ВишняковО.И

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ O2 НА РАЗГОН
ГАЗА В ДБР
О.И. Вишняков, П.А. Поливанов, А.А. Сидоренко, А.А. Маслов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.
Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук
РОССИЯ 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1
Данная работа относится к исследованию новых методов
управления потоком. В ней работе рассматриваются плазменные
актуаторы основанные на диэлектрическом барьерном разряде (ДБР),
которые представляют простые электрические устройства, которые
легко могут быть интегрированы в конструкцию летательного аппарата.
ДБР позволяет добиться модификации воздушного потока, например,
для управления отрывными течениями. Эти факторы привели к
значительной популярности исследований управления потоком при
помощи ДБР. Одним из наиболее интересных механизмов воздействия
ДБР на поток является генерация ионного ветра. Многие исследования
были посвящены исследованию воздействия ДБР на поток (например,
обзор [1]). Кроме того уже есть некоторые попытки использования ДБР
в лётном эксперименте [2, 3]. К сожалению, значительные успехи были
достигнуты только при малых числах Рейнольдса. Для дальнейшего
повышения эффективности генерации ионного ветра необходимо
расширить понимание физики работы плазменного актуатора.
Одним из важных вопросов является процесс образования ионов
кислорода и азота и их влияние на поток. Этот вид информации может
быть получен на основе измерений сил при различных соотношениях
концентраций O2/N2. Хорошо известно, что DBD генерирует
осциллирующий ионный ветер, поэтому методика измерений должна
обеспечивать разрешение по времени. В работе [4] была измерена тяга,
создаваемая ДБР, и отмечено её значительное сокращение при низкой
концентрации кислорода. Экспериментальная методика, используемая в
работе [4] не позволяет понять нестационарных процессов,
происходящих в области плазмы. Методика PIV [5] позволяет получить
распределение нестационарной объемной силы, возникающей в ДБР, с
большей точностью. Настоящее исследование посвящено измерению в
нестационарного поле течения, индуцированное одиночным ДБР для
 О.И. Вишняков, П.А. Поливанов, А.А. Сидоренко, А.А. Маслов, 2014
1
различных соотношений концентраций O2/N2.
Рис. 1 Схема ДБР
Эксперименты проводились в покоящейся среде при атмосферном
давлении и комнатной температуре. Схему ДБР можно найти на рис. 1.
На основе полученных методом PIV полей скорости были рассчитаны
распределения ускорения в зоне работы разряда. Этот метод позволил
оценить эволюцию во времени силы, индуцированной ДБР [5], а также
изменение эффективности работы разряда
в зависимости от
концентрации кислорода. Концентрация кислорода в экспериментах
варьировалась от ≈ 0% до ≈90%. Все измерения проводились при подаче
синусоидального напряжения с частотой 13,5 кГц и амплитудой ≈7 kV.
Для оценки влияния концентрации кислорода на генерацию
ионного ветра проводилось сравнение следующих параметров: средняя
мощность потока, генерируемого в ДБР
,
мощности пульсаций потока, генерируемого в ДБР
,
здесь Vx , Vy –продольная и поперечная компоненты скорости потока;
ax, ay – продольная и поперечная компоненты ускорения потока, l = 15
см длина электродов. А также затрачиваемая электрическая мощность
Ps. На рис. 2 приведены зависимости этих параметров от концентрации
кислорода. Отметим, что наибольшее изменение параметров
происходит при уменьшении концентрации кислорода с нормальных
20-21% до 0%, поэтому данный диапазон исследовался дополнительно.
Также наблюдается большой разброс данных, что связанно с
изменением влажности в экспериментах. Влияние влажности на
генерацию ионного ветра было показано в работе [6]. Однако
полученные данные позволяют проследить основные тенденции.
Хорошо видно, что для всех концентраций кислорода электрическая
мощность уменьшается с увеличением содержания кислорода. Это
объясняется тем, что молекулы кислорода более электроотрицательны,
чем молекула азота и легко захватывают электроны. Соответственно
2
снижение концентрации кислорода приводит к созданию более
благоприятных условий для образования плазмы, что приводит к
расширению области плазмы и повышению электрического тока (при
постоянном напряжении). Средняя энергия потока P fa увеличивается,
пока концентрация кислорода не достигнет примерно 20%, при
дальнейшем увеличении концентрации кислорода значительных
изменений не наблюдается. При этом подводимая мощность
уменьшается с повышением содержания кислорода, следовательно,
эффективность генерации среднего по времени ионного ветра
возрастает.
Мощность пульсации потока Pfp изменяется по-другому. Она
уменьшается с увеличением содержания кислорода примерно
пропорционально сокращению подаваемой электрической мощности.
Это означает, что эффективность генерации пульсаций практически
постоянна. Это важный и новый результат, который позволяет сделать
вывод, что концентрация кислорода влияет на баланс ускорения и
замедления потока производимого ЭГД силами. Предыдущие
исследования были сосредоточены в основном влиянии кислорода и
азота на среднее течение, поэтому это явление не было обнаружено. Эти
данные расширяют понимание процессов генерации ионного ветра,
происходящих в ДБР, однако, полученных данных недостаточно для
построения конкретных моделей генерации ионного ветра необходимых
для проектирования более эффективных конструкций разрядников,
поэтому данное направление требуют дальнейших исследований.
0.03
10
0.0012
0.012
0.0006
0.008
0.0004
10
8
8
0.02
Ps,W
Pfa, W
4
0.01
6
Ps,W
Pfp, W
Pfa, W
Pfp, W
6
0.0008
4
0.004
0.0002
0.0004
Pfa
Pfp
2
Pfa
Pfp
Ps
0
0
0
0
20
40
60
80
2
Ps
0
0
100
O2 , %
0
0
5
10
15
20
25
O2 , %
a)
b)
Рис. 2 Изменение средней, пульсационной и затрачиваемой мощности в
зависимости от концентрации кислорода (a) 0-100% О2 (b) 0-25% О2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3
1.
2.
3.
4.
Corke T.C., Enloe C.L. and Wilkinson S.P. Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators
for Flow Control, Annual Rev. of Fluid Mech, 2010, Vol. 42, p. 505-529.
Sidorenko A.A., Budovsky A.D., Polivanov P.A., Maslov A.A. Study of dielectric barrier
discharge in flight experiments. ICMAR'2012 (Kazan, Russia, 19 - 25 Aug., 2012) :
abstracts. Pt.II. Kazan, 2012. p. 251-252.
Friedrichs W., Grundmann S., Tropea C. Unmanned aerial vehicle for plasma flow
control, Joint ERCOFTAC/PLASMAERO Workshop, 10-12 December 2012, Toulouse.
Font G. I., Enloe C. L., Newcomb J. Y., Teague A. L., Vasso A. R., McLaughlin T. E.
Effects of Oxygen Content on Dielectric Behavior Barrier Discharge Plasma Actuator
Behavior, AIAA Journal, 2011, Vol. 49, No. 7, p. 1366-1373
5. Polivanov P.A., Vishnyakov O.I., Sidorenko A.A., Maslov A.A.
6.
4
Investigation of a
nonstationary flow field generated by a dielectric barrier discharge. Technical Physics,
2012, Vol.57, No.4. p. 457-467.
Benard N., Balcon N. and Moreau E. Electric wind produced by a surface dielectric
barrier discharge operating over a wide range of relative humidity. AIAA 2009-488.