Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2023, № 1, стр. 144-150

Плазменное воздействие на газодинамические потоки активно исследуется с точки зрения возможности управления ими. В обзоре [1] основное внимание уделено эффектам, в основе которых лежит сверхбыстрый (за наносекундные времена) локальный нагрев газа. Показано, что в настоящее время главные успехи в управлении скоростными потоками с помощью газовых разрядов связаны именно с таким воздействием. Особенно широко распространены частотные разряды (как правило, барьерные поверхностные), способные затягивать отрыв пограничного слоя на обтекаемых поверхностях [1–3] и влиять на структуру ударно-волнового течения при сверхзвуковом обтекании [4]. К основным преимуществам можно отнести простоту конструкции, отсутствие движущихся частей, незначительные габариты и вес, малую инерционность, возможности установки заподлицо с обтекаемой поверхностью [1, 3, 5]. Импульсные разряды чаще используют в закрытых каналах, камерах внутреннего сгорания летательных аппаратов – для стабилизации горения и сверхзвукового зажигания [6, 7]. Неоднородности на обтекаемых поверхностях, изменения профиля газодинамического канала приводят к перераспределению плазмы разряда в потоке. С газодинамической точки зрения, причинами появления неоднородностей являются зоны отрыва, ударные волны (УВ), вихри и косые скачки [8].

В данной работе экспериментально исследуется импульсное плазменное воздействие на сверхзвуковой воздушный поток в канале ударной трубы с препятствием, представляющим собой диэлектрический параллелепипед (см. рис. 1). Высокоскоростной поток формировался за ударной волной (при числе Маха М = 3.3 ± 0.1) в ударной трубе сечением 48 × 24 мм с разрядной секцией. Визуализация потока велась теневым методом высокоскоростной камерой при частоте съемки 150 000 кадров в секунду [9]. Обтекание препятствия устанавливалось около 100 мкс после прохода УВ через препятствие и длилось затем при постоянных газодинамических условиях (спутный стационарный поток) более 600 мкс, после чего скорость потока постепенно уменьшалась. В однородном потоке в заданном интервале газодинамические величины (плотность, скорость и давление), рассчитываются из соотношений Ренкина–Гюгонио.

Рис. 1.

Схема ударной трубы (а) и поверхности (б) внутри разрядной камеры, обтекаемой набегающим потоком (в): профиль (эксперимент, аппроксимация) скорости набегающего потока, двигающегося за ударной волной с числом Маха Мs = 3.2 без вставки: P1 – камера высоко давления, P2 – камера низкого давления, P3 – система синхронизации, P4 – разрядная камера, P5 – высокоскоростная камера/CCD, P6 – компьютер, TW – верхняя и BW – нижняя поверхности с электродами; 1 – скорость спутного потока из соотношения Ренкина–Гюгонио, 2 – скорость трассеров (эксперимент), 3 – профиль скорости (эксперимент).

На первом этапе были исследованы характеристики разряда и течения, создаваемые при инициировании импульсного объемного разряда с предыонизацией ультрафиолетовым излучением от плазменных листов/электродов CLMB (см. рис. 1б). При этом устройство электродов на верхней и нижней стенках идентично [8]. Течение происходило в канале со вставкой в покоящемся газе с плотностью воздуха ρ до 0.25 кг/м³ и в потоке при ρ от 0.03 до 0.30 кг/м³. Сначала (в течение 60–100 нс) на верхней и нижней поверхностях камеры горели плазменные листы – разряды, скользящие по межэлектродной поверхности диэлектрика. Скользящий разряд создавал ультрафиолетовое излучение высокой интенсивности и ионизировал газ в рабочей секции (преимущественно между плазменными электродами), подготавливая таким образом рабочий объем к созданию однородного импульсного объемного разряда длительностью до 300–400 нс. В однородном потоке фаза объемного разряда характеризуется достаточно высокой степенью пространственной однородности во всех направлениях [8]. Поверхностный разряд сопровождается возникновением ударных волн, распространяющихся в направлении, перпендикулярном направлению потока за падающей ударной волной в канале. Поверхностные разряды играют также роль плазменных электродов объемного разряда.

Диэлектрическая вставка KEF (см. рис. 1) размерами 6 × 2 × 48 мм, внесенная в электрическое поле, создаваемое при импульсной ионизации, приводила к перераспределению энергии импульсного объемного разряда наносекундной длительности, в первую очередь на поверхности (подробное описание эффекта представлено в работе [8]). Помимо различий в локализации разряда увеличивались длительность и яркость свечения плазменных каналов вблизи вставки (препятствия), связанные с эффектом вытеснения. Эффект перераспределения энергии импульсного разряда подразумевает индуцирование ударной волны сложной конфигурации; криволинейные ударные волны, инициированные из области усиленного свечения вблизи вставки, сильнее по сравнению с квазиплоскими фронтами ударных волн, наблюдаемыми в отсутствие препятствия. Анализ динамики индуцированных ударно-волновых структур показал, что количество энергии импульсного разряда, в области разряда, увеличивается по направлению к поверхностям вставки. Вблизи препятствия концентрация энергии разряда быстро увеличивается за счет эффекта быстрого нагрева в 5–7 раз [8] по сравнению со средней плотностью энергии в свободном плазменном слое (d = 0.7 мм).

На следующем этапе исследований вставка обтекалась поперечным набегающим потоком, реализованным в ударной трубе. График изменения во времени скорости потока для начального числа Маха Мs = 3.2 представлен на рис. 1в. Скорость потока за ударной волной измерялась по трассерам. Аппроксимирующая кривая по верхним точкам – пунктирная линия. Подробное описание измерения трассерным методом скорости и методом PIV в данной ударной трубе представлено в работе [10].

Разряд (как объемный ОР, так и поверхностный ПР) инициировался в заданный момент течения за плоской ударной волной. Он локализуется, прежде всего, в зоны отрыва в области низкой плотности (в частности, за препятствием).

Теневые изображения и мгновенные изображения свечения плазмы разрядов сравнивались с расчетными при одинаковых параметрах течения. Численное моделирование задачи, при сравнении с экспериментом, позволило интерпретировать поле свечения импульсного разряда, коррелирующее с мгновенным полем плотности (либо давления). Для численной аппроксимации систем уравнений Эйлера была применена явная квазимонотонная схема, представляющая собой вариант метода С.К. Годунова повышенного порядка точности [11]. Расчетная область представляла собой участок рабочей камеры размерами 130 × 24 мм. Ударная волна распространялась слева направо по расчетной области. На левой границе счетной области задавались газодинамические величины, соответствующие состоянию за фронтом ударной волны с числом Маха Мs = 3.2. Таким образом, в ходе расчета моделировался весь процесс движения ударной волны в канале, включая отражение и дифракцию на препятствии.

В газовом потоке с объемным неоднородным распределением плотности разряд также “стягивается” в области относительно пониженной плотности. Интегральное свечение разряда соответствует мгновенной картине течения с точки зрения газовой динамики.

При взаимодействии ударной волны с прямоугольным препятствием наблюдается в первую очередь отражение, а затем дифракция на препятствии (см. рис. 2). Формируется ударно-волновое течение с образованием трехударной конфигурации вследствие взаимодействия отраженной и дифрагированной УВ. На рис. 2 представлены четыре изображения после прохода ударной волны; ударная волна находится в разрядном промежутке в 5 мм после препятствия. Теневой снимок (рис. 2а) показывает структуру ударно-волнового взаимодействия. На интегральном фотоснимке поля свечения объемного (рис. 2б) разряда ОР наблюдаются плазменная структура длиной 30 мм (от электрода до электрода – рис. 1б) за выступом в виде шнура и плазменный лист на верхней стенке и свечение объемного разряда перед плоской ударной волной. На фотоснимке поля свечения двух плазменных листов ПР (рис. 2в) также наблюдаются плазменная структура длиной 30 мм (от электрода до электрода – рис. 1б) за выступом в виде шнура и плазменные листы, объемная фаза отсутствует. При дифракции на обратном уступе образуется вихрь со значительным падением плотности в нем, что отчетливо видно на численном изображении поля плотности (рис. 2г).

Рис. 2.

Импульсный разряд при проходе УВ через препятствие; (а) теневой снимок без разряда, (б) интегральное по времени инициирования разряда свечение объемного разряда ОР, (в) интегральное свечение поверхностного разряда, (г) двумерное численное моделирование плотности и линии тока без разряда. Число Маха падающей ударной волны Мs = 3.2.

Течение за ударной волной представляет сложную структуру, состоящую, из спутного потока с постоянной на начальном этапе сверхзвуковой скоростью и позже – непрерывно замедляющегося течения, скорость в котором снижается из-за прихода волны разрежения см. (рис. 1в). При сверхзвуковом обтекании выступа перед ним возникает головная ударная волна; серии волн сжатия, исходящих от слоя сдвига, которые образуют наклонный скачок – по верхней поверхности препятствия, и область рециркуляции в подветренной области, из точки присоединения которой формируется скачок присоединения [11, 12].

Наличие подобных неоднородностей плотности газа в газодинамическом потоке приводило к пространственному перераспределению плазмы объемного разряда ОР и приповерхностному перераспределению плазменного листа на нижней стенке. В обоих случаях наиболее выражена локализация плазмы разрядов в области отрыва (низкой плотности) около препятствия.

На рис. 3а представлены снимки свечения ПР в подветренной зоне отрыва за препятствием через 400 мкс после прохода УВ с числом Маха Мs = 3.2. Скорость набегающего потока сохраняется близкой к начальной (u = 820 м/с). Приповерхностное свечение разряда (см. рис. 3б) в потоке свидетельствует об отрывном течении за препятствием, где реализуется относительно низкое значение плотности (см. численное моделирование (ЧМ) на рис. 3в-г). Сравнение ЧМ с фотоснимком свечения показывает качественное совпадение областей пониженной плотности (рис. 3в) и повышенного свечения (рис. 3а).

Рис. 3.

Свечение импульсного поверхностного разряда ПР (а, б) в сверхзвуковом потоке через 210 мкс после прохода УВ через препятствие. Локализация поверхностного разряда в зоне отрыва при скорости набегающего потока 820 м/с. Поле плотности (в) и числа Маха при этих же условиях (г).

На рис. 4 теневая съемка демонстрирует, что локализация сильноточных разрядов (ПР и ОР) в зону низкой плотности около препятствия приводит к инициированию взрывных УВ. Для поверхностного разряда ПР (рис. 4а–4г, интервал между снимками 6.6 мкс) волна имеет полуцилиндрическую форму, так как энерговклад локализован в протяженный плазменный шнур в зоне за препятствием. Взрывная волна ослабляется и пропадает через 25–35 мкс.

Рис. 4.

Ударно-волновые рации от локализованного в подветренную зону отрыва поверхностного ПР (а–г) и объемного ОР (д–з) разряда при скорости набегающего потока 820 м/с.

Инициирование импульсного объемного разряда ОР (рис. 4д–4з) вскоре после прохода УВ через препятствие (скорость потока также 820 м/с), тоже приводит к перераспределению разряда в короткоживущий сильноточный плазменный канал вдоль выступа, вызванный снижением плотности течения в канале. ОР имеет и вторую область локализации энерговклада на поверхности препятствия. Поэтому взрывная волна имеет несколько вытянутую форму, вертикальная составляющая ее скорости меньше (рис. 4д–4з). Взрывная волна сносится потоком через 25–35 мкс в обоих случаях. Также часть энергии объемного разряда уходит на пространственные неоднородности в зоне между плазменными электродами.

На рис. 5 приведены расчет поля плотности (а) и теневые кадры ударно-волновых конфигураций (б-е) при инициировании ОР через 4.5 мс после прохода падающей УВ через препятствие. Скорость основного набегающего потока в продольном направлении в эксперименте и в численном моделировании при этом существенно ниже – и была равна 390 ± 10 м/с (рис. 1в). При численном моделировании этого режима на входной границе задавались газодинамические величины (плотности и давление), соответствующие скорости 390 м/с, полученные из одномерного расчета движения и эволюции разрывов в канале после раскрытия диафрагмы. При данной скорости область низкой плотности располагается над верхней поверхностью препятствия. Импульсный энерговклад приводит к возникновению квазицилиндрической взрывной УВ, равномерно распространяющейся навстречу потоку и по потоку.) Наблюдается термик, характерный для энерговыделения. Термик сносится по потоку. Взрывная волна сносится потоком и исчезает через 50–70 мкс.

Рис. 5.

Поле плотности потока при обтекании препятствия со скоростью 390 м/с – без разряда (а) и ударно-волновые рации (б–е) от локализованного над верхней поверхностью препятствия объемного разряда при скорости набегающего потока 390 м/с.