活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

等离子体合成射流对钝头激波的控制与减阻

为了验证等离子体合成射流对超声速流动的流动控制和减阻效果,在考虑热完全气体效应的情况下,工程拟合等离子体热力学属性和输运系数,利用能量源项模型对超声速平板和球头等典型流场结构进行了数值模拟,并取得了与实验较为一致的结果。研究结果表明：对于马赫数为2的超声速平板流动,等离子体合成射流能有效干扰边界层的发展,并诱导产生一系列大尺度结构;对于马赫数为3的球头流场,等离子体合成射流能显著改变激波脱体距离与球头的阻力特性;在放电后第1个周期内,合成射流能使球头平均阻力降低6.3%,而在射流峰值情况下使阻力降低32.0%,激波脱体距离增加2倍,实现了激波控制和流动减阻的预期效果。     

Characteristics of High Speed Electro-thermal Jet Activated by Pulsed DC Discharge

Experimental study of synthetic jet produced by pulsed direct current(DC) discharge is presented.High velocity jet is activated electro-thermally by high frequency pulsed DC discharge in small cavity.A cavity of 2.38 mm diameter cylinder bounded by circular electrode is made in a ceramic plate and a small orifice of 1.78 mm diameter is drilled in the middle of cavity.High frequency pulsed DC discharge instantaneously heats air in the cavity and produces high velocity jet at the exit of the orifice.Schlieren imaging at high framing rate of 100 kHz reveals the presence of supersonic precursor shock followed by the jet emerging from the orifice.The jet velocity reaches as high as about 300 m/s.Jet with smaller cavity volume produces lesser effect and jet velocity reaches maximum at certain cavity volume with given discharge current and orifice size.As duty time of pulse increases from 5 to 20 μs at fixed frequency of 5 kHz,the jet velocity also increases and becomes nearly constant with further increase in duty time.At fixed duty time of 20 μs,higher frequency pulsing of 10 kHz produces degradation of the jet as the discharge pulse continues.The jet developed in this study is demonstrated to be strong enough to penetrate deep into supersonic boundary layer and to produce a bow shock when the jet is issued into Mach 3 supersonic flow.     

等离子体激励抑制喷管分离流动数值模拟

为研究等离子体激励器对喷管分离流动的抑制作用,运用了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,数值模拟研究了交流介质阻挡放电等离子体和电弧放电等离子体对喷管分离流动的抑制效果,并探究了电弧放电等离子体不同放电热功率密度、不同放电位置对抑制效果的影响。结果表明：电弧放电等离子体在抑制喷管分离流动方面有更好的效果。当电弧放电等离子体激励器作用于激波与边界层相互作用区的上游时,对分离流动的抑制效果最好;当电弧放电热功率密度较小时,其产生的诱导射流速度很小且不易对分离区的流线产生影响;当电弧放电热功率密度为8×10¹⁰ W/m³时,喷管的分离回流区完全消失。     

弹体超声速绕流与底喷流干扰流场的数值模拟

利用ＴＶＤ有限体积格式数值模拟了弹体超声速绕流与底喷注相互干扰的复杂流场。采用四步Ｒｕｎｇ－Ｋｕｔｔａ时间推进多步法及“冻结粘性”技术,加速了迭代收敛,节省了计算机时。     

等离子体激励控制激波与边界层干扰流动分离数值研究

针对高超声速进气道激波与边界层干扰流动分离控制问题,提出了一种低功率重频非定常激励方式,并基于雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程,从唯象学的角度出发,将等离子激励简化为功率密度源项,对比研究了定常与低功率重频非定常等离子体气动激励的作用机理与控制效果。结果表明:定常激励的能量沉积作用对于激波控制非常有效,并可诱导出斜激波,但是对于流动分离控制而言,其能量沉积显然过于强大,反而会使流动分离更加严重,无法满足控制要求;当采用低功率重频非定常激励方式时,对于不同功率密度的情况均存在最佳激励时长与频率,当功率密度为5.0×109W/m3时,最大射流速度可以达到895m/s,并且可以在一定程度上减弱激波与边界层干扰流动分离。      

火花放电合成射流与超声速来流相互干扰特性数值模拟研究

为了指导火花放电式合成射流激励器在超声速流动控制中的应用,数值模拟研究了火花放电合成射流与超声速来流的相互干扰特性。研究表明火花放电式合成射流在超声速流场中产生强烈扰动,产生较强的激波结构;随着射流的喷出,激励器上游分离区和流场中激波呈先增强后减弱的趋势,激波由弓形激波逐渐弱化为斜激波,并且随着放电能量的增加射流与主流的动量通量比不断增大,射流的干扰和控制能力显著增强。由于超声速流的较大惯性及其对腔内气体的引射作用,激励器的腔体回填速率大幅下降、回填时间明显增长,使得激励器的工作频率受到很大限制。     

超声速条件下等离子体合成射流对鼓包诱导流场的影响

为进一步提升鼓包进气道性能,通过唯象仿真方法对超声速条件下等离子体合成射流对鼓包诱导流场控制效果展开了研究,验证了等离子体合成射流控制方法的有效性,并获得了激励器缝宽等参数对其控制效果的影响规律。研究发现：在超声速流场中,等离子体合成射流形成的诱导激波由对称的弓形激波逐渐发展为斜压缩波。对于缝宽为2mm激励器,等离子体合成射流作用的有效时间为四分之一周期,在该时间内能够对鼓包诱导曲面激波起到抑制作用,促进鼓包排移边界层同时带来分离区分离点提前、分离强度减弱、使鼓包表面边界层更加饱满等影响。对于激励器缝宽的参数化研究表明,随着缝宽的增大,射流出口压力增大、作用时间增长、在有效控制时间内射流对鼓包排移的控制效果有所增强,在本文探究的缝宽范围内射流最多可降低壁面3.2%阻力。     

超声速非平衡电离磁流体动力技术实验系统

介绍了超声速非平衡电离磁流体动力技术实验系统的设计思想和组成,设计、制作了马赫数为3.5的吸气式双喉道风洞,采用以陶瓷板为阻挡介质的电容耦合射频阻挡放电,实现了超声速流场中大体积、连续、稳定、均匀等离子体的产生.主要结论有:实验测试风洞稳定工作时间为18s,稳定运行时实验段静压为650Pa;电容耦合射频放电典型工作状态下,通过伏安诊断法测出超声速条件下等离子体的电导率为1.27×10-3S/m.      

地面试验模拟高空等离子体流动控制效果

提出了一种利用地面试验研究不同海拔高度等离子体流动控制性能的方法,该方法基于等离子体诱导射流雷诺相似原则,首先通过测量不同气压下静止空气中等离子体诱导射流的雷诺数,确定地面模拟等离子体激励器的结构和激励参数,然后将该激励器用于风洞试验,最后根据风洞试验结果评估等离子体在不同海拔高度处的流动控制效果。利用该方法研究了等离子体控制临近空间S1223翼型,结果表明相同工作条件下等离子体诱导射流最大速度随着海拔高度增加而增大,但射流雷诺数逐渐降低;高海拔低气压下除了切向壁面射流,等离子体在激励器上方诱导出一个高速向下的法向射流;采用雷诺相似等离子体激励器控制雷诺数为7.1×104的S1223翼型表面流动,攻角为6°~20°时升力系数增大27%~43%,表明采用等离子体流动控制技术后临近空间飞行器的升力特性可得到显著提升。     

Experimental Investigation into Characteristics of Plasma Aerodynamic Actuation Generated by Dielectric Barrier Discharge

This article carries out synthetic measurements and analysis of the characteristics of the asymmetric surface dielectric barrier discharge plasma aerodynamic actuation.The rotational and vibrational temperatures of an N2 (C3Пu) molecule are measured in terms of the optical emission spectra from the N2 second positive system.A simplified collision-radiation model for N2(C) and N2+(B) is established on the basis of the ratio of emission intensity at 391.4 nm to that at 380.5 nm and the ratio of emission intensity at 371.1 nm to that at 380.5 nm for calculating temporal and spatial averaged electron temperatures and densities.Under one atmosphere pressure,the electron temperature and density are on the order of 1.6 eV and 1011cm-3 respectively.The body force induced by the plasma aerodynamic actuation is on the order of tens of mN while the induced flow velocity is around 1.3m/s.Starting vortex is firstly induced by the actuation;then it develops into a near-wall jet,about 70 mm downstream of the actuator.Unsteady plasma aerodynamic actuation might stimulate more vortexes in the flow field.The induced flow direction by nanosecond discharge plasma aerodynamic actuation is not parallel,but vertical to the dielectric layer surface.     

补气式等离子体射流发生器实验研究

提出一种补气式等离子体射流(ASPSJ)发生器,在常规火花放电式等离子体射流(PSJ)发生器腔体上连接单向阀,改善发生器吸气复原阶段的补气量和射流的连续性,以获得能量更高的合成射流。研究了在不同加载电参数下,不同类型单向阀对发生器最大射流速度的优化作用;通过正交实验法确定了补气式等离子体射流发生器的最佳工作电参数,以获得最高的合成射流速度。文中的等离子体射流发生器配以所选择的补气单向阀,最优加载电压频率为150 Hz,幅值为50 kV,占空比为15%。实验结果表明,补气式等离子体射流发生器将最大射流速度提升20%以上,高射流速度的工作频带由单点扩展到100 Hz,以期在应用于流动控制时获得更好的效果。研究成果为后续的主动流动控制的应用研究提供了指导。     

斜出口合成射流激励器S进气道分离流动控制

设计加工了单膜双腔式斜出口合成射流激励器,应用PSI DTC Initium压力扫描系统对斜出口合成射流激励器在S进气道主动流动控制中的应用进行了研究。结果表明：斜出口合成射流激励器能够抑制S进气道分离流动,提高出口总压恢复系数σ和降低畸变指数DC90,只需通过改变激励器的工作电压和频率,就可实现对S进气道内部流场的控制。在共振频率下,当来流速度V=80m/s,采用斜出口合成射流控制可使出口截面平均总压恢复系数增加0.37%,此时所耗合成射流能量仅为主流的0.24%。     

射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验

介质阻挡放电(DBD)均匀稳定、易于敷设,是机翼/翼型等离子体流动控制(PFC)中最常用的激励方式。射频介质阻挡放电激励频率高、放电功率大,且能在流场中产生明显的加热,应用潜力大。采用射频电源驱动DBD激励器产生等离子体,分析放电的体积力、热特性和诱导流场特性,开展了射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验,研究了占空比、调制频率、载波频率和电源功率等参数对流动控制效果的影响规律。结果表明:射频等离子体激励的体积力效应随激励电压的增大而增加;射频等离子体激励产生的热量在诱导的流场中进行传导,加速流场;当来流速度为20m/s,Re=3.36×10~5时,在翼型前缘施加激励,使翼型临界失速迎角推迟1°,最大升力系数增大6.43%,且在过失速迎角下仍具有流动控制效果,使升力下降变缓;调制频率越大,控制效果越好;存在最佳占空比、载波频率和功率,占空比对流场控制效果的影响最显著,最佳占空比、载波频率和功率分别为20%,460kHz和50W。射频等离子体激励以体积力效应、热效应和诱导壁面射流改善失速流场,使得NACA0015翼型气动性能极大改善,流动分离得到有效控制。     

脉冲能量沉积对超声速射流/激波相互作用掺混的控制研究

为探究超声速射流掺混增强的有效控制方法,基于二维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了脉冲能量沉积对超声速射流与斜激波相互作用后增强掺混的控制机理和规律。宽度为5 mm的低密度平面射流同向完全膨胀射入马赫数为2.5的主流中,并与20°压缩斜面所产生的斜激波相互作用。在流场中引入脉冲能量沉积对射流掺混进行控制,并考虑射流马赫数、射流长度、能量沉积位置及激励频率对掺混效果的影响。对比激励流场与基础流场,结果表明:脉冲能量沉积的加入诱导射流形成大尺度涡结构,显著提高射流的掺混效果;能量沉积位置对于不同马赫数射流的掺混增强具有不同的控制效果;激励前后射流宽度的对比表明,脉冲能量沉积的无量纲激励频率在0.22附近时,可使得射流的掺混效果最佳。     

均匀流吹吸式通风实验研究

介绍了吹吸式通风气流的特点,并对吹吸风口间距3.5～3.8m时的低速流场的吹吸式通风气流流场的规律特性进行了实验研究。结果表明,当吹吸风口间距小于3.8m时,低速流场吹吸式通风的气流在射流起始段未结束时就进入了汇流段(吹吸气流流场中未出现射流主体段)。高速流场吹吸式通风的轴心速度经验公式与低速流场的吹吸式通风实验结果式对比分析,发现两者之间存在较大的偏差。高速流场吹吸式通风的轴心速度经验公式不适用于描述低速流场吹吸式通风轴心速度的规律特性。     

两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

两电极等离子体高能合成射流激励器通过腔体内电极间的瞬时电弧放电加热腔内气体,在激励器出口产生压差并喷出高速射流,从而产生反作用力和冲量。针对两电极等离子体高能合成射流响应快、持续时间短的特点,设计了单丝扭摆式微冲量测量系统,并结合高速阴影系统,对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行了实验研究。实验结果表明,两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs,射流持续时间约为1ms,射流前锋最大速度约为190m/s,射流流场发展过程中存在多道强压缩波,并以当地声速向下游传播。单丝扭摆式微冲量测量系统可实现μN·s量级冲量测量精度,单脉冲冲量约为32μN·s,并且在低频状态下射流总冲量随激励器放电频率成线性增加。     

隔板截面造型对超声速膨胀器流场及性能的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,在设计工况下对3种隔板截面形状的超声速膨胀器的三维流道流场进行了数值研究.结果表明:矩形截面形状的超声速膨胀器近吸力面区域气流速度大,斜激波之后流动损失低,等熵绝热效率较高;正梯形截面形状的超声速膨胀器出口平均绝对马赫数、静压比以及膨胀比大,综合性能相对最优;角区附面层分离、回流形成的低速气流团以及斜激波所导致高速气流的增压过程是出口流动损失的主要来源;优化隔板沿径向的结构,超声速膨胀器的综合性能有望进一步提高.      

低气压条件下多缝式等离子体合成射流激励器特性实验

设计了一种低气压条件下工作的大间距多缝式等离子体合成射流激励器,旨在应用于高空飞行器的内部流动控制。实验中利用气体放电电压在低气压条件下迅速降低的特性,将激励器放电电极间距设计为26mm,使激励器腔体和出气口均得到显著拉长,并通过电参数测量、高速纹影观察分别研究了其放电特性及瞬态流场特性。实验结果表明:激励器的初始射流锋面速度达到了761m/s,故在高速流动控制中具有较大的应用潜力。此外,激励器射流导致的压缩波和射流边界均接近半椭圆形,具有较大的流场均匀区,因此其流动干扰能力和动量交换能力较常规孔式射流要更强。      

Jet Vectoring Control Using a Novel Synthetic Jet Actuator

A primary air jet vectoring control system with a novel synthetic jet actuator (SJA) is presented and simulated numerically. The results show that, in comparison with an existing traditional synthetic jet actuator, which is able to perform the duty of either “push” or “pull”, one novel synthetic jet actuator can fulfill both “push” and “pull” functions to vector the primary jet by shifting a slide block inside it. Therefore, because the new actuator possesses greater efficiency, it has potentiality to replace the existing one in various appli- cations, such as thrust vectoring and the reduction of thermal signature. Moreover, as the novel actuator can fulfill those functions that the existing one can not, it may well be expected to popularize it into more flow control systems.