Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Влияние плазмы на динамику вихрей и формирование ударных волн в газе, решение оптимизационных задач плазменного обтекания

Диссертация: Влияние плазмы на динамику вихрей и формирование ударных волн в газе, решение оптимизационных задач плазменного обтекания
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В последнее время проявляется повышенный интерес к явлениям, наблюдающимся при обтекании сверхзвуковых летательных аппаратов. Это связано с разработками в различных странах проектов гражданских сверхзвуковых летательных аппаратов, ведущимися последние 10 лет. Одной из основных идей данных разработок является использование нетрадиционных методов управления аэродинамическим потоком — с помощью… Читать ещё >

Влияние плазмы на динамику вихрей и формирование ударных волн в газе, решение оптимизационных задач плазменного обтекания (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Актуальность проблемы, цели и основные результаты исследований
  • ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
  • ГЛАВА 2. ДИНАМИКА ВИХРЕЙ В РЭЛЕЕВСКОЙ СРЕДЕ
    • 2. 1. Приближение идеальной несжимаемой среды
      • 2. 1. 1. Постановка задачи. Предварительные замечания
      • 2. 1. 2. Математическая модель цилиндрической вихревой трубки в несжимаемой среде с рэлеевским механизмом энерговыделения
      • 2. 1. 3. Физическая модель течения
    • 2. 2. Приближение идеальной сжимаемой среды и малых начальных чисел Маха
      • 2. 2. 1. Вывод основных уравнений для области
      • 2. 2. 2. Вывод основных уравнений для области r > г°

Актуальность проблемы, основные цели и результаты исследования.

В последнее время проявляется повышенный интерес к явлениям, наблюдающимся при обтекании сверхзвуковых летательных аппаратов. Это связано с разработками в различных странах проектов гражданских сверхзвуковых летательных аппаратов, ведущимися последние 10 лет. Одной из основных идей данных разработок является использование нетрадиционных методов управления аэродинамическим потоком — с помощью внешних воздействий. Реализация внешних воздействий во всех случаях происходит путем создания плазменных образований у поверхности летательного аппарата. Выделение джоулева тепла в плазме является источником энергоподвода в поток, использование мощных редкоземельных или электромагнитов позволяет реализовать силовое воздействие посредством силы Лоренца, а использование определенного типа разряда позволяет реализовать силовое воздействие непосредственно электрическим полем.

Экспериментальные исследования можно условно разделить на 2 большие группы:

— исследования обтекания тел;

— исследования обтекания профилей.

Среди явлений, наблюдающихся при обтекании сверхзвуковым потоком основное внимание сосредоточено на:

— формировании и параметрах ударных волн у головной части тела и кромках крыльев;

— распределении давления у поверхности тел и профилей, изменение коэффициентов аэродинамического сопротивления, подъемной силы, уровне акустического шума;

— предотвращении отрыва потока от обтекаемой поверхности, поиске оптимальных распределений источников воздействия на поток.

Эксперименты проводятся преимущественно в аэродинамических трубах, обтекание тел исследуется так же на баллистических трассах. В ходе всех экспериментов установлены значительные аномалии в протекании явлений в присутствии плазмы по сравнению с протеканием в нейтральном газе, нагретом до той же температуры. Долгое время существовало разногласие между исследователями о причинах, вызывающих эти аномалии. Основными механизмами назывались прохождение потоком «тепловой ямы» и специфические плазменные механизмы.

Ясность в этот вопрос не вносили и теоретические исследования. Большинство из них носило характер численных расчетов, которые с развитием вычислительной техники значительно продвинулись вперед и достигли хорошей точности при описании явлений, но не позволяли выявить аналитические зависимости и указать на ведущие механизмы взаимодействия плазмы с набегающим потоком газа.

Лишь совсем недавно было проведено аналитическое исследование формирования ударной волны при наличии внешнего источника энергоподвода в область ударного слоя. Это исследование объяснило аномалии поведения ударных волн в рамках предположения о плазме как источнике внешнего энергоподвода. Авторы рассмотрели задачу в одномерном случае при произвольной зависимости мощности источника энергии от координат и независимости от параметров потока.

В настоящее время остаются невыясненными такие важные вопросы как:

— относительная роль специфических плазменных механизмов по сравнению с выделением джоулева тепла в формировании ударных волн, распределении давления у поверхности тел и отрыве потока;

— влияние плазмы на динамику вихревых областей в газе;

— зависимость распределения давления у поверхности тел от параметров источников воздействия на поток;

— оптимизация управления потоком с помощью внешних воздействий.

Таким образом, актуальность выбранной темы научного исследования обусловлена, с одной стороны, важным прикладным значением, с другой — недостаточной изученностью вышеупомянутых явлений.

Целью диссертации является теоретическое исследование формирования ударных волн и динамики вихревой области в плазме в рамках рассмотрения плазмы как среды с рэлеевским механизмом энерговыделения, а также исследование распределения давления у поверхности тел при наличии внешних воздействий на поток и решение оптимизационных задач плазменного обтекания.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

— построить физическую модель, описывающую влияние плазмы на поток газа и формирование в нем указанных явленийполучить аналитические зависимости параметров течения в приближении малых возмущений и чисел Маха набегающего потока 1,1 — 3;

— определить оптимальные параметры источников воздействия на поток и степень энерговыгодности управления потоком.

Для решения поставленных задач используются современные методы теоретической и математической физики. Достоверность аналитических расчетов проверяется сравнением с численными решениями модельных задач и с известными экспериментальными данными других авторов.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении сформулируем основные результаты работы.

1. Развита теория динамики вихрей в плазме в приближении одиночного бесконечного вихря. Показано, что в случае параллельной ориентации вектора напряженности электрического поля в плазме и оси вихря, последний разрушается. Тангенциальная скорость уменьшается, растет диаметр вихря и происходит отток массы из его ядра к периферическим областям. Скорость разрушения тем выше, чем больше начальная тангенциальная скорость на границе вихря и чем острее зависимость выделения тепла от плотности.

2. Развита теория, описывающая параметры ударных волн в плазме. Получено уравнение, описывающее профиль ударной волны. В приближении слабых ударных волн получено его аналитическое решение, хорошо совпавшее с численными расчетами. Решение подтверждает все аномалии формирования и распространения ударных волн в плазме, которые наблюдались в экспериментах и предсказывает новую особенность поведения ударных волн в случае достаточной протяженности плазмы — ускорение и уход волны от обтекаемого тела вверх по потоку.

3. Развита теория плазменного обтекания тонких тел. Получено уравнение для массовой скорости. Показано, что в приближении малых возмущений, течение можно считать потенциальным. Получено аналитическое решение уравнения обтекания для тонкого тела вращения и тонкого профиля в линейном приближении по возмущениям скорости. Получены формулы для распределения давления у поверхности тела, для коэффициента лобового сопротивления и подъемной силы. Полученные зависимости для распределения параметров потока хорошо согласуются с численными расчетами.

4. На основе полученных выражений для распределения давления у поверхности обтекаемых тел в общем виде решены оптимизационные задачи плазменного обтекания:

— минимизация лобового сопротивления для тонкого тела вращения;

— уменьшение интенсивности акустических волн, распространяющихся в нижней полуплоскости тонкого профиля, при сохранении подъемной силы и сопротивления;

— уменьшение интенсивности акустических волн, распространяющихся в нижней полуплоскости тонкого профиля, при сохранении подъемной силы и уменьшении сопротивления;

— увеличение подъемной силы тонкого профиля при сохранении сопротивления.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Resler R, Sears W, The prospects for magneto-aerodynamics, J. Aero Sci 1958, 25(4), pp. 235−258.
  2. Simmons G.A., Nelson G.L., Overview of the NASA MARIAH project and summary of technical results, AIAA 1998−2752 Albuquerque, NM June 1998
  3. Gurijanov E.P., Harsha P.T., AJAX — new directions in hypersonic technology, AIAA 1996−4609, Norfolk VA, November 1996
  4. Braun E.M., Lu F.K., Wilson D.R., Experimental research in aerodynamic control with electric and electromagnetic fields, Prog Aerosp Sci, 2009 (45), pp 30−49.
  5. Л.Д. Ландау, B.M. Лифшиц, «Гидродинамика», т. VI, Москва, «Наука», 1988, 733 стр.
  6. Wells D.R. Injection and trapping of plasma vortex structures, Phys Fluids, 1966 (9), pp 1010−1021
  7. Tuck L.J., Phys Rew Letters, 3 (313), 1959
  8. Г., Фельтхаммер К. Г., «Космическая электродинамика», пер. с англ., М., «Мир», 1967 г.
  9. Л.А., «Замкнутые плазменные конфигурации», М., «Наука», 1969 г.
  10. В.Н., «Теория турбулентной плазмы», М., «Атомиздат», 1971 г., 423стр.
  11. Hartmann J., Lazarus F., Danske Videnskab. Selskab., Mat. Fys. Medd., 15, № 7, 1937, Hg — Dynamics II: Experimental Investigations on the Flow of Mercury in a Homogeneous Magnetic Field.
  12. Sonju О. K., Kryger C.H., Phys. Fluids, 12, 2548, (1969).
  13. Дж. Шеклифф, «Курс магнитной гидродинамики», М., «Мир», 1967, 106 стр.
  14. Газовая динамика. Сборник трудов ЦИАМ. Под редакцией Крайко А. Н. и др, М., Физматлит, 2001.
  15. У .К., Исследование развитого течения несжимаемой проводящей жидкости в круглой трубе с помощью уравнения для турбулентной вязкости, Изв АН СССР МЖГ, 1975, № 5, стр. 60−69.
  16. Nycander J., Pavlenko V.P., Global vortex pattern in a rotating plasma, Phys. Fluids, 30 (7), 1987, pp 2097−2100.
  17. Laedke E.W., Spatschek K.H., Drift vortices in inhomogeneous plasmas: stationary states and stability criteria, Phys. Fluids, 31 (6), 1988, pp. 1492−1498
  18. Steinolfson R.S., van Hoven G., Nonlinear evolution of the resisting tearing mode, Phys. Fluids, 27 (5), 1984, pp. 1207−1214
  19. Osipov A.I., Uvarov A.V., Vinnichenko N.A., Influence of initial vibrational nonequilibrium state of a medium on the structure of von Karman vortex street, Phys. Fluids, 18 (2006)
  20. Gembarzhevskii G.V., Generalov N.A., Solov’ev N.G., Investigation of the velocity fluctuation spectrum of vortex flow of vibrationally excited molecular gas in a glow discharge, Fluid Dyn, 35 (2000)
  21. Soukhomlinov V.S., Sheverev V.A., Otugen M.V., Evalution of a vortex in glow discharge plasma, Phys. Fluids, 2005, v. 17, № 5
  22. Breitsamper C., Unsteady flow phenomena assotiated with leading-edge vortices, Prog. Aerosp. Sci., 44 (2008), pp. 48−65
  23. Gursul I., Wang Z., Wardaki E., Review of flow control mechanisms of leading-edge vortices, Prog. Aerosp. Sci., 43 (2007), pp. 246−270
  24. Mitchel A.M., Delery J., Research into vortex bakedown control, Prog. Aerosp. Sci., 37 (2001), 385−418
  25. А. И., Коблов A. H., Мишин Г. И., Серов Ю. JL, Ходатаев К. В., Явор И. П. Распространение ударных волн в плазме тлеющего разряда. «Письма в ЖТФ», т. 8, вып. 9, 1982, с. 551−554.
  26. И. В. Мишин Г. И. Распространение ударных волн в плазме поперечно и продольно ориентированного тлеющего разряда «Препринт ФТИ АН СССР» N 80, Л., 1984.
  27. И. В. Мишин Г. И. Распространение ударных волн в аргоне «Письма в ЖТФ», т. 11, вып. 4, 1985, с. 209−215.
  28. А.И., Мишин Г.И., «Интерферометрическиеисследования ударных волн в газоразрядной плазме», «Письма в
  29. ЖТФ», т. 16, вып. 24, 1990, с.89−94
  30. Van Wie D.M., Wesner A.L., Gauthier L.R. «Shock wave characteristics measured in gas discharges» Proceedings of the 3rd Workshop on Weakly Ionized gases, Norfolk, VA, Nov. 1−5, 1999, AIAA-1999−4824
  31. Ganguly B.N., Bletzinger P. Shock Wave dispertion in Nonequilibrium Plasma. AIAA-1996−4607, November 1996.
  32. Ganguly B.N., Bletzinger P. Acoustic shock wave propagation in nonequilibrium nitrogen and argon plasmas. Proceedings Weakly Ionized Gases Workshop, Colorado, 9−13 June 1997, v.2, p. HH1-HH13
  33. Y. Z., Chernysheva N. V., Meschanov A. V., Yalin A. P., Miles R. В., Direct Evidence of Thermal Mechanism of Plasma Influence on Shock Wave Propagation. Physics Letters A, v.259, 1999, p.387−392
  34. Г. И. Серов Ю.Л., Явор И. П. «Обтекание сферы при сверхзвуковом движении в газоразрядной плазме», Письма в ЖТФ, 1991, т. 17, вып. 11, с.65−71.
  35. А.П., Мишин Г. И. «Баллистические исследования аэродинамического сопротивления сферы в ионизированном воздухе», Письма в ЖТФ, 1995, т. 21, вып. 1, с. 14−19.
  36. Г. И. Климов А.И., Гридин А. Ю., «Продольный электрический разряд в сверхзвуковом потоке газа», Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, с.86−92
  37. V.P., Krasilnikov A.V., Lagutin V.P., Otmennikov V.N. «Experimental study of the possibility of reducing supersonic drag by employing plasma technology», Fluid Dynamics, 1996, Vol. 31, No 2, pp. 313−317
  38. M., Jaih V.K., «Acoustic wave interaction with plasma», J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 11, 1978, p.p. 1925−1929.
  39. Sukhomlinov V.S., Kolosov V.Y., Sheverev V.A. and Otugen M.V. «Acoustic dispersion in glow discharge plasma: A phenomenological analysis», Physics of Fluids, Volume 14, Issue 1, pp. 427−429, 2002.
  40. M., «Acoustic Wave Propagation in a Gas Discharge», 1969, Phys. Of Fluids v. 12 N6, pp. 1237−1245.
  41. Sukhomlinov V.S., Kolosov V.Y., Sheverev V.A. and Otugen M.V. «Formation and propagation of shock wave in a gas with temperature gradient» J. Fluid Mech. 2002, vol. 473, pp. 245−264
  42. В.Ю., Кучинский В. В., Сухомлинов B.C., «Влияние внешнего энергоподвода в область ударного слоя на параметры ударной волны». Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 4 с. 25−30.
  43. Velkoff Н., Ketchman J., Effect of an electrostatic field on boundary layer transition, AIAA 16 (1968), 1381−3
  44. Starikivskaya S.M., Plasma assisted ignition and combustion, J. Phys. D: Appl. Phys, 39 (2006), pp 265−299.
  45. Roth J.R. Phys Plasmas, 2003, 10 2117−26
  46. Post M.L., Corke T.C., Separation control on high angle of attack air foil using plasma actuators, AIAA meeting, Reno, USA, January 2003, paper 2003−1024
  47. Post M.L., Corke T.C., Separation control using plasma actuators -stationary and oscillating airfoils, AIAA meeting, Reno, USA, January 2004, paper 2004−0841
  48. Post M.L., Corke T.C., Separation control using plasma actuators -dynamic stall control on an oscillating airfoil, AIAA meeting, Portland, USA, 2004, paper 2004−2117
  49. Corke T.C., He C., Patel M., Plasma flaps and slats: an application of weakly-ionized plasma actuators, AIAA meeting, Portland, USA, 2004, paper 2004−2117
  50. Post M.L., Corke T.C., Overview of plasma flow control: concepts, optimization and applications, AIAA meeting, Reno, USA, January2005, paper 2005−0563
  51. Roupassov D.V., Zavialov I.N., Starikovskii A.I., Boundary layer separation plasma control using low temperature non-equilibrium plasma of gas discharge, AIAA meeting, Reno, USA, January 2006, paper 2006−373
  52. Leonov S., Bityurin V., Savichenko N., Yuriev A., Gromov V., 2001 AIAA 2001−0640
  53. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Ershov A.P., at all, 2001 AIAA 2001−3087
  54. E.H. Бондарев, B.T. Дубасов, Ю. А. Рыжов, С. Б. Свирщевский, Н. В. Семенников, «Аэрогидродинамика», Москва, 1993, стр. 90,91.57. >> Е Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш, «Специальные функции», Москва, 1. Наука", 1968, стр. 245.
  55. Г. Бейтмен, А. Эрдейи, «Таблицы интегральных преобразований», т.1, Москва, «Наука», 1969, стр. 246.
  56. G. А. Когп, Т. М. Korn, «Mathematical Handbook for scientists and engineers», Mc Grauw — Hill Book Company, New York, 1968, 831 p.
  57. Ю.П. Райзер, «Физика газового разряда», М., «Наука», 1987, 591 стр.
  58. Л.А. Вулис, «Термодинамика газовых потоков», Москва -Ленинград, «Госэнергетическое издание», 1950, 303 стр.
  59. С. А. Ломов, «Ведение в общую теорию сингулярных возмущений», Москва, «Наука», 1981, 398 стр.
  60. B.N., Bleitzinger P., Garscalden A., «Shock wavedamping and dispersion in nonequilibrium low pressure argon plasmas», Phys. Lrtter A, 19 198, v. 230, p. 218.
  61. Ю.И. Чутов, B.H. Подольский, «Ударные волны в газоразрядной плазме», Инженерно-физический журнал, т.62, № 5, 1992, стр. 707−713.
  62. Soukhomlinov, V., Sheverev, V., Otiigen, V., «Distribution of Gas Temperature in an Unconfined Glow Discharge Plasma», J. Appl. Phys., 94, n.2 (2003), 844−851
  63. Basargin I.V. and Mishin G. I, «Precursor of shock wave in glow discharge plasma», Sov. Tech. Phys. Lett., 1989, v. 5, № 4, pp. 311 313.
  64. Э. Маделунг, «Математический аппарат физики», пер. с нем., Москва, «ГИФМЛ», 1960, 618стр.
  65. Г. Г., «Газовая динамика», Москва, Наука, 1988, 424 с.
  66. G.B., «Linear and nonlinear waves», John Willey & Sons, 1974, p. 319.→ Е1. Схема вихревой трубки.1. Vt (m/s)8
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!