ВВЕДЕНИЕ
Работы, связанные с проблемой создания гипервуковых летательных аппаратов, привели к возникновению новых направлений фундаментальных исследований. Одно из них - магнитогазодинамическое (МГД) воздействие на структуру и параметры сверхзвуковых потоков, содержащих скачки уплотнения. Этому направлению исследований посвящена и данная работа.
Интерес к этой проблеме вызван разработкой проектов аэрокосмических аппаратов нового поколения, летающих на гиперзвуковых скоростях (А?=4-г8). Одной из важнейших проблем сверхзвуковой аэродинамики является регулировка положения скачков уплотнения, возникающих в полете на входе в воздухозаборник. При изменении высоты и скорости полета летательного аппарата, положение скачков меняется, при этом меняется полное давление в воздухозаборнике и расход кислорода при сгорании топлива. Система выходит из расчетного режима и возникает необходимость вернуть скачки в исходное положение. Регулировка входных устройств путем изменения геометрических параметров становится затруднительной при увеличении скорости полета, к тому же требует относительно больших затрат времени. Поэтому при гиперзвуковых скоростях возникает необходимость разработки новых методов управления течением.
Одним из перспективных методов в данном направлении по нашему мнению является управление предварительно ионизованным сверхзвуковым потоком при помощи МГД метода.
Основные этапы работы.
Основная цель работы исследовать возможность изменения ударно-волновой конфигурации в виде двух присоединенных скачков уплотнения, возникающей на входе в сверхзвуковой диффузор с полным внутренним поджатием потока, при помощи МГД метода. Главная задача эксперимента - выявить основные закономерности влияния внешних магнитного и электрического полей на положение входных присоединенных скачков и найти способ наиболее эффективного приложения внешних воздействий.
Для выяснения принципиальной возможности реализации такого способа управления течением в настоящей работе предприняты следующие шаги, отраженные в содержании диссертации, содержащей Введение, шесть Глав и Заключение.
В Главе 1 приводится обоснование актуальности задачи, дается краткий обзор литературы и излагаются основные принципы воздействия магнитного поля на поток низкотемпературной плазмы. Здесь же приводятся основные критерии потобия, по которым возможно моделирование течения воздушных потоков по течению инертных газов.
В Главе 2 описывается экспериментальная МГД установка, созданная на основе расчетов течений проводящего газа в сверхзвуковых входных устройствах с использованием простейших физических моделей. Основными блоками установки являются ударная труба с отражающим соплом, используемая для создания сверхзвукового потока низкотемпературной плазмы, и модель односкачкового диффузора с набором вмонтированных электродов. Установка снабжена системами генерации магнитного и электрического полей, а также системами регистрации ударно-волновой конфигурации и основных электрофизических параметров плазмы. Исследуемым объектом является течение плазмы инертного газа в диффузоре в скрещенных магнитном и электрическом полях. Здесь же обосновываются преимущества использования инертного газа в качестве рабочего вещества и выбор основных режимов работы ударной трубы, при которой возможны МГД эксперименты. Проведенные оценки возможности экспериментального изучения воздействия магнитного поля на сверхзвуковой поток слабоионизованной плазмы инертных газов дают представление о значениях параметров плазмы и магнитного поля, необходимых для эффективного управления структурой течения.
В Главе 3 описываются основные методики исследования течения в диффузоре. Здесь подробно описываются методы определения основных электрических и физических параметров плазмы, а так же способы визуализации ударно-волновых структур.
В Главе 4 основное внимание уделяется задаче разделения процессов, происходящих в объеме газа и в пристеночных областях и исследованию влияния пристеночных эффектов на течение в диффузоре. Приводятся экспериментально измеренные вольтамперные характеристики течения, распределение электрического потенциала внутри плазменного промежутка, данные по величине приэлектродного падения потенциала и эффективной проводимости плазмы. В ядре потока измерены значения электронной температуры, концентрации электронов и проводимости плазмы при изменении степени воздействия внешних полей и показано влияние селективного нагрева электронов и развития неравновесной ионизации на их величину. Спектральный анализ плазмы используется для уточнения механизма ионизации плазмы инертных газов в диапазоне средних температур.
В Главе 5 для выбранных экспериментальных режимов приводятся визуализированные картины течения, полученные при осуществлении МГД-
взаимодействия в различных областях диффузора. При этом анализируется степень изменения ударно-волновой конфигурации и сопоставляется с параметрами силового и теплового воздействия на поток, приводящие к этому изменению. Это позволяет определить три типа МГД-взаимодействия, а так же область диффузора, где приложение внешних воздействий для изменения ударно-волновой структуры течения наиболее эффективно.
В Главе 6 исследуется возможность локального воздействия на скачки при различных способах организации тока в диффузоре. При локализации поперечного тока во входной части диффузора произведено исследование изменения положения присоединенных скачков как при положительных, так и при отрицательных значениях электрического поля. В зависимости от соотношения внешнего поля и магнитоиндуцированного ЭДС выделены области, где в торможении или ускорении потока основную роль играет действие пондеромоторной силы, а так же области, где доминирует торможение потока вследствие джоулева нагрева газа в электрическом поле.
Все приведенные этапы данной работы позволяют продемонстрировать возможность и перспективность управления течением в сверхзвуковых потоках при помощи магнитогазодинамического метода, а так же актуальность и достаточную новизну исследований в данной области.
Положения, выносимые на защиту.
1. Разработка и создание МГД канала с секционированными электродами и системами генерации магнитного и электрического полей с широкой областью параметров течения и степени внешнего воздействия на поток.
2. Разработка и создание оптической системы для осуществления высокоскоростной покадровой съемки шлирен картин быстропротекающих процессов в прозрачных средах.
3. Демонстрация на опыте возможности изменения угла наклона присоединенных скачков при помощи внешних магнитного и электрического полей.
4. Обнаружение в тормозном режиме трех типов МГД взаимодействия, которые различаются газодинамическими структурами, возникающими при различной величине магнитной индукции.
5. Результаты исследования изменения ударно-волновой конфигурации при приложении электрического и магнитного полей к различным участкам диффузора и определение
входного участка диффузора, как области, где внешние воздействия на ударно-волновую конфигурацию наиболее эффективны.
6. Методика и результаты измерений концентрации и температуры электронов, эффективной и объемной проводимостей плазмы инертного газа, движущейся в сверхзвуковом диффузоре при наложении внешних полей.
7. Определение положения «узкого места» в пространстве энергетических уровней, обеспечивающего механизм ионизации, для ксеноновой плазмы средних температур.
ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ РАБОТЫ. 1.1. Проблема управления сверхзвуковым потоком.
Магнитная газодинамика низкотемпературной плазмы по сравнению с другими разделами газодинамики характеризуется тем, что здесь такой критерий подобия, как магнитное число Рейнольдса много меньше единицы, то есть магнитные линии не вморожены в плазму. Магнитная газодинамика низкотемпературной плазмы интенсивно развивалась в течение последних пятидесяти лет. Ее достижения достаточно полно отражены в монографиях [1.1-1.6] и обзорах журнальных статей [1.7-1.10]. В значительной степени исследования в этой области были стимулированы нуждами большой энергетики, а именно стремлением повысить к.п.д. преобразования органических топлив в электрическую энергию с помощью МГД метода. Такая конкретная цель естественно ограничила круг задач, и практически все исследования проводились для расширяющихся МГД каналов, где начальное течение было непрерывным и не содержало диссипативных структур. Данная работа направлена на изучение таких МГД течений, где в потоке существуют диссипативные структуры, с целью повлиять на их положение с помощью воздействия на поток магнитного и электрического полей.
Работа была инициирована концепцией «Аякс» [1.11-1.13], которая впервые была предложена в Санкт-Петербургском научно-производственном объединении «Ленинец». В ней выдвигается идея, что при отклонении полета от расчетных скоростей возвращать процесс сгорания топлива к заданным параметрам можно путем управления входными скачками в воздухозаборнике с помощью МГД-метода. При этом естественно предполагается, что на борту будет работать МГД-генератор.
К сожалению, разработке данной проблемы посвящены в основном теоретические работы, так как экспериментальные исследования достаточно энергоемкие и требуют значительную материальную и техническую экспериментальную базу, а так же хороший исследовательский опыт в изучении подобного рода задач. Теоретическим разработкам возможности МГД управления положением скачков уплотнения на входе в воздухозаборник посвящены работы [1.14-1.19]. В данных работах рассматриваются ситуации с разными параметрами полета на различной высоте, при этом варьируются ф конфигурации приложенного магнитного поля. Для ионизации воздуха предполагается
использование мощного электронного пучка. Возможности ускорения и замедления сверхзвуковых потоков слабоионизованной плазмы рассчитываются в работах [1.20-1.21], а
10
возможный дополнительный съем энергии при помощи бортового МГД генератора в работе [1.22].
Из немногих экспериментальных работ следует выделить работы [1.23-1.25]. В [1.23] исследуется обтекание цилиндрического тела сверхзвуковым потоком при включении и выключении МГД взаимодействия. В данной работе в присутствие азимутального магнитного поля, которое создается организацией на поверхности тела коаксиального тока, наблюдается сдвиг отошедшей ударной волны. Достаточно близки к теме данной работы исследования [1.24-1.25], которые изучают возможность управления присоединенными скачками при помощи внешнего магнитного поля, причем в последней работе исследования проводились в воздушном потоке.
1.2. Принцип работы магнитогидродинамического генератора.
Уместно отразить основной принцип работы МГД-генератора, как он описан в [1.26]. На рис. 1.1 показана принципиальная схема МГД генератора. Ионизованный газ протекает по каналу со скоростью и и пересекает силовые линии приложенного постоянного магнитного поля В. В движущейся ионизованной среде индуцируется электрическое поле напряженностью Е'=[иВ]. При проектировании на соответствующие координатные оси направление Е* характеризуется координатным равенством E'y=-uxBz. Индуцированное поле Е* движет электроны вверх. У верхней стенки канала накапливается отрицательный пространственный заряд, у нижней - положительный. Если внешняя цепь между электродами, помещенными на этих стенках, разомкнута, заряды накапливаются, пока созданное ими электрическое поле Е не уничтожает индуцированное (E:=-Ef). Потенциал нижнего электрода при этом превышает потенциал верхнего на V=Eh, где h — межэлектродное расстояние. Это напряжение по величине совпадает с ЭДС генератора ?=E'yh=- uxBzh, которая направлена противоположно оси j.
Если цепь замкнуть через нагрузочное сопротивление и обеспечить достаточно высокую электронную эмиссию с нижнего электрода, например путем его активирования или нагревания, в цепи потечет ток. Реально электроны в газе непрерывным потоком дрейфуют вверх, исходя из нижнего положительного электрода, который, в отличие от обычного разряда, работает подобно катоду, и внедряясь в верхний. Частичное устранение приэлектродного пространственного заряда, уносимого током, приводит к уменьшению напряжения на плазме Vpi на величину Vy=VR~Eyh по сравнению с F=|fi|. В пренебрежении
11
Рис.1 Л. Принципиальная схема МГД генератора
12
эффектом Холла, в результате которого возникает ток вдоль оси х12Г, В, плотность тока в газе
j^oiE+E^cXE+iuB]), nmjy=oiEruxBz)<0 (1.1)
Ток в цепи при этом будет I=jS, где S - в рассматриваемой прямоугольной геометрии площадь электродов и сечение действия магнитного поля.
При протекании тока на газ действует тормозящая пондеромоторная сила (или сила Лоренца)
Fl-v'B (1.2),
в результате чего он и теряет энергию. Отношение мощности, выделяемой на нагрузке, к мощности, отбираемой от газа
TV V __11*__--L (\2)
u(JB)hS \e\ U h
т.е. электрический КПД генератора, тем выше, чем ближе ситуация к режиму разомкнутой цепи. Но абсолютная величина полезной мощности /Fr максимальна, когда сопротивление
N
нагрузки Ri и сопротивление плазмы Reff одинаковы и VR = —. Если ввести понятие
п
коэффициента нагрузки ? = —i^___, это означает, что полезная мощность максимальна
при ?=0.5. Направив ось у так, чтобы ток был положительным и переписывая (1.1) через коэффициент нагрузки, опуская при этом индексы проекции на оси координат, считая, что скорость имеет направление только вдоль оси х, а магнитное поле только вдоль г, получим, что напряжение на нагрузке
VR=Eyh=IRL=?-IRef=kuBh (1.4)
В свою очередь для напряжения на плазме будем иметь следующее выражение
VprEpik=(uB-Ey)h=uBh-kuBh=(l-k)uBh (1.5)
Помимо работы пондеромоторной силы на плазму будет действовать джоулев нагрев плазмы в магнитоиндуцированном электрическом поле
jEpl=(l-k)fuB (1.6)
Ток и полезная мощность уменьшаются в результате протекания холловского тока/*, который возвращается по электродам. Этот нежелательный эффект частично предотвращается секционированием электродов вдоль оси х и замыканием каждой пары электродов через индивидуальную нагрузку.
13 1.3. Инертные газы в качестве рабочей среды.
Само понятие воздухозаборника подразумевает наличие воздушного потока. При таких числах Маха термической ионизации воздуха за ударной волной недостаточно, чтобы создать заметную проводимость. Поэтому разрабатываются различные методы ионизации воздуха внешними источниками энергии [1.27-1.29]. Они должны обеспечивать значение проводимости а, достаточное для МГД взаимодействия (а=10-И00Сл*/6и), при условии, что затраты на ионизацию не должны превышать нескольких процентов от электрической энергии, генерируемой бортовым МГД генератором. В настоящее время проблема ионизации воздуха в воздухозвборнике далека от своего решения. Это достаточно проблематичная задача вследствие быстрого процесса диссоциативной рекомбинации ионов молекулы азота и прилипания электронов к молекулам и атомам кислорода. Сохранить достаточную степень ионизации без ионизаторов, помещенных в исследуемый канал, практически невозможно.
Однако, уже сейчас некоторые газодинамические аспекты взаимодействия сверхзвукового потока с магнитным и электрическими полями могут быть решены при использовании в экспериментах в качестве рабочего вещества потока ионизованного инертного газа [1.30].
В отличие от воздуха инертный газы имеют коэффициент рекомбинации, на несколько порядков меньший, чем воздух [1.1], поэтому предварительно созданная ионизация может сохраняться относительно долго, что позволяет осуществить достаточное для изменение ударно-волновой конфигурации МГД взаимодействие в исследуемой области. Примером такой организации потока ионизованного газа является ударная труба с расширяющимся соплом [1.31]. Следует отметить, что при движении в магнитном и электрическом полях в инертных газах происходит значительный селективный нагрев электронов, который дополнительно поддерживает и развивает начальную ионизацию [1.1]. Правомерность моделирования течения в воздухозаборнике на инертных газах основана на критериях подобия данных течений [1.32]. При создании достаточной степени ионизации воздуха Ю^-г-Ю"5 в канале, эти два рабочих вещества будут отличаться только газовой постоянной
'¦& (Ь7)-
14
по этому параметру течение не моделируется. Но течение моделируется по основным критериям взаимодействия потока плазмы с магнитным и электрическим полями. А именно:
1. По числу Маха потока
М =— (.1.8),
а
2. По параметру МГД взаимодействия (силового воздействия)
St^ . (1.9);
ри
3. По параметру теплового воздействия
(1.10);
ри
4. По параметру Холла
? = f- (1.11);
5. По параметру нагрузки
*- \ (1.12).
Здесь Ср и Cv - теплоемкости газа при постоянном давлении и объеме, и is. a - скорости потока и звука в данном газе, j — плотность тока, В — значение магнитной индукции внешнего магнитного поля, L - длина зоны взаимодействия, р - плотность газа, Е — напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке, сое — циклотронная частота, ve — частота столкновений с электронами, Ri и Reff - сопротивление нагрузки и эффективное сопротивление плазменного промежутка соответственно. Соблюдения этих критериев подобия вполне достаточно для качественного анализа возможности управления течением во входных воздушных каналах при помощи внешнего магнитного поля. Результаты экспериментов с инертными газами могут быть использованы для апробации вычислительных моделей и переноса их на газы с другими значениями у. Расчеты, приближенные к условиям данного эксперимента, выполнены в [1.33-1.36].
Материалы представленной диссертации отражены в журнальных публикациях и докладах на международных конференциях [1.37-1.52].
15 ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.
2.1. Газодинамический тракт.
2.1.1. Камеры высокого и низкого давления.
Схема экспериментальной установки представлена на рис.2.1. В ее основе лежит ударная труба, состоящая из камеры высокого давления (1), камеры низкого давления (2), измерительной секции (3). Ударная труба непосредственно соединена с рабочей вакуумной камерой (4,5,6,7), затем с демпферным баком (9). Все блоки установки рассчитаны на соответствующие динамические нагрузки.
Камера высокого давления (1) длиной ЮОсм и диаметром 5см выполнена из специальной стали, что позволяет использовать в качестве толкающего газа как гелий, так и водород. Камера сначала откачивается форвакуумным насосом, затем заполняется непосредственно из баллона гелием или водородом. Максимальное давление, которое выдерживает камерарг=\00атм.
Камера низкого давления (2) - это труба, длиной 432.5см и диаметром 5см, в конце которой расположена измерительная секция, длиной 12.5см с вмонтированными в стенки пьезодатчиками. От камеры высокого давления она отделяется алюминиевой диафрагмой. В зависимости от толщины диафрагма раскрывается при различных давлениях толкающего газа. Так, например диафрагма, толщиной ОАмм разрывается при давлении рг'ЪХатм, а толщиной 0.5лш при рг^АЪатм. Перед диафрагмой ставился специальный крестообразный нож, чтобы препятствовать образованию свободно летящих осколков. Разброс величины давлений, при которых происходил разрыв диафрагмы, не превышает 2-5%.
Герметизация отсеков трубы осуществлялась с помощью уплотнений из вакуумной резины. Натекание в канале низкого давления составляло 0.005 Тор в 1лшн, что позволяло снизить процент содержания воздуха за счет натекания до 0.1%. Для повышения чистоты рабочего газа была разработана следующая процедура напуска в канал. Сначала производится откачка камеры форвакуумным насосом до минимальной величины 6Л0'2Тор, затем заполняется рабочим газом и вновь откачивается, но до более высокого давления, примерно 0.5 Тор и снова заполняется рабочим газом до нужного давления.
16
2 3
чооо
Ы50
А
4 S 6 ¦ 7
9
Рис.2.1. Схема установки: 1 — камера высокого давления; 2 — камера низкого давления; 3 — измерительная секция; 4 - ускоряющее сопло; 5 - оптическое окно; 6 - модель диффузора; 7 - вакуумная камера; 8 — сильфон; 9 - демпферный банк; 10 - критическое сечениеу?опла; 11 - поперечное сечение ударной трубы. щ ф
17 2.1.2. Рабочая вакуумная камера.
Камера низкого давления непосредственно за измерительной секцией стыкуется с рабочей вакуумной камерой (7). Ее размеры (длина 440мм, высота 180мм) были выбраны с таким расчетом, чтобы отраженные волны не влияли на течение в диффузоре. Вакуумная камера выполнена из органического стекла и отделяется от измерительной секции лавсановой диафрагмой толщиной 0.12мм. В боковые стенки вмонтированы оптические стекла (5), диаметром 200мм и толщиной 20мм. Внутри рабочей камеры расположено сверхзвуковое отражающее сопло (4) и сверхзвуковой диффузор (6) с набором электродов, вмонтированных в противоположные стенки. Камера откачивается до давления \0'2Тор, скорость натекания около 0.01 Тор в минуту.
Более детально конструкция сопла и диффузора представлена на рис.2.2. Детали сопла и диффузора выполнены из органического стекла, электроды из латуни. Отношение критического сечения ускоряющего сопла к поперечному сечению трубы равно 0.107, угол раствора 11°. Степень расширения сверхзвуковой части сопла 6.7. При этом по расчету для идеального невязкого газа число Маха на срезе сопла Мо=43. Выходное сечение сопла 37хЗ&лш2, длина 8\мм. Модель диффузора отстоит от среза сопла на расстоянии 5мм. Входное сечение диффузора 32х38л«лЛ Стенки диффузора по отношению к горизонтальной поверхности наклонены на 5°30\ Длина сужающейся части 65мм.
С S
Секционирование электродов (рис.2.3) осуществляется по параметрам — и —, где s —
s h
расстояния между электродами, с — ширина изолирующей части, s-c — ширина электродов и h — высота канала. В представленном канале ширина всех электродов, за исключением третьей пары электродов, находящихся на входе в диффузор, 8мм, ширина изолирующей части 8мм. Ширина третьей пары электродов 13лш, а следующей за ними изолирующей части 12лш. Как известно [2.1], степень не идеальности секционирования электродов
С S
зависит от величин — и — и параметра Холла, так как отличие от нуля холловского тока в 5 h
фарадеевском канале приводит к снижению эффективного фарадеевского тока. В данном
С К
случае —»0.5, что близко к оптимальным условиям для МГД каналов. Величина — вдоль s h
по каналу растет и в середине канала достигает величины 0.7. Не идеальность секционирования электродов приводит к уменьшению эффективной проводимости, что в условиях нашего эксперимента согласно оценкам [2.1] составляет около 50%. |
