Исследования

  • Управление отрывом потока и аэроакустическими характеристиками плохообтекаемых тел;
  • Управление шумом истечения затопленной струи
  • Стимуляция и затягивание ламинарно-турбулентного перехода в дозвуковых и сверхзвуковых течениях
  • Исследование физики и гидродинамики поверхностного диэлектрического барьерного разряда,
  • Исследование гидродинамики дугового разряда в магнитном поле
  • Стимулирование процессов воспламенения и горения газообразного и жидкого топлива в сверхзвуковом воздушном потоке,
  • Управление структурой ударных волн с помощью подвода энергии в газовый разряд
  • Исследование процессов взаимодействия закрученных течений с газовыми разрядами

Управление отрывом потока и аэроакустическими характеристиками плохообтекаемых тел

Отрыв потока приводит к росту сопротивления обтекаемых тел, нестационарный отрыв- к возникновению динамических нагрузок и росту шума обтекания. Использование плазменных актуаторов позволяет затянуть или подавить отрыв за счет интенсификации смешения в пограничном слое. Наибольший эффект достигается в случае, когда течение в точке отрыва является ламинарным- быстрая турбулизация пограничного

слоя разрядом позволяет повысить его устойчивость к отрыву. Использование актуаторов на основе диэлектрического барьерного разряда, питаемого напряжением высокой частоты, позволяет увеличить диапазон скоростей, при которых амплитуда создаваемых разрядом возмущений достаточна для управления потоком. С использованием этой технологии получено существенное изменение характеристик течения и аэродинамических сил, действующих на поперечно обтекаемые цилиндры при скоростях потока до 100 м/с. Кроме того, совместно с аэроакустическим отделением ЦАГИ продемонстрировано существенное снижение шума обтекания цилиндров при скоростях до 80 м/с, что соответствует посадочным скоростям современных самолетов.[1] V. F. Kopiev, P. N. Kazanskyi, V. A. Kopiev, I. A. Moralev, and M. Y. Zaytsev, “HF DBD Plasma Actuators for Reduction of Cylinder Noise in Flow,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 50, p. 475204, 2017.

[2] В. Ф. Копьeв, И. В. Беляев, М. Ю. Зайцев, П. Н. Казанский, В. А. Копьeв, and И. А. Моралёв, “Управление шумом обтекания цилиндра с помощью плазменных актуаторов высокочастотного диэлектрического барьерного разряда,” Акустический Журнал, vol. 61, no. 2, pp. 196–198, 2015.

[3] P. N. Kazanskyi, A. I. Klimov, and I. A. Moralev, “High-frequency actuator control of air flow near a circular cylinder: Impact of the discharge parameters on the cylinder aerodynamic drag,” High Temp., vol. 50, no. 3, pp. 323–330, Jun. 2012.

[4] В. А. Битюрин, А. В. Ефимов, П. Н. Казанский, А. И. Климов, and И. А. Моралев, “Управление аэродинамическим качеством модели крылового профиля NACA 23012 c помощью поверхностного высокочастотного разряда,” Теплофизика Высоких Температур, vol. 52, no. 4, pp. 504–511, 2014.

Гидродинамика барьерного разряда

Плазменные актуаторы на основе поверхностного ДБР широко исследуются в качестве способа управления течениями в самых разных прикладных задачах. Принцип действия актуаторов на основе ДБР связан с возникновением в разряде электрических сил, действующих на остаточный объемный заряд ионов, а также с тепловыделением. Сам по себе поверхностный ДБР атмосферного давления является довольно сложным объектом, и несмотря на более чем двадцатилетнюю историю его исследований применительно к аэродинамическим задачам, детали происходящих в нем процессов исследованы не до конца. Среди неизученных проблем является связь между структурой и динамикой микроразрядов и генерацией разрядом турбулентности, влияние ресурса электродов на характеристики создаваемых возмущений.

Течение, генерируемое разрядом, создается в результате сложения воздействий от отдельных разрядных каналов. В случае, если структура разряда- в среднем- однородна, течение является двумерным. При формировании стационарной трехмерной структуры разряда формируется сложное трехмерное течение.

Наиболее ярко этот эффект наблюдается в случае контракции разряда. Обнаружено, что в этом случае структура течения в значительной степени определяется трехмерностью объемных сил в окрестности разрядных каналов. В пограничном слое за актуатором формируется система продольных вихрей, изменяющих профили скорости среднего течения и приводящих к возникновению чередующихся полос с низкой и высокой скоростью потока.

Развитие невязкой неустойчивости в таком полосчатом пограничном слое приводит в результате к его переходу в турбулентное состояние. Данный механизм может отвечать за инициирование ламинарно-турбулентного перехода ДБР плазменным актуатором при любых числах Рейнольдса и скоростях потока вплоть до сотен метров в секунду.

[1] I. Moralev, V. Sherbakova, I. Selivonin, V. Bityurin, and M. Ustinov, “Effect of the discharge constriction in DBD plasma actuator on the laminar boundary layer,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 116, pp. 1326–1340, 2018.

[2] I. Moralev, V. Sherbakova, P. Kazansky, A. Efimov, and V. Bityurin, “The Structure of the Dielectric BarrierDischarge and its Effect on the Discharge Inintiated Gasdynamic Disturbances,” in 6th EUCASS, 2015.

[3] I. Moralev, S. Boytsov, P. Kazansky, and V. Bityurin, “Gas-dynamic disturbances created by surface dielectric barrier discharge in the constricted mode,” Exp. Fluids, vol. 55, no. 5, p. 1747, May 2014.


Разработка плазменных актуаторов для затягивания ламинарно-турбулентного перехода

Управление ламинарно-турбулентным переходом представляет собой одну из ключевых задач, решение которых позволит повысить топливную эффективность современных самолетов. Предполагается, что ламинаризация пограничного слоя на поверхности крыльев самолета позволит снизить общее аэродинамическое сопротивление до 10-15%. В связи с неколлинеарностью вектора скорости в потенциальном течении и градиента давления при обтекании стреловидного крыла, скорость в пограничном слое оказывается направлена под некоторым углом к течению во внешнем потоке. Это приводит к возникновению в подобных пограничных слоях нового типа неустойчивости- неустойчивости поперечного течения. Важнейшей особенностью данного типа неустойчивости является наличие возмущений, нарастающих даже при сильном благоприятном градиенте давления, что делает невозможной борьбу с определяемым ей переходом исключительно с помощью выбора аэродинамического

профиля. Собственной модой неустойчивости поперечного течения являются так называемые вихри поперечного течения-

стационарные и бегущие возмущения, имеющие вид вихревых нитей с ориентацией осей близкой к ориентации внешнего течения. При низком уровне турбулентности набегающего потока в пограничном слое преобладают стационарные возмущения, источником которых являются шероховатости поверхности. Факт стационарности возмущений открывает широкое поле для применения различных систем управления, предполагающих использование обратной связи. В качестве одной из возможностей ламинаризации потока рассматривается искусственное внесение различных возмущений либо в противофазе с естественными, либо на длине волны, несколько меньшей естественных. В последнем случае подавление возмущений предполагается наблюдать за счет нелинейного взаимодействия различных мод в пограничном слое.

В рамках международного сотрудничества в рамках проекта BUTERFLI, а также инициативных работ со специалистами ЦАГИ им.Жуковского были разработаны плазменные актуаторы на основе ДБР для формирования вихрей поперечного течения вблизи передней кромки стреловидного крыла. Была разработана конструкция актуатора, проведена его паспортизация в неподвижном воздухе и двумерном пограничном слое. Проведены эксперименты, показывающие возможность формирования возмущений с заданный длиной волны в условиях низкоскоростного аэродинамического эксперимента.

Кроме того, разработана конструкция актуатора - плазменной панели, позволяющая произвольным образом формировать структуру воздействия вдоль кромки коронирующего электрода.

[1] I. A. Moralev, A. A. Firsov, D. Preobrazhensky, and I. Selivonin, “Damping of the low veloclity streak by adaptive plasma actuator,” in Proc. 7th EUCASS- EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND SPACE SCIENCES (EUCASS), 2017, p. 270.

[2] I. Moralev, B. Valentin, A. Firsov, V. Sherbakova, and I. Selivonin, “Localized micro-discharges group DBD vortex generators - disturbances source for active transition control,” in Proc. 7th EUCASS- EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND SPACE SCIENCES (EUCASS), 2017, p. #266.

[3] I. Moralev, V. Bityurin, A. Firsov, V. Sherbakova, I. Selivonin, and U. Maxim, “Localized micro-discharges group dielectric barrier discharge vortex generators : Disturbances source for active transition control,” Proc IMechE Part G J Aerosp. Eng., (in press) 2018.

Физика поверхностного барьерного разряда

Диэлектрический барьерный разряд используется в ряде приложений: плазмохимии, генерации озона, аэродинамическом эксперименте. Это обусловлено относительной однородностью разряда в ПДБР, обусловленной ограничением длительности отдельных микроразрядов в результате оседания заряда на поверхности диэлектрического барьера. Структура разряда при атмосферном давлении существенным образом зависит как от различных механизмов плазменной памяти, так и от дефектов кромки коронирующего электрода и барьера. Несмотря на небольшие токи отдельных микроразрядов в пДБР (порядка 1-10мА), взаимодействие поверхностей с активными компонентами плазмы, а также ионная бомбардировка приводят к существенной деградации элементов разрядника. Влияние деградации коронирующего электрода на структуру кромки изучено для двух материалов, существенно различных по стойкости к окислению: меди и алюминия. Показано, что в случае алюминия горение разряда приводит к глубокому а кромки электрода, в то время как на меди процесс окисления, связанный с переосаждением окисла, частично компенсируется эрозией электрода в катодном пятне. Изменения структуры электродной кромки сказываются как на структуре разряда, так и на его электрических характиристиках.

[1] I. V Selivonin, A. V Lazukin, and I. A. Moralev, “Effect of electrode degradation on the electrical characteristics of surface dielectric barrier discharge,” Plasma Sources Sci. Technol., vol. 27, no. 8, p. 85003, 2018.

[2] A. V. Lazukin, I. V Selivonin, I. A. Moralev, and S. A. Krivov, “Modification of an aluminum electrode in a surface dielectric barrier discharge plasma,” J. Phys. Conf. Ser. 927, vol. 927, p. 012028, 2017.

[3] V. R. Soloviev, I. V Selivonin, and I. A. Moralev, “Breakdown voltage for surface dielectric barrier discharge ignition in atmospheric air,” Phys. Plasmas, vol. 24, p. 103528, 2017.