WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 9 03;12 Характеристики магнитогазодинамического диффузора при различной коммутации тока 2 © Р.В. Васильева,1 А.В. Ерофеев,1 Т.А. Лапушкина,1 С.А. Поняев,1 С.В. Бобашев,1 Д. Ван Ви 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Университет Джона Гопкинса, Лаурел, Мэриленд, США e-mail: tanyusha@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 26 января 2005 г.) Данная работа является продолжением ряда работ по исследованию влияния внешних электрического и магнитного полей на течение в сверхзвуковом диффузоре. Задача исследования — сопоставить степень изменения при магнитогидродинамическом (МГД) взаимодействии ударно-волновой конфигурации, возникающей на входе в диффузор, с величиной силового и энергетического воздействий и с потерей при этом полного давления. Для этого измеряются основные характеристики ударно-волновой структуры и полное давление на выходе из диффузора при воздействии на поток магнитного и электрического полей разной величины и при различных способах протекания тока. В качестве экспериментальной установки используется ударная труба с отражающим соплом и сверхзвуковым диффузором. Исследования проводятся в ксеноне при условии, что воздействие на поток внешних полей происходит во входной части диффузора. Визуализация ударноволновой структуры осуществляется при помощи покадровой развертки шлирен-картины течения. Полное давление определяется по показаниям пьезодатчика, расположенного в конце канала. Результаты работы позволяют определить наиболее оптимальный вариант воздействия на поток с точки зрения энергетических затрат и потери полного давления в диффузоре данной конфигурации.

Введение Экспериментальная установка Работа стимулирована широко обсуждаемой концепВ эксперименте в качестве рабочего газа используетцией о возможности управления скачками в диффузорах ся предварительно термически ионизованный инертный гиперзвуковых летательных аппаратов с помощью Маггаз — ксенон. Моделирование проводится по основным нитогидродинамического (МГД) метода [1–7].

критериям подобия.

Объектами экспериментального исследования являютЭкспериментальная установка описана в [8,9]. Устася диффузор с полным внутренним поджатием потока и новка включает в себя газодинамический тракт, систевозникающая на входе в него ударно-волновая конфигуму генерации квазистационарного магнитного поля и рация в виде двух присоединенных скачков. При налосистему генерации электрического поля, как квазистажении магнитного и электрического полей на течение в ционарного, так и импульсно-периодического. На рис. диффузоре оказывают влияние сила Лоренца, которая в показаны основные элементы газодинамического тракта:

зависимости от направления тока тормозит или ускоряет ударная труба, сопло и диффузор. При торможении поток, и джоулев нагрев, который в сверхзвуковом потока в торце ударной трубы газ сильно нагревается потоке приводит к его торможению. Кроме этого, на и происходит термическая ионизация. Плазма истекает течение в диффузоре заметное влияние оказывает пограничный слой. Область и длительность действия на поток магнитного и электрического полей определяются местом и временем протекания электрического тока.

В данной работе изучается воздействие на поток магнитного и электрического полей, осуществляемое во входной части диффузора. Задачей эксперимента являются организация различных способов протекания тока, исследование изменения при этом основных характеристик присоединенных скачков и потери полного давления, сопоставление их с интенсивностью силового и энергетического воздействий, вызвавших эти изменения, и выбор на основе анализа полученных данных оптимального способа внешних воздействий. Кроме этого, представляется полезным провести здесь сравнение Рис. 1. Схема установки: 1–7 — электроды, u —скорость результатов экспериментов с имеющимися результатами потока, B — магнитная индукция, I — электрический ток, теоретических расчетов. FL — сила Лоренца.

28 Р.В. Васильева, А.В. Ерофеев, Т.А. Лапушкина, С.А. Поняев, С.В. Бобашев, Д. Ван Ви в ускоряющее сопло, здесь степень ионизации существенно падает, но вследствие относительно медленной рекомбинации заряженных частиц в ксеноне остается достаточной для МГД экспериментав. Затем ускоренный поток газа поступает в диффузор, в стенки которого вмонтированы электроды, номера электродов обозначены на рисунке цифрами. На рисунке показаны направления скорости потока u, магнитной индукции B, электрического тока I и силы Лоренца FL. Здесь же приведены основные характеристики входной ударноволновой конфигурации: Xc — расстояние от входа в диффузор до точки встречи присоединенных скачков;

Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема.

— угол наклона присоединенного скачка к стенке диффузора; 2 — угол, под которым встречаются присоединенные скачки.

При исследовании использовались следующие диамомент времени и регулировать время задержки между гностические методы: была создана оптическая схема импульсами тока, было сделано специальное устройдля визуализации газодинамических неоднородностей ство, включающее в себя блок синхронизации и блок либо в 1-й, либо во 2-й областях наблюдения (рис. 1) регулировки задержки — блок управления ключами.

и налажена высокоскоростная съемка шлирен-картин Эквивалентная электрическая схема для отдельной пары течения [8,9], снимались вольт-амперные характеристиэлектродов представлена на рис. 2. Здесь МГД генератор ки [10], измерялось пространственное распределение представлен как источник эдс = uBh с внутренним потенциала; определялись значения объемной и эффексопротивлением Reff, последовательно с ним подклютивной проводимости [11], измерялись концентрация чены сдвинутые по времени три источника внешнего и температура электронов по излучению в рекомбинапряжения (V1, V2, V3), RL — сопротивление нагрузки.

национном континууме [11,12]. Новым в диагностике Закон Ома для цепи, состоящей из МГД генератора данного эксперимента является измерение полного дави последовательно включенного внешнего источника, ления [13]. Для этого с помощью проградуированного имеет вид пьезодатчика, положение которого показано на рис. 1, измерялось давление торможения за отошедшей ударной IReff =(1 - k)(uBh + V ), волной p20. Затем в это же место помещалась пластина с нанесенными рисками. По углу наклона линий слабого где k — коэффициент нагрузки k = RL/(RL + Reff), h — возмущения измерялось значение числа Маха потока в величина межэлектродного промежутка, V —напряжеэтом месте M1. По этим двум измерениям с помощью ние на выходе длинной линии.

известного соотношения [14] определялось полное давЭксперимент проводился при условиях, когда число ление в потоке p10.

Маха фронта ударной волны в ударной трубе 8, начальМагнитное поле создавалось разрядом батареи конное давление в камере низкого давления 30 Torr. Расчетденсаторов через катушки Гельмгольца и по отношению ные значения параметров потока на входе в диффузор к длительности потока плазмы t являлось стациоследующие: число Маха потока M0 = 4.3, плотность газа нарным. Электрическое поле создавалось посредством in = 0.127 kg/m3, скорость потока uin = 1.55 · 103 m/s, разряда длиной линии в цепь, состоящей из плазменного проводимость 0 = 600 S/m, длительность истечения промежутка и сопротивления нагрузки. Следует отме t 600 µs.

тить, что в данном эксперименте внешнее электрическое Взаимодействие с внешними полями осуществлялось поле является необходимым элементом для функциово входной части диффузора, так как ранее было понирования установки. Оно прикладывается для того, казано [9,15,16], что для управления присоединенными чтобы компенсировать большое приэлектродное падение скачками такое локальное воздействие энергетически потенциала, которое препятствует прохождению магниболее выгодно. Течение в диффузоре исследовалось при тоиндуцированного тока [10]. Схема генерации внешнего трех способах организации тока: 1-й способ — поперечэлектрического поля позволяет исследовать процессы ный стационарный ток проходит через третью входную взаимодействия как в стационарном, так и в импульснопару противоположно расположенных электродов, входпериодическом режимах. Для создания коротких одноная часть диффузора работает как фарадеевский канал;

кратных и многократных импульсов тока на электро2-й способ — сохраняется та же самая коммутация ды подавались напряжения от нескольких отдельных тока, но канал работает в импульсно-периодическом длинных линий со сдвигом во времени. Запуск каждой длинной линии осуществлялся замыканием управляемо- режиме; 3-й способ — стационарный продольный ток го ключа, которым в данном случае являлся тиристор протекает в узкой пристеночной области через смежные ТЧ-25. Для того чтобы замкнуть ключ в требуемый электроды 3–4.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Характеристики магнитогазодинамического диффузора при различной коммутации тока 1-й способ Влияине внешних полей на течение в диффузоре существенно зависит от распределения плотности тока в межэлектродном промежутке. Оно было получено при теоретическом решении задачи [17,18]. На рис. приведено рачетное распределение тока применительно к условиям данного эксперимента, любезно предоставленное авторами. Оно не симметрично вследствие эффекта Холла. Особенно следует отметить большую концентрацию тока у дальнего края анода, потому что это приводит к значительному пристеночному температурному слою. Считаем, что зона взаимодействия L Рис. 5. Расчетное распределение значений чисел Маха потока составяляет примерно две длины электрода. Замкнутые и положение присоединенных скачков. a — I = 0, B = 0;

токи в сопле и конце канала, которые видны на рис. 3, b — I = 390 A, B = 1.45 T.

возникли вследствие неоднородности потока и поля. Как показал расчет, они малы по величине, поэтому не влияют на картину течения.

изоляторов. На рис. 4, b показана шлирен-картина теНа рис. 4, a приведено положение присоединенных чения, возникшая в результате торможения потока в и отраженных скачков в отсутствие внешних полей, магнитном и электрическом полях. Видно, что присоедиполученное с помощью оптической шлирен-системы.

ненные скачки стали немного вогнутыми. Это, скорее Отражение присоединенных скачков друг от друга яввсего, является следствием наличия холловских токов.

ляется регулярным. На теневой картине также виден Главное изменение заключается в том, что увеличился пограничный слой и слабые газодинамические возмуугол и место встречи этих скачков приблизилось ко щения, которые возникают на стыках электродов и входу в диффузор, поскольку действие внешних полей привело к торможению потока и уменьшению числа Маха потока. На шлирен-картине также виден сильно возросший пристеночный слой, он возникает у дальних краев электродов, и видно, что на нем садятся слабые скачки уплотнения.

На рис. 5,a представлена рассчитанная для этих же начальных условий без учета вязкости [17] картина газоРис. 3. Расчетное направление линий тока при I = 390 A, динамических неоднородностей при I = 0, а на рис. 5,b B = 1.3 T. Цифры — относительная плотность тока.

показана конфигурация скачков при действии на поток лоренцевой силы и джоулева тепловыделения. Видно, что положение присоединненых скачков при численном моделировании изменилось слабее, чем в физическом эксперименте. Выясним, с чем это связано. Для этого оценим величины силового и энергетического воздействий, которые были оказаны на поток в вычислительном и физическом экспериментах. При расчете задавались такие же начальные условия и приблизительно такие же значения электрического тока и магнитного поля, что и в эксперименте. Разница оказалась в значении проводимости. Результаты расчета показали, что падение напряжения на межэлектродном промежутке примерно в два раза меньше, чем в эксперименте.

Это означает, что расчетные значения проводимости ( = 650 S/m) больше экспериментальных значений в ядре потока ( = 300 S/m), определенных в [11]. Это, вероятно, обусловлено тем, что при разрыве лавсановой диафрагмы в торце ударной трубы в канал поступает большое количество органических примесей, что снижает селективный нагрев электронов и неравновесную ионизацию газа. Более низкое значение проводимости приводит к более сильному джоулеву нагреву газа и Рис. 4. Шлирен-картины течения. a — I = 0, B = 0;

b — I = 390 A, B = 1.3T. соответственно к более сильному изменению положения Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 30 Р.В. Васильева, А.В. Ерофеев, Т.А. Лапушкина, С.А. Поняев, С.В. Бобашев, Д. Ван Ви тепла) действуют аддитивно, причем соответствующие Xc pI, A St N 0 0 им коэффициенты отличаются друг от друга. Так, на Xc pизменение скорости при равных значениях St и N сила Эксперимент 330 0.4 0.27 0.38 0.037 0.Лоренца оказывает влияние в 2.5 раза больше, чем Расчет 360 0.05 0.12 0.245 0.04 0.нагрев, независимо от числа Маха потока. Степень влияния параметра Стюарта и параметра энергетического присоединенных скачков, что мы и наблюдаем в экспе- воздействия на число Маха потока M зависит от его рименте. величины. Так, при значениях M, близких к 1, действие Другим критерием влияния на поток внешнего воз- лоренцевой силы также в 2.5 раза эффективнее, чем действия являются потери полного давления. Пол- нагрев. При M > 5 на изменение числа M лоренцева ное давление газа измерялось и рассчитывалось в сила и джоулев нагрев оказывают одинаковое влияние.

конце диффузора. Эксперимент показал, что в от- Можно полагать, что в условиях данного эксперимента эти два фактора вызывают сравнимые изменения в сутствие воздействий полное давление p0 = 9.4 atm, значениях числа Маха потока, от которого в основном при расчете p0 = 12.3 atm. При наличии воздействий зависит положение присоединенных скачков.

I = 330 A, B = 1.3 T в эксперименте полное давление Таким образом, одной из причин расхождения эксpE = 5.9 atm, в расчете pE = 9.13 atm. Отсюда видно, 10 периментальных и расчетных данных является то, что что более слабое изменение положения присоединенных в эксперименте значения проводимости плазмы ниже, скачков в вычислительном эксперименте сопровождаетчем значения, используемые в расчете, поэтому джоулев ся более низкой относительной потерей полного давленагрев сильнее, что приводит к более сильному торния.

можению потока. Второй причиной является образоваИзменение положения присоединенных скачков и поние пристеночного слоя на стенках экспериментального тери полного давления являются реакцией потока на диффузора.

силовое и энергетическое воздействие. Силовое воздейЭксперимент выполнялся в широком диапазоне значествие определяется параметром Стюарта St — отношений силы тока при B = 1.3 T. На рис. 6,a–c для разных нием работы силы Лоренца на длине зоны взаимодействия L к удвоенной кинетической энергии газа [19].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.