YakovlevVI

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

ЭНЕРГООБМЕН В СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОПЛАЗМЕННЫХ ТЕЧЕНИЯХ

01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск – 2008

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бобашев Сергей Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор Князев Борис Александрович

доктор физико-математических наук, профессор Васильев Анатолий Александрович

диссертационного совета Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул. Институтская, 4/1.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 003.035.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН.

Автореферат разослан «_____» _______________2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Исследования ударных волн (УВ) и сверхзвуковых течений при наличии в среде локальных зон неоднородности различной природы имеют большое значение для решения практических вопросов, связанных с созданием новых методов управления сверхзвуковыми течениями и полетом летательных аппаратов. В рамках нового направления – магнитоплазменной аэродинамики изучаются возможности энергетического воздействия на поток с использованием плазменных технологий. В экспериментах применяются различные способы создания газоразрядной плазмы в широком частотном диапазоне электрических полей, вплоть до оптических частот (лазерное излучение). Об этом свидетельствуют обзоры полученных до конца 90-х годов прошлого столетия результатов расчетных и экспериментальных исследований этого направления, представленные в публикациях [1-3]. Исследования распространения УВ и полета тел в слабоионизованной неравновесной плазме электрических разрядов различного типа проводились с начала 80-х годов. Позднее в ряде экспериментов локальная неоднородность в сверхзвуковом потоке создавалась при лазерном пробое. В обзоре [4] исследований оптических разрядов в газе показано, что в зависимости от механизмов пробоя осуществляется различная газодинамика плазмы – от симметричного радиального расширения в лазерной искре до формирования высокоскоростной струи (вдоль направления излучения) за фронтом светодетонационной волны. Однако до настоящего времени как в численном моделировании течений с лазерным энергоисточником, так и при анализе экспериментальных результатов учитываются не все происходящие в плазме пробоя процессы. Следовательно, изучены не все возможности использования лазерной плазмы в решении актуальных задач управления течениями.

В теоретических исследованиях ударных волн в плазме выявлена сложная структура течения с формированием перед фронтом предвестников с различными пространственными масштабами. Неравновесная газоразрядная плазма вследствие нелинейных дисперсионных свойств является акустически активной средой, и в определенных условиях малые возмущения параметров усиливаются, кардинально изменяя характер поведения такой среды. Эти результаты и выводы указывают на широкие потенциальные возможности плазменных технологий с целью создания новых эффективных способов управления обтеканием тел. С другой стороны, в настоящее время имеется недостаточно полное представление о плазменных механизмах и условиях их существенного влияния на структуру УВ и сверхзвуковых течений. Отсутствуют достоверные экспериментальные доказательства проявления таких механизмов. Свойственная газоразрядной плазме неоднородность структуры существенно затрудняет и фактически не позволяет получить в экспериментах с использованием электрических разрядов однозначные выводы

3

о роли плазменных механизмов на фоне неизбежного и значительного «теплового» эффекта. Поэтому имеющиеся предположения о нетепловых механизмах, определяющих структуру волн в слабоионизованном газе, вследствие отсутствия прямых и убедительных доказательств не являются общепризнанными. Результаты исследований более сильных УВ, в которых газ перед фронтом ионизуется опережающим излучением, также не позволяют пока получить однозначное решение принципиального вопроса о роли плазменных механизмов в формировании структуры течения за фронтом. Об этом свидетельствуют многочисленные гипотезы и предположения относительно механизмов, определяющих структурные изменения и неустойчивость ударных волн в атомарных и молекулярных газах.

Обобщение опыта и результатов многочисленных исследований проявлений плазменных механизмов в структуре УВ приводит к выводу о необходимости выбора таких условий экспериментов, при которых эффект «теплого» слоя, обусловленный неоднородностью среды перед фронтом не оказывает существенное влияние на структуру течения. В проведенных экспериментах с газоразрядной плазмой перед фронтом УВ это оказалось практически недостижимым. В экспериментах с сильными ионизующими волнами тепловой эффект является незначительным только при некоторых условиях, которые для инертных газов определены в расчетном исследовании [5]. Используя эти данные, установлено, что оптимальные для экспериментов в аргоне условия соответствуют малоизученному диапазону чисел Маха M≈10– 13 при давлении перед фронтом несколько Тор. Параметры плазмы за фронтом практически недоступны для измерений с необходимой точностью широко используемыми методами диагностики.

Таким образом, без новых подходов и методов исследования ударных волн не может быть решен принципиальный вопрос о том, каковы специфичные плазменные механизмы и условия их заметного влияния на структуру УВ и сверхзвуковых течений. Без новых экспериментальных результатов нельзя получить более полное представление о взаимосвязи плазменных и газодинамических процессов, создать адекватные расчетные модели и определить условия эффективного энергетического воздействия на структуру высокоскоростных течений.

Цель работы и задачи исследования.

Провести экспериментально-расчетное исследование взаимосвязи плазменных и газодинамических процессов за фронтом ионизующих УВ и за пульсирующим оптическим разрядом в сверхзвуковом потоке.

Основные задачи:

разработать новые подходы к исследованию и определить адекватность общепринятой модели ионизационной релаксации за фронтом ионизующих УВ реальному процессу;

разработать расчетные модели импульсно-периодического лазерного энергоисточника в сверхзвуковом потоке с определением критерия

4

квазистационарности, параметров течения за пульсирующей лазерной плазмой, образованной искровым разрядом и за фронтом светодетонационной волны.

Научно-технические задачи, решаемые в рамках данной работы: создание газодинамической установки для генерирования ударных волн в

атомарных газах с необходимыми параметрами – числами Маха в диапазоне M = 10–13 (для аргона) при давлении газа перед фронтом несколько Тор;

разработка и создание измерительного комплекса, обеспечивающего одновременные измерения динамики плотности электронов и атомов, температуры в потоке за фронтом ионизующих ударных волн в условиях достаточно слабой (в диапазоне 0,1–1 %) степени ионизации газа;

разработка подходов и методик определения газодинамических параметров, а также кинетических характеристик в потоке неравновесной плазмы за фронтом УВ с учетом влияния реальных факторов (пограничный слой на стенках канала, излучение, примеси);

экспериментальные исследования оптического пульсирующего разряда в сверхзвуковом потоке с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры в его окрестности и при обтекании тел.

Методы исследования и достоверность результатов

Основные экспериментальные методы диагностики: комплексная ИКдиагностика с одновременной фотоэлектрической регистрацией фазового сдвига, коэффициента поглощения и шлирен-эффекта зондирующего излучения СО2-лазера (10,6 мкм); двухволновая (3,39 и 1,15 мкм) интерферометрия; визуализация шлирен-методом волновой структуры и измерения аэродинамического сопротивления обтекаемых тел.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием комплексной диагностики с подробным анализом методических погрешностей измерений, с учетом возможного влияния систематических факторов, сравнением с результатами экспериментов, выполненных другими авторами; а также использованием метода линейного регрессионного анализа многих экспериментальных данных в сравнении с результатами расчетов. Представленные в различных разделах работы данные являются непротиворечивыми и создают целостную картину изучаемых явлений.

Научная новизна выполненной работы:

создан ИК-комплекс и решены методические вопросы диагностики слабоионизованной равновесной и неравновесной плазмы в условиях оптической неоднородности и поглощения зондирующего излучения. Определена граница допустимых значений градиента плотности электронов, учтен вклад тормозного механизма поглощения при столкновениях электронов с атомами в общую величину коэффициента поглощения на длине волны СО2- лазера, рассчитан коэффициент поглощения аргоновой плазмы в рабочем диапазоне температур 6000–20000 К и степени ионизации 0,1–1%;

проведены эксперименты с ударными волнами в малоизученном диапазоне чисел Маха M = 10,5–12,7, начальном давлении 3–10 Тор, с

5

высокоточными (до 2–3% в области максимальных значений) измерениями распределений электронной плотности в плазме аргона за фронтом;

разработан новый подход к экспериментальному исследованию области лавинной ионизации за ударным фронтом, основанный на определении в рамках квазиодномерного течения газодинамических и кинетических (температура, источник электронов) параметров в неравновесной плазме с использованием результатов измерений динамики плотности электронов;

установлено с учетом влияния факторов неидеальности течения, что максимальные измеренные и рассчитанные равновесные значения плотности электронов за фронтом ударных волн в аргоне высокой чистоты наиболее близки в случае учета снижения потенциала ионизации в плазме по теории Дебая-Хюккеля, что служит ее экспериментальным доказательством;

определены энергетические потери равновесной плазмы аргона в температурном диапазоне 9700–11000 К, подтвердившие применение принципа спектроскопической устойчивости для расчета интегральных радиационных потерь низкотемпературной плазмы в условиях доминирующей роли излучения в дискретном спектре;

установлено, что процесс лавинной ионизации отличается от расчетного сценария в рамках общепринятой модели ионизационной релаксации более сильными локальными градиентами температуры, источника электронов, что указывает на наличие слабых температурных возмущений среды с величиной относительного изменения несколько процентов; экспериментально установлено, что их существенное усиление происходит при M≤10,5–10,7;

выявлено в расчетах энергетического баланса электронов, что учет механизма межатомных столкновений с ассоциативной ионизацией приводит к изменению энергетической взаимосвязи электронов с атомами и при повышенной концентрации возбужденных атомов может вызвать усиление возмущений в релаксационной зоне за фронтом УВ;

проведены эксперименты с оптическим пульсирующим разрядом в сверхзвуковом (М=2) потоке аргона с визуализацией нестационарной и квазистационарной волновой структуры и измерениями аэродинамического сопротивления обтекаемых тел, позволившие определить критерий квазистационарности течения;

разработаны на основе результатов экспериментов и известных механизмов распространения оптических разрядов аналитические модели для определения в сверхзвуковом потоке волновой структуры и оценки параметров квазистационарного течения в тепловом следе за пульсирующей лазерной плазмой, образованной в искровом разряде и за фронтом светодетонационной волны. На основе этих моделей показано принципиальное различие структуры течения в тепловом следе, вызванное различной динамикой плазмы пробоя.

Личный вклад автора в работу заключается в постановке задач экспериментов и их подготовке, разработке экспериментальных методик, проведении измерений, анализе и обобщении полученных результатов при

6

исследовании ионизующих УВ. В подготовке и проведении экспериментов с пульсирующим разрядом в потоке автор непосредственно участвовал в составе группы исследователей лаб. №2 ИТПМ. Расчетные модели разработаны единолично, большинство опубликованных работ написано лично автором.

Научная и практическая значимость работы.

Разработаны методы ИК-диагностики, создан лазерный ИК-комплекс, позволяющий также использовать его в экспериментальной практике многих исследований низкотемпературной плазмы. Измерения возможны в области параметров, которая практически недоступна при использовании излучения видимого и микроволнового диапазона.

Получены экспериментальные данные, позволяющие модифицировать имеющиеся модели ионизационной релаксации за фронтом УВ и на этой основе выявить реальную взаимосвязь между подсистемами электронов и тяжелых частиц в этой области течения, следовательно, уточнить представления о механизмах усиления возмущений в неравновесной плазме.

Разработанные модели позволяют прогнозировать масштаб явления и характерные особенности эффектов энергетического воздействия лазерного излучения на структуру сверхзвукового потока и условия обтекания.

Полученные результаты работы могут быть использованы: при разработке численных моделей и анализе устойчивости сверхзвуковых течений релаксирующего и излучающего газа в каналах энергетических устройств; в исследованиях и разработке методов управления сверхзвуковыми течениями и полетом тел, основанным на использовании плазменных технологий.

Реализация и внедрение результатов исследований. Работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института теоретической и прикладной механики СО РАН по теме: «Изучение газодинамики течения при подводе массы, энергии вблизи обтекаемой поверхности и горение в ограниченном сверхзвуковом потоке», а также в рамках хоздоговорной деятельности с НИИРП, МИЭФ по теме: «Планета-2» и гранту РФФИ № 96-01-01947.

На защиту выносятся:

−создание экспериментальной установки для исследования ионизующих ударных волн в требуемом диапазоне рабочих параметров;

−методы диагностики низкотемпературной плазмы на основе созданного лазерного ИК-комплекса;

−результаты разработки методических вопросов интерференционных и абсорбционных измерений в ИК-диапазоне спектра;

−разработанная методика определения газодинамических и кинетических параметров неравновесного потока за ударным фронтом, основанная на результатах измерений динамики плотности электронов и квазиодномерной (с учетом пограничного слоя) модели течения;

−экспериментальные данные о динамике и равновесных значениях плотности электронов за фронтом ионизующих ударных волнах в атомарных

7

газах, результаты определения снижения потенциала ионизации и интегральных по спектру радиационных потерь равновесной плазмы аргона;

−результаты экспериментального исследования области лавинной ионизации аргона в ударных волнах, показывающие, что характер изменения температуры, источника электронов существенно отличается от расчетной динамики этих параметров, полученных в рамках общепринятой модели ионизационной релаксации;

−результаты экспериментальных исследований нестационарной и квазистационарной волновой структуры в сверхзвуковом потоке с оптическим пульсирующим разрядом;

−разработанные расчетные модели и критерий квазистационарности волновой структуры и параметров течения в тепловом следе за пульсирующим лазерным энергоисточником в сверхзвуковом потоке при различных механизмах распространения оптического разряда.

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях и семинарах: XI Международном симпозиуме по основным проблемам и методам в механике (Сопот, 1973 г.); на VI Международном коллоквиуме по газодинамике взрыва и реагирующих систем (Стокгольм, 1977 г.); на Международной школе-семинаре «Лазерные методы диагностики плазмы» (Минск, 1978 г.); на I Советско-французском семинаре по физике плазмы (Москва, ИВТАН, 1978 г.); на V Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979 г.); на Всесоюзном семинаре по ударным трубам и ударным волнам (Черноголовка, 1980 г.); на Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1994, 1996, 1998, 2000 г.г.); на 3-й Межгосударственной научнотехнической конференции по оптическим методам исследования потоков (Москва, 1995 г.); на семинаре Физико-химическая кинетика в газовой динамике (Москва, Институт Механики МГУ, 1999 г.), на Международных конференциях по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Москва, ИВТ РАН, 2001, 2002, 2003, 2005, 2007 г.г.).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации содержатся

в36 научных публикациях (журналах, тематических сборниках, трудах конференций, препринтах), основные из которых приведены в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, две части,

всоставе которых 7 глав, заключение по диссертации, список используемой литературы (198 наименований), а также приложение (75 стр.) с собственным списком используемых источников (132 наименования). Общий объем диссертации включает 338 страниц, 69 рисунков (2 в приложении), 7 таблиц.

8

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи исследования. Кратко изложена научная новизна полученных в работе результатов, указана область их применения и приведены данные по апробации работы.

Первая часть посвящена методам и результатам исследования структуры течения равновесной и неравновесной плазмы атомарных газов за фронтом ионизующих ударных волн.

Впервой главе представлен краткий обзор результатов исследований ионизующих УВ в атомарных газах. Экспериментально выявлены многочисленные эффекты неустойчивости ударных волн, механизмы которых не выяснены до настоящего времени. Основной целью обзора является разработка подходов и методов, а также определение условий экспериментов для исследования плазменных механизмов в структуре течения за фронтом ионизующих УВ в атомарных газах.

Вп. 1.1 на основе имеющихся результатов исследований устойчивых УВ показано, что некоторые данные свидетельствуют о неполном соответствии общепринятой модели ионизационной релаксации реальному процессу. Особое внимание уделено роли излучения в формировании структуры ударных волн, которая определяется как объемными, так и локальными (на поверхности) радиационными процессами. Выход излучения из объема равновесной плазмы приводит к ее охлаждению и снижению ионизации. Поглощение этого излучения перед фронтом УВ сопровождается фотовозбуждением и столкновительно-радиационной ионизацией газа, не приводящих, однако, к нарушению одномерности параметров газа перед фронтом волны. В то же время поглощение излучения стенками и прогрев прилегающих слоев газа приводит к поперечной стратификации среды. В зависимости от степени неоднородности может произойти глобальная перестройка ударноволнового течения. В работе [5] определены граничные условия такой перестройки.

Вп. 1.2 приводится феноменология неустойчивости, а также показано развитие представлений о причинах структурной неустойчивости УВ. Неудавшиеся попытки объяснить эффекты аномального поведения УВ на основе линейной теории устойчивости привели к выводу, особо отмеченному в теоретической работе [6], о необходимости различать собственно структурную неустойчивость и граничные эффекты, связанные с конкретными условиями распространения волны в канале. В подавляющей части работ граничные эффекты не учитывались, что могло повлиять на результаты и выводы исследований. Таким образом, именно по этой причине в изучении плазменных механизмов актуален вопрос об условиях экспериментов.

Вп. 1.3 определены ограничения на рабочие параметры экспериментов в аргоне с учетом полученных в работе [5] граничных условий перестройки течения вследствие «теплового» эффекта. Эти параметры целесообразно

9

выбирать в той области, где ожидается сильное проявление плазменных механизмов структурной неустойчивости УВ. Поэтому использовались также результаты теоретического исследования [7], в котором определены границы перехода от устойчивого к неустойчивому режиму течения вследствие спонтанной эмиссии звука фронтом УВ в аргоне. На основе результатов вышеуказанных исследований определено, что для эффективного исследования плазменных механизмов формирования структуры ионизующих УВ в аргоне рабочий диапазон параметров соответствует числам Маха M~10–13 при давлении перед фронтом несколько Тор. Экспериментальные данные о структуре течения за фронтом УВ в этих условиях недостаточны вследствие отсутствия эффективных методов и средств диагностики плазмы в диапазоне значений плотности электронов 1014 –1016 см–3 и Т≈104К.

Во второй главе разработаны основы метода комплексной ИКдиагностики для исследования ионизующих УВ.

интерферометрии, абсорбционных и шлирен-измерений в плазме за фронтом ударной волны. На рис. 2.1 представлена оптическая схема на базе интерферометра типа Маха-Цандера с использованием СО2-лазера (длина волны 10,6 мкм), He-Ne лазера (1,15 и 3,39

мкм). Особенностью разработанного прибора является применение светоделительных призм (7) из германия размером 20х35 мм, углом 1°. Созданный ИК-комплекс с СО2-лазером позволяет одновременно регистрировать фазовый сдвиг, коэффициент поглощения и шлирен-эффект

10