Расчетное исследование предельных характеристик электризации стенки при обтекании низкотемпературной плазмой

Аннотация

Цель работы --- расчетное исследование распределения плавающего потенциала в возмущенной зоне вблизи стенки, обтекаемой ионизованным потоком низкотемпературной плазмы. В результате электрофизического взаимодействия на поверхности стенки образуются первичные и вторично-эмиссионные токи. На основе зондовой теории разработана математическая модель для определения значений токов ионизованного потока продуктов сгорания и пространственного потенциала на поверхности стенок проточного тракта энергетических силовых установок. Проведен параметрический расчет потенциала стенки при ее контакте с низкотемпературной плазмой без учета вторично-эмиссионных процессов и с их учетом. Полученные результаты при учете только первичных токов демонстрируют изменение потенциала стенки в диапазоне значений --1,5...--0,5 В при температуре потока плазмы 1000...3500 K. Представлены результаты расчетного исследования зависимости плавающего потенциала стенки с различными коэффициентами вторично-электронной эмиссии в сравнении с известными результатами экспериментов. Для металлических стенок характерно образование экранирующего слоя, в котором возникают только первичные токи. Показано, что для диэлектрических стенок при уменьшении коэффициента вторично-электронной эмиссии их плавающий потенциал меняет знак. Проведен параметрический расчет значения тока у стенки, показавший, что при увеличении давления 0,1...10 МПа ток меняется в диапазоне 0,005...0,025 А

Работа выполнена при поддержке госпрограммы фундаментальных исследований Минобрнауки России (№ 0705-2020-0044).

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Федотова К.В., Ягодников Д.А. Расчетное исследование предельных характеристик электризации стенки при обтекании низкотемпературной плазмой. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 1 (106), с. 145--160. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-1-145-160

Литература

[1] Ягодников Д.А., Рудинский А.В. Диагностика ракетных и реактивных двигателей по характеристикам собственного электромагнитного поля продуктов сгорания. Теплофизика высоких температур, 2017, т. 55, № 5, с. 828--845. DOI: https://doi.org/10.7868/S0040364417050210

[2] Лаутон Дж., Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения. М., Энергия, 1976.

[3] Guy A., Fromentin-Denoziere B., Phan H-K., et al. Ionized solid propellant rocket exhaust plume: MiLES simulation and comparison to experiment. 7th EUCASS, 2017, pp. 1--19.

[4] Gueyffier D., Fromentin-Denoziere B., Simon J., et al. Numerical simulation of ionized rocket plumes. J. Thermophys. Heat. Trans., 2014, vol. 28, no. 2, pp. 218--225. DOI: https://doi.org/10.2514/1.T4239

[5] Ягодников Д.А., Воронецкий А.В., Пушкин Н.М. Исследование электризации сопла жидкостного ракетного двигателя. Физика горения и взрыва, 1995, т. 31, № 4, с. 54--58.

[6] Пинчук В.А. Двигательная электризация как явление, отображающее развитие зарядовой неустойчивости в среде продуктов сгорания при истечении. ЖТФ, 1997, т. 67, № 8, с. 21--26.

[7] Гафуров Р.А., Соловьев В.В. Диагностика внутрикамерных процессов в энергетических установках. М., Машиностроение, 1991.

[8] Рудинский А.В., Ягодников Д.А., Рыжков С.В. и др. Особенности формирования собственного электрического поля низкотемпературной кислород-метановой плазмы. Письма в ЖТФ, 2021, т. 47, № 10, с. 42--45. DOI: https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.10.50973.18638

[9] Aronowitz L. Electrostatic potential generated by rockets on vehicles in space. IEEE Trans. Electromagn. Compat., 1968, vol. EMC-10, iss. 4, pp. 341--346. DOI: https://doi.org/10.1109/TEMC.1968.302975

[10] Нагель Ю.А. Электризация двигателей при истечении продуктов сгорания. Экспериментальные результаты. ЖТФ, 1999, т. 69, № 8, с. 55--59.

[11] Котельников В.А., Котельников М.В., Филиппов Г.С. Физическое, математическое и численное моделирование пристеночной плазмы применительно к системам авиационно-космической техники и волновым технологиям. М., Ижевск, ИКИ, 2018.

[12] Hastings D., Garrett H. Spacecraft-environment interactions. Cambridge Univ. Press, 1996.

[13] Богданов В.В. Модель расчета объемной электризации высокоомных диэлектриков в условиях космического пространства. Вестник КРАУНЦ. физ.-мат. науки, 2018, т. 24, № 4, с. 66--89. DOI: https://doi.org/10.18454/2079-6641-2018-24-4-66-89

[14] Пушкин Н.М. Электрофизика ракетно-космического полета и электрофизические методы контроля и диагностики изделий РКТ. М., Научный консультант, 2016.

[15] Новиков Л.С. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой. М., Университетская книга, 2006.

[16] Thompson W.B. An introduction to plasma physics. Addison-Wesley, 1962.

[17] Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М., ФИЗМАТЛИТ, 2006.

[18] Трусов Б.Г. Программная система TERRA для моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах. III Междунар. симп. "Горение и плазмохимия". Алма-Ата, КАзНУ, 2005, с. 52--57.