Разряды в газах и сверхзвуковая плазменная аэродинамика
Сверхзвуковая плазменная аэродинамика
Руководитель – Двинин Сергей Александрович
к. 1-72, тел. 8(495)939-14-48; к. ПДК-9, 8(495)939-13-37
email: DvininSA@my.msu.ru
Группа занимается экспериментальными и теоретическими (включая аналитические расчеты и численное моделирование) исследованиями в области плазменной аэродинамики – современного развивающегося направления на стыке физики плазмы, химии и аэродинамики с большим количеством прикладных приложений. Создание плазмы с помощью электрических разрядов позволяет управлять газовыми потоками в самых разнообразных случаях: снижать лобовое сопротивление летательных аппаратов, создавать усилия на аэродинамических плоскостях (плазменные актуаторы), снижать акустический шум реактивных струй. В плазме воздуха и других газов образуется большое количество ионизованных, возбужденных и химически активных частиц, способных вступать друг с другом в плазмохимические реакции, не наблюдающиеся в обычных условиях. Поэтому в число традиционных задач плазменной аэродинамики включают и изучение процессов плазменно-стимулированного горения: воспламенения и стабилизации горения в камерах сгорания высокоскоростных авиационных прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), снижения уровня вредных выбросов в выхлопных газах (оксиды азота NOx, несгоревшие углеводороды UHC), повышения КПД двигателей внутреннего сгорания. Для наиболее эффективного решения этих задач необходимо изучать свойства как газоразрядной плазмы, так и среды, в которой она создается.
В лаборатории кафедры в течение последних лет исследуются различные типы разрядов в дозвуковых (скорость 50–250 м/с) и сверхзвуковых потоках (числа Маха потока M=2–4). В их числе продольно-поперечные разряды постоянного тока, скользящие дуговые разряды, импульсные свободно-локализованные, поверхностные и инициируемые непрерывные СВЧ-разряды. Развиты экспериментальные методы диагностики плазмы в потоке, создан уникальный экспериментальный стенд. Проводится численное моделирование газовых разрядов, кинетики плазмохимических реакций в них и течений газовых потоков с помощью пакета Comsol Multiphysics®.
О важности и интенсивности исследований говорит один факт организации нескольких ежегодных международных научных конференций посвященных физике плазмы и плазменной аэродинамике в России и за рубежом. Группа сотрудничает с различными отраслевыми и академическими институтами (НИИ механики МГУ, ИОФ РАН, ОИВТ РАН, ЦИАМ и др.).
Рис. 1. Коллектив лаборатории (слева), руководитель группы д.ф.-м.н., профессор Двинин С.А. (справа).
Процессы воспламенения и сверхзвукового горения топлива исследуются в сверхзвуковом канале (макете прямоточной камеры сгорания), показанном на рис. 2. В этой установке в данный момент используется два способа создания плазмы: с помощью продольно-поперечного дугового разряда между двумя электродами (см. рис. 3) и с помощью инициируемого подкритического СВЧ разряда (см. рис. 4). Разряд между поперечными к потоку электродами может иметь протяженность, на порядки превышающую межэлектродное расстояние. Это связано с тем, что поток сам выносит разрядный канал, выстраивая его по направлению течения газа. Так, в аэродинамической трубе ЦАГИ протяженность разряда вдоль сверхзвукового потока с числом Маха M=3 достигала 1 м.
Рис. 2. Сверхзвуковой канал - макет прямоточной камеры сгорания.
В реальных конструкциях ПВРД сечение канала, по которому течет газ, не является постоянным и определяется режимом его работы. В лаборатории используются макеты камер с различной геометрией: прямые, расширяющиеся, а также есть канал с так называемым обратным уступом. В этом канале образуется застойная зона, и в сдвиговом слое между ней и основным высокоскоростным потоком происходят турбулентные процессы, которые можно использовать для интенсификации смешения топлив с воздухом.
Рис. 3. Продольно-поперечный разряд в воздухе.
Рис. 4. Подкритический СВЧ разряд в потоке и в неподвижном воздухе (на вставке).
СВЧ разряды, в отличие от разрядов постоянного тока, не требуют наличия электродов, то есть такие разряды можно создавать в любом газовом объеме без подведения электродов и контакта плазмы с ними. Это важное преимущество, если необходимо устранить загрязнение плазмы продуктами эрозии электродов. На кафедре имеется большое количество приборов и оснастки для работы с СВЧ источниками, а ее сотрудниками накоплен большой опыт работы. С помощью импульсных магнетронов (мощностью до 300кВт) 3-см диапазона в лаборатории создаются импульсные СВЧ разряды, которые тоже возможно использовать для решения задач плазменной аэродинамики.
Был изучен уникальный по своим свойствам СВЧ разряд на поверхности диэлектрической антенны, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха. Он создается поверхностной СВЧ волной, распространяющейся вдоль границы сред. Разряд воспламеняет не только газовые потоки, но и тонкие пленки спирта на поверхности антенны (рис.5).
Рис. 5. Воспламенение тонких спиртовых пленок при помощи поверхностного СВЧ разряда на диэлектрической антенне.
При фокусировке квазиоптического СВЧ пучка с помощью зеркал или линз создается свободно-локализованный СВЧ-разряд, который можно перемещать в пространстве вместе с точкой фокуса. На рис. 6 показан этот разряд при различных условиях.
Рис. 6. Свободно локализованный СВЧ разряд (τ= 100 мкс, p = 40 Тор), создаваемый в неподвижном воздухе (a) и в сверхзвуковом (M = 2) воздушном (b) и пропан-воздушном (c) потоках внутри цилиндрической камеры.
При обтекании тел сверхзвуковым потоком образуется система ударных волн. Ударные волны возникают и на создаваемых в потоке плазменных областях, поэтому с помощью локализованных разрядов можно воздействовать на сверхзвуковые течения. Если ударные волны падают на плазменную область, они также воздействуют на нее. Задача изучения процессов взаимодействия плазмы с ударными волнами актуальна и интенсивно исследуется в настоящее время. В лаборатории есть возможность теневой съемки газовых потоков (шлирен-метод). На рис. 7 показана газодинамическая структура обтекания плоской модели сверхзвуковым потоком числом Маха M=3.
Рис. 7. Система ударных волн, образующихся при обтекании модели сверхзвуковым потоком.
Для исследования плазмы используется ряд развитых диагностических методов. Пространственно-временное развитие разрядов изучается при их съемке высокоскоростной камерой (до 250 тыс. кадров/с). В комбинации с шлирен-методом камера позволяет исследовать не только нестационарные быстро развивающиеся плазменные процессы (пробой, различные неустойчивости), но и нестационарные газовые потоки. Основные свойства плазмы, такие как плотность и температура электронов, газовая температура и химический состав, степени электронного, колебательного и вращательного возбуждения молекул, определяются с помощью бесконтактно путем регистрации ее оптических спектров. Современные цифровые осциллографы используются в зондовых методах диагностики и при определении напряженности полей и протекающих в плазме токов. Ряд диагностических методов активно пополняется.
Ссылки на последние статьи:
- K.N. Kornev, A.A. Logunov, O.S. Surkont, T.R. Abushaev, A.L. Volynets, S.A. Dvinin. Hybrid microwave-direct current discharge in high speed flows. Physics of Plasmas, том 32, № 6, 2025. https://doi.org/10.1063/5.0249220
- K. N. Kornev, A A Logunov and S A Dvinin Low-current gliding DC discharge in high-speed flows. J. Phys. D: Appl. Phys. 57 (2024) 475208, https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad726e
- К. Н. Корнев, А.А. Логунов, О.С. Сурконт, Т.Р. Абушаев, А.Л. Волынец, С. А. Двинин. Инициируемый полуволновой антенной СВЧ-разряд в высокоскоростных потоках. Физика плазмы, 2024, том 50, № 3, с. 349–358. Kornev K.N., Logunov A.A., Surkont O.S., Abushaev T.R., Volynets A.L., Dvinin S.A. A Microwave Discharge in High-Velocity Flows Initiated by a Half-Wave Antenna. Plasma Physics Reports, 2024, V. 50, № 3, p. 388-396 DOI http://dx.doi.org/10.1134/S1063780X24600129
| Двинин Сергей Александрович | д.ф.-м.н., профессор |
| Логунов Александр Александрович | к.ф.-м.н., м.н.с. |
| Корнев Константин Николаевич | к.ф.-м.н., вед. инженер |
| Сурконт Олег Стефанович | вед. инженер |
| Абушаев Тимур Ринатович | специалист 6к |
| Волынец Андрей Леонидович | специалист 5к |
| Носов Александр Олегович | специалист 4к |
Теоретические исследования и численное моделирование
Любой процесс протекания электрического тока в газе называется газовым разрядом (В.Л. Грановский).
Газовый разряд – один из сложнейших объектов для описания в природе. В нем мы наблюдаем разнообразную динамику заряженных и нейтральных частиц, превращения различных химических компонент друг в друга, распространение излучения, Разряд может поддерживаться электромагнитными полями различных типов. В нем может одновременно протекать множество плазмохимических процессов существенно отличающихся по временным масштабам. Как правило, в газовом разряде существенны процессы как в объеме, так и на границах разряда с твердым телом. Даже разряд в жидкостях на определенном этапе (после образования пузырьков газа) включает в себя разряд в газе как один из объектов. Большинство современных технологий используют газовый разряд.
Наконец отметим еще одну особенность процессов в разряде высокую нелинейность. Поэтому в газовом разряде очень сложно найти малый параметр, который позволил бы применить любимый метод физиков-теоретиков – теорию возмущений. Одним словом – если вы научились рассчитывать газовые разряды – вы сможете рассчитывать любые процессы в природе.
Одним из достижений современной физики являются лазеры, работающие в режиме синхронизации мод, поскольку позволяют добиться очень высокой стабильности частоты. Однако до открытия лазеров синхронизация мод изучалась на собственных колебаниях, которые имеют место в газовых разрядах –стратах.
В наиболее простых случаях разряд описывается уравнениями гидродинамики – уравнениями баланса частиц, баланса импульса и баланса энергий. Пространственные распределения электромагнитного поля рассчитываются с помощью уравнений Максвелла. Опять-таки наиболее простой вариант – модель холодной плазмы.
В научной группе для моделирования плазмы используется пакет моделирования Comsol Multiphysics®. Рассмотрены задачи о разряде в емкостных плазменных реакторах с большим размером электродов, а также рассчитаны пространственные распределения СВЧ поля в разряде в резонаторе в магнитных ловушках. Примеры решаемых сейчас задач.
- Расчет порога пробоя в СВЧ разряде в потоке воздуха в окрестности инициатора.
- Расчет пространственного распределения различных компонент плазмы в положительном столбе поперечно-продольного разряда.
В 2020–2022 годах теоретически рассматривалась задача изучения волновых эффектов в ВЧ разрядах [1–3]. В этих работах рассчитаны амплитуды поверхностных волн и нераспространяющихся волн в разрядах с большой плотность электродов, что актуально для обработки полупроводниковых пластин большого размера. Пример рассчитанных с помощью математического пакета Cjmsol Multiphysics распределений магнитного поля в сечении цилиндрической разрядной камеры при различных ее размерах приведен на рис. 8. Более подробно с содержанием исследований можно ознакомиться по статьям [1–5] в списке работ ниже.
Рис. 8. Распределение магнитного поля в плазме при плотности электронов, соответствующей резонансу токов разряда при различных радиусах плазмы и рабочей камеры. Слева – действительная составляющая магнитного поля, справа – мнимая, А/м. Радиус плазмы a), b) – 2 см, с), d) – 5 см, e), f) – 10 см, g), h) – 15 см, i), j) – 20 см. Частота поля 135,6 МГц.
Последние работы по теоретическому описанию процессов в разряде
- Dvinin S.A., Korneeva M.A. Numerical Simulation of the Spatial Structure of the Electromagnetic Field of a Microwave Discharge in a Magnetic Mirror Trap. Plasma Physics Reports, 2024, Vol. 50, No. 1, pp. 77–88. 2024. https://doi.org/10.1134/S1063780X23601438
- Dvinin S.A., Sinkevich O.A., Kodirzoda Z.A., Solikhov D.K. On the Spectra of Natural Waves in a Plasma Waveguide in the Presence of Collisions. Plasma Physics Reports. vol. 48, n. 4, pp. 438-442, 2022. https://doi.org/10.1134/S1063780X22040055
- S. A. Dvinin, O.A. Sinkevich, Z.A. Kodirzoda, D. K. Solikhov. Specificities of Electromagnetic Field Excitation in a Capacitive HF Discharge III. Symmetric Discharge Partially Filling the Discharge Chamber, Plasma Physics Reports, 2021, Vol. 47. No 3. PP. 211-234 https://doi.org/10.1134/S1063780X2102001X
- S. A. Dvinin, O.A. Sinkevich, Z.A. Kodirzoda, D.K. Solikhov Features of Electromagnetic Field Excitation in a Capacitive HF Discharge II. Symmetric Discharge Completely Filling Vacuum Chamber under Symmetric and Asymmetric Excitation Plasma Physics Reports, 2021, Vol. 47. No1. PP. 28-47. https://doi.org/10.1134/S1063780X21010050
- S. A. Dvinin, O.A. Sinkevich, Z.A. Kodirzoda, D. K. Solikhov. Features of Electromagnetic Field Excitation of in a Capacitive HF Discharge I. General Aspects. A Simple Model of Symmetric Discharge. Plasma Physics Reports, 2020, Vol. 46. No 12. PP. 1181-1204. https://doi.org/10.1134/S1063780X20120028.
Темы курсовых работ (в кооперации с другими группами кафедры):
- СВЧ разряды и разряды постоянного тока в потоках газа. Теория и эксперимент.8
- Приближенные аналитические модели газовых разрядов в различных условиях: Разряды в атмосфере, разряды низкого давления, разряды в магнитном поле (в том числе ЭЦР и геликонные разряды).
- Оптическая и СВЧ диагностика плазмы.
- Плазменное воспламенение и плазменно-стимулированное горение воздушно-углеводородных потоков.
- Математическое моделирование разрядов с помощью пакета «Comsol Multiphysics» (СВЧ разряд, ВЧ емкостной и индуктивный разряды, ЭЦР и геликонный разряды).
- Математическое моделирование высокоскоростных реакционно-способных газовых потоков.