сысоев H.H. Воздействие неравновесной приповерхностной области на течение за ударной волной // Материалы Десятой Международной школы-семинара «Модели и методы аэродинамики» (Евпатория, Украина, 2010). С. 70−71.
15. Знаменская И. А., Орлов Д. М., Иванов И. Э., Коротеева Е. Ю. Турбулизация пограничного слоя за ударной волной, движущейся по области импульсного поверхностного разряда // Тезисы докладов Международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность» (Звенигород, 2010). С. 81−82.
16. Знаменская И. А., Иванов И. Э., Коротеева Е. Ю., Карацуба А. К., Мурсенкова И. В., Орлов Д. М., Сысоев H.H. Способ импульсного воздействия на взрывную волну вблизи поверхности // Сборник тезисов Научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ» (Москва, 2009). С. 138−139.
Благодарности.
Автор выражает благодарность научному руководителю, профессору Знаменской Ирине Александровне за постановку интересной и актуальной научной задачи, постоянное внимание и плодотворные дискуссии по поводу полученных результатовдоценту Иванову Игорю Эдуардовичу за неоценимую помощь при работе над диссертацией, советы и поддержкуаспиранту Орлову Денису Михайловичу за предоставленный уникальный экспериментальный материалдоценту Мурсенковой Ирине Владимировне за ценные замечания и консультации в ходе подготовки диссертациипрофессорам Уварову Александру Викторовичу и Сысоеву Николаю Николаевичу за научные консультации и помощь в подготовке диссертации к защитеа также всем остальным сотрудникам, аспирантам и студентам кафедры молекулярной физики, кто каким-либо образом участвовал в процессе работы над диссертацией.