Генезис сверхзвуковых разреженных бинарных струй газа


Просмотр статьи
PDF, 1,3 МБ

The Genesis of Supersonic Rarefied Binary Gas Jets

The expansion of the capabilities limits of the experimental LEMPUS-2 stand of Novosibirsk State University in terms of the range of vacuum pumping speed and diagnostic tools for supersonic jets when flowing into a rarefied space made it possible to implement well-known experimental methods for the purpose of research the of gas flows outflow from various nozzle blocks. The results of measurements performed in binary block jets by the method of photo visualization of flows with varying stagnation and background pressures, as well as the distance between supersonic nozzles with the same geometry, by the outflow of nitrogen and argon, are presented. The influence of the cluster formation process on the gas dynamics of interacting jets is considered.

rarefied gas dynamics, supersonic jets, block jets, optical diagnostic methods, photovisualization, cluster formation

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.7.1207

Александр Сергеевич Яскин, Александр Евгеньевич Зарвин, Кирилл Алексеевич Дубровин, Валерий Владимирович Каляда

Том 26, выпуск 7, 2025 год



Расширение пределов возможностей экспериментального стенда ЛЭМПУС-2 Новосибирского государственного университета по диапазону расходов изучаемых потоков, средствам диагностики сверхзвуковых струй при истечении в разреженное пространство обусловило возможность развития известных экспериментальных методов для исследования истечения газовых потоков из блочных конструкций различных натурных систем, в том числе в условиях конденсации. Представлен анализ фотовизуализаций бинарных блочных струй с одинаковой геометрией при истечении азота и аргона в условиях отсутствия, слабой и сильной конденсации при варьировании давлений торможения и окружающего пространства. Рассмотрены возможности обобщения параметров взаимодействия струй. Изучено влияние изменения расстояния между сверхзвуковыми соплами на структуру бинарного потока. Показано существенное воздействие процесса кластерообразования на газодинамику блочных сверхзвуковых струй.

динамика разреженных газов, сверхзвуковые струи, блочные струи, оптические методы диагностики, фотовизуализация, кластерообразование.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.7.1207

Александр Сергеевич Яскин, Александр Евгеньевич Зарвин, Кирилл Алексеевич Дубровин, Валерий Владимирович Каляда

Том 26, выпуск 7, 2025 год



1. Griin A. E., Schopper E., Schumacher B. Electron shadowgrahs and afterflow pictures of gas jets at low densities // J. Appl. Phys. 1953. Vol. 24. No. 12. P. 1527-1532.
2. Schumacher B. W., Gadamer E. O. Electron beam fluorescence probe for measuring the local gas density in a wide field of observation // Can. J. Phys. 1058. Vol. 36. No. 6. P. 659-662.
3. Sebacher D. I. Primary and afterglow emission from low temperature gaseous nitrogen excited by fast electrons // J. Chem. Phys. 1966. Vol. 44. No. 11. P. 4131-4138.
4. Lee H., Petrie S. Electron beam visualization in hypersonic air flows // 7th Aerodynamic Testing Conference. Palo Alto. CA. USA. 1972. https://doi.org/10.2514/6.1972-1017. https://doi.org/10.2514/6.1972-1017
5. Кисляков Н. И., Ребров А. К., Шарафутдинов Р. Г. Диффузионные процессы в зоне смешения сверхзвуковой струи низкой плотности // ПМТФ. 1973. № 1. С. 121-127.
6. Волчков В. В., Иванов А. В., Кисляков Н. И., Ребров А. К., Сухнев В. А., Шарафутдинов Р. Г. Струи низкой плотности за звуковым соплом при больших перепадах давления // ПМТФ. 1973. № 2. С. 64-73.
7. Лейтес Е. А. Исследование течения в области взаимодействия двух и четырёх струй // Труды ЦАГИ. 1974, вып. 1575. С. 3-30. (Изд. отдел ЦАГИ, Мск, 1974).
8. Ермолов В. И., Лангран Ж.-К., Ребров А. К., Храмов Г. А. Экспериментальное исследование взаимодействия двух спутных гиперзвуковых струй. // ПМТФ. 1983. № 3. С. 104−107.
9. Gochberg L. A. Electron beam fluorescence methods in hypersonic aerothermodynamics // Prog. Aerospace Sci. 1997. Vol. 33. P. 431-480.
10. Gerasimov Yu. I., Krylov A. N., Yarygin V. N. Structure and gas parameters of plume expiring into vacuum from four nozzles located around the space vehicle case // Rarefied Gas Dynamics: 25-th International Symposium. Ed. M.S.Ivanov and A.K.Rebrov. Novosibirsk. 2007. P. 610-615.
11. Belan M., De Ponte S., Tordella D. Determination of density and concentration from fluorescent images of a gas flow // Exp. Fluids. 2008. Vol. 45. P. 501–511. DOI 10.1007/s00348-008-0493-5
12. Герасимов Ю.И., Ярыгин В.Н., Крылов Ф.Н., Сагдуллин Б.А. Моделирование структуры течения в составной струе за двумя двигателями, расположенными около корпуса космического аппарата // Теплофиз. Аэромех. 2009. Т. 16 (3). С. 395-404.
13. Mohamed A.K., Bonnet J., Larigaldie S., Pot T., Soutadé J., Diop B. Electron beam fluorescence in hypersonic facilities // J. AerospaceLab. 2009. Iss. 1. Al01-08.
14. Ярыгин В. Н., Герасимов Ю. И., Крылов А. Н., Мишина Л. В., Приходько В. Г., Ярыгин И. В. Газодинамика космических кораблей и орбитальных станций (обзор) // Теплофиз. Аэромех. 2011. Т. 18. № 3. С. 345-372.
15. Chen G., Geng X., Xu H., Mi Y., Zhang X., Wang L., Kim D.E. Understanding of cluster size deviation by measuring the dimensions of cluster jet from conical nozzles // AIP Advances 2013. Vol. 3. 032133. https://doi.org/10.1063/1.4796187
16. Franquet E., Perrier V., Gibout S., Bruel P. Free underexpanded jets in a quiescent medium: A review // Progress in Aerospace Sciences. 2015. Vol. 77. P. 25-53. http://dx.doi.org/10.1016/j.paerosci.2015.06.006
17. Ieshkin A. E., Danilov A. V., Chernysh V. S., Ivanov T. E., Znamenskaya I. A. Visualization of supersonic flows with bow shock using transversal discharges // J. Vis. 2019. Vol. 22. P. 741–750. https://doi.org/10.1007/s12650-019-00565-6
18. Zarvin A. E., Krylov A. N., Yaskin A. S., Antipova M. S., Kalyada V. V., Gerasimov Yu. I., Dubrovin K. A., Khudozhitkov V. E. Laboratory simulation for single and block supersonic jets // J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1677. 012160. DOI:10.1088/1742-6596/1677/1/012160
19. Zarvin A. E., Madirbaev V. Z., Dubrovin K. A., Kalyada V. V. On the mechanism of ionic-cluster excitation of argon levels in molecular gas mixtures // Plasma Chem. Plasma Process. 2022. Vol. 42. P. 247–265. https://doi.org/10.1007/s11090-021-10214-2
20. Patel M., Geethika B.R., Thomas J., Joshi H. Spatial mapping of low pressure cluster jets using Rayleigh scattering // Sci. Rep. 2023. Vol. 13. 6338. https://doi.org/10.1038/s41598-023-32373-2
21. Dubrovin K. A., Zarvin A. E., Kalyada V. V., Yaskin A. S. Influence of the outflow initial parameters on the transverse dimensions of underxpanded argon jets in presence of condensation. Vacuum. 2023. Vol. 207. 111651. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111651
22. Zarvin A. E., Kalyada V. V., Madirbaev V. Zh., Korobeishchikov N. G., Khodakov M. D., Yaskin A. S., Khudozhitkov V. E., Gimelshein S. F. Condensable supersonic jet facility for analyses of transient low-temperature gas kinetics and plasma chemistry of hydrocarbons // IEEE Transact. Pl. Sci. 2017. Vol. 45. P. 819-827. DOI: 10.1109/TPS.2017.2682901
23. Rothe D. E. Flow visualization using a traversing electron beam // AIAA Journal. 1965. Vol. 3. No. 10. P. 1945-1946. https://doi.org/10.2514/3.3286
24. Even U. Pulsed supersonic beams from high pressure source: simulation results and experimental measurements // Adv. in Chemistry. 2014. Vol. 2014. 636042. http://dx.doi.org/10.1155/2014/636042
25. Khudozhitkov V., Zarvin A., Kalyada V. Generation of a low-temperature plasma in a nozzle to initiate ion-cluster reactions in jets of mixtures of methane with a buffer gas // E3S Web of Conf. 2023. Vol. 459. 01007. https://doi.org /10.1051/e3sconf/202345901007
26. Khudozhitkov V. E., Zarvin A. E., Kalyada V. V. Mass spectrometry of clustered flows during gas ionization by low-temperature plasma in the diffuser part of the nozzle // Phys. Pl. 2025. Vol. 32, No. 2. 033508. DOI: 10.1063/5.0250894
27. Dubrovin K. A., Zarvin A. E., Kalyada V. V., Yaskin A. S. Causes of the glow of the anomalous secondary flow in supersonic clustered jets excited by a high-voltage electron beam // Tech. Phys. Let. 2020. Vol. 46. No. 4. P. 337–340. DOI: 10.1134/S1063785020040057
28. Kornilov S. Y., Osipov I. V., Rempe N. G., Generation of narrow focused beams in a plasma-cathode electron gun // Instrum. Exp. Tech. 2009. Vol. 52. No. 3. P. 406–411. https://doi.org/10.1134/S002044120903018X
29. Смирнов Б. М. Возбужденные атомы. М.: Энергоиздат. 1982. 231с.
30. Muntz E. P., Marsden D. J. Electron excitation applied to the experimental investigation of rarefied gas flows // Rarefied Gas Dynamics. Ed. J.A. Laurmann. Academic Press. 1963. Vol. II. P. 495-526.
31. Muntz E. P., Abel S. J, Maguire B. L. The electron beam fluorescence probe in experimental gas dynamics // Suppl. to IEEE Transact. Aerospace. June 1965. P. 210-222.
32. Lewis C. H. Jr, Carlson D. J. Normal shock location in underexpanded gas and gas-partical jets // AIAA J. 1964. Vol. 2. No. 4. P. 776-777.
33. Bauer A. B. Normal shock location on underexpanded gas-particle jets // AIAA J. 1965. Vol. 3. No. 6. P. 1187–1189. https://doi.org/10.2514/3.3097
34. Ashkenas H. Z., Sherman F. S. The structure and utilization of supersonic free jets in low density wind tunnels // Rarefied gas dynamics. N. Y.: Acad. Press, 1966. Vol. 2. P. 84–89.
35. Гусев В. Н., Климова Т. В. Течение в истекающих из недорасширенных сопел струях // Изв. АН СССР. МЖГ. 1968. № 4. С. 121-125..
36. Ребров А. К., Чекмарев С. Ф., Шарафутдинов Р. Г. Влияние разреженности на структуру свободной струи азота // ПМТФ. 1971. № 1. С 136-141.
37. Мурзинов И.Н. Параметры подобия при истечении сильно недорасширенных струй в затопленное пространство // Изв. АН СССР. МЖГ. 1971. № 4. С. 143-149.
38. Гусев В.Н., Климова Т.В. К подобию сверхзвуковых струйных течений. Ученые записки ЦАГИ. 1972. Т. 3. № 6. С. 1-9.
39. Шелухин Н. Н. Параметры подобия формы недорасширенной струи при истечении в затопленное пространство. Ученые записки ЦАГИ. 1979. Т. 10. № 2. С. 130-136.
40. Герасимов Ю. И., Ярыгин В. Н. Истечение струй идеального и реальных газов из осесимметричных сопел. Вопросы подобия 2. Истечение в затопленное пространство // ФХКГД. 2012. Т. 13, вып. 2. http://chemphys.edu.ru/issues/2012-13-2/articles/315/.
41. Кисляков Н. И., Ребров А. К., Шарафутдинов Р. Г. О структуре высоконапорных струй низкой плотности за сверхзвуковым соплом // ПМТФ. 1975. № 2. С. 42-52.
42. Зарвин А. Е., Яскин А. С., Каляда В. В., Ездин Б. С. О структуре сверхзвуковой струи в условиях развитой конденсации // ПЖТФ. 2015. Т. 41. Вып. 22. С. 74-81.
43. Dubrovin K. A., Zarvin A. E., Kalyada V. V., Yaskin A. S.. On the model of metrication of supersonic under-expanded gas jets under condensation conditions // Thermophys. Aeromech. 2023. Vol. 30. No. 2. P. 215-225. DOI: 10.1134/S0869864323020038.
44. Яскин А. С., Зарвин А. Е., Каляда В. В., Дубровин К. А., Художитков В. Э., Деринг Е. Д., Ващенко П. В., Лабусов В. А. Визуализация сверхзвуковых разреженных газовых потоков сложной формы // ПТЭ. 2025. Принята в печать.