Экспериментальное и численное исследование управления возмущениями на границе поперечной струи в сверхзвуковом потоке с помощью искрового разряда

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Работа посвящена исследованию влияния периодических искровых разрядов на формирование возмущений в сдвиговом слое на границе вторичной околозвуковой поперечной струи в сверхзвуковом потоке (число Маха – 1.6). Разряды локализованы с наветренной стороны от инжектора, в отрывной зоне. В экспериментах на установке ИАДТ-50 в ОИВТ РАН получены высокоскоростные теневые видеозаписи течения при отсутствии и наличии разрядов и проведен фурье-анализ нескольких областей этих видеозаписей. Также в программном комплексе FlowVision методом URANS выполнено компьютерное моделирование течения. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. Продемонстрировано, что искровые разряды способны инициировать формирование возмущений в сдвиговом слое на передней границе струи и влиять на их частоту.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Л. С. Волков

Объединенный институт высоких температур РАН

Author for correspondence.
Email: volkov.ls@phystech.edu
Russian Federation, Москва

И. В. Селивонин

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: volkov.ls@phystech.edu
Russian Federation, Москва

А. А. Фирсов

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: volkov.ls@phystech.edu
Russian Federation, Москва

References

  1. Zhang Q., Li X., Che X., Zhang T., Deng B., Ge J., Wei Y., Zhu S. Scramjet Plasma Ignition and Assisted Combustion Technology Review // Proc. 2023 4th Int. Symp. on Insulation and Discharge Computation for Power Equipment (IDCOMPU2023). 2024. P. 429.
  2. Логунов А.А., Корнев К.Н., Шибкова Л.В., Шибков В.М. Влияние межэлектродного расстояния на основные характеристики пульсирующего поперечно-продольного разряда в высокоскоростных многокомпонентных газовых потоках // ТВТ. 2021. Т. 59. № 1. С. 22.
  3. Firsov A., Bityurin V., Tarasov D., Dobrovolskaya A., Troshkin R., Bocharov A. Longitudinal DC Discharge in a Supersonic Flow: Numerical Simulation and Experiment // Energies (Basel). 2022. V. 15. № 19. P. 7015.
  4. Feng R., Meng Zh., Zhu J. et al. Gliding Arc Plasma-сontrolled Behaviors of Jet-wake Stabilized Combustion in a Scramjet Combustor // AIAA J. 2023. V. 61. № 7. P. 2789.
  5. Булат П.В., Волков К.Н., Грачев Л.П., Есаков И.И., Лавров П.Б. Воспламенение топливной смеси с помощью искрового и инициированного стримерного разряда в различных условиях // ТВТ. 2022. Т. 60. № 4. С. 548.
  6. Знаменская И.А., Коротеева Е.Ю., Карнозова Е.А., Кули-Заде Т.А. Динамика тепловых потоков нагретой импульсным сильноточным разрядом области канала // ТВТ. 2023. Т. 61. № 1. С. 18.
  7. Bityurin V.A., Bocharov A.N., Dobrovolskaya A.S., Popov N.A., Firsov A.A. Re-Breakdown Process at Longitudinal-transverse Discharge in a Supersonic Airflow // Plasma Phys. Rep. 2023. V. 49. № 5. P. 575.
  8. Tarasov D.A., Firsov A.A. CFD Simulation of DC-discharge in Airflow // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2100. № 1. P. 012015.
  9. Liu Q., Baccarella D., Lee T. Review of Combustion Stabilization for Hypersonic Airbreathing Propulsion // Progress in Aerospace Sciences. 2020. V. 119. P. 100636.
  10. Mahesh K. The Interaction of Jets with Crossflow // Annu. Rev. Fluid Mech. 2013. V. 45. № 1. P. 379.
  11. Ben-Yakar A., Mungal M.G., Hanson R.K. Time Evolution and Mixing Characteristics of Hydrogen and Ethylene Transverse Jets in Supersonic Crossflows // Phys. Fluids. 2006. V. 18. № 2. P. 026101.
  12. Cai Z., Gao F., Wang H., Ma C., Yang T. Numerical Study on Transverse Jet Mixing Enhanced by High Frequency Energy Deposition // Energies (Basel). 2022. V. 15. № 21. P. 8264.
  13. Wang H., Yang Y., Hu W., Wang G., Xie F., Fan X. Mechanism of a Transverse Jet Mixing Enhanced by High-frequency Plasma Energy Deposition // Phys. Fluids. 2023. V. 35. № 9. P. 096101.
  14. Долгов Е.В., Колосов Н.С., Фирсов А.А. Исследование влияния искрового разряда на смешение струи газообразного топлива со сверхзвуковым воздушным потоком // Компьютерные исследования и моделирование. 2019. Т. 11. № 5. С. 849.
  15. Aksenov A.A., Zhluktov S.V., Kashirin V.S., Sazonova M.L., Cherny S.G., Zeziulin I.V., Kalugina M.D. Three-dimensional Numerical Model of Kerosene Evaporation in Gas Turbine Combustors // Supercomput. Front. Innov. 2023. V. 10. № 4. P. 27.
  16. Жлуктов С.В., Аксёнов А.А. Пристеночные функции для высокорейнольдсовых расчетов в программном комплексе FlowVision // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т. 7. № 6. С. 1221.
  17. Волков Л.С., Фирсов А.А. Моделирование влияния импульсно-периодического нагрева на формирование возмущений на границе поперечной струи в сверхзвуковом потоке // Компьютерные исследования и моделирование. 2023. Т. 15. № 4. С. 845.
  18. Santiago J.G., Dutton J.C. Velocity Measurements of a Jet Injected into a Supersonic Crossflow // J. Propuls. Power. 1997. V. 13. № 2. P. 264.
  19. Rasheed I., Mishra D.P. Numerical Study of a Sonic Jet in a Supersonic Crossflow over a Flat Plate // Phys. Fluids. 2020. V. 32. № 12. P. 126113.
  20. Capitelli M., Colonna G., Gorse C., D’Angola A. Transport Properties of High Temperature Air in Local Thermodynamic Equilibrium // Europ. Phys. J. D. 2000. V. 11. № 2. P. 279.
  21. Catalfamo C., Bruno D., Colonna G., Laricchiuta A., Capitelli M. High Temperature Mars Atmosphere. Part II: Transport Properties // Europ. Phys. J. D. 2009. V. 54. № 3. P. 613.
  22. Василяк Л.М., Красночуб А.В. Метод измерения поглощенной энергии в электрических разрядах наносекундной длительности // Электронная обработка материалов. 2013. Т. 59. № 5. С. 74.
  23. Correale G., Winkel R., Kotsonis M. Energy Deposition Characteristics of Nanosecond Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators: Influence of Dielectric Material // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. № 8. P. 083301.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Two-dimensional calculation of flow past a plate: (a) – unsatisfactory flow, (b) – satisfactory.

Download (23KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Calculation of supersonic flow past the developed design in IADT-50 with parameters corresponding to the experiment.

Download (24KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Statement of the calculation problem: (a) – scheme of the calculation domain, (b) – location of the pulsed heating region, (c) – example of a calculation grid with adaptation to pressure gradients and to the concentration of CO2; the color shows the mass fraction of CO2 in several planes.

Download (40KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Results of calculation of shock wave propagation from pulsed local heating, simulating a spark discharge at J = 0.6: black semicircle – energy deposition region; time is counted from the beginning of pulsed heating.

Download (23KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Shadow photograph of flow past a plate: arrows – direction of free supersonic flow; 1 – weak shock wave from the leading edge of the plate, 2 – injection plane with a thin boundary layer, 3 – round edge of the viewing window of the test section, 4 – secondary jet injection site, 5 – Mach disk, 6 – channel wall with a thick boundary layer, 7 – one of the discharge power supply wires.

Download (18KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Example of a current module constructed from the oscillogram of the voltage on the reverse current shunt: white zones – propagation of the direct pulse from the PVG to the discharge, blue – propagation of the reflected pulse.

Download (17KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Shadow video recordings of the studied flow (without discharges) for J = 0.6 (a) and 1.3 (b): the arrow marks a large disturbance propagating downstream; black rectangles indicate the contours of the inner section of the tube.

Download (20KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Several consecutive frames from the shadow video recording (top) and the corresponding pressure distributions in the plane of symmetry obtained in the calculation (bottom) for J = 1.3: the scale is the same; the black line shows the conventional boundary of the secondary jet at the level of 50% CO2; the arrows indicate a large packet of disturbances propagating downstream; (a) - t = 0 μs, (b) - 6.25, (c) - 12.5.

Download (31KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Shadow video recording of a shock wave diverging from a spark discharge, for J = 0.6: the red semicircle is the location of the discharge; 1 - bow shock, 2 - shock wave front, 3 - forming disturbance in the flow; time is counted from the beginning of the next discharge.

Download (26KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Normalized periodograms of brightness in three areas on shadow video recordings at J = 0.6 (a) and 1.3 (b): 1 – without sparks, 2 – with sparks; areas A, B, C – see Fig. 7; before calculating the periodograms for area C, the Sobel operator was preliminarily applied to the video recordings.

Download (49KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences