| Особенности взаимодействия электрических разрядов с газовыми потоками во внешних магнитных полях применительно к задачам интенсификации смешения
Диссертация
Автор: Клементьева, Ирина Борисовна
Название: Особенности взаимодействия электрических разрядов с газовыми потоками во внешних магнитных полях применительно к задачам интенсификации смешения
Справка: Клементьева, Ирина Борисовна. Особенности взаимодействия электрических разрядов с газовыми потоками во внешних магнитных полях применительно к задачам интенсификации смешения : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.08 / Клементьева Ирина Борисовна; [Место защиты: Объед. ин-т высок. температур РАН] Москва, 2007 120 c. : 61 07-1/1389
Объем: 120 стр.
Информация: Москва, 2007
Содержание:
Глава 1 Обзор работ
11 Разряды в потоках газа
12 Электрический разряд в магнитном поле
13 Влияние разрядов в магаитиом поле на характеристики потоков
14
Заключение
21 принципиальная схема экспериментов
22 Экспериментальная установка
23 Параметры экспериментов
24 Эволюция и динамика электрического разряда в магнитном нолев газовой среде
241 Эволюция н динамика электрического разрядаатмосферного давления в магнитном поле в газовой среде
242 Эволюция и динамика электрического разряда давленияниже атмосферного Р=15х10'' 25х10'*Па в магнитномполе в газовой среде
25 Эволюция и динамнка электрического разряда в магнитном полев потоках газа
251 Эволюция и динамика электрического разрядаатмосферного давления в магнитном поле в потоке газаскорости 2-10м/с
252 Эволюция и динамика электрического разряда давленияниже атмосферного Р=15х10'' 25х10^Па в магнитномполе в потоке газа
253 Эволюция и динамика электрического разрядаатмосферного давления в магнитном поле в потоке газаскорости 02 25м/е
254 Динамика электрического разряда атмосферного давленияв потоке газа на рельсовом электроде
255 Эволюция электрического разряда атмосферногодавления во встречных потоках газа во внешнеммагнитном поле
26 Заключение
Глава 3 Квазитрехмерное моделирование эволюции и дииамикиэлектрического разрвда в магнитом иоле в газовой ереде/иотоках••••••••»••••»••
31 Квазитрехмерная трехтемпературная модель электрическогоразряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном поле
32 Постановка задачи
33 Метод решения задачи
34 Результаты расчетов
35 Заключение
Глава 4 Двумериое моделироваиие ироцессов
41 Проверка гипотезы постоянства массы в столбе разряда
42 Эволюция и динамика разряда в газовой среде во внешнеммагнитном поле в конфигурации коаксиально расположенныхэлектродов
43 Влияние взаимодействия электрического разряда с внешниммагнитным полем на смешение и горение водорода в воздухе вконфигурации коаксиально расположенных элеюродов
44 Влияния взаимодействия электрического разряда с внешниммагнитным полем на структуру и смешение потоков газа
45 Заключение
Введение:
Исследование взаимодействия поток - плазменное образование являетсяперспективным и быстро развивающимся направлением современной науки.Необходимость более тщательного изучения такого взаимодействия возникла в связи ссозданием высокоскоростных летательных аппаратов [1].Целью проводимых в этой области экспериментальных и расчетно-теоретическихисследований являются: 1) улучщение управляемости летательных аппаратов путемвоздействия плазменных образований на параметры набегающего потока и пограничногослоя (модификация поля течения подводом энергии перед ударной волной, управлениескачками уплотнения иа входе в воздухозаборник; 2) снижение аэродинамическогосопротивления и улучшение теплообмена; 3) интенсификация смещения и горения всверхзвуковом потоке камеры сгорания.Обеспечение вьшолнения устойчивого, эффективного смещения и сгораниягазообразных топлива и окислителя в сверхзвуковом потоке камеры сгорания - одна изважных задач при создании двигателей пшерзвуковых самолетов. На коротких пролетныхвременах топливо и окислитель не успевают образовать способную к сгоранию смесь, инеобходимо применять дополнительные способы для интенсификации смещения [2-4].Одним из методов, позволяющим интенсифицировать смещение и горение вгазовых потоках разделенных компонентов топлива и окислителя, является МГД-метод,который заключается: 1) в создании импульсного электрического разряда в газовомпотоке; 2) в использовании взаимодействия электрического разряда с внешниммагнитным полем для организации вторичных вихревых течений (рис.1).Преимуществом МГД-метода интенсификации смешения является быстродействиеи бесконтактное воздействие на потоки.Применение МГД-метода интенсификации базируется на концепции реакционногообъема. Горение как элементарная химическая реакция может произойти только в обьеме,где имеет место столкновение молекул топлива и окислителя [5 - 10].Этот объем носит название "Реакционного объёма" и формируется в результатедиффузии на контактной поверхности струй топлива и окислителя: V{ty=S(tyd(t), S(t) площадь контактной поверхностн струй топлива и окислителя, Щ) - толщинадиффузионного слоя. Концепция реакционного объема сформулирована и описана вработах [11 -14] и апробирована в [15 -18].Рис.1. Схема МГД-метода.Рис.2. Деформация контактной поверхности в поле вторичных вихревых течений.Такнм образом, взаимодействие тока электрического разряда с магнитным полемиспользуется для создания вторичных вихревых течений, которые способствуют ростуреакционного объема через деформацию контактной поверхности топлива и окислителя, итем самым интенсифицируют процесс смешения, в то же время энерговыделение вразрядной зоне и магнитное поле влияют на переносные свойства компонентов.Процессы и явления, обусловленные применением МГД-метода интенсификациисмешения, изучены недостаточно полно, и их экспериментальное и расчетнотеоретическое исследование актуально для физики плазмы и плазменной аэродинамики.Цель работыЭкспериментальное и расчетно-теоретическое исследование взаимодействияконтрагированных электрических разрядов с газовыми нотоками во внешнем магнитномполе и влияния особенностей этого взаимодействия на смешение предварительнонеперемешанных газовых струй.В соответствии с целями работы решены следующие задачи:1. Создана экспериментальная установка для исследования эволюции и динамикиэлектрического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном поле иисследования эффектнвностн МГД-метода интенсификации смешения предварительнонеперемешанных газовых струй. В этой связи апробированы различные вариантыэкспериментальной секции для исследования эволюции и динамики электрическогоразряда в газовой среде/нотоках газа во внешнем магнитном поле.2. Разработана квазитрехмерная трехтемпературная модель контрагированногоэлектрического разряда в потоках газа во внешнем магнитном поле.3. Выполнен теоретический аналнз эволюции и динамики разряда в магнитномполе в газовой среде и влияния взаимодействия электрического разряда с внепшнммагннтным полем на структуру нотоков.4. Проведено экспериментальное исследование эволюции и динамикиэлектрического разряда в газовой среде/потоках газа во виешнем магнитном поле.5. На базе разработанной квазитрехмерной модели проведено расчетнотеоретическое исследование эволюции, динамики и параметров электрического разряда вгазовой среде/потоках газа во виешнем магнитном ноле.6. С использованием пакета программ двумерного моделирования PlasmAero,разработанного к.т.н. А.П. Бочаровым, проведены исследования параметровэлектрического разряда, его эволюции и динамики в газовой среде/потоках газа вовнешнем магннтном поле, рассмотрено влнянне взанмодействня электрического разряда свнешним магнитным нолем на структуру и смешение потоков газа.Научная новизна работы состоит в следующем:1. Выполнен комплексный анализ различных аспектов влияния взаимодействияэлектрического разряда с внешним магнитным полем на структуру потока.2. Получены экспериментальиые результаты по эволюции и динамикеэлектрического разряда в газовой среде/потоках газа во виешнем магнитном ноле вшироком диапазоне п^аметров.3. Проведено численное исследование эволюции и динамики электрическогоразряда в газовой среде/потоках газа во вненшем магнитном поле и влияниявзаимодействия электрического разряда с виепшим магнитным полем на структуру исмешение потоков газа.4. Применен подход Лагранжа к описанию эволюции и динамики электрическогоразряда в газовой среде/потоках газа во вненшем магнитном поле, на основе которогоразработана квазитрехмерная трехтемпературная модель контрагированногоэлектрического разряда в потоках газа во внешнем магннтном поле.5. Выявлены особенности эволюции и динамики электрического разряда вмагнитном поле в газовой среде/потоках газа. Установлен обпщй характер эволюцииформы разряда в магнитном поле в потоках газа. Предложен механизм, обьясняюпщйврашение электрического разряда в коаксиальной конфигурации электродов. Описаноявление вторичного пробоя.6. Установлена структура вторичных вихревых течений, образующихся во внешнеммагнитном поле в газовой среде с неоднородной проводимостью.7. Продемонстрирована эффективность применения МГД-метода интенсификациисмешения предварительно неперемешанных газовых струй, через характер н особенностиэволюции и динамики электрического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнеммагнитном поле, структуру потоков и оценку величины реакционного объема.Достоверность результатовРабота наглядно демонстрирует особенности взаимодействия контрагированныхэлектрических разрядов с газовыми потоками во виешнем магнитном поле и влияниеособенностей этого взаимодействия на смешение предварительно неперемешанныхгазовых струй. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается ихвоспроизводимостью и использованием для исследований современных средств9измерений. Достоверность результатов численного моделирования подтверждается ихсовпадением с результатами экспериментов.Научная и практическая значимостьВ результате экспериментальных и расчетно-теоретических исследованийполучены новые сведения об особенностях взаимодействия контрагированныхэлектрических разрядов с газовыми потоками во внешием магнитном поле и о влиянииособенностей этого взаимодействия на смешение предварительно неперемешанныхгазовых струй. Результаты исследований демонстрируют эффективность примененияМГД-метода интенсификации смешения и необходимы при его практической реализации.Адробадня работыОсновные результаты работы докладывались и обсумедались на следующихконференциях: 4-th Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics in Aerospace Applications, 911 April, 2002; 14th International Conference on MHD Power Generation and HighTemperature Technologies, Maui, Hawaii, 2002; 41st, 43rd, 44th, 45th Aerospace SciencesMeeting and Exhibit, Reno, NV, 2003 - 2007, 15th International Conference on MHD EnergyConversion and 6th International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Moscow, May24-27, 2005; 27-th International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG),Eindhoven, the Netherlands, 18-22 July, 2005; Всероссийская научно-техническаяконференция молодых ученых и специалистов «проблемы создания перспективныхавиационных двигателей», Москва, ЦИАМ, 27-30 сентября, 2005; Минскиймеждународный коллоквиум по физике ударных волн, горения, взрыва, детонации инеравновесным процессам MIC 2005, Минск, 14-19 но-ября 2005; Школа-семинар помагнитоплазменной аэродинамике, 26-27 апреля, Мо-сква, 2006; 31st Internationalsymposium on combustion, Heidelberg, Germany, August 6-11, 2006; 16th InternationalConference on Gas Discharges and tiieir Applications, Xian, China, Sept. 11-15, 2006; 7thInternational Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Moscow, May 24-27, 2007; 16thInternational Conference on MHD Energy Conversion, 25-28 June 2007, Miami, Florida.ШблнкадннРезультаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах.10Положения, вынесенные на защиту;1. Результаты экспериментального исследования эволюции и динамикиэлектрического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном ноле,полученные на базе созданной автором экснериментальпой установки.2. Квазитрехмерная трехтемпературная модель контрагированного электрическогоразряда в потоках газа во внешнем магнитном поле.3. Результаты расчетно-теоретического исследования эволюции, динамики ипараметров электрического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитномполе, полученные на базе разработанной квазитрехмерной модели.4. Анализ результатов исследований параметров электрического разряда, егоэволюции и динамики в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном поле, влияниявзаимодействия электрического разряда с внешним магнитным нолем на структуру исмешение потоков газа, полученных с использованием пакета программ двумерногомоделнрования PlasmAero, разработанного к.т.н. А.Н. Бочаровым.Краткое содержание работыВ первой главе представлен обзор работ, носвященных исследованиямэлектрических разрядов в газовом потоке и исследованиям влияния магнитного поля надннамику дуг. Отмечается, что имеющиеся результаты носят преимуществеиноэкспериментальный характер. На данный момент нам неизвестны работы поисследованию особенностей взаимодействия электрических разрядов с нотоками газа вовнешних магнитных полях прнменительно к задачам интенсификации смешения.Во второй главе приведена принципиальная схема экспериментов и описанаэксперимеитальная установка, созданная автором для исследовання эволюции и динамикиэлектрического разряда в газовой среде/потоках газа во внешнем магнитном ноле и МГДстимулированиого смешения и поджига. Представлены результаты экспериментальныхисследований эволюции, динамики и электрических х^актеристик разряда в широкомдиапазоне нараметров для нескольких конфигураций экспериментальной секции.В третьей главе представлеи один из инструментов исследования взаимодействияэлектрического разряда с газовыми потоками во вненшем магнитном поле квазитрехмерное моделирование, позволяющее описывать динамику н трехмернуюэволюцию разряда, включая явления разрыва токового канала и перезамыкания.Приведены результаты чнсленных исследований.В четвертой главе представлен анализ результатов исследовання параметровэлектрического разряда, его эволюции и динамики в газовой среде/потоках газа во11внешнем магннтиом поле, влияния взаимодействия электрического разряда с внешниммагнитным полем на структуру и смешение потоков газа. Результаты получены сиспользованием пакета программ двумерного моделирования PlasmAero, разработанногоК.Т.Н. А.Н. Бочаровым.
|
