Моделирование разряда постоянного тока в сверхзвуковом потоке

Язык труда и переводы:
УДК:
533.9
Дата публикации:
12 января 2022, 19:05
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Тарасов Дмитрий Алексеевич
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Фирсов Александр Александрович
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Аннотация:
Рассмотрено моделирование электрического разряда постоянного тока в сверхзвуковом воздушном потоке. Расчеты выполнены в программном комплексе FlowVision 3.12. Для моделирования использовалась одножидкостная модель равновесной плазмы. Цилиндрические электроды диаметра 1,5 мм расположены в стенке и разнесены на 4 мм друг от друга в перпендикулярном потоку направлении. В работе проанализирован разряд постоянного тока 5А в пристеночной области течения. Получены трехмерные распределения температуры и плотности тока во время эволюции разряда в потоке. Показано удлинение разрядного канала потоком и частичный распад канала после перепробоя.
Ключевые слова:
плазма, сверхзвуковой поток, электрический разряд, CFD-моделирование
Основной текст труда

В последние годы ведутся активные исследования по использованию электрических разрядов в целях поджига топливовоздушных смесей и стабилизации их горения в высокоскоростных потоках [1]. Для достижения поставленных целей использовались различные подходы. Рассматривалось инжектирование топлива, как в область разряда, так и в полостной стабилизатор пламени с расположенным перед ним высоковольтным разрядом. Исследовалось ранее и возможность применения плазменной системы, как для воспламенения топлива, так и стабилизации фронта пламени без использования механических стабилизаторов [2].

По сравнению с экспериментом компьютерное моделирование может предоставить полные трехмерные распределения, таких физических величин как скорость, давление и температура. Поэтому моделирование в области плазменно-стимулированного горения является актуальной задачей. Моделирование электрического разряда ранее уже было предпринято. Во многих работах проводилось двумерное моделирование поперечного сечения разряда, который движется под действием постоянного магнитного поля или медленного потока воздуха. В работе [3] были получены трехмерные распределения характеристик разряда в сверхзвуковом потоке, где постановка задачи была осесимметричная, и моделировался двумерный сектор разряда между двумя электродами.

Однако разрядный канал, даже в случае его направленности вдоль потока, не является прямой линией. Результаты 2D моделирования недостаточно полно описывают поведение таких существенно трехмерных конструкций, как электрический разряд. Именно эти недостатки и приводят к необходимости трехмерного моделирования электрического разряда и сравнения результатов с экспериментом и работами других исследовательских групп.

В представленной здесь работе была поставлена задача трехмерного моделирования разряда постоянного тока в пристеночной области сверхзвукового потока. Целью данной работы является изучение влияния такого разряда на поток и рассмотрение эволюции разряда с учетом перепробоя в выбранном приближении одножидкостной модели.

Все расчеты были проведены в программном комплексе FlowVision, где реализованы математические модели различных процессов. Подробное описание используемых уравнений можно найти в работе [4]. Для моделирования электрического разряда использовалась одножидкостная модель равновесной плазмы. В рамках этого подхода необходимо знать термодинамические характеристики и параметры процессов переноса воздуха в широком диапазоне температур и давлений. Особенно важны температурные зависимости теплопроводности λ(T) и удельной электропроводности σe(T). В работе использовались данные о физических характеристиках воздуха из [5]. Областью их применимости является воздух при давлениях 0.01–100 атмосфер и температурах 50–60000 К, что в несколько раз больше необходимого диапазона значений. В качестве материала электрода использовалась медь, физические характеристики которой были загружены из стандартной библиотеки веществ FlowVision.

Разряд постоянного тока 5А располагался в пристеночной области сверхзвукового течения, число Маха М = 2, температура Tg = 167 K, давление P = 22 кПа. В результате моделирования были получены трехмерные распределения температуры и плотности электрического тока в течение эволюции разряда. Токовый канал имеет U-образную форму с двумя параллельными частями, отходящими от электродов и расположенными вдоль потока, и перпендикулярной им перемычкой, удаляющейся от электродов с течением времени под воздействием потока воздуха. Плоскость разряда наклонена под небольшим углом по отношению к плоскости стенки, однако перемычка скользит вдоль стенки, касаясь ее. Размер нагретой разрядом области существенно больше диаметра токового канала, что согласуется с экспериментальными данными. Ниже по течению разряд оставляет температурный шлейф длиной примерно равной длине разряда. В работе было проведено моделирование перепробоя, в результате которого часть канала разряда постепенно остывала и распадалась без протекающего по ней тока. На протяжении всего времени моделирования записывались электрические параметры разряда, а именно зависимость напряжения от времени. Полученные распределения и осциллограмма сравнены с результатом записи на высокоскоростную камеру и теневой съемки.

Полученные результаты будут использованы для продолжения работы по моделированию разряда в схожих постановках с добавлением в расчет химических реакций горения. В текущей модели не рассматриваются процессы в приэлектродной зоне, хотя они играют важную роль в механизме развития разряда на начальных этапах. Однако такие упрощения модели допустимы в данной работе, направленной на изучение влияния эволюции разрядного канала на поле скоростей и температур сверхзвукового потока воздуха, а в дальнейшем и на горение топливно-воздушной смеси. Значительно большее влияние на них оказывают температурные характеристики разряда в средней его части, его форма и возникающие перепробои разряда.

 

Грант
Исследование поддержано грантом РНФ № 21-79-10408.
Литература
  1. Leonov S.B. Electrically Driven Supersonic Combustion // Energies. 2018. Vol. 11(7). 1733. DOI: 10.3390/en11071733
  2. Firsov A.A., Dolgov E., Leonov S.B., Yarantsev D.A. Advanced Ignition in Supersonic Airflow by Tunable Plasma System // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 249. No. 012022. DOI: 10.1088/1757-899X/249/1/012022
  3. Bityurin V.A., Bocharov A.N., Kuznetsova T.N. Numerical simulation of an axisymmetric discharge in a supersonic air co-flow // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1698. No. 012027. DOI: 10.1088/1742-6596/1698/1/012027
  4. Tarasov D.A., Firsov A.A. CFD simulation of DC-discharge in airflow // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2100, No. 012015. DOI: 10.1088/1742-6596/2100/1/012015
  5. D’Angola A., Colonna G., Gorse C., Capitelli M. Thermodynamic and transport properties in equilibrium air plasmas in a wide pressure and temperature range // The European Physical Journal D. 2008. Vol. 46. PP. 129–150. DOI: 10.1140/epjd/e2007-00305-4
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.