Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Влияние плазмы и внешнего энергоподвода на распространение ударных волн

Диссертация: Влияние плазмы и внешнего энергоподвода на распространение ударных волн
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Аномальные эффекты, наблюдаемые в экспериментах с ударными волнами, (на баллистических трассах, и в аэродинамических трубах) достаточно хорошо изучены. Тем не менее, до сих пор отсутствует единый взгляд на механизмы, вызывающие такие изменения и на перспективы их практического применения. Так, в литературе интенсивно обсуждается вопрос, является ли это следствием чисто теплового воздействия… Читать ещё >

Содержание

  • Актуальность проблемы, цели и основные результаты исследований
  • ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
  • ГЛАВА 2. МОДИФИКАЦИЯ СООТНОШЕНИЯ ГЮГОНИО-РЕНКИНА ПРИ ВНЕШНЕМ ЭНЕРГОПОДВОДЕ В ОБЛАСТЬ УДАРНОГО СЛОЯ
    • 2. 1. Вывод обобщенных соотношений Гюгонио-Ренкина
    • 2. 2. Анализ полученных соотношений
  • ГЛАВА 3. СТРУКТУРА УДАРНОЙ ВОЛНЫ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ ЭНЕРГОПОДВОДЕ
    • 3. 1. Постановка задачи и вывод основных уравнений
    • 3. 2. Анализ полученного решения. Слабые и умеренные ударные волны
    • 3. 3. Решение асимптотических уравнений
    • 3. 4. Исследование полученного аналитического решения
    • 3. 5. Зависимость решения для ударной волны от пространственной формы и интенсивности источника тепловыделения
    • 3. 6. Случай теплоподвода не превосходящего критический
    • 3. 7. Структура ударной волны при критическом теплоподводе
    • 3. 8. Случай теплоподвода, превосходящего критический
  • ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ
    • 4. 1. Вывод уравнения распространения возмущения
    • 4. 2. Эволюция начального возмущения и формирование ударной волны
    • 4. 3. Распространение ударной волны в неоднородной области
    • 4. 4. Обсуждение и сравнение с экспериментальными данными

Влияние плазмы и внешнего энергоподвода на распространение ударных волн (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

В последнее время наблюдается повышенный интерес к явлению распространения и формирования ударных волн в плазме. Это, с одной стороны, связано с интенсификацией разработок нетрадиционных методов управления аэродинамическим обтеканием, с другой с полученными экспериментальными результатами по аномальному поведению ударных волн в низкотемпературной плазме (см. Главу 1). Так, в экспериментах по, так называемому, плазменному обтеканию обнаружено значительное снижение коэффициента лобового сопротивления, уширение и ослабление бегущих ударных волн. Явление снижения лобового сопротивления при наличии плазменных образований вблизи обтекаемой поверхности и вверх по потоку от нее исследовались как теоретически, так и экспериментально (см. лит. обзор).

Аномальные эффекты, наблюдаемые в экспериментах с ударными волнами, (на баллистических трассах, и в аэродинамических трубах) достаточно хорошо изучены. Тем не менее, до сих пор отсутствует единый взгляд на механизмы, вызывающие такие изменения и на перспективы их практического применения. Так, в литературе интенсивно обсуждается вопрос, является ли это следствием чисто теплового воздействия, или же имеет место специфическое влияние собственно плазмы на характер течения. Кроме того, предпринимаются попытки исследовать возможность изменения структуры ударного слоя за счет внешнего энергоподвода, что позволяет, в частности, снизить лобовое сопротивление при сверхзвуковом обтекании.

Большинство работ по данной тематике, как будет видно из дальнейшего, носило характер численных расчетов для частных случаев пространственной формы области энерговыделения, что затрудняло проведение анализа физических причин изменения структуры потока при локальном энергоподводе, характерном при распространении ударных волн в плазме. Кроме того, в литературе интенсивно обсуждается внешний энергоподвод в область ударного слоя как метод изменения структуры ударного слоя, позволяющий, в частности, снизить лобовое сопротивление при сверхзвуковом обтекании.

В настоящее время остаются невыясненными такие важные вопросы как:

— физические механизмы влияния плазмы на процесс распространения в ней ударной волны;

— структура ударного слоя при внешнем подводе энергии;

— энерговыгодность такого метода управления аэродинамическим обтеканием;

Таким образом, актуальность выбранной темы научного исследования обусловлена, с одной стороны, важным прикладным значением, с другойнедостаточной изученностью вышеупомянутых явлений.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование взаимодействия ударной волны с областями внешнего энергоподвода и анализ возможных механизмов влияния плазмы на структуру ударного слоя. Мы рассмотрим сравнительно слабые ударные волны, когда число Маха не превосходит 2. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

— построить физическую модель, описывающую течение газа с движущимся источником энерговыделения произвольной формы.

— построить аналитическое решение задачи о формировании и распространении ударной волны в идеальном газе с продольными градиентами температур.

— разработать физическую модель влияния низкотемпературной плазмы на аэродинамическое обтекание тел;

— разработать методику оценки энерговыгодности снижения лобового сопротивления за счет внешнего энергоподвода в область ударного слоя;

Для решения поставленных задач используются современные методы теоретической и математической физики. Достоверность аналитических расчетов проверяется сравнением с численными решениями модельных задач и с известными экспериментальными данными других авторов.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения списка литературы и приложения.

Список литературы

включает 77 наименований. Работа изложена на 147 страницах и 68 страницах приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении сформулируем основные результаты работы.

1. Развита теория для описания структуры плоской ударной волны при наличии в области ударного слоя внешнего источника энерговыделения, движущегося вместе с ударной волной. Обнаружено, что существует величина, так называемого, критического энергоподвода, при котором все течение является сверхзвуковым. При дальнейшем увеличении мощности источника энергии ударная волна увеличивает скорость и уходит вверх по потоку от зоны энергоподвода. Проведены оценки снижения коэффициента лобового сопротивления и параметра энерговыгодности при внешнем энергоподводе в зону ударного слоя для тел различной формы.

2. Развита теория для расчета параметров ударной волны, которая формируется и затем распространяется в неоднородной области нейтральный газ — плазма самостоятельного разряда. Сравнение расчетов по полученным формулам с известными экспериментальными данными показывает, что аномальные эффекты, наблюдаемые при распространении бегущих ударных волн в плазме, могут быть частично объяснены прохождением ударными волнами зоны неоднородного разогрева на границе плазманейтральный газ.

3. Предложена возможная модель влияния низкотемпературной плазмы на структуру ударных волн, формирующихся при сверхзвуковом движении тел в плазме. Сравнение расчетов с экспериментальными данными по измерению отхода ударной волны от тела показали их удовлетворительное согласие.

4. Развиты методы оценки параметров слабоионизованной плазмы по результатам экспериментального исследования процесса распространения в этой плазме ударных волн.

Отметим, что развитые в данной работе теории и предложенные модели являются аналитическими, что открывает широкие возможности по анализу физических причин и общих закономерностей взаимодействия ударной волны с плазмой и областями внешнего энергоподвода.

Теоретическое исследование, проведенное в данной работе, ограничивается рассмотрением одномерного случая. Сделаны некоторые замечания относительно учета двухмерности модели. Однако рассмотрение точного решения двухмерной задачи выходит за рамки настоящей работы и является логичным продолжением настоящих исследований.

Показать весь текст

Список литературы

  1. АбрамовицМ., Стиган И. «Справочник по специальным функциям», 1979, Москва, Наука, 830с.
  2. Р. Ф., Аскарян Г. А., «Генерация тока быстрыми микрочастицами и болидами. Токовый предвестник быстролетящих тел в плазме», Письма в ЖТФ, т. 8, вып. 20, 1982, с. 1254−1256.
  3. А.Р., Галечан Г. А., Мкртчан А. Р., «Влияние звуковых волн на параметры газового разряда», 1990, Физика плазмы, вып. 18 № 13 сс. 383−385
  4. И. В. Мишин Г. И. «Распространение ударных волн в плазме поперечно и продольно ориентированного тлеющего разряда», «Препринт ФТИ АН СССР», N 80, Л., 1984.
  5. И.В., Мишин Г. И., «Распространение ударных волн в аргоне», «Письма в ЖТФ», т. 11, вып. 4, 1985, с. 209−215.
  6. И.А., «Взаимодействие неравномерных потоков с преградами», Л., 1983.
  7. В. Ю., Рыбка И. В., Юрьев А. С. «ИЖФ», т.62, № 2,1994, с. 243 247.
  8. Б един А.П., Мишин Г. И., «Баллистические исследования аэродинамического сопротивления сферы в ионизированном воздухе», Письма в ЖТФ, 1995, т. 21, вып. 1, с. 14−19.
  9. А.Л., Либерман М. А. «Физика ударных волн в газах и плазме», М., Наука, 1987, 295 с.
  10. Л.А. «Термодинамика газовых потоков», Москва-Ленинград, Госэнергоиздат, 1950, 304 с.
  11. П.Ю., Левин В. А. «Письма в ЖТФ», 1988, т.14, в.8, с. 684−687.
  12. В.А., Климов А. И., Коблов А. Н., Мишин Г. И., Ходатаев К. В., «Распространение ударных волн в плазме тлеющего разряда при наличии магнитного поля», 1984,"Письма в ЖТФ"., т.29, с.595−597.
  13. Ю.Б., Тележко В. М. «Измерение концентрации электронов слабоионизованной плазмы тлеющего разряда в азоте при средних давлениях». Опт. и спектроскопия, т. 54, в. 1, 1983, с. 60−67.
  14. Ю.Б., Тележко В. М. «Возможности формирования характеристик плазме в азоте путем изменения скорости колебательной релаксации». ЖТФ, т. 54, в. 7, 1984, с. 1262−1269.
  15. В.А., Климов А. И., Мишин Г. И., Федотов А. В., Явор И. П., «Поведение электронной плотности в слабоионизованной неравновесной плазме при распространении ударной волны», «Письма в ЖТФ», т. 21, вып. 10, 1987, с.1138−1141.
  16. И.С., Мейлихов Е. З., «Физические величины», 1991, Москва, Энергоатомиздат, 1232с.
  17. А.Ю., Климов А. И., Молевич Н. Е., «Распространение ударных волн в плазме тлеющего разряда», ЖТФ, т. 63, в. 3, 1993, с. 157−162.
  18. Я.Б., «К теории распространения детонации в газообразных системах», ЖЭТФ, т. 10, вып. 5, с. 542−568, 1940.
  19. Я.Б., Райзер Ю. П., «Физика ударных волн и высокотемпературных газодинамических явлений», М. Наука 1967.
  20. Н.А., «Физика быстропротекающих процессов», сб. п/р, т. З, М, «Мир», 1971, 358 с.
  21. А. И., Коблов А. Н., Мишин Г. И., Серов Ю. JI, Явор И. П., «Распространение ударных волн в плазме тлеющего разряда», «Письма в ЖТФ», т. 8, вып. 7, 1982, с. 439−443.
  22. А. И., Коблов А. Н., Мишин Г. И., Серов Ю. Д., Ходатаев К. В., Явор И. П., «Распространение ударных волн в плазме тлеющего разряда», «Письма в ЖТФ», т. 8, вып. 9, 1982, с. 551−554.
  23. А.И., Мишин Г. И., «Интерферометрические исследования ударных волн в газоразрядной плазме», «Письма в ЖТФ», т. 16, вып. 24,1990, с.89−94.
  24. Г. А., Корн Т. М., «Справочник по высшей математике», М., «Наука», 1984, 831 с.
  25. Н.Ф., «Аэродинамика тел вращения», Москва, «Машиностроение», 1964, 572 с.
  26. В.В., Голятин В. Ю., Труды III симпозиума «Термохимические процессы в плазменной аэродинамике», СПБ, 2002, с. 146−154.
  27. Г. И., «Зависимость коэффициента сопротивления сферы при сверхзвуковых скоростях от отношения удельных теплоемкостей среды», Аэрофизические исследования сверхзвуковых течений, Москва-Ленинград, «Наука», 1967, с.с. 192−196.
  28. Г. И., «Ударные волны в слабоионизированной неизотермической плазме», Письма в ЖТФ, 1985, т. 11, с.274−278.
  29. Г. И., Серов Ю. Л., Явор И. П., «Обтекание сферы при сверхзвуковом движении в газоразрядной плазме», Письма в ЖТФ, 1991, т. 17, вып. 11, с.65−71.
  30. Г. И., Климов А. И., Гридин А. Ю., «Продольный электрический разряд в сверхзвуковом потоке газа», Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, с.86−92.
  31. Г. И., «Полное давление за ударной волной в слабоионизированном воздухе», Письма в ЖТФ, 1994, т. 20, с.9—15.
  32. Г. В., Румянцев С. В., «О движении ударной волны через тепловую неоднородность», Теплофизика высоких температур, т.25, N-2, 1987, с.389−390.
  33. М.В., Шугаев Ф. В., «Прохождение ударной волны через неоднородную область газа с распределением температуры или концентрации компонентов», Вестн. Моск. ун-та, сер. «Физика, астрономия», 1978, т. 19, № 3, с. 11−18
  34. Ю.П., «Физика газового разряда», Москва, «Наука», 1987, 591 с.
  35. В.Н., «Лазерно-микроволновый разряд для управления полетом сверхзвуковых тел», 1998, Оптика и атмосферы и океана, 11 № 2−3, с.с. 228−233
  36. Д.Ж. «Линейные и нелинейные волны», Москва, «Мир», 1977, 622 с.
  37. М.В., «Асимптотические методы для линейных обыкновенных дифференциальных уравнений», Москва, «Наука», 1983, 352 с.
  38. К., «Теория и приложения уравнений Больцмана», М., «Мир», 1978, 495 с.
  39. Ю.И., «Экспериментальное исследование ударных волн в частично ионизованной газоразрядной плазме», ПМТФ, 1979, № 1, с. 124−130.
  40. I.V., Subramaniam Y.V., Lempert W.R., Rich J.W., «Studies of Anomalous Shock Wave Propagation and Dispersion in Weakly Ionized Plasmas «, 2nd Weakly Ionized Gases Workshop, April 1998, pp. 1−13
  41. I.V., Subramaniam V.Y., Rich J.W., Macheret S.O., «Phenomenological Analysis of Shock-Wave Propagation in Weakly Ionized Plasmas». AIAA, vol. 36, No. 5, May 1998, pp. 816−822.
  42. A. Auslender, Workshop on Weakly Ionized Gases «Wave propagation in weakly ionized Plasmas Environment», 9−13 June, USAF Academy, Colorado, section DD, 1997.
  43. G.A. «The motion of a shock wave through a region of non-uniform density». J. of Fluid Mech, 11, N.2, p.p. 180−186, 1961.
  44. Bailey W.F., Hilbun W-M., Workshop on Weakly Ionized Gases «Baseline of Thermal Effect on Shock Propagation in Glow Discharges», 9−13 June, USAF Academy, Colorado, section GG, 1997.
  45. R.F. «The normal motion of a shock wave through a non uniform one dimensional medium», Proc. Roy. Soc. A, 232 (1955), 350−370.
  46. N., Froman P.O., «JWKB Approximation: Contributions to the Theory», Institute for Theoretical Physics, University of Uppsala, Uppsala, Sweden, North-Holland Publishing Company, Amsterdam, 1965, 168p.p.
  47. Ganguly B.N., Bletzinger P. Shock Wave dispertion in Nonequilibrium Plasma. AIAA-1996−4607, November 1996.
  48. Ganguly B.N., Bletzinger P. Acoustic shock wave propagation in nonequilibrium nitrogen and argon plasmas. Proceedings Weakly Ionized Gases Workshop, Colorado, 9−13 June 1997, v.2, p. HH1-HH13.
  49. B.N., Bletzinger P., Garscadden A., 1998,"Shock wave damping and dispersion in nonequilibrium low pressure argon plasmas», Phys. Lett. A, 230, 218−222.
  50. KW., Ingard U., Bekefi G., «Effect of gas flow on the properties of a plasma column». Nature, 1964, v.23, № 4952, p. 1369−1370.
  51. K.W., Ingard U., «Determination of neutral gas temperature in a plasma column from sound velocity measurements», Appl.Phys.Lett. 1964, v.5, № 5, pp. 105−106.
  52. GordeevV.P., Krasilnikov A.V., LagutinV.P., Otmennikov V.N. «Experimental study of the possibility of reducing supersonic drag by employing plasma technology», Fluid Dynamics, 1996, Vol. 31, No 2, pp. 313−317
  53. Hansen H., Hornig D. F, «Thickness of shock fronts in Ar.», J. Chem.Phys., 1960, 33, 913−916.
  54. L.G., Crompton R.W., «The diffusion and drift of electrons in gases», John Wiley and Sons, New York-London-Sydney-Toronto, 1974.
  55. Y. Z., Chernysheva N. V., Meschanov A. V., Yalin A. P., Miles R. В., «Direct Evidence of Thermal Mechanism of Plasma Influence on Shock Wave Propagation», Physics Letters A, v.259, 1999, p.387−392
  56. Lin H., Szeri A.G., «Shock formation in the presence of entropy gradients», J. Fluid Mech, 431,2001,161−188.
  57. LinserM., HornigD. F., «Structure of shock fronts in argon and nitrogen», Phys. Fluids, 6, 1963,1661−1668.
  58. MacCormack R.W., «The effect of viscosity in hypervelocity impact cratering», AIAA paper, 1969, 69−354.
  59. S.O., Ionikh Y.Z., Chernysheva N.V., Yalin A.P., Martinelli L., Miles R.B., «Shock wave propagation and dispersion in glow discharge plasmas», Physics of Fluids, Volume 13, Number 9, 2001, pp. 2693−2705.
  60. J.W., Adamovich I.V., Subramanian W., Macheret S.O., «Shock Wave Propagation in Weakly Ionized Plasmas». Proc. Workshop on Weakly Ionized Gazes, USAF Academy, Colorado, 9−13 June 1997, Section Y, p.p. Y3-Y30.
  61. V.C., «Experimental study of shock wave strengthening by a positive density gradient in a cryogenic shock tube», Phys, Fluids, v. 17, N.9, 1974, p.p. 1692−1698.
  62. M., Jaih V.K., «Acoustic wave interaction with plasma», J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 11, 1978, p.p. 1925−1929.
  63. A., «On the problem of a shock wave arriving at the edge of a gas». Comm. Pure Appl. Math., 13, 1960, 353−370.
  64. ShultzM., «Acoustic Wave Propagation in a Gas Discharge», 1969, Phys. Of Fluids v. 12 N6, pp. 1237−1245.
  65. SiefertN.S., «Shock velocity in weakly ionized nitrogen, air and argon», Physics of Fluids, Volume 19, Number 3, 2007, 36 102.
  66. Sukhomlinov V.S., KolosovV.Y., SheverevV.A. and OtugenM.V. «Acoustic dispersion in glow discharge plasma: A phenomenological analysis», Physics of Fluids, Volume 14, Issue 1, pp. 427−429, 2002.
  67. Sukhomlinov V.S., KolosovV.Y., SheverevV.A. and OtugenM.V. «Formation and propagation of shock wave in a gas with temperature gradient» J. Fluid Mech., vol. 473, 2002, pp. 245−264.
  68. Talbot L., Sherman FS 1959, NASA Tech. Mem. 12−14−58w
  69. VanWieD.M., WesnerA.L., Gauthier L.R., «Shock wave characteristics measured in gas discharges», Proceedings of the 3rd Workshop on Weakly Ionized gases, Norfolk, VA, Nov. 1−5, 1999, AIAA-1999−4824
  70. Van Wie D.M., Gauthier L.R., «Shock propagation in a weakly ionized gas with transverse electric field», Труды II симпозиума «Термохимические процессы в плазменной аэродинамике», СПБ, 2001, 130 с.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!