Numerical Modeling of Supersonic Flow with a Region of Heat Release by a Longitudinal-Transverse Discharge

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Steady supersonic air flow in a diverging aerodynamic channel of rectangular cross-section is numerically simulated. The channel represents a laboratory model of an air-breathing straight-flow engine. The aerodynamic model is validated using the experimental data for the case in which the zone of volumetric heat release is absent. After the model has been validated a supersonic flow with a built-in zone of volumetric heat release was numerically simulated. Three-dimensional distributions of the velocity, temperature, and pressure in a steady supersonic air flow are obtained. It is shown that in the case, in which the volumetric density of the heat power of the source is equivalent to the mean total power of the discharge W = 10 kW, the discharge heats the gas up to the temperature T = 1700 to 4200 K, which leads to flow acceleration without its thermal choking. When the thermal power density of the source is equivalent to the mean common discharge power W = 20 kW, the gas is heated more strongly, up to 6700 K, but then local thermal choking of the flow occurs.

About the authors

K. N. Kornev

Moscow State University, Faculty of PhysicsMoscow State University, Faculty of Physics

Email: singuliarnost@yandex.ru
Moscow, Russia

A. A. Logunov

МГУ им. М.В. Ломоносова, Физический факультет

Email: logunov_aa@physics.msu.ru
Moscow, Russia

V. M. Shibkov

Moscow State University, Faculty of Physics

Author for correspondence.
Email: valshibmsu@gmail.com
Moscow, Russia

References

  1. Leonov S.B. Electrically Driven Supersonic Combustion // Energies 2018, 11, 1733. https://doi.org/10.3390/en11071733
  2. Chernyi G.G. Some recent results in aerodynamic applications of flows with localized energy addition // 9 International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference and 3 Weakly Ionized Gases Workshop, 1–5 November 1999, Norfolk, VA, USA, AIAA-99-4819. https://doi.org/10.2514/6.1999-4819
  3. Lin Bing-xuan, Wu Yun, Zhang Zhi-bo, Chen Zheng Multi-channel nanosecond discharge plasma ignition of premixed propane/air under normal and sub-atmospheric pressures // COMBUSTION AND FLAME. 2017. V. 182. P. 102–113. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2017.04.022
  4. Enloe C.L., McLaughlin T.E., VanDyken R.D., Kachner K.D., Jumper E.J., Corke T.C. Mechanisms and Responses of a Single Dielectric Barrier Plasma Actuator: Plasma Morphology // AIAA JOURNAL. 2004. V. 42. № 3. P. 589–594. https://doi.org/10.2514/1.2305
  5. Знаменская И.А., Луцкий А.Е., Мурсенкова И.В. Исследование поверхностного энерговклада в газ при инициировании импульсного разряда типа „плазменный лист“ // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. № 24. С. 38–42. http://elibrary.lt/resursai/Uzsienio%20leidiniai/ioffe/pztf/2004/24/pztf_t30v24_07.pdf
  6. Знаменская И.А., Латфуллин Д.Ф., Луцкий А.Е., Мурсенкова И.В., Сысоев Н.Н. Развитие газодинамических возмущений из зоны распределенного поверхностного скользящего разряда // ЖТФ. 2007. Т. 77. № 5. С. 10–18. http://elibrary.lt/resursai/Uzsienio%20leidiniai/ioffe/ztf/2007/05/ztf7705_02.pdf
  7. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Логунов А.А. Влияние скорости воздушного потока на основные характеристики нестационарного пульсирующего разряда, создаваемого с помощью стационарного источника питания // Физика плазмы. 2018. Т. 44. № 8. С. 661–674. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35642593
  8. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Логунов А.А. Параметры плазмы пульсирующего в сверхзвуковом потоке воздуха разряда постоянного тока // Физика плазмы. 2017. Т. 43. № 3. С. 314–322. https://doi.org/10.7868/S0367292117030118
  9. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Логунов А.А. Степень ионизации воздуха в плазме нестационарного пульсирующего разряда в дозвуковых и сверхзвуковых потоках // Вестник Московского университета. Сер. 3. Физика. Астрономия. 2018. № 5. С. 44–49. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36992595
  10. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Логунов А.А. Температура электронов в плазме разряда постоянного тока, создаваемого в сверхзвуковом воздушном потоке // Вестник Московского университета. Сер. 3. Физика. Астрономия. 2017. № 3. С. 76–82. http://vmu.phys.msu.ru/file/2017/3/17-3-075.pdf
  11. Копыл П.В., Сурконт О.С., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Стабилизация горения жидкого углеводородного топлива с помощью программированного СВЧ-разряда в дозвуковом воздушном потоке // Физика плазмы. 2012. Т. 38. № 6. С. 551. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17726891
  12. Зарин А.С., Кузовников А.А., Шибков В.М. Свободно локализованный СВЧ-разряд в воздухе. М.: Нефть и газ., 1996.
  13. Шибков В.М., Александров А.Ф., Ершов А.П., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Шибкова Л.В. Свободнолокализованный сверхвысокочастотный разряд в сверхзвуковом потоке газа // Физика плазмы. 2005. Т. 31. № 9. С. 857. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9175972
  14. Shibkov V.M., Aleksandrov A.F., Chernikov V.A., Ershov A.P., Shibkova L.V. Microwave and Direct-Current Discharges in High-Speed Flow: Fundamentals and Application to Ignition // Journal of Propulsion and Power. 2009. V. 25. № 1. P. 123. https://doi.org/10.2514/1.24803
  15. Шибков В.М., Двинин С.А., Ершов А.П., Константиновский Р.С., Сурконт О.С., Черников В.А., Шибкова Л.В. Поверхностный СВЧ разряд в воздухе // Физика плазмы. 2007. Т. 33. № 1. С. 77–85. https://elibrary.ru/item.asp?id=9444599
  16. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Громов В.Г., Карачев А.А., Константиновский Р.С. Влияние поверхностного СВЧ-разряда на воспламенение высокоскоростных пропан-воздушных потоков // Теплофизика высоких температур. 2011. 49. № 2. С. 163. https://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=tvt&paperid=277&option_lang=rus
  17. Шибков В.М., Ершов А.П., Черников В.А., Шибкова Л.В. Сверхвысокочастотный разряд на поверхности диэлектрической антенны // ЖТФ. 2005. Т. 75. № 4. С. 67–73. https://journals.ioffe.ru/articles/8529
  18. Шибков В.М., Двинин С.А., Ершов А.П., Шибкова Л.В. Механизмы распространения поверхностного сверхвысокочастотного разряда // ЖТФ. 2005. Т. 75. № 4. С. 74–79. https://journals.ioffe.ru/articles/8530
  19. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Карачев А.А. Поверхностный сверхвысокочастотный разряд при повышенных давлениях воздуха // Теплофизика высоких температур. 2009. Т. 47. № 5. С. 650–658. https://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=tvt&paperid=902&option_lang=rus
  20. Logunov A.A., Kornev K.N., Shibkova L.V., Shibkov V.M. Influence of the Interelectrode Gap on the Main Characteristics of a Pulsating Transverse-Longitudinal Discharge in High-Velocity Multicomponent Gas Flows // High Temperature. 2021. V. 59. № 1. P. 19–26. https://link.springer.com/article/10.1134/S0018151X21010119
  21. Шибкова Л.В., Шибков В.М., Логунов А.А., Долбня Д.С., Корнев К.Н. Параметры плазмы пульсирующего разряда, создаваемого в высокоскоростных потоках газа // Теплофизика высоких температур. 2020. Т. 58. № 6. С. 1–8. https://doi.org/10.31857/S0040364420060198
  22. Двинин С.А., Ершов А.П., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Шибков В.М. Моделирование разряда постоянного тока в поперечном сверхзвуковом потоке газа // Теплофизика высоких температур. 2004. Т. 42. № 2. С. 181–191. https://doi.org/10.1023/B:HITE.0000026147.82949.36
  23. Toktaliev P.D., Semenev P.A., Moralev I.A., Kazanskii P.N., Bityrin V.A. and Bocharov A.N Numerical modeling of electric arc motion in external constant magnetic field // Journal of Physics: Conference Series 2020 1683 032009. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/3/032009
  24. Moralev I., Kazanskii P., Bityurin V., Bocharov A., Firsov A., Dolgov E. and Leonov S. Gas dynamics of the pulsed electric arc in the transversal magnetic field // Journal of Physics D: Applied Physics. 2020. V. 53. № 42. 425203. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab9d5a
  25. Rakhimov R.G., Moralev I.A., Firsov A.A., Bityurin V.A. and Bocharov A.N. On the gasdynamics of the electric discharge in external magnetic field // Journal of Physics: Conf. Ser. 2019. V. 1147. 012128. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1147/1/012128
  26. Boulos M.I., Fauchais P., and Pfender E., Thermal Plasmas: Fundamentals and Applications. Plenum Press- Springer, 1994.
  27. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (212KB)
Indexing metadata
3.

Download (151KB)
Indexing metadata
4.

Download (144KB)
Indexing metadata
5.

Download (404KB)
Indexing metadata
6.

Download (428KB)
Indexing metadata
7.

Download (444KB)
Indexing metadata
8.

Download (224KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 К.Н. Корнев, А.А. Логунов, В.М. Шибков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».