Теплофизика высоких температур, 2021, T. 59, № 1, стр. 22-30

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время интенсивно развивается новое направление в физике плазмы − плазменная аэродинамика. При этом для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов предлагается с помощью электрических разрядов создавать перед ними и на их несущих поверхностях плазменные образования. Плазменная технология используется также для целей уменьшения времени воспламенения горючего, управления процессом сверхзвукового горения и его стабилизации в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. С начала 1960-х годов проводятся исследования параметров низкотемпературной плазмы, создаваемой в сверхзвуковых потоках воздуха. Основополагающими работами в области плазменной аэродинамики являются исследования свойств поперечных электрических разрядов постоянного тока в сверхзвуковых потоках воздуха [1, 2]. Влияние высокоскоростного течения на свойства продольного разряда анализировалось в [3], где рассмотрены вопросы, связанные с возможностью существования продольного разряда в случае, когда дрейфовая скорость положительных ионов, движущихся от анода к катоду, становится соизмеримой со скоростью потока, распространяющегося в противоположном направлении. С ц-елью воспламенения углеводородных топлив в условиях сверхзвукового воздушного потока применяются различного типа разряды, в частности импульсные поперечные разряды постоянного тока [4, 5], свободно локализованные СВЧ-разряды, создаваемые в сфокусированном пучке электромагнитного излучения [6, 7], а также поверхностный СВЧ-разряд, создаваемый на диэлектрической антенне [8–11]. В работах [12–14] изучается возможность применения для воспламенения углеводородного топлива высоковольтных наносекундных разрядов. Проведено также исследование горения при одновременном воздействии на газ ударной волны и импульсного неравновесного разряда. В [15] рассмотрена возможность использования конструкции плазменных генераторов на основе факельного разряда в качестве воспламенителя этилена и авиационного керосина в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя. В работах [16–20] предложно использовать поперечно-продольный пульсирующий в потоке воздуха разряд для стабилизации горения углеводородного топлива.

В настоящей статье изучаются основные характеристики нестационарного поперечно-продольного электродного разряда, создаваемого в дозвуковых и сверхзвуковых многокомпонентных газовых потоках. При включении источника постоянного напряжения по кратчайшему расстоянию между катодом и анодом происходит пробой воздуха. Образующаяся плазменная перемычка начинает сноситься высокоскоростным воздушным потоком. Плазменный канал, скользящий в направлении потока вдоль горизонтально расположенных электродов, удлиняется и искривляется. Через некоторое время концы плазменной перемычки фиксируются на концах анода и катода, а плазменный канал продолжает вытягиваться в виде петли вниз по направлению распространения потока. При этом в анодной части плазменного канала дрейфовая скорость движения ионов совпадает по направлению со скоростью потока, тогда как в катодной части петли скорость дрейфа положительных ионов противоположна направлению распространения потока. Длина канала увеличивается, падение напряжения на нем растет и может превысить пороговое пробойное значение. После этого по кратчайшему расстоянию между электродами происходит новый пробой, и процесс повторяется периодически с некоторой частотой. В работе исследуется влияние минимального межэлектродного расстояния на максимально достижимое перед повторным пробоем напряжение на разрядном промежутке, на напряженность продольного электрического поля в плазменной петле, на длину разрядного канала, частоту пульсаций напряжения и разрядного тока. Рассматривается влияние скорости потока на частоту пульсаций разряда при различных составах пропан-воздушной смеси и значениях разрядного тока.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Исследования поперечно-продольного разряда, создаваемого в двух конфигурациях, проводились на экспериментальной установке, подробно описанной в предыдущих работах [16–19]. Установка включает в себя вакуумную камеру с внутренним диаметром 1 м и длиной 3 м, систему для создания высокоскоростного потока, высоковольтный источник питания постоянного тока, систему синхронизации и диагностическую аппаратуру. Система хранения воздуха высокого давления состоит из газгольдера объемом 0.56 м³ с компрессором, поднимающим давление воздуха в ресивере до р = 1−5 атм.; клапана высокого давления; детектора для измерения динамического давления; электромагнитного клапана с временем срабатывания t ~ 0.05 с, обеспечивающего длительность пуска τ = 0.5−3.0 с. Массовый расход воздуха в эксперименте мог изменяться от 40 до 150 г/с. Система накопления и хранения газообразного горючего состоит из стандартного баллона объемом 0.04 м³, содержащего жидкий пропан. Через запорный клапан и редуктор уже газообразное топливо поступает в ресивер объемом 0.012 м³. При открытии клапана воздух и пропан поступают в смеситель, установленный в дозвуковой части канала. Смешение происходит в основном до критического сечения сверхзвукового сопла Лаваля. Секундный массовый расход пропана в эксперименте мог изменяться от 3 до 6 г/с. Эквивалентное отношение для пропана, равное отношению доли пропана в топливе к его доле в стехиометрической смеси, изменялось от 0.5 до 1.7.

В первой серии экспериментов электродный разряд формировался на поверхности диэлектрической пластины, обтекаемой высокоскоростной воздушной струей. Во второй серии изучался пульсирующий разряд, генерируемый в высокоскоростном воздушном потоке внутри аэродинамического канала.

В первой конфигурации разряд создавался на верхней поверхности тефлоновой пластины. Пластина плотно пристыковывалась к сопловому блоку, так что ее верхняя поверхность являлась продолжением нижней стенки прямоугольного сопла Лаваля. Данная система помещалась в открытую барокамеру при атмосферном давлении воздуха. Истекающая из сопла высокоскоростная воздушная струя распространялась вдоль верхней поверхности пластины. На рис. 1 представлено схематическое изображение блока питания 3–5, электродной системы 1 и плазменной петли 2 пульсирующего поперечно-продольного разряда (вид в направлении, перпендикулярном поверхности пластины).

Рис. 1.

Схематическое изображение блока питания, электродной системы и плазменной петли пульсирующего поперечно-продольного разряда: 1 – электродный узел (анод вверху, катод внизу), 2 – плазменная петля, 3 – источник питания постоянного тока, 4 – балластное сопротивление, 5 – сопротивление для измерения разрядного тока; l – продольная длина электродов, L – полная длина плазменного канала; стрелкой показано направление распространения воздушной струи.

На пластине заподлицо с ее поверхностью монтировались два хорошо обтекаемых медных электрода 1 специальной конфигурации [16]. Длина электродов одинакова и составляет l = 33 мм. Электроды располагались симметрично относительно оси распространения воздушной струи. Максимальная толщина электродов не превышала 1 мм, а ширина – 5 мм. Кратчайшее расстояние между электродами d можно было изменять ступенчато от 0.1 до 1 мм. Расстояние определялось с помощью набора эталонных пластин с шагом 0.1 мм. Максимальное расстояние между анодом и катодом равно 20 мм. Массовый расход воздуха в эксперименте мог изменяться от 40 до 125 г/с. Расход пропана варьировался от 3 до 5.5 г/с. Вакуумная система позволяла проводить эксперименты в диапазоне давлений воздуха в разрядной камере от 10 до 760 Тор. Данная серия экспериментов проводилась в открытой барокамере при атмосферном давлении воздуха.

Во второй серии экспериментов исследовался поперечно-продольный разряд, создаваемый в дозвуковых и сверхзвуковых потоках воздуха между двумя электродами, смонтированными внутри расширяющегося аэродинамического канала [17–22]. Электроды располагались симметрично относительно оси аэродинамического канала и не касались его стенок. Минимальное расстояние между электродами не изменялось и было равно 0.2 мм. Длина электродов l = 65 мм. Продольная длина канала – 50 см. Отношение выходного сечения S₂ = 38 см² к входному сечению S₁ = 3 см² канала S₂/S₁ = 12.7. Вторая серия экспериментов также проводилась в открытой барокамере при атмосферном давлении воздуха. Пульсирующий разряд создается с помощью стационарного источника питания с выходным напряжением U = 4.5 кВ и внутренним сопротивлением r = 100 Ом. В электрическую цепь последовательно включены источник питания, балластное сопротивление, величина которого могла ступенчато переключаться в пять фиксированных позиций R₄ = 145–675 Ом, безындукционное сопротивление R₅ = 0.32 Ом, служащее для измерения разрядного тока, и разрядный промежуток. Эксперименты проводились при пяти значениях максимального пульсирующего тока 5.5, 9.8, 12.5, 14.5 и 15.5 А. Длительность импульса напряжения изменялась от 0.5 до 2 с.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для измерений использовался диагностический комплекс, состоящий из цифровых спектрографов, осциллографов, фото- и видеокамер, фотоэлектронных умножителей, электрических зондов, тензовесов, датчиков давления, персональных компьютеров. Основные параметры пульсирующего разряда определялись с помощью автоматизированной системы сбора и обработки информации, позволяющей в масштабах реального времени проводить регистрацию спектров излучения газоразрядной плазмы, сигналов от электрических зондов, импульсных датчиков давления, термопарных датчиков, фотоэлектронного умножителя, тензодатчиков, безындукционного малого сопротивления, высоковольтного безындукционного делителя. Безындукционное сопротивление R₅ = 0.32 Ом использовалось для регистрации осциллограммы разрядного тока. Временнóй ход падения напряжения на разрядном промежутке измерялся с использованием безындукционного делителя напряжения с коэффициентом деления k = 8760. Процесс развития плазменной петли фиксировался с использованием цифровой видеокамеры “ВидеоСпринт” с электронно-оптическим затвором и цифрового фотоаппарата D50. Съемка проводилась при частоте повторения кадров 6024 Гц с временем экспозиции одного кадра 2 мкс.

С помощью высокоскоростной видео- и фотосъемки, зондового метода, осциллографии, фотоэлектронного умножителя определялась динамика разряда: изменение во времени длины плазменного канала, скорости его распространения, частоты и, соответственно, периода пульсаций разряда, частоты пульсации интенсивности свечения, частоты пульсаций напряжения на разряде и разрядного тока, напряженности электрического поля. Средняя по длине плазменного канала напряженность электрического поля вычислялась по формуле E = U/L, где U и L – падение напряжения на плазменном канале и его полная длина. Длина L в различные моменты времени существования пульсирующего разряда определялась с помощью высокоскоростной видеосъемки, позволяющей регистрировать общий вид разряда. В [19] показано, что средняя по длине плазменного канала напряженность электрического поля остается практически постоянной в течение развития одной плазменной петли. Поэтому в данной серии экспериментов вычисления E проводились для момента времени, когда падение напряжения на разряде достигает максимального значения, при этом плазменный канал – максимальной длины. Полученные результаты сравнивались с данными, полученными в работе [23], в которой проводилась регистрация временнóго хода плавающих потенциалов φ(t) с помощью двух подвижных зондов, расстояние между которыми было фиксировано a = 7 мм. Напряженность продольного электрического поля в катодной и анодной частях плазменной петли определялась по формуле E(t) = Δφ(t)/a. Полученные результаты достаточно хорошо согласуются друг с другом. Однако применение зондового метода измерения при больших значениях потенциалов плазмы (особенно в анодной части плазменной петли) затруднительно, требуется применять оптические развязки для защиты измерительной аппаратуры. Поэтому в данной работе продольное электрическое поле определялось по измеренному падению напряжения на разряде и регистрации полной длины канала.

Частота пульсаций разряда является важной характеристикой, определяющей режим поддержания горения топливных смесей в высокоскоростных потоках. В экспериментах частота пульсаций разряда находилась тремя способами. В первом с помощью скоростной цифровой видеокамеры проводилась съемка нестационарного пульсирующего разряда. За один пуск регистрировалось до двенадцати тысяч кадров. Обработка полученных данных позволяла получить время развития каждой из зарегистрированных плазменных петель и соответственно среднюю частоту пульсации разряда. Второй метод заключается в регистрации осциллограмм напряжения и разрядного тока, а также свечения плазмы с последующим подсчетом числа повторных пробоев за фиксированное время. Третий метод применялся при определении высоких частот пульсаций разряда, создаваемого в сверхзвуковых потоках газа, или при наличии нескольких повторных пробоев. В этом случае проводилась математическая обработка осциллограмм тока и напряжения на разряде с использованием стандартной процедуры фурье-преобразования и определялась основная частота пульсаций и ее гармоники. Все три метода дают достаточно хорошо совпадающие результаты, если учесть нестабильность разряда, создаваемого в турбулентном высокоскоростном воздушном потоке.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

При включении источника питания по кратчайшему расстоянию d между катодом и анодом происходит пробой воздуха (вверху первого кадра слева на рис. 2). Образующаяся при этом плазменная перемычка начинает сноситься высокоскоростным воздушным потоком. Длина плазменного канала, скользящего вдоль электродов, увеличивается и искривляется. Воздушная струя распространяется вдоль направления z. Координате z = 0 соответствует точка минимума расстояния между катодом и анодом, координате z = l – плоскость, в которой оканчиваются электроды. В условиях данного эксперимента (υ = 245 м/с, i = 15.5 А, d = 0.7 мм) точка скольжения плазменной перемычки вдоль анода (на всех кадрах рис. 2 справа) движется приблизительно на 20 м/с быстрее точки скольжения канала вдоль катода. При этом скорости перемещения анодного и катодного пятен вдоль электродов меньше, чем скорость центральной части плазменной петли. Анодное пятно в условиях данного эксперимента приблизительно через 0.6 мс после возникновения между электродами плазменного образования (рис. 2) достигает конца анода и фиксируется на нем. Затем еще через 0.5 мс после этого на конце второго электрода фиксируется катодное пятно. Плазменный канал продолжает вытягиваться в виде петли вниз по направлению распространения потока. Длина канала увеличивается, падение напряжения на нем растет и может превысить пороговое пробойное значение. После этого по кратчайшему расстоянию между электродами происходит новый пробой (вверху последнего кадра справа на рис. 2), и процесс повторяется периодически с некоторой частотой.

Рис. 2.

Динамика развития плазменной петли пульсирующего разряда в дозвуковой воздушной струе: направление времени слева направо; распространение струи сверху вниз со скоростью υ = 245 м/с; максимальный разрядный ток i = 15.5 А, d = 0.7 мм; время экспозиции одного кадра – 2 мкс; временнóй интервал между кадрами – 167 мкс.

В условиях данного эксперимента период пульсации разряда составляет 8.3 мс, чему соответствует частота пульсаций плазменной петли 120 Гц. В течение всего времени существования плазменной петли на рис. 2 отчетливо наблюдаются ярко светящиеся области на концах электродов (координата z = l), что соответствует катодному и анодному пятнам с высокими значениями температуры газа и концентрации электронов. В экспериментах могут реализовываться два режима поддержания разряда. В первом случае плазменная петля достигает максимально возможной длины без промежуточных повторных пробоев. Во втором случае в течение развития одной петли реализуется несколько дополнительных повторных пробоев (на рис. 2 реализуются три дополнительных пробоя в течение развития одной плазменной петли: 12-й, 21-й и 44-й кадры). В обоих режимах процесс формирования разрядной петли в потоке периодически повторяется, т.е. данный разряд, создаваемый в движущемся воздухе с помощью стационарного источника питания, представляет собой нестационарный пульсирующий поперечно-продольный разряд.

В качестве примера на рис. 3 приведен фрагмент длительностью 18 мс осциллограмм тока 1 и напряжения 2, произвольно выбранный из полного времени пуска 2 с. Минимальное расстояние между анодом и катодом d = 0.7 мм. Скорость воздушной струи υ = 170 м/с.

Рис. 3.

Фрагмент осциллограмм тока (1) и напряжения (2) на разрядном промежутке.

Видно, что глубина модуляции напряжения 2 на разрядном промежутке достигает 100%. В данных условиях (третья петля на рис. 3) напряжение в процессе развития петли постепенно нарастает до максимального значения U = 3.6 кВ, после чего по минимальному расстоянию между катодом и анодом происходит повторный пробой, а напряжение падает практически до нуля. В этот момент времени на осциллограмме тока наблюдаются кратковременные униполярные пики, что связано с формированием в стадии пробоя пучка быстрых электронов [18, 24]. Возможны также дополнительные пробои между анодной и катодной частями плазменного канала (первая и вторая петли). В эти моменты времени также формируются пучки быстрых электронов. При этом напряжение на разрядном промежутке не падает до нуля, а остается приблизительно на уровне 1.5 кВ. Максимальное значение разрядного тока i достигает величины порядка 16 А, в то время как минимальное значение тока порядка 6 А, т.е. глубина его модуляции – 62%. Особенно следует отметить, что разрядный ток в течение всего пуска длительностью 2 с никогда не падает до нуля. Вначале происходит новый пробой между электродами, образующаяся плазма обладает высокой электропроводностью и шунтирует предыдущую плазменную петлю, которая начинает распадаться и сносится вниз по потоку. С увеличением скорости воздушной струи глубина модуляции тока уменьшается, и при υ = 550 м/с изменение i в процессе развития каждой петли не превышает 5% от максимального значения 16 А.

Зависимость частоты пульсаций поперечно-продольного разряда, генерируемого внутри расширяющегося аэродинамического канала (вторая конфигурация создания разряда), от скорости воздушного потока представлена на рис. 4.

Рис. 4.

Зависимость частоты пульсаций разряда от скорости потока воздуха (1) и пропан-воздушного потока при постоянном расходе пропана 4.4 г/с и различных максимальных значений пульсирующего тока: 2 – 5.5 А, 3 – 12.5, 4 – 15.5.

Экспериментально получено, что при любых значениях скорости потока воздуха увеличение разрядного тока от 5.5 до 15.5 А приводит к незначительному, порядка 10%, изменению частоты пульсации разряда. Поэтому на рис. 4 кривая 1 представляет собой аппроксимацию, полученную усреднением экспериментальных значений частоты пульсации разряда при различных токах для каждого значения скорости потока. В эксперименте наблюдается сильная зависимость частоты пульсации разряда от скорости воздушного потока. Видно, что увеличение скорости воздушного потока от 100 до 520 м/с приводит к монотонному росту частоты пульсаций плазменной петли от 100 до 2000 Гц.

Параметры пульсирующего разряда изучались также при различных составах топливовоздушной смеси. На рис. 4 представлена зависимость частоты пульсаций разряда от скорости пропан-воздушного потока при различных максимальных значениях пульсирующего тока. В воздушный поток добавляется пропан с постоянным расходом 4.4 г/с. В этом случае зависимость частоты от скорости качественно меняется при переходе через скорость звука в воздухе. При малых скоростях υ < 400 м/с частота пульсации разряда близка к частоте пульсации плазменной петли в воздушном потоке. Это соответствует обедненным по отношению к окислителю и, соответственно, обогащенным пропаном топливовоздушным смесям. Известно, что эффективность горения обогащенных пропаном топливных смесей низкая. При этом измеренная в эксперименте тяга, возникающая при горении пропана в воздушном потоке в аэродинамическом расширяющемся канале (продольная длина канала – 50 см, отношение выходного сечения S₂ = 38 см² к входному сечению S₁ = 3 см² канала S₂/S₁ = 12.7), мала, однако она монотонно возрастает при уменьшении эквивалентного отношения для пропана. При высоких скоростях υ потока (в обедненных топливом смесях) происходит резкое изменение зависимости частоты f от скорости и разрядного тока. Частота осцилляции плазменной петли при υ > 400 м/с сильно зависит от разрядного тока, уменьшаясь почти в два раза при увеличении тока от 5.5 до 15.5 А.

Также получена зависимость частоты пульсации плазменной петли от эквивалентного отношения пропана в топливной смеси для двух значений разрядного тока и четырех значений скорости потока. Результаты представлены на рис. 5. При увеличении скорости потока частота пульсаций разряда растет как для обедненных пропаном топливовоздушных, так и для богатых смесей. Следует отметить, что при сверхзвуковой скорости потока υ = 470 м/с увеличение эквивалентного отношения ведет к уменьшению частоты пульсаций, а при дозвуковой скорости υ = 275 м/с − к ее росту.

Рис. 5.

Зависимость частоты пульсаций от эквивалентного отношения для пропана при скорости пропан-воздушного потока: 1 – 275 м/с, 2 – 370, 3 – 430, 4 – 470; разрядный ток: 1, 2 – 15.5 А; 3, 4 – 9.8.

На рис. 6 представлены результаты экспериментов по определению степени влияния скорости воздушного потока и минимального расстояния между анодом и катодом на максимально достижимое напряжение на разрядном промежутке, при котором происходит повторный пробой и формируется новая плазменная перемычка. Чтобы не перегружать рисунок, результаты приведены только для двух значений разрядного тока и четырех минимальных расстояний между электродами. При токе 5.5 А увеличение межэлектродного расстояния d от 0.2 до 0.8 мм приводит к росту напряжения на разрядном промежутке от 1.7 до 4.2 кВ, причем при любых скоростях потока максимально достижимое напряжение при фиксированном d остается в пределах точности измерений постоянным. Увеличение разрядного тока при больших d = 0.8 мм приводит к незначительному на 100 В росту напряжения, тогда как при малых d = 0.2 мм напряжение на разрядном промежутке падает примерно на 500 В.

Рис. 6.

Зависимость максимально достижимого напряжения на разрядном промежутке от скорости воздушного потока при разрядном токе 5.5 А (сплошные прямые) и 14.5 А (штриховые) и различных значениях минимального расстояния между анодом и катодом: 1 – 0.2 мм, 2 – 0.4, 3 – 0.6, 4 – 0.8.

Следует отметить, что напряженность электрического поля, рассчитанная по формуле E = = U/d (U – напряжение, при котором происходит повторный пробой, d – минимальное расстояние между анодом и катодом), равна 72 кВ/см при d = = 0.2 мм, 57 кВ/см при d = 0.4 мм, 55 кВ/см при d = 0.6 мм, 52 кВ/см при d = 0.8 мм. Так как пробой осуществляется в высокоскоростном потоке воздуха при скорости 150−450 м/с, а для создания продольно-поперечного разряда используется расходящаяся электродная конфигурация, то, как показывают оценки, расстояние, по которому осуществляется пробой воздуха, увеличивается по сравнению с минимальным расстоянием приблизительно в 1.5–2 раза. В этом случае среднее значение электрического поля приближенно равно 35 кВ/см, что близко к пробойному полю в неподвижном воздухе при атмосферном давлении.

Для определения средней по длине плазменного канала напряженности электрического поля наряду с временны́м ходом падения напряжения на разряде необходимо знать зависимость полной длины плазменной петли от времени. Падение напряжения на плазменной петле определялось в каждом конкретном случае по осциллограмме, подобной приведенной на рис. 3. На рис. 7 представлены зависимости полной длины плазменного канала поперечно-продольного разряда от скорости воздушного потока при двух разрядных токах и четырех минимальных расстояниях между электродами.

Рис. 7.

Зависимость длины плазменного канала от скорости потока воздуха при разрядном токе 5.5 А (сплошные кривые) и 15.5 А (штриховые) и различных значениях минимального расстояния между анодом и катодом: 1, 1 ' – 0.2 мм; 2, 2 ' – 0.4; 3, 3 ' – 0.6; 4, 4 ' – 0.8.

При всех условиях эксперимента полная длина L плазменного канала, приближенно равная удвоенному расстоянию, на которое распространяется передняя граница плазменной петли, отсчитываемая от плоскости, в которой оканчиваются концы анодного и катодного электродов (см. рис. 1), уменьшается с увеличением скорости воздушного потока. Увеличение разрядного тока от 5.5 до 15.5 А приводит к увеличению L при всех значениях скорости потока и межэлектродного расстояния. Полная длина плазменной петли возрастает также при увеличении минимального межэлектродного расстояния d в диапазоне 0.2–0.8 мм и росте разрядного тока от 5.5 до 15.5 А.

Зависимость средней напряженности продольного электрического поля от скорости воздушного потока представлена на рис. 8. Увеличение скорости потока приводит к росту напряженности поля при всех значениях тока и межэлектродного расстояния. Однако при любой фиксированной скорости потока увеличение разрядного тока ведет к уменьшению продольного электрического поля, тогда как рост минимального межэлектродного расстояния приводит к возрастанию поля.

Рис. 8.

Зависимость средней по длине канала напряженности продольного электрического поля в плазменной петле от скорости потока воздуха при разрядном токе 5.5 А (сплошные кривые) и 15.5 А (штриховые) и различных минимальных расстояниях между анодом и катодом: 1, 1 ' – 0.2 мм; 2, 2 ' – 0.4; 3, 3 ' – 0.6; 4, 4 ' – 0.8.

Следует еще раз подчеркнуть, что данным методом измеряется среднее по длине плазменного канала продольное электрическое поле. В [23] показано, что в анодной части плазменной петли потенциал линейно уменьшается с ростом расстояния z от электрода, а в катодной части – растет, т.е. напряженность электрического поля является постоянной величиной как в анодной, так и в катодной части плазменной петли. При этом напряженность продольного электрического поля E_a в анодной части плазменной петли пульсирующего поперечно-продольного разряда систематически до 35% величины превышает соответствующее значение E_k в катодной части.

На рис. 9 представлены зависимости частоты пульсации нестационарного поперечно-продольного разряда от скорости воздушного потока при различных разрядных токах и минимальных расстояниях между катодом и анодом.

Рис. 9.

Зависимость частоты пульсаций плазменной петли от скорости потока воздуха при разрядном токе 5.5 А (сплошные кривые) и 14.5 А (штриховые) и различных минимальных расстояниях между анодом и катодом: 1, 1 ' – 0.2 мм; 2, 2 ' – 0.4; 3, 3 ' – 0.6; 4, 4 ' – 0.8.

В условиях нестационарного поперечно-продольного электродного разряда, создаваемого в высокоскоростном потоке воздуха или пропан-воздушной смеси синхронно осциллируют плазменная петля, разрядный ток, напряжение на разрядном промежутке, а также свечение плазмы. Причем глубина модуляции свечения плазмы и напряжения на разряде достигает 100%, тогда как глубина пульсации разрядного тока изменяется от 5% при сверхзвуковой скорости потока 600 м/с до 70% при 100 м/с. При этом увеличение скорости потока не влияет на максимальное напряжение на разрядном промежутке, но ведет к уменьшению полной длины пульсирующего плазменного канала и росту продольной напряженности электрического поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведены исследования основных характеристик нестационарного пульсирующего поперечно-продольного электродного разряда. Показано влияние скорости потока, разрядного тока и минимального расстояния между катодом и анодом на максимально достижимую длину плазменного канала, частоту его пульсаций, напряжение пробоя межэлектродного промежутка, напряженность продольного электрического по-ля.

Полученные результаты необходимы для выбора оптимальных условий создания разряда с целью использования плазменной технологии для управления процессом горения углеводородного топлива в камерах сгорания прямоточного воздушно-реактивного и турбореактивного двигателей.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-02-00336).