Введение к работе
Актуальность работы
Развитие и разработка новых аэрокосмических технологий с неизбежностью требует поиска новых возможностей управления перспективными летательными аппаратами или в более широком смысле - управления высокоскоростными потоками. Поиск новых возможностей управления потоком непрерывно ведется в широком спектре научных направлений. И в этом большом списке научных направлений методы магнитоплазменной аэродинамики (МПА) вызывают большой интерес. Привлекательность МПА ассоциируется с возможностью изменения характеристик течения с помощью электрических и магнитных полей. Высокий интерес к воздействию магнитного поля на высокоскоростные, в том числе гиперзвуковые, течения обусловлен как возможностью управления характеристиками обтекания тел при входе в атмосферы планет или при полете перспективных гиперзвуковых аппаратов в верхних слоях атмосферы, так и возможностью использования энергетического потенциала потока. Исследование этих возможностей с необходимостью требует развития физических и вычислительных моделей, пригодных для анализа магнитогидродинамических (МГД) течений в высокоскоростных неравновесных потоках газа в условиях сильной неоднородности свойств среды.
Упомянутые выше направления исследований можно отнести к классу внешних течений, связанных с обтеканием тел. В то же время интенсивно исследуются методы и технологии, направленные на интенсификацию таких важных процессов, как смешение компонент топлива, зажигание и горение в современных и перспективных двигательных установках. Особый интерес в этом направлении вызывают в последнее время методы, связанные с применением плазменных технологий. Как правило, использование плазмы ассоциируется с энерговыделением и химическими превращениями, специфическими для плазмы. Рассматриваемая в работе новая идея использования магнитного поля для интенсификации процессов смешения и горения основывается не только на энергетическом и химическом потенциале плазменных технологий, но и на их динамическом потенциале, обусловленном движением плазменных образований в магнитном поле.
Традиционно высоким является интерес к использованию плазменных технологий в аэродинамике, связанный с потенциальным воздействием на интегральные и локальные характеристики обтекания тел: модификация скачков уплотнения, управление пограничными слоями и отрывом потока, воздействие на вихревые структуры в потоке и другие. Если роль нагрева за счет протекающих в плазме токов качественно ясна, то силовое воздействие заряженной
(неквазинейтральной) плазмы на поток вызывает все нарастающий интерес. Особый интерес вызывает воздействие на характеристики течения электростатических сил, возникающих в слоях объемного заряда. Но даже в квази-нейтральной (но неравновесной) плазме характеристики течения в значительной степени определяются величиной электрического поля, а не температурой и давлением, например. Поэтому исследования характеристик высокоскоростных потоков неравновесной плазмы представляют интерес вне зависимости от механизмов влияния плазмы на газодинамические параметры течения.
Актуальность исследований в различных направлениях магнитоплазменной аэродинамики определяется необходимостью поиска и разработки новых методов управления высокоскоростными потоками при том, что получение экспериментальной информации о характеристиках течения либо затруднено, либо невозможно. Поэтому разработка адекватных физических и численных моделей магнитоплазменной аэродинамики представляется необходимой и актуальной. Анализ новых технологий управления высокоскоростными потоками методами магнитоплазменной аэродинамики невозможен без проведения численных исследований свойств течений ионизованного газа в электрических и магнитных полях. Поэтому исследование фундаментальных свойств сверх- и гиперзвуковых течений много-компонентной химически реагирующей среды в сильных электрических и магнитных полях представляет самостоятельную и актуальную задачу.
Цели диссертации
Разработка физических и численных моделей течения много-компонентной химически реагирующей среды в сильных электрических и магнитных полях.
Исследование фундаментальных свойств гиперзвуковых магнитогидро-динамических течений и оценка применимости МГД технологий в аэрокосмических приложениях.
Исследование новых возможностей интенсификации процессов смешения и горения в высокоскоростных потоках с помощью электрических и магнитных полей.
Исследование механизмов воздействия неравновесных неквазинеитральных плазменных образований на характеристики высокоскоростных потоков газа.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработан вычислительный комплекс для анализа неравновесных процессов в высокоскоростных газовых потоках в присутствии электрических и магнитных полей. Разработанный комплекс реализует замкнутое описание течений много-
компонентной химически реагирующей среды в сильных электрических и магнитных полях.
Предложена концепция электромагнитной тепловой защиты летательного аппарата. Предложен новый метод электромагнитной тепловой защиты, основанный на ускоренном МГД торможении аппарата в верхних слоях атмосферы. Предложена идея МГД генерации энергии на борту летательного аппарата.
Предложен метод интенсификации процессов перемешивания, зажигания и горения в предварительно несмешанных горючих смесях. Разработаны модели взаимодействия электрического разряда с потоком газа в магнитном поле. Проведено сравнение результатов численного и физического эксперимента, демонстрирующих базовую идею предложенного метода.
Выполнено исследование механизмов воздействия слабоионизованнои плазмы на аэродинамические характеристики обтекаемых тел.
Научная новизна
Научная новизна диссертации определяется следующими основными результатами.
Установлены основные черты МГД взаимодействия в гиперзвуковых потоках слабоионизованнои плазмы. Установлена роль неравновесных процессов, пространственной неоднородности свойств среды, анизотропии свойств в магнитном поле в МГД течениях вокруг тел.
Впервые рассмотрено гиперзвуковое МГД течение вокруг затупленного тела с учетом реальных термодинамических и переносных свойств воздуха. Показано, что для достаточно широкого класса условий, определяемых масштабами и скоростью аппарата, существует принципиальная возможность значительного снижения тепловых потоков на поверхности аппарата за счет организации МГД взаимодействия в головной части ударного слоя. Показано, что эффективность МГД теплозащиты существенно зависит от пространственной неоднородности параметров плазмы.
Рассмотрены новые предложения по МГД управлению высокоскоростными летательными аппаратами, связанные с организацией МГД взаимодействия в большом объеме плазмы ударного слоя. В частности, ускоренное МГД торможение аппарата в верхних слоях атмосферы предлагает иной подход к тепловой защите спускаемого аппарата: снижение скорости аппарата до входа в плотные слои атмосферы, где тепловые нагрузки становятся особенно велики. Показано, что существует принципиальная возможность увеличения гидродинамического сопротивления тела на порядок. Другим полезным следствием является генерация электрической энергии на борту летательного аппарата. Показана возможность извлечения электрической мощности
мегаваттного уровня при движении летательного аппарата в верхних слоях атмосферы Земли.
Предложена возможность МГД интенсификации процессов смешения, зажигания и горения в предварительно несмешанных потоках топлива. Суть предложения заключается в генерации МГД взаимодействия в плазме, существенно изменяющего кинематические характеристики всего потока. Высокие температуры в плазме - следствие нагрева от протекающих токов -способствуют ускорению молекулярного переноса и химических реакций на границах плазмы с холодным потоком.
Исследованы механизмы воздействия неравновесной неквазинейтральной плазмы (разряды постоянного тока и высокочастотные разряды) на характеристики обтекания тел. Установлена роль нагрева газа электронным и ионным током; установлено влияние, энергетическое и динамическое, слоев объемного заряда на характеристики течения. Показано, что в неравновесной плазме роль плазмохимических и электродинамических процессов может быть критически важной.
Теоретическая и практическая ценность
Теоретическая и практическая ценность работы заключается в следующем. Впервые численно рассмотрено МГД течение вокруг тел в условиях реальной атмосферы Земли; установлено влияние анизотропии переносных свойств в магнитном поле на характеристики обтекания; установлено влияние градиентов свойств течения и неравновесных эффектов на характеристики обтекания.
Предложен ряд новых МГД технологий для аэрокосмических приложений. В работе численно продемонстрирован их потенциал с точки зрения улучшения аэродинамических характеристик течения. В частности, в рамках концепции традиционной электромагнитной теплозащиты установлена возможность значительного снижения тепловых нагрузок на поверхности летательного аппарата; в альтернативной концепции теплозащиты (МГД парашют) показана возможность ускоренного МГД торможения спускаемого аппарата; в рамках концепции МГД интенсификации смешения показана возможность значительного ускорения процессов смешения и зажигания в высокоскоростных потоках холодного газа.
Результаты численных экспериментов легли в основу постановки экспериментальных исследований МГД взаимодействия в гиперзвуковых потоках; численное моделирование являлось основным инструментом анализа и интерпретации экспериментальных результатов. Результаты численных экспериментов легли в основу постановки физического эксперимента и анализа экспериментальных результатов по МГД интенсификации смешения и зажигания.
Впервые численно рассмотрено высокоскоростное течение слабоионизованного неквазинейтрального газа вокруг аэродинамических тел. Установлено влияние основных механизмов воздействия плазменных образований на аэродинамические характеристики течения. С помощью численного моделирования дано объяснение ряду "аномальных" характеристик электрического разряда в потоке, обнаруженных ранее в экспериментах.
Основные публикации
По теме диссертации опубликована 97 работ, включая 17 работ в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов докторских диссертаций. Список основных публикаций приводится в конце автореферата.
Достоверность результатов
Достоверность результатов основывается на сравнении результатов решения многочисленных тестовых задач по проверке принципиальных элементов разработанных моделей с известными численными и аналитическими решениями вычислительной газовой динамики, аэротермодинамики, электродинамики. В ряде случаев имеется хорошее согласие численных результатов с имеющимися экспериментальными данными.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались на международных и российских конференциях, симпозиумах и семинарах: 13-17 Международных конференциях по МГД преобразованию энергии ( 13 - Beijing, 1999; 14 - Maui, Havaii, 2002; 15 -Москва; 2005; 16 - Miami, FL, 2007; 17 - Shonan Vilage Center, Japan, 2009); 30 - 38 Plasmadynamics and Lasers Conferences (1999 - 2009, Reno, Nevada); 39 - 47 AIAA Aerospace Sciences Meeting (2001 - 2009, Reno, Nevada); 4th International Symposium Atmospheric Reentry Vehicles & Systems, (2005, Arcachon-France ); 1 - 10 Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics (Moscow, 2001 - 2010); 1st International ARA Days (Arcachon, France, 2006) и др.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в разработке концепций, постановке задач, анализе результатов; им разработаны соответствующие физические и численные модели. Автором выполнены все численные расчеты и получены все результаты работы.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, шести глав, Заключения и Приложения. Основной текст занимает 297 страниц, содержит 204 рисунка, 1 таблицу и 263 ссылки.
