表面介质阻挡放电等离子体诱导流场相似准则及应用

利用相似变换法,由空气动力学动量方程和能量方程推导得出了表面介质阻挡放电等离子体流动控制实验研究时的体积力和放热相似准则。等离子体体积力相似本质上为一种雷诺数相似,根据实验条件的不同其有不同的表现形式:对于静止空气,体积力相似为基于诱导射流最大速度和射流半高宽的射流雷诺数相似;有来流时,可以采用基于激励器单位长度作用力、来流速度和动力粘性系数的单位长度作用力相似,也可以用诱导射流最大速度与来流速度的比值对静止空气诱导射流雷诺数进行修正,得到速度修正射流雷诺数相似。放热相似为无量纲扰动压力相似。应用速度修正射流雷诺数相似准则开展了20 km高空S1223翼型流动控制实验,可得当来流攻角为正且雷诺数较小时,即使来流攻角比较大,升力系数增大10%~55%,等离子体对翼型上、下表面的流场均有控制作用;当来流雷诺数较大时,增升作用不明显。     

对称布局等离子体气动激励器的放电特性与加速效应

等离子体气动激励诱导空气流动特性的测试诊断,是等离子体流动控制的重要基础。为了解等离子体气动激励的电特性,以及激励电压幅值和相位对诱导流动特性的影响,选取对称布局介质阻挡放电激励器进行了实验研究。结果表明：对称布局激励器的放电形式为丝状放电,均匀发生在高压电极周围,与非对称布局激励器的放电图像不同;当激励器相邻高压电极上施加电压的幅值和相位均相同时,诱导的定向射流向上垂直于激励器表面,速度为m/s量级;改变激励器高压电极上施加电压的幅值或相位,可以诱导产生向左上方或右上方的射流,但不能有效增大诱导气流速度。     

平流层表面介质阻挡放电等离子体流动控制相似准则验证

基于翼型Reynolds相似和等离子体射流相似准则,可在地面等效模拟位于平流层的等离子体流动控制效果。首先通过表面介质阻挡放电(SDBD)实验确定地面和平流层激励器的几何参数和放电参数,使等离子体射流具有相同的Reynolds数;然后采用几何、放电参数已知的激励器来控制翼型在地面和平流层飞行时(Reynolds数相同)的流动分离;最后采用数值模拟得到地面和平流层等离子体放电前后的翼型升力系数。结果表明:在施加流动控制后,翼型在地面条件飞行时的升力系数增幅与平流层基本一致。模拟平流层的准确度与翼型攻角有关,在临界攻角处偏差相对较大,其余攻角处偏差很小。在施加等离子体流动控制后,翼型在地面条件飞行的升力系数与平流层的升力系数在临界攻角处的偏差率在1.27%~5.26%之间;其余攻角处较小,在0.04%~0.98%之间。     

新型介质阻挡放电等离子体激励器的放电与诱导流动特性实验

等离子体流动控制扩大压气机稳定性对等离子体激励器的诱导气流速度提出了更高的要求。进行了新型布局介质阻挡放电等离子体激励器的放电特性与诱导流动特性研究,实验研究不同放电电压和占空比对激励器诱导气流速度的影响,并与传统布局激励器进行了对比分析,探讨其在压气机扩稳实验上应用的可能性。结果表明:相对于传统布局等离子体激励器一个放电周期内有一次"强"放电和一次"弱"放电,新型布局等离子体激励器有两次"强"放电;放电频率为15k Hz时,新型布局激励器的诱导气流速度在较低电压下比传统布局激励器小,在较高电压下比传统布局激励器大,最大速度能达到4.7m/s,因此在高电压下能够更好地抑制压气机叶顶泄露流或泄露涡的流动;两种激励器产生的射流都为紊流,随电压增高诱导气流紊流度增大,且新型布局激励器在高电压下紊流度更大,能更好地促进压气机主流与附面层之间的掺混;固定放电电压和放电频率,两种激励器的诱导气流速度均随着占空比增大而线性增大。     

不同布局等离子体激励器的纳秒脉冲放电特性与流动控制效果

为研究不同布局等离子体激励器的电压-电流特性及对流动控制的影响规律,针对多组纳秒脉冲等离子体放电,设计了3种不同布局形式的等离子体激励器,对其放电特性以及流动分离控制能力进行了实验研究,并对其激励特性进行了唯象学仿真分析。结果表明:不同布局形式的等离子体激励器均产生了两组放电的效果,在相同激励电压下,其电流峰值基本相同,同单组激励相比,电流峰值约为其两倍;对流动控制的结果表明,纳秒脉冲等离子体激励能够有效增升减阻,不同布局形式的等离子体激励器对流动分离控制效果有很大影响,升力系数最大提高25.2%,而最小只有6.8%;仿真结果表明,纳秒脉冲等离子体激励能够产生冲击波,并且诱导出复杂的涡结构,不同布局激励器诱导的冲击波的传播速度和强度基本相同,但其诱导的涡的运动和涡量的大小不同,从而对流场产生了不同的扰动,造成了不同的流动控制效果。     

定常等离子体强化气膜冷却效果的数值研究

为获得等离子体气动激励提高气膜冷却效率的物理机制,基于等离子体唯象模型运用大涡模拟方法开展了等离子体控制平板气膜冷却流动的仿真计算,研究了激励器位置和数目对等离子体提高气膜冷却效率的影响。结果表明:激励器越靠近气膜孔出口,冷却射流在等离子体下拉诱导作用下其中心轨迹越贴近壁面,气膜孔出口气流受到的影响越明显,当激励器布置在x/d=0时射流出口最大流向与法向速度增大了10%和3%左右,而气膜孔前缘附近的法向速度约减小了2%,从而削弱了射流迎风面上冷、热气流的掺混以及降低了肾形涡的强度及其抬升射流的能力,使得中心线气膜冷却效率约提高了40%;同单个激励器相比,当采用2个激励器时冷却射流因再次受激励器的下拉诱导与流向加速作用而更加贴近壁面,其向下游延伸的能力进一步增强,同时促使气膜孔下游的大尺度发卡涡破碎成小尺度近壁条带结构而抑制了冷、热气流的掺混,从而平板中心线和展向平均气膜冷却效率分别提高了17%和40%左右;此外,相同激励强度条件下合理分配激励器数目可有效提高等离子体改善气膜冷却效果的性能。     

激励器位置影响环量控制翼型气动特性的实验研究

为了揭示介质阻挡放电等离子体环量控制翼型增升的作用机理,提高对翼型升力的控制效果,重点研究了激励器位置这一关键参数对翼型气动特性的影响规律。基于构建的风洞实验系统,在椭圆翼型NCCR1510~(–7)067N后缘附近施加毫秒脉冲等离子体气动激励,激励器布置于上、下翼面不同位置,实验来流速度6～35m/s,来流迎角–4～12°,利用压力扫描阀获得翼型表面压力分布,积分获得升力特性,通过烟流实验呈现尾部流场特性。实验结果显示:1)激励器靠近上、下翼面分离涡时增升效果更好,其中激励器位于下翼面98.3%弦长位置,2°迎角时环量控制效费比可达108.7。2)上、下翼面激励增加翼型升力的作用机理不同,上翼面激励射流带动外流产生Coanda效应,延迟了附面层分离;下翼面射流与来流反向,起到减速增压的作用,同时诱导出与尾缘下侧分离涡同向的逆时针旋涡,两者相互耦合使得流线下偏,起到虚拟襟翼作用。3)上下翼面同时开启激励,串联射流产生更显著的Coanda效应,有效来流速度提高到35 m/s,对翼型环量和升力控制效果明显增强。研究结果为等离子体环量控制选取关键参数,提高控制效果以及进一步的工程应用提供了一定的理论基础。     

等离子体气动激励器布局对加速效应影响的实验研究

等离子体气动激励器作为等离子体流动控制的执行元件,其性能优劣对流动控制效果有重要影响。诱导气流速度是表征等离子体流动控制能力、衡量等离子体气动激励器性能的一个重要指标。研究了等离子体气动激励器的电极宽度、厚度、电极组内间距、绝缘材料介电常数和厚度等布局参数对诱导气流速度的影响。实验结果表明:选择介电常数合适、尽可能薄的绝缘材料,宽度较大、尽可能薄的条状电极,电极组内间距为1 mm左右的等离子体气动激励器,可提高等离子体气动激励诱导的气流速度。     

射频放电等离子体气动激励特性的实验研究

为了提高等离子体气动激励的强度及流动控制的能力,实验研究了射频放电等离子体的气动激励特性。建立了射频放电等离子体气动激励实验系统,由射频信号发生器、阻抗匹配升压变压器、尖–尖电极等离子体激励器等组成。尖–尖电极等离子体激励器由一组对称的电极和固定装置组成,电极材料采用钨,固定装置材料采用胶木,固定之后电极间距为0.5 mm。在静止空气条件下进行实验,研究了射频放电等离子体的电特性和诱导流动特性。实验结果表明:气压变化时,等离子体激励器的阻抗会发生变化,耦合到等离子体激励器的输入功率也不同;在大气压下,由于射频放电存在快速加热作用,在静止空气中诱导产生了近似圆柱形的冲击波;冲击波首先以音速向外传播,随后强度逐渐减弱,一定时间后衰减为弱扰动;采用射频电源、重频脉冲直流电源、ns脉冲电源,均能在静止空气中诱导产生冲击波,冲击波波速接近音速。由于射频电源的体积、重量更小,实现阻抗匹配之后所需的电源输入功率最低,因此,射频放电是一种非常有前景的气动激励产生方式,在等离子体流动控制方面可能取得较好的效果。     

纳秒脉冲等离子体合成射流的气动激励特性

等离子体合成射流是一种快速、宽频的气动激励方式,由于激励强度高、射流速度大,在超音速流动控制方面具有广阔的应用前景。等离子体合成射流气动激励特性的研究将为揭示等离子体合成射流的产生和演化机制提供必要的基础。为此,研究ns脉冲等离子体合成射流气动激励特性,在常规大气环境进行了发射光谱测试,通过对380.5nm附近的谱线进...