Наносекундный сильноточный разряд в сверхзвуковом потоке газа, страница 4

Основной нагрев газа в послеразрядный период связан с реакциями VT-релаксации колебательного возбуждения N₂ на атомах кислорода. В рассматриваемых условиях при t5-10 мс концентрация атомов кислорода сильно уменьшается за счет процессов рекомбинации и, следовательно, значительно уменьшается скорость VT-релаксации. Поэтому при числах Маха    M<2.5 процесс VT-релаксации на временах, меньших 10 мс, остается незавершенным. При больших числах Маха VT-релаксация протекает более интенсивно, но энерговыделение в разряде уже значительно меньше энергии УВ. Поэтому для всех рассматриваемых режимов (М = 1.5-4.5) влияние исследуемого разряда на газодинамические процессы относительно мало.

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД В НЕОДНОРОДНОМ ПОТОКЕ ГАЗА

Как уже отмечалось, особый интерес представляют исследования газодинамических процессов, инициируемых воздействием разряда с пространственно неоднородным распределением энерговклада. Такая ситуация реализуется, если разряд воздействует на газ переменной плотности.

Описанный выше объемный самостоятельный разряд зажигался на разных этапах движения фронта ударной волны через область между электродами. Импульс с датчика давления позволяет синхронизировать начало разряда с соответствующей фазой газодинамического процесса. Кроме того, проводились исследования разряда в потоке газа за плоской ударной волной после ее дифракции на препятствиях. Особенностью этих экспериментов является наличие в потоке неоднородностей плотности газа, что приводит к существенному перераспределению тока разряда. За счет сильной зависимости локальной проводимости среды от приведенного электрического поля E/Nразряд "стягивается" в области пониженной плотности, которые становятся при этом источником повышенной интенсивности свечения.

На рис. 5 приведены фотографии свечения разрядного промежутка, пересекаемого ударной волной (М = 2.3), прошедшей около 25% (рис. 5а) и 70% (рис. 56) длины электродов. Эксперименты показали, что разряд горит только в зоне пониженной плотности газа перед ударной волной. Иногда это свечение неоднородно: оно как бы "прижато" к фронту УВ. Для выяснения причин появления указанной неоднородности свечения необходимы дополнительные исследования.

Рис. 5. Фотографии разряда, пересекаемого ударной волной, М = 2.3: при прохождении УВ 25% длины разрядной области - (а), 70% разрядной области - (б).

Токовые характеристики исследуемого разряда и в однородном, и в неоднородном потоках отличаются незначительно. На рис. 6 приведена осциллограмма тока разряда при наличии в межэлектродном промежутке УВ. И амплитуда, и динамика тока разряда в этом случае мало отличаются от результатов соответствующих измерений в однородном потоке (рис. 3). Это обстоятельство было использовано при моделировании распределения удельного энерговклада в различных зонах газодинамического потока.

Как уже отмечалось, при наличии горячих областей (с меньшей, чем в среднем по объему, плотностью газа) происходит быстрое "стягивание" разряда в эти зоны и существенное возрастание там плотности энерговыделения. Максимальное значение энерговклада в этих областях составляет:

где      - значение энерговклада в однородном случае, - доля горячих областей в объеме разряда. Как уже отмечалось, для данного разряда             0.037 ± 0.002 эВ/мол.

На рис.7 представлены зависимости удельного энерговклада в области разрежения (р/р₀ = 0.33) от объемной доли этих областей. Расчеты проводились при Р = 20 Тор. Результаты расчетов близки к        , определяемой по формуле (4) (штриховая кривая), т.е. степень локализации разряда в зонах пониженной плотности оказывается очень велика. Это, как уже говорилось, является следствием сильной зависимости констант скорости ионизации электронным ударом от E/N. Заметим, что при 12-13 энерговклад в области разрежения может превышать 0.5 эВ/мол. (рис. 7).

Существенная неоднородность плотности газа может достигаться при прохождении по разрядному промежутку ударной волны. При этом отношение плотностей на фронте УВ определяется соотношениями Гюгонио (таблица), а объемная доля области относительно низкой плотности газа                 зависит от пройденного волной расстояния.