Эффективное управление различными газодинамическими потоками осуществляется путем изменения их физических свойств при помощи различных по своей природе способов локального воздействия. Наиболее эффективные системы управления потоком способны уменьшить сопротивление и увеличить подъемную силу крыльев и винтов летательного аппарата, изменить параметры ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое, предотвратить или вызвать его отрыв, стабилизировать поток газа, чтобы избежать неустойчивостей, которые ведут к нежелательным колебаниям, шумам и потерям энергии.

Одним из современных перспективных методов управляемого воздействия на газодинамическое течение является подвод энергии в поток на основе плазменных образований различных типов. Устройства для управления газодинамическим потоком на основе плазменных образований называются плазменными актуаторами. Цели их практического применения — снижение сопротивления элементов конструкции летательных аппаратов, инициирование и интенсификация процессов горения в камерах сгорания двигателей, создание усилий на плоскостях, управление потоком на входе в воздухозаборники воздушно-реактивных двигателей.

Профессор Рот Рис, из Университета штата Теннесси в Ноксвилле (США), и его сотрудники в 1998 году показали, что плазменный актуатор снижает сопротивление среды для малых скоростей потока с помощью управления отрывом. (Рис.1 J. Reece Roth, Aerodynamic Flow Acceleration Using Paraelectric and Peristatic Electrohydrodynamic Effects of a One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma, Phys. of Plasmas, May 2003, Vol.10, No.5, Part 2, P.2117 U.S.Patent No.5.669.583, issued 23 Sept. 1997).

Рис. 1. Плазменный актуатор на профиле крыла

В нашей стране подобные исследования проводились с 80-х годов. В 2009 году несколько европейских университетов и других организаций объединились для решения фундаментальных проблем, связанных с плазменными актуаторами. В рамках проекта «Плазмаэро» и других проектов идёт анализ физических механизмов управления аэродинамическим потоком на основе разрядов различных типов. Помимо цели повышения эффективности плазмогенераторов ставится и более амбициозная задача: научиться управлять беспилотными летательными аппаратами с помощью одних только плазмогенераторов, без применения закрылков и других подвижных деталей. В декабре 2012 года учёные получили положительный эффект в испытательном полёте беспилотника с размахом крыльев в 4 метра в Дармштадте (Германия). В условиях полёта актуаторы работали, как и ожидалось согласно расчётам. Все манёвры летательного аппарата выполнялись исключительно регулированием интенсивности плазмообразования. Плазменные технологии могут затронуть не только крылья летательных аппаратов, но и лопасти вертолётных несущих винтов, и лопатки турбин ветроэлектростанций.

При использовании на обтекаемой газодинамическим потоком поверхности плазменных актуаторов на основе электрических разрядов предлагается прямое преобразование электрической энергии в энергию газа. Эффективность воздействия разряда на поток при этом определяется отношением D вложенной в поток энергии разряда Wразр к энтальпии газодинамического потока: D = Wразр/hпот (здесь D — аналог числа Дамкелера для физико-химических процессов в потоке газа). В дозвуковых режимах эффекты воздействия плазмы на обтекание объясняются передачей импульса заряженными частицами потоку, в сверхзвуковых режимах эффекты имеют преимущественно тепловой механизм. Для высокоэнергетических, сверхзвуковых течений газа эффективное воздействие предполагает увеличение значения Wразр. В стационарном режиме энергоподвода (разряд постоянного тока) при увеличении энергии (тока) разряда повышается вероятность возникновения плазменных неустойчивостей.

Исследования показали, что во избежание влияния неустойчивостей на осуществление эффективного воздействия на высокоэнтальпийные газовые потоки возможно использование импульсного (импульсно-периодического) энергоподвода. Средством реализации такого энергоподвода являются импульсные разряды: оптический разряд, сильноточные наносекундные разряды — объемный и поверхностный. С точки зрения газодинамических времен импульсным является разряд субмикросекундной длительности. За время tразр<< tпот, плазменные неустойчивости не успевают развиться.

Инициирование импульсного разряда в потоке приводит в свою очередь к образованию ударных волн, возникновению нестационарного ударно-волнового течения, которое воздействует на исходный высокоскоростной поток. Ударная волна — это движущаяся со сверхзвуковой скоростью поверхность разрыва, в которой происходит резкое увеличение физических параметров среды.

Воздействие определяется энерговкладом и конфигурацией разрядной области в потоке, параметрами и структурой исходного газодинамического течения.

В цикле работ, выполненных на кафедре молекулярной физики, был предложен и реализован метод коррекции параметров и структуры высокоскоростных потоков газа на базе ударно-волнового воздействия; ударные волны создавались импульсными локализованными разрядами наносекундной длительности. Локализация энергии разряда определяется конфигурацией самого разряда (плазменный лист, объемный разряд) а также конфигурацией сверхзвукового потока, включающего разрывы, неоднородности, вихри, зоны отрыва и пр., в котором инициируется разряд. В 60-е 70-е годы на кафедре выполнялись актуальные тогда работы на гиперзвуковых ударных трубах.

Сегодня — на основе предшествующего опыта научной школы, на новом поколении ударно-волновых установок — выполняются исследования по фундаментальным аспектам плазменной аэродинамики — науки о взаимодействии плазмы и аэродинамических потоков.

Уникальная экспериментальная установка УТРО-3 (расшифровка: Ударная Труба — Разряд — Оптика) представляет собой ударную трубу сечением с встроенной высоковольтной разрядной камерой специальной конструкции. На участке длиной 17 см две противоположные стенки секции в вертикальной плоскости заменены кварцевыми стеклами для визуализации мгновенного поля течения в разрядной камере. Ведутся исследования двух типов сложных сильноточных наносекундных разрядов в различных структурированных сверхзвуковых течениях с разрывами, вихрями, пограничным слоем — ламинарным и турбулентным; течения около моделей сложной формы.

1. Распределенный поверхностный разряд, скользящий по поверхности диэлектрика («плазменный лист») размером 30х100х0,5мм; разряд поджигался на противоположных стенках канала, либо на одной из них. Импульс напряжения с крутизной нарастания 10 11 ÷ 10 12 В/с инициирует развитие скользящего разряда наносекундной длительности. При напряжении выше пробойного для данного разрядного промежутка вдоль поверхности диэлектрика формируется система каналов скользящего разряда. Скорость развития каналов ~10 6 м/с.

2. Объемный комбинированный разряд с предионизацией ультрафиолетовым излучением от плазменных листов в прямоугольном канале размером 48х100х24мм. Поджиг плазменных электродов обеспечивает однородность пространственного энерговклада в канале.

Длительность тока разрядов не превышает 200 нс, что много меньше характерных газодинамических времен. Другими словами: за время воздействия тока наносекундного разряда структура газодинамического течения не успевает измениться. Поэтому и исследования ведутся в двух временных диапазонах — наносекундном (динамика плазмы разряда при протекании тока в потоке газа) и микросекундном (линейные и нелинейные возмущения, вихри, скачки — возникшие как результат воздействия разряда на поток).

Для визуализации процессов в разрядной камере используются современные методы исследования: лазерная теневая съемка; цифровая регистрация мгновенных полей скорости потока (лазерная PIV система), измерения давления безынерционными датчиками, регистрация свечения плазмы с временным разрешением, высокоскоростная съемка процесса (фильмы со скоростью съемки до 500000 кадров в секунду). Некоторые из оптических методов, применяемых для визуализации процессов известны давно, однако появление в последние несколько лет систем цифровой регистрации динамических процессов позволили на порядки ускорить и получение и обработку мгновенных полей (и анимации) параметров потоков!

Для того, чтобы избежать развития плазменных неустойчивостей и срыва тока разряда, необходимо обеспечить малое время tразр. Для ударной трубы tгаз составляет 1-2 мкс и меньше (для перемещений ударной волны с числом Маха 2 и выше). Время протекания тока разряда должно не превышать 1 мкс. Локализованный импульсный разряд такой длительности вызывает явление, подобное плазменному взрыву с образованием ударных волн, распространяющихся от зоны разряда, вследствие явления распада разрыва на границе газ-плазма. Именно ударные (взрывные) волны и обеспечивают перестройку сложного течения газа, изменяя не только его параметры, но и структуру (рис. 2). Изучив свойства разряда в потоке и физические явления, сопровождающие его инициирование в потоке, такой процесс можно и нужно сделать контролируемым и управляемым («plasma flow control»).

Рис. 2. Теневой снимок и численных расчет ударно-волновой конфигурации при взаимодействии плазменного листа с ударной волной

Особенностью численного моделирования газодинамических течений, возникающих в результате инициирования наносекундного разряда в потоке является адекватность описания процесса на основе модели мгновенного энерговклада. Пусть время протекания тока разряда tразр много меньше характерных газодинамических времен tпот. За время tразр в нагрев газа (поступательные степени свободы молекул) переходит энергия Wразр = KE где E — полная электрическая энергия, K — доля энергии разряда, перешедшая в тепло на стадии протекания тока разряда. Нахождение значения коэффициента K через физико-химический анализ плазмы разряда требует учет множества кинетических процессов, определяемых параметрами плазмы, газа, эволюцией течения. На кафедре предложен и реализован для ряда двумерных нестационарных течений с энергоподводом альтернативный подход к данной проблеме: определение энергии, импульсно введенной в поток разрядом, путем решения обратной задачи. Численно моделируется возникающее при мгновенном локальном энерговкладе нестационарное газодинамическое течение.

Оба типа разряда за счет системы синхронизации могут быть инициированы в потоке в любой момент быстропротекающего газодинамического процесса, связанного с взаимодействиями ударных волн.

Возможны 3 режима взаимодействия:

1) разряд поджигается в потоке за плоской ударной волной, движущейся в канале ударной трубы (Рис.3).

Рис. 3. Схема инициирования поверхностного наносекундного разряда в пограничном слое за ударной волной

2) разряд поджигается в момент, когда ударная волна находится в разрядной области (Рис. 4);

3) разряд поджигается перед плоской ударной волной, движущейся в канале ударной трубы с числом Маха 1,1-5 — ударная волна, т.о. движется по остывающей области релаксирующей плазмы.

В ходе экспериментов со вторым режимом было обнаружено явление самолокализации наносекундного разряда: при инициировании разряда в момент, когда в камере находится плоская ударная волна, разряд локализуется в области низкого давления и ограничен фронтом ударной волны (рис. 4).

Рис. 4. Инициирование поверхностного наносекундного разряда перед ударной волной

Это связано с тем, что проводимость газа является нелинейной функцией параметра E/N (Е — напряжённость поля N — концентрация нейтральных частиц), который испытывает скачок большой интенсивности при переходе через фронт ударной волны. Эффект самолокализации разряда в присутствии ударной волны может быть использован для автоматического энергоподвода в соответствующую область перед фронтом волны с учетом динамики ударно-волновых структур. Максимально достижимая плотность энерговклада на единицу поверхности и объема — 0.2 Дж/см2 и 2 Дж/см3 соответственно. Явление самолокализации позволяет осуществлять интенсивное импульсное (и частотное) воздействие на зоны отрыва пограничного слоя.

Рис. 5. Ударные волны и мгновенное поле векторов скорости, инициированное плазменным листом и одиночным плазменным каналом (лазерная PIV система).

Экспериментально зарегистрировано возникновение неустойчивости тангенциального разрыва на поздних стадиях взаимодействия ударной волны с самолокализованном поверхностным разрядом. Наличие достаточно четкой плоскости симметрии на теневых снимках свидетельствует о модельном двумерном характере течения, что является его замечательной особенностью разряда, учитывая специфику разрядных плазменных конфигураций, как правило, неустойчивых. Благодаря этому, полученные теневые снимки могут сравниваться с результатами численного 2D моделирования течения (рис 2). Решалась нестационарная задача на основе уравнений Навье-Стокса с начальными и граничными условиями при импульсном профилированном энергоподводе.

Сравнения экспериментальных теневых изображений поля течения с расчетным позволило достаточно точно установить, какая доля всей запасенной в электрической схеме энергии выделяется в тепло в среду на стадии, соответствующей протеканию тока разряда. Мгновенный нагрев газа является основной характеристикой, определяющей степень воздействия разряда на газодинамические процессы. При увеличении удельного энерговклада в приповерхностный слой газа за счет явления самолокализации разряда перед ударной волной (уменьшении области горения разряда) импульсное воздействие на ударную волну и поток за ней возрастает. При давлениях P=25 Торр энерговклад на 1 частицу газа достигает 8 эВ.

Ряд новых физических эффектов был обнаружен также для режима 2, 3 как для объемного комбинированного, так и для поверхностного разряда (Investigations of shock wave interaction with nanosecond surface discharge. Ivanov I.E., Kryukov I.A., Orlov D.M., Znamenskaya I.A. Experiments in Fluids, v.48, №4, с. 607-613, 2010. Discontinuity breakdown on shock wave interaction with nanosecond discharge. Znamenskaya I.A., Koroteev D.A., Lutsky A.E. Physics of Fluids, V 20, 2008.056101-1-056101-6. О двух режимах воздействия импульсного объемного разряда на ударную волну. Знаменская И.А., Сысоев Н.Н., Цзинь Ц. Письма в журнал технической физики, том 39, №9, с. 28-33).

Анализа динамики ударных волн, скорости газа (Рис. 5) и свечения из области плазменного листа показал, что данный тип разряда представляет собой высокоэнергетичный плазменный актуатор; он обеспечивает воздействие как на ламинарный, так и на турбулентный пограничный слой. Исследования показали, что до 50% энергии разряда переходит в тепловую энергию в приповерхностном слое воздуха средней толщиной 0, 5мм, за время меньше 1 мкс. При таких условиях, как показал расчет, за 1-2 мкс рост температуры приповерхностного слоя газа достигает 1000 К (сверхбыстрый нагрев).

Показана перспективность использования внешнего периодического подвода энергии с целью управления обтеканием. Показана также возможность применения импульсного разрядного воздействия для управления параметрами течения в канале с разрывами: при разрядном воздействии на участке канала можно добиться двукратного уменьшения интенсивности проходящей ударной волны по сравнению и интенсивностью падающей.

Таким образом, воздействие сильноточного разряда на сверхзвуковое течение определяется преимущественно нелинейными газодинамическими эффектами, приводящими к перестройке структуры разрывного течения, а также некоторым увеличением энтальпии участка потока при релаксации возбужденных разрядом состояний.

Исследования фундаментальных процессов и явлений, обнаруженных и исследованных в экспериментах по квазидвумерному взаимодействию наносекундных разрядов с ударно-волновыми течениями, подготавливают почву для использования плазменных актуаторов нового поколения в управлении потоками при решении многих прикладных задач.

Профессор И.А. Знаменская, профессор Н.Н. Сысоев

Кафедра молекулярной физики

Назад