Воздействие электрического разряда на нестационарные процессы при обтекании плоской преграды сверхзвуковой струей воздуха и метана

УДК 537.525.5: 533.6.011.5

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА НА НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ОБТЕКАНИИ ПЛОСКОЙ ПРЕГРАДЫ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕЙ ВОЗДУХА И МЕТАНА

, ,

Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск

Поступила в редакцию

Исследованы особенности обтекания плоской преграды сверхзвуковой струей воздуха и метана в сопровождении электрического разряда. Рассматриваемое течение характеризуется рядом нестационарных эффектов, выраженных в колебаниях ударно-волновых фронтов с различной амплитудой и частотой в зависимости от геометрии системы сопло-преграда и газодинамических параметров струи. При приближении преграды к кромке сопла, увеличении относительного диаметра преграды и давления торможения сверхзвуковой струи частота колебаний головной ударной волны повышается. Инициирование области энерговыделения на границе сверхзвуковой струи приводит к изменению частоты колебания головной ударной волны, а на некоторых режимах к изменению всей ударно-волновой картины течения.

PACS: 52.80.Mg, 47.85.L-

ВВЕДЕНИЕ

Неустойчивые газодинамические режимы могут оказывать существенное влияние на выход конечных продуктов в плазмохимических реакторах и работу газофазных установок различного назначения. Полученные в работе результаты применимы для модернизации и разработки перспективных высокоскоростных плазмохимических реакторов и газофазных установок, например, [1-5], а также полезны в решении задач прикладной газовой динамики, магнитоплазменной аэродинамики, при управлении параметрами сверхзвуковых струй и их взаимодействием с преградами.

Исследованию стационарного и нестационарного режимов обтекания газовыми струями преград посвящено достаточно много работ, некоторые из них: [6-12]. В перерасширенных струях в зависимости от степени нерасчетности возможны три характерных режима течения на начальном участке. При малом перерасширении реализуется регулярное отражение падающего скачка уплотнения от оси струи. Уменьшение степени нерасчетности ниже некоторого значения приводит к нерегулярному отражению. При расположении преграды в дозвуковой зоне за центральным скачком головной скачок на преграде не формируется.

В работах [7-9] показано, что в широком диапазоне газодинамических и геометрических параметров сопло-преграда при истечении перерасширенной и недорасширенной струи могут возникать нестационарные режимы. Авторами [8] исследован диапазон степеней нерасчетности n=1¸55, чисел Маха M=1,0¸2,0, относительного размера преграды d/D=1¸8, относительных расстояний от кромки сопла до преграды h/D=1¸12,5, где d – диаметр преграды, D – диаметр сопла, h – расстояние от кромки сопла до преграды, при натекании недорасширенной струи на торец цилиндра. В определенном диапазоне определяющих параметров, когда преграда влияет на центральный скачок уплотнения, возникает нестационарный режим обтекания, характеризующийся колебаниями системы скачков уплотнения. Существует диапазон степеней нерасчетности недорасширенной струи, когда колебания носят периодический характер с большим размахом по амплитуде, вне этого диапазона – апериодически «шумовой» характер. В [9] исследовалось обтекание сверхзвуковой недорасширенной струей безграничной преграды: n=1,5¸40, M=1¸3. Измерялись пульсации давления на преграде. На нестационарных режимах в зависимости от расстояния до преграды происходили изменения частотных и амплитудных характеристик осцилляций волновой структуры в струе перед преградой, что отражалось в колебании давления на преграде. Колебания малой амплитуды зафиксированы на частотах до 20 кГц, при частотах порядка 4 кГц амплитуда колебаний возрастала в пять раз.

Анализ возникновения колебаний большой амплитуды приведен, в частности, в [6]. Причины, приводящие к таким нестационарным режимам обтекания до конца не изучены. Одна из гипотез связывает появление нестационарности с движением тройной конфигурации ударных волн. О механизме колебаний тройной точки пока нет единого мнения.

ИНИЦИИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕ

Эксперименты проводились на плазмохимическом стенде ИТПМ СО РАН (рис. 1). Форкамера объемом 2 дм3 заполняется рабочим газом, после инициирования «быстрого» пневмоклапана в сопле устанавливается сверхзвуковой режим течения продолжительностью до 500 мс. Ниже по потоку размещена преграда. Подвод энергии в сверхзвуковой поток осуществляется через систему основных и вспомогательных электродов, причем кромка сопла и преграды, могут быть одним из них. В качестве инструментария для наблюдения за ударно-волновой структурой вблизи преграды использовался теневой прибор стандартной оптической схемы. Визуализация производилась скоростной камерой PCO 1200hs с частотой регистрации до 10 тыс. кадров в секунду. Исследованы режимы обтекания сплошной цилиндрических преграды различных относительных диаметров d/D=1/3; 1,0; 1,5; 2,0. Преграда размещалась на относительном удалении h/D от 0,3 до 2,0 (D=30 мм), давление в форкамере P изменялось в пределах от 390 кПа до 1,18 МПА, коническое сверхзвуковое сопло с углом раскрыва 12° было выполнено на число Маха М=3,5 (по воздуху). Исследования проводились на метане и воздухе. Ввод энергии в высокоскоростной поток осуществлялся в импульсном электрическом разряде длительностью до 300 мс. Типичная осциллограмма тока и напряжения приведена на рис.2. Через 40-60 мс после подачи напряжения на разрядный промежуток перемычка, медная проволока диаметром 50 мкм, предварительно растянутая между электродами и проходящая через ось симметрии потока, взрывается. За счет градиента давления разряд смещается, приблизительно в течение 5-15 мс, на периферию струи, продолжая гореть в слое смешения. Растяжка проволоки обеспечивает начальное инициирование и горение разряда в сверхзвуковом потоке. Установившейся продольно-поперечный газовый разряд низкого давления имеет напряжение в пределах 60-80 В и ток 45-50 А с возможными кратковременными пиковыми колебания напряжения 100-150 В, в зависимости от режима горения разряда. Форма кривой тока после инициирования разряда периодична – следствие особенности используемого источника питания. Схема источника питания приведена на рис.3. Источник тока подключается к промышленной электросети через лабораторный трансформатор и выпрямитель на диодном мосте. Последовательно разрядному промежутку в схему включен дроссель с большой индуктивностью L=980 мГн. В заданный момент времени от генератора задержанных импульсов приходит управляющий импульс, инициирующий открытие тиристора. Измерение напряжения на разрядном промежутке проводилось с помощью стандартного осциллографического щупа Tektronix P5100 (осциллограф Tektronix TDS 2024B). Ток измерялся посредством токового шунта с сопротивлением R=5 мОм.

При исследуемом числе Маха реализуется перерасширенный режим истечения сверхзвуковой струи как для воздуха, так и для метана, см. рис.4. При расположении преграды выше по потоку регулярного отражения, на расстоянии XC от сопла наблюдалась тройная конфигурация ударных волн (диск Маха), ниже по потоку за диском Маха – головная ударная волна.

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАЗРЯДА НА УДАРНО-ВОЛНОВУЮ КАРТИНУ ТЕЧЕНИЯ

Подбор источника питания, электрических параметров разряда, геометрии расположения электродов, настройка схемы инициирования разряда позволили обеспечить устойчивое инициирование и горение электрического разряда на протяжении исследуемого режима работы установки (150 мс) в пространстве между соплом и преградой (рис.2).

Кроме «штатных» режимов обтекания, характерных для рис.2 обнаружены аномальные режимы с резкой сменой конфигурации ударных волн. На рис.5 приведены последовательные кадры смены режима обтекания преграды при инициированном в сверхзвуковом потоке метана электрическом разряде. Преграда была размещена вблизи точки регулярного отражения ударных волн свободной струи. Без разряда смены режима не наблюдалось. Видно, что возможен переход, когда течение с прямым скачком уплотнения, диском Маха, сменяется устойчивым режимом без диска Маха. Обратный переход также возможен. Вероятным фактором, воздействующим на переход, можно считать изменение степени нерасчетности струи за счет влияния теплового следа разряда в слое смешения. При этом точка возникновения регулярного отражения от оси струи смещается вверх и преграда оказывается хотя и ниже нее, но также в сверхзвуковом потоке.

При одинаковых начальных давлениях торможения частота колебаний головного скачка различна на воздухе и метане и лежит в диапазоне от 250 до 950 Гц при «единичном» h/D=1,0 удалении преграды от сопла. Существуют незначительные особенности для метановой и воздушной струй, что связано как с отличным от воздуха показателем адиабаты метана, так и с контрагированной формой горения разряда в метане [2]. Частота колебаний головного скачка снижается от 700 Гц до 300 Гц для начального давления в форкамере P=390 кПа, от 1800 Гц до 750 Гц – при P=1,18 МПа для «единичной» преграды при увеличении ее удаления от кромки сопла h/D от 0,3 до 2,0.

Эксперименты показали, что воздействие плазмы электрического разряда, инициированного вблизи преграды, позволяет изменить частоту колебаний (рис.6) головного скачка. С увеличением относительного диаметра преграды d/D частота колебаний возрастает. При инициированном разряде отклик по частоте на внешнее воздействие на воздухе несколько выше, чем на метане. Амплитуда колебаний головного скачка, например, для d/D=1/3 и P=590 кПа без разряда лежит для воздуха и метана в пределах 0,05D, с разрядом – до 0,35D. В то же время изменений картины течения, аналогичных приведенному на рис.5 на воздухе не наблюдалось.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены новые экспериментальные данные по частоте и амплитуде колебаний головной ударной волны, формируемой при обтекании сверхзвуковой перерасширенной струей воздуха и метана сплошных преград различного относительного диаметра, расположенных на определенном удалении от среза сопла, при инициированном электрическом разряде. Частота колебаний зависит от газа (воздух, метан), удаления преграды от кромки сопла, относительного диаметра преграды, степени нерасчетности струи. Инициированием электрического разряда в пространстве между соплом и преградой возможно изменить частоту колебаний головной ударной волны, формируемой вблизи преграды сверхзвуковой метановой или воздушной струей. Обнаружен режим существенной перестройки ударно-волновой картины течения вблизи плоской преграды при инициировании электрического разряда в слое смешения сверхзвуковой перерасширенной метановой струи.

Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (проект №11/11)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. , , и др. Патент на способ проведения газофазных реакций RU № 000// 08.04.2002.

2. , , Фомин тлеющий разряд в сверхзвуковом потоке в воздухе и метане// Физика плазмы. 2006. №3. С. 281.

3. Denisova N. V., Fomin V. M., Postnikov B. V. Methane conversion using non-equilibrium discharge plasma// AIAA Paper .

4. Fomin V. M., Lebedev A. I., Lomanovich K. A., Postnikov B. V. Natural-gas Conversion in Sub - and Supersonic Pyrolitic Reactors// Proc. 17th Int. Conf. on MHD-energy Conversion. Kanagawa. 2009 (on CD).

5. Fomin V. M., Postnikov B. V., Lomanovich K. A. Energy Input Areas Initiated by Electric Discharge in Supersonic Flow of Reactive Gases// Proc. 22th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. Minsk. 2009 (on CD).

6. , Лукьянов процессов истечения. Новосибирск: Наука, 19c.

7. , Соболев исследования взаимодействия сверхзвуковой перерасширенной струи с преградой// Сб. Газодинамика и акустика струйных течений. Под. ред. Желтухина : ИТПМ СО АН, 1979. C. 23.

8. , , О взаимодействии сверхзвуковой недорасширенной струи с плоской ограниченной преградой// Известия СО АН СССР. Серия технические науки. 1972. № 13. Выпуск 3. С. 52.

9. , , Усков неустойчивого взаимодействия сверхзвуковой струи с безграничной преградой// Изв. СО АН СССР. Серия технические науки. 1972. № 13. Выпуск 3, С. 47.

10. , , Пимштейн перерасширенной струи газа с плоской преградой// Ученые записки ЦАГИ. 1973. Том IV. №1. С. 84.

11. , , Шульмейстер импульсной сверхзвуковой струи с преградой// МЖГ. 1998. №2. С. 45.

12. , , и др. Струйные и нестационарные течения в газовой динамике. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. – 200 с.

Сведения об авторах

1. ______________________

Институт теоретической и прикладной механики им. , /1, г. Новосибирск, Россия, т. (3, e-mail: *****@

2. ______________________

Институт теоретической и прикладной механики им. , /1, г. Новосибирск, Россия, т. (3, e-mail: *****@

3. ______________________

Институт теоретической и прикладной механики им. , /1, г. Новосибирск, Россия, т. (3, e-mail: *****@

Подписи к рисункам:

Рис.1. Схема эксперимента. 1 – клапан опорного давления; 2 – камера опорного давления; 3 – камера высокого давления ; 4 – «быстрый» клапан; 5 – рабочая часть; 6 – область инициирования электрический разряда; 7 – преграда; 8 –пилон; 9 – камера низкого давления; 10 – форвакуумный насос; P1 – баллон с газом опорного давления; P2 – баллон с рабочим газом; ПУ – пульт управления; ГЗИ – генератор задержанных импульсов; ИП – источник питания; ОСЦ – осциллограф; ТЕПЛ – теневой прибор; PCO1200hs – скоростной видеорегистратор; ПК – персональный компьютер.

Рис.2. Осциллограмма тока (1) и напряжения (2) разряда: I – область без разряда, II – инициирование разряда и его смещение на периферию струи.

Рис.3. Схема источника питания. T1 – лабораторный трансформатор; Vd – диодный мост; K1, K2 – коммутатор; L – дроссель; R – шунт, Vs – тиристор

.

Рис.4. Теневой снимок натекания рабочего газа на преграду при инициировании электрического разряда: 1 – кромка сопла; 2 –разряд; 3 – преграда; XC – расстояние от кромки сопла до прямого скачка уплотнения (диска Маха); X t– расстояние до головной ударной волны; d/D=1,5; h/D=1,0; n=0,9; P=590 кПа; поток направлен слева направо.

Рис.5. Смена режима течения при инициированном вблизи границы сверхзвуковой струи метана электрическом разряде: d/D=1/3; h/D=1,0; P=590 кПа, Слева – режим обтекания с центральным скачком – диском Маха и головным скачком на преграде; Справа – режим без диска Маха с головным скачком.

Рис.6. Воздействие электрического разряда на частоту колебаний головной ударной волны для различных относительных диаметров преград d/D при h/D=1,0 и P=590 кПа. 1 – воздух без разряда; 2 – воздух с разрядом; 3 – метан без разряда; 4 – метан с разрядом.

Рис.1. Схема эксперимента.

1 – клапан опорного давления; 2 – камера опорного давления; 3 – камера высокого давления ; 4 – «быстрый» клапан; 5 – рабочая часть; 6 – область инициирования электрический разряда; 7 – преграда; 8 –пилон; 9 – камера низкого давления; 10 – форвакуумный насос; P1 – баллон с газом опорного давления; P2 – баллон с рабочим газом; ПУ – пульт управления; ГЗИ – генератор задержанных импульсов; ИП – источник питания; ОСЦ – осциллограф; ТЕПЛ – теневой прибор; PCO1200hs – скоростной видеорегистратор; ПК – персональный компьютер.

Рис.2. Осциллограмма тока (1) и напряжения (2) разряда: I – область без разряда, II – инициирование разряда и его смещение на периферию струи.

Рис.3. Схема источника питания. T1 – лабораторный трансформатор; Vd – диодный мост; K1, K2 – коммутатор; L – дроссель; R – шунт, Vs – тиристор.

Рис.4. Теневой снимок натекания рабочего газа на преграду при инициировании электрического разряда: 1 – кромка сопла; 2 –разряд; 3 – преграда; XC – расстояние от кромки сопла до прямого скачка уплотнения (диска Маха); X t– расстояние до головной ударной волны; d/D=1,5; h/D=1,0; n=0,9; P=590 кПа; поток направлен слева направо.

а б

Рис.5. Смена режима течения при инициированном вблизи границы сверхзвуковой струи метана электрическом разряде: d/D=1/3; h/D=1,0; P=590 кПа, а – режим обтекания с центральным скачком – диском Маха и головным скачком на преграде; б – режим без диска Маха с головным скачком.

Рис.6. Воздействие электрического разряда на частоту колебаний головной ударной волны для различных относительных диаметров преград d/D при h/D=1,0 и P=590 кПа. 1 – воздух без разряда; 2 – воздух с разрядом; 3 – метан без разряда;

4 – метан с разрядом.