Частотные характеристики отрицательного коронного разряда в турбулентной струе Текст научной статьи по специальности «Физика»

Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 677-679

677

УДК 537.523.3;532.517.4

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО КОРОННОГО РАЗРЯДА В ТУРБУЛЕНТНОЙ СТРУЕ

© 2011 г. А.Б. Ватажин

Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Москва

[email protected]

Поступила в редакцию 16.05.2011

Выполнено экспериментальное и теоретическое исследование частотных характеристик отрицательного коронного разряда в нагретой турбулентной газодинамической струе. Эксперименты проводились на установке, где создавался коронный разряд в турбулентной струе воздуха при изменении его скорости и температуры на срезе сопла в диапазонах 0-250 м/с и 290-650 К и в широком диапазоне изменения потенциала коронирующей иглы (напряжения разряда). Рассчитаны поля скорости и температуры в турбулентной струе и определены ее газодинамические частоты.

Описан дискретный режим движения ионной компоненты в отрицательном разряде, обусловленный особенностями его структуры во внутренней ионизационной зоне и характеризующийся «электрическим» частотным спектром. Получены зависимости доминирующей электрической частоты разряда от скорости и температуры газа на срезе сопла и напряжения коронного разряда.

Ключевые слова: отрицательный коронный разряд, горячая турбулентная струя, дискретная модель разряда, частотные характеристики разряда.

Известно, что движение ионной компоненты в отрицательном коронном разряде осуществляется отдельными сгустками [1] и, наряду с общепринятой континуальной моделью разряда, разрабатываются «дискретные» модели (например, [2]), необходимые, при исследовании частотных характеристик объекта, в кото -ром происходит разряд.

Цель настоящего исследования — обобщение дискретной модели коронного разряда на более широкий диапазон температур и скоростей газа в турбулентной струе, в которую помещен разряд.

Проведено экспериментальное исследование коронного разряда в турбулентной струе воздуха на установке, показанной на рис. 1, где

1 — сопло, 2 — коронирующая игла отрицательного коронного разряда, 3 — отрицательные ионы разряда в межэлектродном промежутке, 4 — нагретая турбулентная струя, 5 — прозрачная для газа сетка — второй электрод коронного разряда, и0 и Т0 — скорость и температура газа на срезе сопла, J — электрический ток разряда, ф — модуль разности потенциалов между иглой

2 и сеткой 5, расстояние I между которыми составляло 12.5 см.

Струя истекала во внешнее воздушное пространство с атмосферным давлением. На срезе сопла измерялись давление и температура тор-

можения газа, что позволило рассчитать все начальные характеристики развивающейся турбулентной струи. Параметры турбулентной струи в межэлектродном пространстве рассчитывались с использованием модели [3]. (Обратное влияние электрических эффектов на осредненное движение струи было несущественно.) Характерная частота газодинамических пульсаций в струе на ее автомодельном участке, по порядку величины равная отношению средней скорости струи к ее диаметру, в сечении расположения сетки 5 оказалась на уровне сотен герц.

5 1

При равной нулю скорости истечения газа из сопла рассматривался режим «ионного ветра», когда возникает газодинамическое течение в результате передачи импульса от движущихся в электрическом поле ионов нейтральным молекулам

678

А.Б. Ватажин

воздуха. Согласно оценкам, скорость ионного ветра в условиях экспериментов была на уровне 3 м/с.

Для каждого газодинамического режима, характеризующегося скоростью и0 и температурой Т0 на срезе сопла, при каждом потенциале ф коронного разряда были измерены средний ток с иглы 2 и средний ток на сетку 5, а также получены путем обработки временных реализаций для этих величин их спектры и найдены доминирующие частоты в спектрах. Указанные токи оказались равны друг другу, что свидетельствует об отсутствии утечек тока из межэлектродного промежутка. Также оказались совпадающими доминирующие частоты. Поэтому для тока и частоты были использованы единые обозначения J и /. Средний «эффективный» заряд Q движущихся в межэлектродном промежутке ионных сгустков приближенно равен Q = J//

Приближенное выражение для доминирующей частоты / пульсаций коронного разряда в сечении сетки 5 было найдено с помощью теории подобия и размерностей:

/ =

Е*Ь

Ф-Ф; Ф.

Л

^(Г) +

ЬЕ*

ф-ф, ^

в2( Г)

ф V т J

го разряда при различных газодинамических условиях на срезе сопла. Кривым 1—3 соответствуют условия: и0 = 0, Т0 = 293 К; и0 = 111 м/с, Т0 = 382 К; и0 = 250 м/с, Т0 = 569 К. Анализ всех полученных экспериментальных данных показал, что частота разряда, при умеренной температуре составляющая 20...30 кГц (при напряжении на ко -ронирующей игле ф = 7 кВ), возрастает до 70...80 кГц с увеличением температуры струи. Частота незначительно изменяется при варьировании скорости в диапазоне и0 > > 20 м/с и существенно

увеличивается с ростом напряжения разряда: при ф = 10 кВ (и Т0 = = 293 К) она достигает 70 кГц.

/, кГц

9 10

Рис. 2

ф, кВ

Здесь Е* — электрическое поле зажигания коронного разряда на поверхности коронирующей иглы (на ее «кончике»), ф* — потенциал зажигания разряда, Ь и V — характерные подвижность ионов и скорость газа, С1(Г) и С2(Г) — функции геометрических параметров и коэффициентов, входящих в выражения для газодинамических величин. Принимая Е * = 100 кВ/см, ф* = 3 кВ/см, ф = 7 кВ/см, Ь = 2 см2/Вс и считая G1 и G2 величинами порядка единицы, приходим к выводу, что частота ко -ронного разряда составляет несколько десятков килогерц. (Данные о величине Е *, которая резко возрастает при уменьшении радиуса коронирую-щей иглы, приведены в [4].)

Частоты / коронного разряда в сечении электрода 5 экспериментально находились в широком диапазоне изменения определяющих параметров (0 < и0 < 250 м/с, 290 < Т0 < 650 К). Некоторые экспериментальные данные представлены на рис. 2, где построены возрастающие зависимости частоты / от потенциала ф коронно-

Авторский коллектив: С.Л. Вавировская, А.Б. Ватажин, Д. А. Голенцов, А.Г. Гулин, В. А. Лихтер, Е.К. Холщевникова.

Работа проведена при финансовой помощи РФФИ (проект №08-01-00142) и по программе Президента РФ поддержки ведущих научных школ (НШ-319.2008.1).

Список литературы

1. Капцов Н.А. Коронный разряд и его применение в электрофильтрах. М.-Л.: Гостехиздат, 1947. 226 с.

2. Варенцов О.К., Ватажин А.Б., Фарамазян В.В. «Сгустковая» модель коронного разряда в газодинамическом потоке // Изв. АН СССР МЖГ. 1986. №1. С. 153—160.

3. Козлов В.Е., Секундов А.Н., Смирнова И.П. Модели турбулентности для описания течения в струе сжимаемого газа // Изв. АН СССР МЖГ. 1986. №6. С. 38—44.

4. Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З., Пашин М.М. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М.: Энергия, 1974. 480 с.

3

V

7

8

NEGATIVE CORONA FREQUENCIES IN A TURBULENT JET A.B. Vatazhin

Experimental and theoretical research of negative corona frequencies in hot turbulent air jet was carried out. Experiments were conducted using a facility where a negative corona dis-charge was created in a turbulent air jet with the changes of its velocity and temperature at the nozzle cross-section in the ranges of 0-250 m/s and 290-650 K and in a wide range changing of the potential of the corona needle. Fields of velocity and temperature in a turbulent jet were cal-culated and its gas-dynamic frequencies were determined. The discrete mode of ionic component moving in the negative corona, caused by fea-tures of its structure in the internal ionization zone and characterized by its «electric» frequency spectrum was described. Dependencies of corona dominating frequency on the velocity and tem-perature of the gas and on the corona potential are obtained.

Keywords: negative corona, hot turbulent jet, corona discrete model, negative corona frequencies.