Корреляционные методы измерения скорости и температуры высокоскоростного воздушного потока и реагирующих смесей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Фирсов, Александр Александрович

• Фирсов, Александр Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Фирсов, Александр Александрович

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Разряд в потоке газа.

1.2. Методы измерения скорости.

Глава 2. Определение скорости потока с помощью импульсного разряда.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Обоснование метода и методика измерения скорости.

2.3. Метод импульсного разряда в холодном потоке.

2.4. Сравнение результатов метода импульсного разряда с результатами других методов.

2.5. Применение метода в случае плазмоинициированного горения пропана в потоке воздуха.

2.6. Определение скорости потока в случае предварительного нагрева воздуха, поступающего в канал.

Глава 3. Рефракционный лазерный метод.

3.1. Описание экспериментальной установки.

3.2. Описание взаимно-корреляционного метода и влияние ряда параметров на результаты.

3.3. Применение корреляционного метода для случая холодного и предварительно нагретого потока.

3.4. Лазерный метод определения спектра возмущений.

Глава 4. Корреляционный метод обработки изображения.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Описание корреляционного метода обработки изображений камеры линейного сканирования и результаты измерений.

4.3. Сравнение профилей с результатами численного моделирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Корреляционные методы измерения скорости и температуры высокоскоростного воздушного потока и реагирующих смесей»

Диссертационная работа посвящена разработке новых методов измерения скорости потока и температуры газа, а также проведению экспериментальных исследований - широкого класса плазмо-аэродинамических явлений с использованием предложенных методик. Проведена верификация полученных результатов как с помощью общепринятых экспериментальных методов, так и посредством трехмерного численного моделирования течений. Использование предложенных в работе методик в сложных аэродинамических конфигурациях позволило получить распределения скоростей как в потоке без подвода тепла, так и в случае с энерговкладом. Проведено определение температуры газа для потока предварительно нагретого газа. Экспериментально получен профиль скорости т течения в области, частично занятой плазмой электрического разряда, а также в области экзотермических реакций при плазмо-инициированном горении газообразных топлив в сверхзвуковом потоке. Проведен анализ влияния на сверхзвуковой поток возмущений, создаваемых импульсным высоковольтным разрядом, с целью применения полученных результатов, в задачах зажигания и смешения топлива с окислителем. Предложенные и испытанные методы измерений обладают несомненной практической ценностью для решения широкого круга задач плазменной аэродинамики и в смежных областях.

Актуальность темы

При решении современных задач сверхзвуковой аэродинамики, включающих в себя подвод энергии к газу или тепловыделение в потоке за счет химических реакций, необходимым элементом диагностики является система определения скорости потока. Классическая система расчета скорости через газодинамические функции по данным датчиков полного и статического давлений имеет ограниченную применимость, если точное значение температуры газа неизвестно или изменяется в течение эксперимента. Такая ситуация оказывается типичной в экспериментах с реагирующими смесями и во многих других задачах плазменной аэродинамики. Таким образом, задача совершенствования существующих и создания новых методов определения скорости высокоскоростного потока с энерговкладом является чрезвычайно востребованной.

Цель работы состояла в разработке бесконтактных методов измерения параметров высокоскоростного потока и применении этих методов для исследования процессов обтекания сложных поверхностей, сверхзвукового горения и смешения и включала в себя следующие задачи:

• Разработка метода определения скорости предварительно нагретого потока газа, включающего в себя корреляционную обработку данных оптических измерений.

• Верификация метода путем сравнения с данными газодинамических измерений и с результатами трехмерного численного моделирования.

• Исследование динамики температуры и скорости предварительно нагретого высокоскоростного потока газа.

• Измерение распределения скорости потока газа в области взаимодействия плазмы электрического разряда с потоком и в зоне экзотермических химических реакций.

• Определение влияния плазмы импульсного разряда на спектр газодинамических возмущений потока газа. '

Научная новизна работы

• Впервые проведено определение скорости сверхзвукового потока по аксиальной протяженности импульсного периодического разряда.

• Разработана новая модификация корреляционного метода определения скорости сверхзвукового потока, позволяющая проводить измерения по естественным маркерам (без внесения искусственных возмущений в поток).

• Впервые проведена экспериментальная количественная оценка влияния разрядного импульса на спектр возмущений сверхзвукового потока. Показано, что разряд приводит к увеличению амплитуды спектра возмущений в широком диапазоне частот 100 —400 кГц, что соответствует размерам возмущений 1,2-5 мм.

• Впервые проведено экспериментальное определение скорости сверхзвукового потока при плазмо-инициированном взаимодействии воздуха с водородом и этиленом в области, частично занятой плазмой разряда постоянного тока. Показано, что при скорости набегающего сверхзвукового потока 495 м/с скорость газа в области разряда составляет 180-230 м/с, а скорость газа в области химических реакций находится в интервале 100 — 150 м/с.

Личный вклад автора

Все представленные в работе экспериментальные результаты получены автором самостоятельно и в составе научных коллективов Физического факультета МГУ и

ОИВТ РАН. Обработка экспериментальных данных и расчеты выполнены автором самостоятельно.

• Разработаны уникальные методики определения аксиальной протяженности импульсного разряда в потоке и температуры газового потока. '

• Проведены экспериментальные исследования зависимости длины разрядного канала поперечного импульсного периодического разряда в потоке воздуха от длительности импульса. Экспериментально определена скорость потока без подвода тепла в аэродинамическом канале. Осуществлено численное моделирование течения потока в рассматриваемом канале, позволившее провести сравнение полученных результатов.

• Экспериментально определена скорость в случае предварительно нагретого потока и в случае течения реагирующей смеси в канале с помощью метода импульсного разряда. Проведено сравнение полученных результатов с данными численного моделирования. Проведено сравнение значений температур, полученных различными методами.

• Создан программно-аппаратный комплекс, включающий в себя чувствительную лазерную рефракционную систему, которая позволяет обнаруживать малые градиенты плотности в сверхзвуковом потоке, и программу по определению скорости сверхзвукового потока по полученным рефракционной системой сигналам.

• Экспериментально определена скорость холодного и предварительно нагретого сверхзвуковых воздушных потоков с помощью созданного комплекса.

• С помощью созданной автором рефракционной лазерной системы в сверхзвуковом потоке определен спектр возмущений при воздействии как одиночного импульса поперечного электрического разряда, так и последовательности таких импульсов.

• С помощью оптической шлирен-системы, оснащенной камерой линейного сканирования, и дальнейшей компьютерной обработки полученных изображений определена скорость потока в области разряда и в области реагирования водородо-воздушной смеси. Осуществлено численное моделирование горения водорода в сверхзвуковом потоке в условиях, аналогичных экспериментальным. Проведено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы

Полученные экспериментальные результаты являются важными для развития плазменной аэродинамики, газодинамики и физики плазмы. Результаты данной диссертационной работы могут быть использованы при исследовании различных плазменных образований в потоке газа, в экспериментах по плазмоинициированному горению топливных смесей, а также в областях практической аэродинамики. Представленные результаты таюке могут быть применены для оптимизации лабораторных установок, предназначенных для исследования предварительно подогретых потоков газа, в том числе при наличии плазмы в потоке. Результаты работы могут быть использованы в ЦАГИ, ЦИАМ, Институт’ механики МГУ, ИТПМ СО РАН и ряде других организаций.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением традиционных методов экспериментальных исследований для сравнения с результатами, полученными предлагаемыми в диссертационной работе методах\ш измерений. В целях верификации количественных измерений приводится сравнение с результатами численного моделирования. Полученные результаты сопоставлены и согласуются с данными экспериментальных и теоретических работ различных научных групп в России и за рубежом.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на следующих научных конференциях и симпозиумах:

Ломоносов», МГУ, Москва, 2007, 2008; Школа-семинар по магнито-плазменной аэродинамике, ОИВТ РАН, Москва, 2008; AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, San Antonio, Texas, USA, 2009; Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, ОИВТ РАН, Москва, 2009, 2010, 2011; А1АА Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Orlando, Florida, USA, 2010, 2011; IEEE International Conference on

Plasma Science, Norfolk, Virginia, USA, 2010; Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», ФИАН, Звенигород-Москва, 2010; AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, San Francisco, California, USA, 2011; Инженерные системы, РУДН, Москва, 2011;

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК, и 16 статей в сборниках тезисов и трудов конференций. Основные результаты, представленные в диссертации, отражены в публикациях автора, список которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Фирсов, Александр Александрович

Заключение

• Проведено исследование зависимости продольной длины импульсного электрического разряда в высокоскоростном воздушном потоке от параметров разряда. Показано, что при длительности импульса 20-30 мкс разряд может быть применен для измерения скорости потока. Разработан и успешно применен метод определения: скорости по протяженности импульсного разряда для холодного и предварительно нагретого (до ~950 К) воздушных потоков, а также в потоке реагирующей смеси газов. Диапазон скоростей, измеренных предложенным методом, составил от 250 до 850 м/с.

• Разработана новая модификация корреляционного метода определения скорости сверхзвукового потока, позволяющая^ проводить, измерения по естественным маркерам (без внесения искусственных возмущений в поток)' Метод успешно применен для холодного и предварительно нагретого воздушных потоков в диапазоне скоростей от 490 до 1200 м/с. ;

• С , целыо количественного; описания* смешивания впервые проведено экспериментальное изучение влияния: искрового разряда на спектр возмущений плотности сверхзвукового потока. Показано, что разряд создает в потоке неоднородности с характерными размерами 1 - 5 мм.

• Разработан новый метод определения скорости потока в присутствии плазмы электрического разряда и t в области химических реакций в потоке посредством корреляционного анализа шлирен-изображений с камеры линейного сканирования. Впервые проведены прямые измерения скорости реагирующего газа при плазмо-инициированном горении газообразных топлив в сверхзвуковом потоке воздуха: Показано, что при скорости сверхзвукового потока 495 м/с скорость газа в области разряда составляет 180 - 230 м/с, скорость газа в области горения — 100 - 150 м/с.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. Леонову С.Б. и научному консультанту профессору

Александрову А.Ф., коллегам с кафедры Физической электроники Физического факультета МГУ, в частности профессору Ершову А.П. и доценту Черникову В.А., а также коллегам по лаборатории Плазменной аэродинамики Объединенного института высоких температур РАН, в частности Савелкину К.В. и Яранцеву Д.А., за помощь в проведении экспериментов и обсуждение результатов.

Автор благодарит инжиниринговую компанию ТЕСИС за предоставленную в рамках программы поддержки учащихся высших учебных заведений «Учись, студент!» лицензию на программный комплекс вычислительной аэро-гидродинамики Пом> У1&чоп.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Фирсов, Александр Александрович, 2011 год

1. Финкелъбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. / Под ред. Фабриканта В.А. М. : Изд-во иностр. лит. 1961. С. 370.

2. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. М. : Наука. 1974. С. 307.

3. Райзер Ю.П. -Основы современной физики газоразрядных процессов. М.: Наука. 1980. С. 416.

4. А. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М. : Наука. 1992 (le издание 1987 г.). С. 536.

5. Пащенко Н.Т., Райзер Ю.П. -Тлеющий разряд в продольном потоке газа // Физика плазмы. 1982. Т. 8. С. 1086-1092.

6. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко H.A. Высокочастотный емкостный разряд: Физика. Техники эксперимента. Приложения. М. : Изд. МФТИ; Наука. 1995. С. 320.

7. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. М. : Изд. МФТИ. 1997. С. 320.

8. Велихов Е.П., Голубев B.C., Пашкин С.В. -Тлеющий разряд в потоке газа // Успехи физических наук. 1982. Т. 137. № 1. С. 117-150.

9. Арделян Н.В., Космачевский КВ., Чувашев С.Н. Математическое моделирование энергетически эффективных режимов сверхзвукового движения летательного аппарата с вдувом плазмы (газа) из иглы на носу // Прикладная физика. 1999. №6.

10. Fomin V.M., Tretyakov P.К., Taran J.-P. -Flow control using various plasma and aerodynamic approaches (short review) I I Aerospace Science and Technology. 2004. V. 8. №5. P. 411-421.

11. Bletzinger P., Ganguly B.N., Van Wie D., Garscadden A. Plasmas in high speed aerodynamics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. № 4. P. R33-R57.

12. Ершов А.П., Тимофеев И.Б., Черников B.A., Шибкое В.М. Газовые разряды в сверхзвуковых потоках воздуха// Прикладная физика. 1999. № 6.

13. Chernikov VA., Dvinin S.A., Ershov A.P., Timofeev I.B., Shibkov V.M. The Theory of Direct Current Discharge in Transversal Gas Flow // 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2003. 6-9 Jan. Reno. Nevada. USA. AIAA-2003-1193.

14. Герман В.О., Козлов П.В., Любимов Г.А. Экспериментальное взаимодействие электрической дуги с потоком газа // Изв.РАН. МЖГ. 2005. № 5. С. 169-179.

15. Алферов В.И. Исследование структуры электрического разряда большой мощности в высокоскоростном потоке воздуха // Изв.РАН. МЖГ. 2004. № 6. С. 136-175.

16. Ершое А.П., Черников В.А, Шибкое В.М. Поперечные электрические разряды в сверхзвуковых потоках воздуха. М. : Физический факультет МГУ. 2006. С. 96.

17. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М. : Наука. 1991. С. 600.

18. George A., Wilson W W, Cook R.L. Laser velocimetry measurements in an MHD aerodynamic duct //Plasmadynamics and Lasers Conference. 1992. 6-8 July. Nashville, m AIAA-1992-2986.

19. Beck M.S. Correlation in instruments: cross correlation flowmeters // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1981. T. 14. C. 7-19.

20. Kumar R.A., Cook R.L., Norton O.P. -An Extinction Based cross-Correlation Technique for Determination of Flow Velocities // 25th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. 1994. 20-23 June. Colorado Springs. CO. USA. AIAA 94-2444.

21. Smrekar J., Oman J., SirokB., Mori M. and Hocevar M. A cross-correlation optical velocimeter//Meas. Sci. Technol. 2007. V. 18. № 3. P. 555-560.

22. Norton O., Kumar R. Cross Correlation Velocity Measurements in a Simulated MHD Environment //28th Aerospace Siences Meeting . 1990. 8-11 January. Reno. Nevada. USA. AIAA 90-0350.

23. Norton O.P., Kumar R.A., Srikantaiah D.V. A Direct Comparison of CrossCorrelation Velocity Measurement with Laser Doppler Measurements // 29th Aerospace Sciences Meeting. 1991. 7-10 January. Reno. Nevada. USA. AIAA 910213.

24. Adrian R.J. Twenty years of particle image velocimetry // Experiments in Fluids. 2005. №39. C. 159-169.

25. Prasad, Ajay K. Particle image velocimetry // Current Science. 2000. T. 79. № 1. C. 51-60.

26. Raffel М., Willert C., Wereley S., Kompenhans J. Particle image velocimetry. Berlin : Springer. 2007. C. 448.

27. Петров А.П., Наливайченко Д.Г. Метод искрового трассирования для измерения скорости сверхзвукового потока // X International Conference on the Methods of Aerophisical research. 2000. 9-16 July. Novosibirsk. 158-161 (Proceedings).

28. Запрягаев В.И., Петров А.П., Солотчин A.B. Исследование неравномерности распределения скорости в слое смешения недорасширенной струи методом электроразрядного трассирования потока // Прикладная механика и техническая физика. 2004. Т. 45. № 6. С. 58-64.

29. Каменщиков С.А. Взаимодействие плазмы продольно-поперечного и плазмодинамического разрядов со сверхзвуковым воздушно-пропановым потоком. М.: МГУ. Физический факультет. 2011. С. 125. диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н.

30. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. М. : Наука. 1964. С. 370.

31. Громов В.Г., Ершов А.П., Левин В.А., Шибкое В.М. Поперечные разряды в сверхзвуковых потоках воздуха. Моделирование эффектов, влияющих на нагрев газа в разрядном канале // ТВТ. 2006. Т. 44. № 2. С. 185-194.

32. Попов H.A. Исследование механизма "быстрого" нагрева азота и воздуха в газовых разрядах // Физика плазмы. 2001. Т. 27. № 10. С. 940-950.

33. Митин И.В., Русаков B.C. Анализ и обработка экспериментальных данных. М. : Физический факультет МГУ. 2002. С. 44.

34. FlowVision НРС. Руководство пользователя. М.: ТЕСИС. 2011. С. 314. www.flowvision.ru.

35. Колесников Е.Б. Взаимодействие плазмы импульсных разрядов со сверхзвуковыми потоками воздуха. М. : МГУ. Физический факультет. 2009. С. 156. диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н.

36. Ершов А.П., Каменщиков С.А., Колесников Е.Б., Логунов A.A., Фирсов A.A., Черников В.А. О возможности измерения скорости потока с помощью маломощного импульсно-периодического разряда // Изв.РАН. МЖГ. 2008. № 4. С. 119-127.

37. Ершов А.П., Каменщиков С.А., Колесников Е.Б., Логнов A.A., Фирсов A.A., Черников В.А. Измерение скорости потока с помощью поперечного разряда // Вестник МГУ. серия 3. 2008. № 3. С. 70-72.

38. Leonov S.B., Savelkin K.V., Firsov A.A. -Contactless determination of surfacc temperature within the supersonic channel // The 8th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. 2009. 31 March 2 April. Moscow. P. 127-129.

39. Васильев JI.A. Теневые методы. М. : Наука. 1968. С. 400.

40. Черников В.А. Диагностика импульсной плазмы. М. : Физический факультет МГУ. 2004. С. 180.

41. Зайдель А.Н., Островская Г.В. Лазерные методы исследования плазмы. Л : Наука. 1977. С. 220.

42. Алексеенко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники * оптического излучения. Справочник. М.: Радио и связь. 1987. С. 296.

43. Леонов С.Б., Фирсов А.А., Яранцев Д.А. Определение скорости сверхзвукового потока по функции корреляции сигналов рефракционных датчиков // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. № 12. С. 25-31.

44. Leonov S.B., Isaenkov Y.L., Firsov A.A.,Nothnagel S.L., Gimelshein S.F., Shneider M.N. Jet regime of the afterspark channel decay //Phys. Plasmas. 2010. T. 17. №053505. C. 1-8.

45. Leonov S.B., Isaenkov Y.I., Firsov A.A. Mixing intensification in High-Speed Flow by Unstable Pulse Discharge // 40thiAIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. 2009. 22-25 June. San Antonio. Texas. USA. AIAA 2009-4074.

46. Leonov S.B., Firsov A.A., Isaenkov Y.I., Shurupov M.A., Yarantsev D.A., Shneider

47. M.N. Long-spark discharge in mixing layer of two molecular co-flown gases // The 37th IEEE International Conference on Plasma Science. 2010. 20-24 June. Norfolk. Virginia. USA. P. 437. ’

48. Leonov S.B., Isaenkov Y.I., Firsov A.A., Yarantsev D.A. Mixing acceleration in highspeed flow by long-spark electrical discharge // The 8th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics . 2009. 31 March - 2 April. JIHT RAS. Moscow. P. 61-67.

49. Кулманаков С.П., Яковлев С.В. Моделирование рабочего процесса сгорания в цилиндре дизеля // Вестник алтайской науки. 2010. № 2 (9). С. 35-38.

50. Firsov A.A , Leonov S.B., Miller A.B. Numerical Simulations of Sypersonic Flow in Covergent-DivergentDuct with Discharge Supply //The 9th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. 2010. 13 - 15 April. Moscow.

51. Фирсов А.А., Леонов С.Б. Управление положением ударной волны с помощью электрического разряда // XIII Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики». ФИАН. 2010. 14-19 ноября. Звенигород-Москва. С.225-227.

52. Leonov S.B., Firsov А.А., Shurupov М.А. -Flow structure analysis by crosscorrelation image processing // The 10th international Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics. 2011. 22-24 March. JIHT RAS. Moscow.

53. Александров А.Ф., Леонов С.Б., Фирсов А.А. -Численное моделирование горения водорода в сверхзвуковом воздушном потоке // Инженерные системы -2011. 5-8 апреля. РУДН. Москва.

54. Леонов С.Б., Савелкин К.В., Фирсов А.А., Яранцев Д.А. Зажигание топлива и стабилизация фронта пламени в сверхзвуковом потоке при помощи электрического разряда // ТВТ. 2010. Т. 48. № 6. С. 941-947.