Экспериментальное и численное исследование управления возмущениями на границе поперечной струи в сверхзвуковом потоке с помощью искрового разряда

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Работа посвящена исследованию влияния периодических искровых разрядов на формирование возмущений в сдвиговом слое на границе вторичной околозвуковой поперечной струи в сверхзвуковом потоке (число Маха – 1.6). Разряды локализованы с наветренной стороны от инжектора, в отрывной зоне. В экспериментах на установке ИАДТ-50 в ОИВТ РАН получены высокоскоростные теневые видеозаписи течения при отсутствии и наличии разрядов и проведен фурье-анализ нескольких областей этих видеозаписей. Также в программном комплексе FlowVision методом URANS выполнено компьютерное моделирование течения. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. Продемонстрировано, что искровые разряды способны инициировать формирование возмущений в сдвиговом слое на передней границе струи и влиять на их частоту.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. С. Волков

Объединенный институт высоких температур РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: volkov.ls@phystech.edu
Россия, Москва

И. В. Селивонин

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: volkov.ls@phystech.edu
Россия, Москва

А. А. Фирсов

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: volkov.ls@phystech.edu
Россия, Москва

Список литературы

  1. Zhang Q., Li X., Che X., Zhang T., Deng B., Ge J., Wei Y., Zhu S. Scramjet Plasma Ignition and Assisted Combustion Technology Review // Proc. 2023 4th Int. Symp. on Insulation and Discharge Computation for Power Equipment (IDCOMPU2023). 2024. P. 429.
  2. Логунов А.А., Корнев К.Н., Шибкова Л.В., Шибков В.М. Влияние межэлектродного расстояния на основные характеристики пульсирующего поперечно-продольного разряда в высокоскоростных многокомпонентных газовых потоках // ТВТ. 2021. Т. 59. № 1. С. 22.
  3. Firsov A., Bityurin V., Tarasov D., Dobrovolskaya A., Troshkin R., Bocharov A. Longitudinal DC Discharge in a Supersonic Flow: Numerical Simulation and Experiment // Energies (Basel). 2022. V. 15. № 19. P. 7015.
  4. Feng R., Meng Zh., Zhu J. et al. Gliding Arc Plasma-сontrolled Behaviors of Jet-wake Stabilized Combustion in a Scramjet Combustor // AIAA J. 2023. V. 61. № 7. P. 2789.
  5. Булат П.В., Волков К.Н., Грачев Л.П., Есаков И.И., Лавров П.Б. Воспламенение топливной смеси с помощью искрового и инициированного стримерного разряда в различных условиях // ТВТ. 2022. Т. 60. № 4. С. 548.
  6. Знаменская И.А., Коротеева Е.Ю., Карнозова Е.А., Кули-Заде Т.А. Динамика тепловых потоков нагретой импульсным сильноточным разрядом области канала // ТВТ. 2023. Т. 61. № 1. С. 18.
  7. Bityurin V.A., Bocharov A.N., Dobrovolskaya A.S., Popov N.A., Firsov A.A. Re-Breakdown Process at Longitudinal-transverse Discharge in a Supersonic Airflow // Plasma Phys. Rep. 2023. V. 49. № 5. P. 575.
  8. Tarasov D.A., Firsov A.A. CFD Simulation of DC-discharge in Airflow // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2100. № 1. P. 012015.
  9. Liu Q., Baccarella D., Lee T. Review of Combustion Stabilization for Hypersonic Airbreathing Propulsion // Progress in Aerospace Sciences. 2020. V. 119. P. 100636.
  10. Mahesh K. The Interaction of Jets with Crossflow // Annu. Rev. Fluid Mech. 2013. V. 45. № 1. P. 379.
  11. Ben-Yakar A., Mungal M.G., Hanson R.K. Time Evolution and Mixing Characteristics of Hydrogen and Ethylene Transverse Jets in Supersonic Crossflows // Phys. Fluids. 2006. V. 18. № 2. P. 026101.
  12. Cai Z., Gao F., Wang H., Ma C., Yang T. Numerical Study on Transverse Jet Mixing Enhanced by High Frequency Energy Deposition // Energies (Basel). 2022. V. 15. № 21. P. 8264.
  13. Wang H., Yang Y., Hu W., Wang G., Xie F., Fan X. Mechanism of a Transverse Jet Mixing Enhanced by High-frequency Plasma Energy Deposition // Phys. Fluids. 2023. V. 35. № 9. P. 096101.
  14. Долгов Е.В., Колосов Н.С., Фирсов А.А. Исследование влияния искрового разряда на смешение струи газообразного топлива со сверхзвуковым воздушным потоком // Компьютерные исследования и моделирование. 2019. Т. 11. № 5. С. 849.
  15. Aksenov A.A., Zhluktov S.V., Kashirin V.S., Sazonova M.L., Cherny S.G., Zeziulin I.V., Kalugina M.D. Three-dimensional Numerical Model of Kerosene Evaporation in Gas Turbine Combustors // Supercomput. Front. Innov. 2023. V. 10. № 4. P. 27.
  16. Жлуктов С.В., Аксёнов А.А. Пристеночные функции для высокорейнольдсовых расчетов в программном комплексе FlowVision // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т. 7. № 6. С. 1221.
  17. Волков Л.С., Фирсов А.А. Моделирование влияния импульсно-периодического нагрева на формирование возмущений на границе поперечной струи в сверхзвуковом потоке // Компьютерные исследования и моделирование. 2023. Т. 15. № 4. С. 845.
  18. Santiago J.G., Dutton J.C. Velocity Measurements of a Jet Injected into a Supersonic Crossflow // J. Propuls. Power. 1997. V. 13. № 2. P. 264.
  19. Rasheed I., Mishra D.P. Numerical Study of a Sonic Jet in a Supersonic Crossflow over a Flat Plate // Phys. Fluids. 2020. V. 32. № 12. P. 126113.
  20. Capitelli M., Colonna G., Gorse C., D’Angola A. Transport Properties of High Temperature Air in Local Thermodynamic Equilibrium // Europ. Phys. J. D. 2000. V. 11. № 2. P. 279.
  21. Catalfamo C., Bruno D., Colonna G., Laricchiuta A., Capitelli M. High Temperature Mars Atmosphere. Part II: Transport Properties // Europ. Phys. J. D. 2009. V. 54. № 3. P. 613.
  22. Василяк Л.М., Красночуб А.В. Метод измерения поглощенной энергии в электрических разрядах наносекундной длительности // Электронная обработка материалов. 2013. Т. 59. № 5. С. 74.
  23. Correale G., Winkel R., Kotsonis M. Energy Deposition Characteristics of Nanosecond Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators: Influence of Dielectric Material // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. № 8. P. 083301.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Двумерный расчет обтекания пластины: (а) – неудовлетворительное обтекание, (б) – удовлетворительное.

Скачать (23KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Расчет сверхзвукового обтекания разработанной конструкции в ИАДТ-50 при параметрах, соответствующих эксперименту.

Скачать (24KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Постановка расчетной задачи: (а) — схема расчетной области, (б) – местоположение области импульсного нагрева, (в) – пример расчетной сетки с адаптацией к градиентам давления и к концентрации СО2; цветом показана массовая доля СО2 в нескольких плоскостях.

Скачать (40KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Результаты расчета распространения ударной волны от импульсного локального нагрева, моделирующего искровой разряд при J = 0.6: черный полукруг – область энерговклада; время отсчитывается от начала импульсного нагрева.

Скачать (23KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Теневая фотография обтекания пластины: стрелки – направление свободного сверхзвукового потока; 1 – слабый скачок уплотнения от передней кромки пластины, 2 – плоскость инжекции с тонким пограничным слоем, 3 – круглый край смотрового окна тестовой секции, 4 – место инжекции вторичной струи, 5 – диск Маха, 6 – стенка канала с толстым пограничным слоем, 7 – один из проводов питания разряда.

Скачать (18KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Пример модуля тока, построенного по осциллограмме напряжения на шунте обратного тока: белые зоны – распространение прямого импульса от ГИН к разряду, голубые – распространение отраженного импульса.

Скачать (17KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Теневые видеозаписи исследуемого течения (без разрядов) для J = 0.6 (а) и 1.3 (б): стрелкой отмечено крупное возмущение, распространяющееся вниз по потоку; черными прямоугольниками обозначены контуры внутреннего сечения трубки.

Скачать (20KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Несколько последовательных кадров из теневой видеозаписи (сверху) и соответствующие распределения давления в плоскости симметрии, полученные в расчете (снизу) при J = 1.3: масштаб одинаковый; черной линией показана условная граница вторичной струи по уровню 50% СО2; стрелками отмечен крупный пакет возмущений, распространяющийся вниз по потоку; (а) – t = 0 мкс, (б) – 6.25, (в) – 12.5.

Скачать (31KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Теневая видеозапись ударной волны, расходящейся от искрового разряда, при J = 0.6: красный полукруг – место разряда; 1 – головной скачок уплотнения, 2 – фронт ударной волны, 3 – формирующееся возмущение в потоке; время отсчитывается от начала очередного разряда.

Скачать (26KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Нормированные периодограммы от яркости в трех областях на теневых видеозаписях при J = 0.6 (а) и 1.3 (б): 1 – без искр, 2 – с искрами; области А, В, С – см. рис. 7; перед вычислением периодограмм для области С к видеозаписям был предварительно применен оператор Собеля.

Скачать (49KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025