Экспериментальное и теоретическое исследование сверхзвуковых течений газов с плазменными образованиями (промежуточный, 1 этап)

Проект посвящен разработке единого экспериментально-расчетного комплекса для исследования сверхзвуковых течений с плазменными образованиями и неоднородностями полей газодинамических функций. Создание зон локального нагрева и плотностной неоднородности перед обтекаемым телом может заметно менять ударно-волновые структуры вблизи летательных аппаратов и существенно влиять на аэродинамические характеристики и тепловые потоки. Источником нагрева в потоке могут служить плазменные структуры, сформированные с помощью разрядов различного типа: межэлектродных (искровые, барьерные разряды), а также микроволновых. Идея управления сверхзвуковыми течениями с помощью локального подвода энергии была высказана более 20 лет назад, однако ее практическая реализация в аэродинамике летательных аппаратов до настоящего времени отсутствует в связи со сложностями экспериментального и теоретического исследования динамики плазмы в сверхзвуковом потоке. Целью настоящего проекта является создание современного инструмента для комплексного экспериментального, теоретического и численного исследования плазмы разрядов различного типа и их влияния на аэродинамику и теплообмен сверхзвуковых летательных аппаратов. В отчетном периоде исследования проводились в нескольких направлениях: - Развитие самосогласованных теоретических моделей, учитывающих детальную колебательную, химическую, электронную кинетику в разряде и в сверхзвуковом потоке газа, процессы переноса при сильных отклонениях от равновесия, гетерогенные реакции на поверхности и эффекты разреженности газа. - Подготовка и проведение экспериментальных исследований влияния разрядов на параметры обтекания различных тел в сверхзвуковом потоке. - Численное моделирование кинетики и динамики разрядов, быстрого нагрева газа в разряде, сравнение с экспериментальными данными. - Разработка собственного кода для моделирования течений вязких реагирующих газов при наличии энерговложения в поток; реализация в коде построенных теоретических моделей. В рамках теоретического исследования построены самосогласованные математические модели для описания неравновесных течений многокомпонентных смесей газов при сильных отклонениях от равновесия в различных приближениях: поуровневом, многотемпературном, гибридном. Разработан новый подход к моделированию граничных условий скольжения в рамках детального поуровневого приближения с учетом колебательно-химической кинетики и неравновесных физико-химических процессов на поверхности: адсорбции, десорбции, переходов колебательной энергии и гетерогенных реакций. Подход допускает описание течений разреженных газовых смесей моделями различной степени точности, включая однотемпературные, многотемпературные и детальные поуровневые. В рамках поуровневого приближения получены граничные условия скорости скольжения, скачка температуры, числовых заселенностей. Оценка влияния граничных условий на гидродинамические параметры и тепловые потоки проведена на примере моделирования течения смеси воздуха в пограничном слое на линии торможения. При рассмотренных условиях скачок температуры играет доминирующую роль в значениях теплового потока вблизи стенки по сравнению с ролью гетерогенных реакций. Результаты моделирования также показывают вклад ключевых характеристик при различной степени разреженности газа: увеличение влияния гетерогенных реакций и уменьшение эффектов скачка температуры при уменьшении степени разреженности. В рамках настройки экспериментальной базы подготовлена рабочая часть сверхзвуковой аэродинамической трубы для проведения экспериментов, в частности, проведена настройка оптической системы для подвода и фокусировки лазерного излучения в нужную область для получения стабильной реализации лазерно-инициированного оптического пробоя в сверхзвуковом потоке газа при статическом давлении набегающего потока 80-110 Торр; проведена подготовка зеркал интерферометра Фабри-Перо и управляющих пьезоприводов перед установкой в камеру; изготовлены различные экспериментальные модели (диффузор, цилиндр, полусфера) для проведения исследования; проведена настройка системы регистрации и синхронизации экспериментальных данных. Разработана модель градиентного датчика теплового потока, учитывающая теплофизические свойства подложки, на которой установлен датчик. Рассмотрена математическая модель двухслойной бесконечной пластины, на тыльной стороне подложки температура стенки зафиксирована. Результаты анализа показывают, что временная зависимость безразмерной разности температур значительно зависит от теплофизических параметров и толщины подложки. Проведено численное и экспериментальное исследование взаимодействия следа разряда с ударной волной на входе в канал диффузора. Сравнение результатов расчетов с предварительными экспериментальными данными показало, что основным механизмом, влияющим на изменение полного давления в канале диффузора, является не изменение ударно-волновой конфигурации перед телом и появление вихревого течения, а прохождение плотностной неоднородности, образовавшейся после энерговложения, по каналу диффузора. Выполнено экспериментальное исследование влияния плотностной неоднородности на давление в критической точке полусферы и торца цилиндра при числе Маха набегающего потока М = 1,5-2 и статическом давлении 80-110 Торр. Изучена динамика потока, формирования вихря и распада ударной волны. Эксперименты показывают, что в критической точке во время взаимодействия наблюдается значительное снижение давления торможения, эффект наблюдается порядка 100 мкс. Максимальное снижение давления торможения при М=1,5 в критической точке торца цилиндра составило 20%, полусферы – 30%. Разработана, изготовлена и испытана оптическая система ввода лазерного луча через модель в сверхзвуковом потоке для задач лазерной инициации СВЧ разряда. Проведена серия экспериментов. Лазерно-инициированный СВЧ разряд значительно отличается от обычного СВЧ разряда. Новый вид СВЧ разряда быстрее зажигается, точнее располагается в пространстве. Уменьшаются пропуски зажигания, увеличивается порог зажигания по давлению. Разработана численная модель для согласованного расчета СВЧ-плазмы, газодинамики, заданных эффектов лазерного излучения. По результатам расчета сделан вывод о том, что основной механизм образования СВЧ плазмы с безыскровой лазерной инициацией в подкритическом СВЧ-поле основывается на прогреве проводящего следа лазерного излучения с понижением плотности среды. Созданная численная модель дает результаты, соответствующие экспериментальным (время образования разряда, диапазон горения разряда по давлению). На основе расширенной гидродинамической модели и детальной кинетической схемы плазмохимических реакций численно исследована динамика вытягивания одиночного СВЧ-плазмоида в азоте, формирования его диффузной формы, и динамики его филаментации по условиям экспериментов. Получены распределения всех основных параметров плазмы в широком диапазоне давлений газа и вкладываемой мощности в разряд: концентрации электронов, заряженных и возбужденных частиц, колебательной и поступательной температуры, температуры электронов и напряженности самосогласованного электрического поля в плазме. Показано хорошее согласие с данными эксперимента по нагреву газа и концентрации электронов. Разработан расчетный код для численного решения уравнений Навье-Стокса-Фурье (НС-код), адаптированный к задачам управления сверхзвуковыми течениями с помощью плазменных образований. Для этого НС-код позволяет задать источниковый член в заданный промежуток времени или с некоторой периодичностью, а также определить единовременное изменение примитивной или консервативной переменной. Для верификации и валидации НС-кода проведен ряд тестов: распространение ударной волны вследствие мгновенного выделение энергии в неподвижном газе, течение с энерговыделением конечного времени действия перед клином с присоединенным скачком, течения около цилиндра с юбкой и внутри сопла. Результаты расчетов распространения ударной волны вследствие выделения энергии в неподвижном газе согласуются с эталонными решениями и данными эксперимента. Результаты моделирования течения с энерговыделением перед клином совпадают с результатами, полученными в Ansys Fluent. Рассчитанное распределение числа Стантона вдоль поверхности цилиндра с юбкой соответствует данным эксперимента, однако, наблюдается отличие в положении точки отрыва потока. Результаты расчета течения в сопле совпадают с экспериментальными измерениями температуры вдоль оси симметрии сопла при высоком числе Рейнольдса. Все задачи первого этапа проекты выполнены. Результаты работы над проектом докладывались на двух всероссийских и двух международных конференциях (всего пять докладов), освещались в научно-популярных публикациях в СМИ. Результаты опубликованы в двух статьях в журналах первого квартиля Physics of Fluids и Plasma Sources Science and Technology. Кроме того, подготовлены к публикации и находятся на рассмотрении две статьи в Инженерно-физическом журнале (ИЖФ, Q2) и Журнале технической физики (ЖТФ, RSCI).