Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Управление режимами обтекания с помощью сильнонеравновесной плазмы газового разряда

Диссертация: Управление режимами обтекания с помощью сильнонеравновесной плазмы газового разряда
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Актуальность исследований При полетах летательных аппаратов одной из проблем является контроль положения точки отрыва погранслоя на профиле крыла в частности, необходимо избегать отрыва потока, поскольку это оказывает катастрофическое влияние на аэродинамические характеристики профиля. Перспективной задачей является создание устройств, позволяющих быстро изменять положение точки отрыва и таким… Читать ещё >

Содержание

  • Введение
    • 1. 1. Актуальность исследований
    • 1. 2. Состояние исследований на текущий момент
    • 1. 3. Постановка задачи
    • 1. 4. Научная новизна работы
      • 1. 4. 1. Основные положения, выносимые на защиту
      • 1. 4. 2. Научная и практическая ценность работы
  • 2. Гиперзвуковые течения сильнонеравновесной плазмы
    • 2. 1. Экспериментальная установка для изучения гиперзвуковых потоков плазмы
      • 2. 1. 1. Вакуумная система
      • 2. 1. 2. Система инициирования и контроля разряда в гиперзвуковом потоке
      • 2. 1. 3. Система диагностики
    • 2. 2. Изменение сверхзвукового обтекания при воздействии на гиперзвуковой поток газового разряда
      • 2. 2. 1. Измерение давления полного напора за ударной волной
      • 2. 2. 2. Влияние зоны энерговыделения на параметры обтекания
      • 2. 2. 3. Энергия и концентрация электронов плазмы
      • 2. 2. 4. Распределение электрического поля
      • 2. 2. 5. Изменение вращательной температуры потока
      • 2. 2. 6. Измерение величины отхода ударной волны
      • 2. 2. 7. Изменение картины обтекания под действием энерговклада в разряд
  • 3. Численное моделирование обтекания тел разреженным гиперзвуковым потоком газа с возбужденными внутренними степенями свободы
    • 3. 1. Разработка вычислительного алгоритма описания течения плазмы
      • 3. 1. 1. Моделирование гидродинамики
      • 3. 1. 2. Кинетическая схема
    • 3. 2. Результаты моделирования
      • 3. 2. 1. Изменение картины обтекания цилиндра в зависимости от степени возбуждения внутренних степеней свободы гиперзвукового потока
      • 3. 2. 2. Обтекание цилиндра при различных размерах зоны энерговыделения
  • 4. Управление отрывом пограничного слоя с помощью скользящего наносекундного разряда
    • 4. 1. Развитие скользящего разряда вдоль поверхности
      • 4. 1. 1. Экспериментальная установка для изучения развития разряда
      • 4. 1. 2. Динамика развития наносекундного скользящего разряда
      • 4. 1. 3. Изучение дополнительного импульса, вкладываемого в поток
    • 4. 2. Дозвуковая аэродинамическая труба МФТИ
      • 4. 2. 1. Аэродинамический канал
      • 4. 2. 2. Система измерения давления вдоль поверхности модели
      • 4. 2. 3. Система подвода высокого напряжения и инициирования разряда
    • 4. 3. Влияние скользящего разряда на обтекание модели с хордой 0.1 м потоком газа
      • 4. 3. 1. Измерение параметров потока и аэродинамических характеристик
      • 4. 3. 2. Влияние геометрии электродов на параметры обтекания
    • 4. 4. Дозвуковая аэродинамическая труба ИТПМ
      • 4. 4. 1. Экспериментальная установка
      • 4. 4. 2. Организация разряда
      • 4. 4. 3. Система диагностики течения потока
    • 4. 5. Экспериментальные результаты по управлению отрывом пограничного слоя при низком начальном уровне турбулентности
      • 4. 5. 1. Влияние скользящего разряда на обтекание модели с хордой 0.1 м потоком газа
      • 4. 5. 2. Влияние скользящего разряда на обтекание модели с хордой 0.5 и потоком газа
  • Выводы
  • СПИСОК РИСУНКОВ

Управление режимами обтекания с помощью сильнонеравновесной плазмы газового разряда (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

1.1 Актуальность исследований При полетах летательных аппаратов одной из проблем является контроль положения точки отрыва погранслоя на профиле крыла в частности, необходимо избегать отрыва потока, поскольку это оказывает катастрофическое влияние на аэродинамические характеристики профиля. Перспективной задачей является создание устройств, позволяющих быстро изменять положение точки отрыва и таким образом перестраивать структуру потоков около профиля и изменять аэродинамические характеристики. В настоящее время используется два основных способа для изменения структуры потока с помощью различных типов разрядов. Первый из механизмов плазменного контроля обтекания локальный нагрев газа возле поверхности, основанный на изменении температуры и плотности газа в зоне разряда. Для трансзвуковых потоков небольшого вложения добавочной энергии по сравнению с энергетикой основного потока достаточно для смещения слабых ударных волн и, следовательно, существенной перестройки структуры потока. В некоторых случаях можно считать, что такой нагрев эквивалентен изменению формы поверхности тела. Воздействуя на поток импульсным разрядом, мы можем изменить скорость, температуру и давление потока газа из-за ускорепия потока нескомпенсированным зарядом, находящимся в полях с сильными градиентами. Основными достоинствами таких устройств является отсутствие подвижных частей, малое время реакции и высокая надежность. В работах, выполненных по данной тематике, максимальная добавочная скорость потока составляет метры в секунду, что сильно ограничивает использование данного эффекта и ставит вопрос о границах применимости метода, в частности максимальной скорости потока, начиная с которой принципиально нельзя изменить положение точки отрыва. До начала данной работы типичная максимальная скорость потока, на которой удается получить смещение точки отрыва погранслоя равнялась 20 м/с. Основной проблемой является требование одновременного наличия плазмы с достаточно большой концентрацией заряженных частиц для эффективной передачи импульса газу и больших градиентов электрических полей для ускорения ионов. Для минимизации энергозатрат требуется использование электрических разрядов с очень локальным по пространству и малым во времени вкладом энергии. Итак, требуется вложение энергии в определенной точке пограничного слоя, соответствующей точке отрыва при высокой скорости релаксации энергии в разряде и существенной величине нескомненсированного заряда. Наиболее подходящим в этих условиях является импульсный скользящий разряд. До сих пор не существует численной модели, позволяющей корректно описать изменение картины обтекания под действием разряда с асимметричным расположением электродов. Предварительные оценки показывают, что такая модель не может строится в предположении однородного заполнения плазмой поверхности и должна учитывать нескомпенсированный заряд, образующийся при распространении одиночного стримера вдоль поверхности. Как известно, при сверхзвуковых полетах с большими числами Маха основной вклад в сопротивление самолета вносит сопротивление, возникающее за счет образования перед телом ударной волны. Таким образом, если бы удалось уменьшить волновое сопротивление, зажигая разряд перед летящим телом, это дало бы существенную экономию топлива и позволило бы резко увеличить скорость полетов. По этой причине возник интерес к проблеме распространения сильных ударных волн через неравновесную низкотемпературную плазму и кинетики релаксации энергии из внутренних степеней свободы возбужденного газа за ударной волной. Одним из ключевых вопросов является выбор способа вложения энергии в газ с максимальным КПД. Таким образом, большой интерес представляет разработка детальной численной модели, включаюш, ей в себя совместное решение многомерных уравнений течений и поуровневых неравновесных кинетических уравнений, которая позволяла бы описывать обилие особенности неравновесных молекулярных плазменных потоков для аэродинамических приложений. Как следствие, возникает задача экснериментального исследования процессов энергообмена в неравновесных условиях при высокой энергии возбуждения и оценка роли рекомбинационного/диссоциативного потока энергии на перераспределение энергии между различными степенями свободы. Такие исследования удобно нроводить в гиперзвуковых потоках низкой плотности с низкой поступательной температурой, так как это позволяет пространственно.

выводы.

Исследовано влияние импульсного наносекундного разряда на изменение обтекания аэродинамических профилей в режиме срыва потока в широком диапазоне скоростей (20−110 м/с). Впервые получено управление режимом обтекания аэродинамических профилей разрядом на скоростях потока до 110 м/с при малой мощности разряда (менее 0.5 Вт/см).

Получена картина распространения импульсного скользящего наносекундного разряда при больших перенапряжениях 600 кв/см) с наносекундным разрешением. Показано, что стримеры стартуют с кромки верхнего электрода одновременно. Полярность верхнего электрода не оказывает существенного влияния на скорости распространения разряда.

Показано, что возможно изменение режима обтекания при нулевой средней добавочной скорости потока, создаваемой разрядом. Исследовано влияние конфигурации электродов и полярности разряда. Показано, что в изученном диапазоне параметров полярность разряда не оказывает существенного влияния на эффективность управления обтеканием.

Обнаружено, что зависимость эффективности влияния разряда от частоты следования импульсов имеет максимум в диапазоне 0.5 -2 кГц, при этом увеличение отношения подъемной силы к силе сопротивления составляет более двух раз.

На основе анализа полученных экспериментальных данных сделан вывод о том, что основным механизмом влияния разряда в изученном диапазоне параметров является турбулизация пограничного слоя.

Разработана методика управления отрывом пограничного слоя с помощью неравновесной плазмы наносекундного импульсного разряда.

Показать весь текст

Список литературы

  1. V.1. Khorunzhenko, D.V. Roupassov, S.M.Starikovskaia, A.Yu.Starikovskii. Hypersonic Shock Wave — Low Temperature Nonequilibrium Interaction //39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2003. AIAA Paper AIAA2003−5048
  2. А.И., Колобов A.H., Мишин Г. И., Серов Ю. Л., Явор И. П. Распространение ударных волн в тлеющих разрядах// Письма в журнал технической физики, Vol. 8, е4, 1982
  3. Yano.R, Contini V., Plonjes Е., Palm P., Aithal S., Adamovich I., Lempert W., Subramaniam V., Rich J.W. Supersonic Nonequilibrium Plasma Wind-Tunnel Measurements of Shock Modification and Flow Visualisation //AIAA Journal Vol.38 No. 10, October 2000.
  4. J.R. Roth, D.M. Sherman, S.P. Wilkinson, «Boundary Layer Flow Control with a One Atmosphere Uniform Glow Discharge Surface Plasma"//А1АА98−0328, Зб-th ASME, 1998, Reno, Nevada.
  5. J.R. Roth, D.M. Sherman, S.P. Wilkinson, «Electrohydrodynamic Flow Control with a Glow Discharge Surface Plasma"//AIAA J.38 N7, 2000, pll66−1172
  6. J.R. Roth, H. Sin, R. Chandra, M. Madhan, «Flow Re-Attachment and Acceleration by Paraelectric and Peristaltic Electrohydrodynamic (EHD) Effects"//AIAA 2003−0531, 41-st ASME, 2003, Reno
  7. S. Wilkinson, «Investigation of an Oscillating Surface Plasma for Turbulent Drag Reduction"//41-st ASME, Reno, Nevada, 2003, AIAA 2003−1023
  8. D. Ashpis and L. Hultgren, «Demonstration of Separation Delay with Glow Discharge Plasma Actuators"//41-st ASME, Reno, Nevada, 2003, AIAA 2003−1025
  9. G. Artana, R. Sosa, E. Moreau, G. Touchard. «Control of near-wake flow around a circular cylinder with electrohydrodynamic actuators."//Experiment in Fluids 355, p.580.
  10. R. Rivir, A White, C. Carter, B. Ganguly «AC and pulsed plasma flow control"//AIAA-2004−0847,42nd Aerospace Sciences Meeting к Exhibit 5−8 January 2004.
  11. Martiqua L. Post, and Thomas C. Corke «Separation Control on High Angle of Attack Airfoil Using Plasma Actuators «//AIAA JOURNAL Vol. 42, No. 11, November 2004.
  12. T.C. Corke, E. Matlis, «Phased Plasma Arrays for Unsteady Flow Control"//AIAA 2000−2323, Fluids 2000 Conferebce, 2000, Denver
  13. M.L. Post, T.C. Corke, «Separation Control of High Angles of Attack Airfoil Using Plasma Actuators"//41-st ASME, Reno, Nevada, 2003, AIAA 2003−1024
  14. T.C. Corke, E.J. Jumper, M.L. Post, D. Orlov, and Т.Е. McLaughlin, «Application of Weakly-Ionized Plasmas as Wing Flow Control Devices"//40-th ASME, Reno, Nevada, 2002, AIAA 2002−0350
  15. A. Asghar, E.J. Jumper, «Phase Synchronization of Vortex Shedding from Multiple Cylinders Using Plasma Actuators"//41-st ASME, Reno, Nevada, 2003, AIAA 2003−1028
  16. J.Huang, T. Corke, F. Thomas, «Plasma Actuators for Separation Control of Low Pressure Turbine Blades"//41-st ASME, Reno, Nevada, 2003, AIAA 2003−1027
  17. R. Van Dyken, Т.Е. McLaughlin, C.L. Enloe, «Parametric Investigations of a Single Barrier Plasma Actuator «//41-st ASME, Reno, Nevada, 2004, AIAA 2004−0846
  18. C.L. Enloe, Т.Е. McLaughlin, R. Van Dyken, J.C. Fisher, «Plasma Structure in the Aerodynamic Plasma Actuator"//42-th ASME, Reno, Nevada, 2004, AIAA 2004−0844
  19. C.L. Enloe, Т. E. McLaughlin, G. I. Font, J. W. Baughn. Parameterization of Temporal Structure in the Single Dielectric Barrier Aerodynamic Plasma Actuator. //AIAA 2005−0564
  20. J. Reece Roth, Xin Dai, Jozef Rahel and Daniel M. Sherman. The physics and phenomenology of paraelectric one atmosphere uniform glow discharge plasma (OAUGDP) actuators for aerodynamics flow control //AIAA 2005−0781
  21. Matthew D. Munska, Т.Е. McLaughlin, «Circular Cylinder Flow Control Using Plasma Actuators"//41-st ASME, Reno, Nevada, 2005, AIAA 2005−141
  22. R.Rivir, A. White, C. Carter, B. Ganguly, «AC and Pulsed Plasma Flow Control"//42-th ASME, Reno, Nevada, 2004, AIAA 2004−0847
  23. П. Управление отрывом потока М., 1979.
  24. Н. Ф. Краснов, В. Н. Кошевой, В. Т. Калугин Аэродинамика отрывных течений, 1988.
  25. П. Чжен отрывные течения том 3
  26. А. М., Schetzer J. D., Foundations of Aerodynamics, Wiley, N. Y., sec. ed., 1959
  27. Lindfield A. W., Brief review of Theoretical Interpretations of the Slot Effect, Boudary Layer and Flow Control, Vol. 1, ed. By G. V. Lachmann, Pergamon Press, N. Y., 1961, p. 186−195
  28. G. В., Nitzberg W. G., Forcel Mixing in Boundary Layers, //J. Fluid Mech., 8, Part 1 10−32 (1960).
  29. Prandtl L., Magnuseffekt and Windkaftschiff, Naturwissenschaften, 13, e 93 (1925)
  30. Martiqua L. Post and Thomas C. Corke, Separation Control on High Angle of Attack Airfoil Using Plasma Actuators //AIAA Journal Vol. 42, e 11, November 2004
  31. Zavialov, D. Roupassov, and A. Starikovskii S. Saddoughi Boundary Layer Separation Plasma Control Using Low-Temperature Non-Equilibrium Plasma of Gas Discharge Reno, Nevada, USA, paper AIAA 2006−373, 2006.
  32. N L Aleksandrov and E M Bazelyan Department of Physical Mechanics, Moscow Institute of Physics and Technology 1996 Simulation of long-streamer propagation in air at atmospheric pressure //J. Phys. D: Appl. Phys., 29 740−752.
  33. N.Yu.Babaeva and G.V.Naidis 1996, Two-dimensional modelling of positive streamer dynamics in non-uniform electric fields in air //J.Physics D: Appl.Phys., 29
  34. S V Pancheshnyi and A Yu Starikovskii 2003 Two-dimensional Numerical Modelling of the Cathode-directed Streamer Development in a Long Gap at High Voltage //J.Phys.D.: Appl.Phys., 36, 2683.
  35. S. Pancheshnyi, M. Nudnova, and A. Starikovskii 2005 Development of a cathode-directed streamer discharge in air at different pressures: Experiment and comparison with direct numerical simulation //Physical Review E, 71, 16 407
  36. Babaeva N.Yu., Naidis G.V. Two-dimensional modelling of positive streamer dynamics in non-uniform electric fields in air //J.Phys.D: Appl.Phys., 29, (1996) 2423.
  37. V.I. Gibalov, G.J. Pietch, Properties of dielectric barrier discharges in extended coplanar electrode systems //J.Phys. D: Appl. Phys, 37 (2004) 2093−2100
  38. V.I. Gibalov, G.J. Pietch, The development of dielectric barrier discharge in gas gaps and on surface //J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000)
  39. Yu.B. Glubovskii, V.A. Mairov, J. Behnke and J. F. Behnke, Influence f interaction between charged particles and dielectric surface over a homogeneous discharge in nitrogen //J.Phys. D: Appl. Phys.35 (2002) 751−761
  40. D. Braun, V.I. Gibalov, G.J. Pietch, Two-dimensional modelling of the dielectric barrier discharge in air //Plasma Sources Sci. Technol. 7 (1992)166−174
  41. A.E. Dubinov, A particle-in-cell simulation of a process of avalanche developing at a n-completed sliding discharge //Plasma Sources Sci. Technol. 9 (2000)597−599
  42. S.Pellerin, F. Richard, J. Chapelle, J-M Cormier and K. Musiol, Heat string model of bi-dimensional dc Glidarc.
  43. Datta V. Gaitonde, Miguel R. Visbal, Subrata Roy. Control of Flow Past aWing Section with Plasma-based Body Forces. 36th AIAA
  44. Plasmadynamics and Lasers Conference 6−9 June 2005 //Toronto, Canada. AIAA Paper 2005−5302.
  45. Subrata Roy, K.P. Singh, Haribalan Kumar, Datta V. Gaitonde, Miguel Visbal. Effective Discharge Dynamics for Plasma Actuators //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 9−12 Jan 2006, Reno, Nevada AIAA 2006−374.
  46. J. Reece Roth, and Xin Dai. Optimization of the Aerodynamic Plasma Actuator as an Electrohydrodynamic (EHD) Electrical Device //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 9−12 January 2006, Reno, Nevada AIAA 2006−1203.
  47. A.V. Likhanskii, M.N. Shneider, S.O. Macheret, and R.B. Miles. Modeling of Interaction Between Weakly Ionized Near Surface Plasmas and Gas Flow //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 9 -12 January 2006, Reno, Nevada. AIAA 2006−1204.
  48. H. He, S.-T. J. Yu, G. Jou, I. Adamovich, and M. Samimy Simulation of a Supersonic Jet Controlled by Plasma Actuators by the CESE Method //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 9−12 January 2006, Reno, Nevada. AIAA 2006−316.
  49. Mehul P. Patel, Zak H. Sowle, Thomas C. Corke, Chuan He. Autonomous Sensing and Control of Wing Stall Using a Smart Plasma Slat //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Jan 9−12, 2006, Reno, NV, USA. AIAA 2006−1311.
  50. Richard Anderson, Subrata Roy. Preliminary Experiments of Barrier Discharge Plasma Actuators using Dry and Humid Air //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 9−12 Jan 2006, Reno, Nevada. AIAA 2006−369.
  51. Arvind Santhanakrishnan, Jamey D. Jacob. On Plasma Synthetic Jet Actuators. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Jan. 9−12, 2006, Reno, NV. AIAA 2006−317.
  52. Valentin A. Bityurin, Aleksey .N. Bocharov, Anatoly I. Klimov, Sergey B.Leonov. Analysis of Non-Thermal Plasma Aerodynamics Effects //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 9−12 January 2006, Reno, Nevada. AIAA 2006−1209.
  53. Y. B. Suzen, P. G. Huang, Simulations of Flow Separation Control using Plasma Actuators //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 9 12 January 2006, Reno, Nevada. AIAA 2006−877.
  54. Brian E. Balcer, Milton E. Franke, Richard B. Rivir. EFFECTS OF PLASMA INDUCED VELOCITY ON BOUNDARY LAYER FLOW //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 9−12 January 2006, Reno, Nevada. AIAA 2006−875.
  55. Font, G. I., Boundary Layer Control with Atmospheric Plasma Discharges, //AIAA Paper 2004−3574.
  56. Font, G. I., and W. L. Morgan, Plasma Discharges in Atmospheric Pressure Oxygen for Boundary Layer Separation Control //AIAA Paper 2005−4632.
  57. Thomas С. Corke, Benjamin Mertzy, Mehul P. Patelz. Plasma Flow Control Optimized Airfoil //44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 9−12 January 2006, Reno, Nevada.
  58. В.И., Рупасов Д. В., Стариковский А.Ю. Hypersonic Flow Control by Low Temperature Nonequilibrium Gas Discharge //11th AIAA/AAAF International Conference Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies, 2002. AIAA 2002−5186.
  59. В.И., Рупасов Д. В., Стариковский А.Ю. Hypersonic Flow and Shock Wave Structure Control by Low Temperature Nonequilibrium Plasma of Gas Discharge //38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibition, 2002. AIAA 2002−3569.
  60. Д.Ф. Опаиц, Д. В. Рупасов, C.M. Стариковская, А. Ю. Стариковский Shock Wave Interaction With Nonequilibrium Plasma of Gas Discharge. 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 2004 //AIAA Paper AIAA2004−1023
  61. A.V.Krasnochub, M.M.Nudnova, A.Yu.Starikovskii CATHODE-DIRECTED STREAMER DEVELOPMENT IN AIR AT DIFFERENT PRESSURES. 43-rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit //Reno, Nevada, USA, paper AIAA 2005−1196, 2005.
  63. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах 1968 Издательство «Мир"Москва
  64. A.E., Карклов H.B., Ребров A.K., Шарафутдинов Р. Г. //Сб.'Диагностика потоков разреженного газа», 7. Новосибирск (1979)
  65. А.К., Сухинин Г. И., Шарафутдинов Р. Г., Ленгран Ж.-К. //ЖТФ, 51, 1832 (1981)
  66. .П. Электронно-вращательные спектры двухатомных молекул и дагностика неравновесной плазмы.
  67. Е.Р. //Phys. Fluids, 5, 80 (1962)
  68. Herzberg G. Molecular spectra and molecular structure. Vol. 1. Spectra of diatomic molecules. N.Y., Van Nostrand, 1959
  69. Сое D. e.a. //Phes. Fluids, 1980, Vol. 23, p. 706.
  70. Л.Д., Лифшиц E.M. Квантовая механика. Нерелятивисткая теория, 468 //Физматгиз, М. (1963)
  71. Г. И., Шарафутдинов Р. Г. //ЖТФ. 1983. Т.53. е.2. 333−339с.
  72. Chu S.J., Dalgarino А. //Ргос. Roy. Soc., 1975, vol. А342, р.191.
  73. D.A., Khersonsky V.K. //Astrophys.Lett., 1977, vol.18, p.1 678 384 8586 87 [8889
Заполнить форму текущей работой

На отлично!