Численное и экспериментальное исследование динамики образования свч-разряда с безыскровой лазерной инициацией

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Разработка, усовершенствование и научное исследование плазменного управления сверхзвуковыми потоками при обтекании тел являются актуальной задачей. Один из способов осуществить такое управление – это использование СВЧ-излучения с получением плазмы. Но при этом возникают проблемы: зависимость от появления редких электронов (осечки, смещение), долгий переход к филаментной фазе, высокий расход мощности излучения при высоких давлениях (и вхолостую до появления филамента). Известно, что лазерная инициация решает указанные проблемы СВЧ-плазмы. Однако недостаточно исследована динамика зажигания и развития СВЧ-разряда с лазерным следом без искры. В рамках данной работы проводится численное моделирование зажигания подкритического СВЧ-разряда (СВЧ-поле – 2.0 кВ/см, частота – 9.6 ГГц, длина импульса – 2.5 мкс) при лазерном импульсе (100 мДж, длительность – 10 нс, 532 нм) без лазерной искры в рамках модели плазмы, в том числе учитывающей лазерное воздействие на среду, плазму и возникающие газодинамические процессы. Проведено сравнение с экспериментом, выполненным в камере Эйфеля (40–75 Торр, 290 К) с магнетроном МИ-505 и лазером Quantel Evergreen-200. Проверка (время зажигания, теневая съемка) показала хорошие результаты. Разряд зажигается без осечек из-за прогрева СВЧ-полем лазерного следа с крайне быстрым (сотни нс) достижением высоких температур (1500–6000 К) и разрежением в следе (в 5–10 раз). Такая новая разновидность плазмы потенциально перспективна для плазменного управления сверхзвуковым потоком.

Об авторах

М. Е. Ренев

Санкт-Петербургский государственный университет, Россия

Email: renevme@mail.ru

Ю. В. Добров

Санкт-Петербургский государственный университет, Россия

Н. Д. Осипов

Санкт-Петербургский государственный университет, Россия

Р. С. Хоронжук

Санкт-Петербургский государственный университет, Россия

И. Ч. Машек

Санкт-Петербургский государственный университет, Россия

В. А. Лашков

Санкт-Петербургский государственный университет, Россия

Список литературы

  1. Bletzinger P., Ganguly B.N., Wie D.V., Garscadden A. Plasmas in High Speed Aerodynamics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. № 4. P. R33.
  2. Fomin V.M., Tretyakov P.K., Taran J.-P. Flow Control Using Various Plasma and Aerodynamic Approaches (Short Review) // Aerospace Sci. Technol. 2004. V. 8. № 5. P. 411.
  3. Knight D. Survey of Aerodynamic Drag Reduction at High Speed by Energy Deposition // J. Propuls. Power. 2008. V. 24. № 6. P. 1153.
  4. Russell A., Zare-Behtash H., Kontis K. Joule Heating Flow Control Methods for High-speed Flows // J. Electrostat. 2016. V. 80. P. 34.
  5. Starikovskiy A.Y., Aleksandrov N.L. Gasdynamic Flow Control by Ultrafast Local Heating in a Strongly Nonequilibrium Pulsed Plasma // Plasma Phys. Rep. 2021. V. 47. № 2. P. 148.
  6. Knight D., Kianvashrad N. Review of Energy Deposition for High-speed Flow Control // Energies. 2022. V. 15. № 24. P. 9645.
  7. Azarova O.A., Kravchenko O.V. The Use of Spatially Multi-component Plasma Structures and Combined Energy Deposition for High-speed Flow Control: A Selective Review // Energies. 2024. V. 17. № 7. P. 1632.
  8. Kolesnichenko Yu., Brovkin V., Azarova O., Grudnitsky V., Lashkov V., Mashek I. Microwave Energy Release Regimes for Drag Reduction in Supersonic Flows // 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit. Reno, NV, USA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2002.
  9. Azarova O.A. Generation of Richtmyer–Meshkov and Secondary Instabilities During the Interaction of an Energy Release with a Cylinder Shock Layer // Aerospace Sci. Technol. 2015. V. 42. P. 376.
  10. Dobrov Y.V., Lashkov V.A., Mashek I.Ch., Khoron-zhuk R.S. Investigation of Heat Flux on Aerodyna- mic Body in Supersonic Gas Flow with Local Energy Deposition // 8th Polyakhov’s Reading: Proc. Int. Sci. Conf. on Mechanics. Saint Petersburg, Russia, 2018. P. 050009.
  11. Dobrov Y.V., Renev M.E., Lashkov V.A., Mashek I.Ch., Khoronzhuk R.S. Heat Flux on Streamlined Body Surface after Local Energy Input // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 1959. № 1. P. 012016.
  12. Anderson K., Knight D.D. Interaction of Heated Fi-laments with a Blunt Cylinder in Supersonic Flow // Shock Waves. 2011. V. 21. № 2. P. 149.
  13. Azarova O., Gvozdeva L. Control of Triple-shock Configurations in High-speed Flows over a Cylindrically Blunted Plate in Gases for Different Mach Numbers // Proc. Inst. Mech. Eng., Part G. 2018. V. 236. № 3. P. 448.
  14. Azarova O. Supersonic Flow Control Using Combined Energy Deposition // Aerospace. 2015. V. 2. № 1. P. 118.
  15. Азарова О.А., Грудницкий В.Г., Колесниченко Ю.Ф. Стационарное обтекание тел сверхзвуковым потоком газа, содержащим бесконечный тонкий разреженный канал // Матем. моделирование. 2006. Т. 18. № 1. С. 79.
  16. Golbabaei-Asl M., Knight D.D. Numerical Characterization of High-temperature Filament Interaction with Blunt Cylinder at Mach 3 // Shock Waves. 2014. V. 24. № 2. P. 123.
  17. Азарова О.А., Ерофеев А.В., Лапушкина Т.А. Сравнение плазменного и теплового воздействий на сверхзвуковое обтекание аэродинамического тела // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. № 8. С. 93.
  18. Lashkov V.A., Karpenko A.G., Khoronzhuk R.S., Mashek I.Ch. Effect of Mach Number on the Efficiency of Microwave Energy Deposition in Superso- nic Flow // Phys. Plasmas. 2016. V. 23. P. 052305.
  19. Кnight D., Azarova O., Kolesnichenko Y. Drag Force Control Via Asymmetrical Microwave Filament Location in a Supersonic Flow // 6th Europ. Symp. on Aerothermodynamics for Space Vehicles. Versailles, France: European Space Agency, 2008. P. 1.
  20. Kolesnichenko Y., Brovkin V., Khmara D., Lashkov V., Mashek I., Rivkin M. Fine Structure of MW Discharge: Evolution Scenario // 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: AIAA, 2003.
  21. Pai D.Z., Lacoste D.A., Laux C.O. Nanosecond Repetitively Pulsed Discharges in Air at Atmospheric Pressure – The Spark Regime // Plasma Sources Sci. Technol. 2010. V. 19. № 6. P. 065015.
  22. Лашков В.А., Добров Ю.В., Ренев М.Е., Машек И.Ч., Джайчибеков Н.Ж., Шалабаева Б.С. Исследование температурного поля газа в следе импульсного электрического разряда // ЖТФ. 2022. Т. 92. № 4. С. 547.
  23. Usoskin I.G., Desorgher L., Velinov P., Storini M., Flukiger E.O., Butikofer R., Kovaltsov G.A. Ionization of the Earth’s Atmosphere by Solar and Galactic Cosmic Rays // Acta Geophys. 2009. V. 57. № 1. P. 88.
  24. Сайфутдинов А.И. Гидродинамические и гибридные модели электрических разрядов в газах и их приложения. Дис. … докт. физ.-мат. наук. Казань: КАИ, 2023. 592 с.
  25. Bulat P.V., Grachev L.P., Esakov I.I., Ravaev A.A. Threshold Field That Separates Domains of Subcritical and Deeply Subcritical Microwave Discharges Ignited on a Dielectric Surface // Tech. Phys. 2019. V. 64. № 1. P. 56.
  26. Bychkov D.V., Grachev L.P., Esakov I.I. Deeply Undercritical Microwave Discharge Excited by the Field of a Quasi-optical Electromagnetic Beam in a Supersonic Air Jet // Tech. Phys. 2009. V. 54. № 3. P. 365.
  27. Bulat P., Chernyshov P., Esakov I., Grachev L., Lavrov P. Multi-point Ignition of Air/Fuel Mixture by the Initiated Subcritical Streamer Discharge // Acta Astronautica. 2022. V. 194. P. 504.
  28. Афанасьев С.А., Бровкин В.Г., Колесниченко Ю.Ф. Инициация СВЧ-разряда посредством лазерной искры // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. № 14. P. 73.
  29. Афанасьев С.А., Бровкин В.Г., Колесниченко Ю.Ф., Машек И.Ч. Влияние газодинамических процессов на структуру и пороги СВЧ-разряда при инициации лазерной искрой // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. № 15. P. 40.
  30. Khoronzhuk R.S., Karpenko A.G., Lashkov V.A., Potapenko D.P., Mashek I.Ch. Microwave Discharge Initiated by Double Laser Spark in a Supersonic Airflow // J. Plasma Phys. 2015. V. 81. № 3. 905810307.
  31. Brovkin V., Afanas’ev S., Khmara D., Kolesnichenko Y. Experimental Investigation of Combined Laser-DC-MW Discharges // 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: AIAA, 2006.
  32. Kolesnichenko Y., Khmara D., Afanas’ev S. Optimization of Laser-pulse-controlled MW Energy Deposition // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: AIAA, 2007.
  33. Saifutdinov A.I., Kustova E.V. Dynamics of Plasma Formation and Gas Heating in a Focused-microwave Discharge in Nitrogen // J. Appl. Phys. 2021. V. 129. № 2. P. 023301.
  34. Гончаренко А.М. Гауссовы пучки света. Минск: Наука и техника, 1977. 144 c.
  35. Федоров В.Ю., Кандидов В.П. Нелинейно-оптическая модель воздушной среды в задаче о филаментации фемтосекундных лазерных импульсов различной длины волны // Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 105. № 2. С. 306.
  36. Itikawa Y., Ichimura A. Cross Sections for Collisions of Electrons and Photons with Atomic Oxygen // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1990. V. 19. № 3. P. 637.
  37. Lee L.C., Smith G.P. Photodissociation and Photodetachment of Molecular Negative Ions. VI. Ions in O2/CH4/H2O Mixtures from 3500 to 8600 Å // J. Chem. Phys. 1979. V. 70. № 4. P. 1727.
  38. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 3-e изд. перераб. и доп. Долгопрудный: Интеллект, 2009. 736 c.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025