一种中心电弧等离子体发生器的理论模型与实验研究

电热化学发射中，烧蚀毛细管等离子体发生器的放电是电能转化为热能的重要阶段。目前，国内外的研究主要集中在对喷管式的毛细管进行实验和理论分析。但喷管式的毛细管却有其不可克服的缺点。因此，笔者提出了采用中心电弧式的毛细管，并从理论上对其进行了描述，同时针对一种通用的材料——聚乙烯在多种贮能条件下进行了放电实验研究，得出了一些规律性的认识。实验表明：中心电弧等离子体发生器在电弧稳定性以及能量转换等方面都有独特的优点。     

用于驻点烧蚀试验的5kW等离子体发生器设计

为了研究再入大气层时,飞行器所遭受的烧蚀情况和其外壳材料的热防护作用,围绕地面模拟再入环境的小型等离子体风洞系统,从等离子体发生器的功率计算和阴极、阳极结构参数入手,设计了用于驻点烧蚀试验的5kW级别小功率等离子体发生器。采用局域热力学平衡的方法,选择工作电流分别为90A,100A,110A和120A,对等离子体发生器性能的影响进行了研究。利用实验室真空系统与电源设备,开展初步点火试验,验证了等离子体发生器的基本性能。结果表明:与仿真计算结果相比,设计状态工质下的放电电压误差为8%,点火试验测得的放电电压误差为6.25%,参数对比验证了等离子体发生器仿真模型计算可靠,设计的等离子体发生器符合预期,工作正常。     

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。     

电弧放电等离子体激励控制超声速压气机叶栅激波/边界层干扰仿真研究

为研究电弧放电等离子体激励对超声速压气机叶栅激波/边界层干扰的控制作用,建立了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,进一步以ARL-SL19超声速叶栅为对象,通过数值仿真研究了电弧放电等离子体与叶栅通道内部流动的相互作用及其对叶栅流动损失的影响。结果表明:等离子体唯象学模型能够较好模拟电弧放电等离子体诱导产生冲击波的气动特性。电弧放电等离子体激励对叶栅通道内部流动主要具有三种作用效果:在放电区,注入的热量会产生阻塞效应,增加近壁面气流的流动损失;在激波/边界层相互作用区,能够改变激波系结构,减小激波损失;在尾迹区,冲击波会诱导产生脱落涡。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

等离子体炬电弧放电热膨胀不稳定性分析

针对层流电弧中的不稳定性以及电弧脉动的起因,利用简化的一维放电模型,分析了稳态放电非转移弧层流等离子体射流的放电热膨胀不稳定性表现为射流周期性震荡的宏观性质,提出电弧放电室进气流初始定向流速增加能够抑制等离子体炬射流放电不稳定性的发展。放电热膨胀不稳定性发生的主要机制是:由于放电气体密度的随机涨落与电场加热气体功率的反相关变化,导致电弧放电通道内温度高的区域随着加热功率的增加而正反馈增加,由此导致电弧放电热膨胀不稳定;放电气体的定向流速度为射流增加的一项动压与密度变化成正比,导致放电热膨胀不稳定性的发展具有阈值限制;增加定向流速度能够抑制放电热膨胀不稳定性。     

等离子体气动激励控制激波的实验研究

在机械式和气动式激波控制方法的基础上,提出了激波控制的等离子体气动激励方法。采用电弧放电等离子体气动激励方式,设计了电弧放电等离子体气动激励器,在小型暂冲式超声速风洞中开展了等离子体气动激励控制尖劈斜激波的实验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制激波。实验研究了磁场对激波控制效果的影响,结果表明施加磁场使得激波控制效果显著增强。从热效应机理角度出发,建立了等离子体气动激励控制激波的热阻塞模型,采用该理论模型预测的激波变化规律与实验结果一致,从而验证了热阻塞模型的合理性。由于等离子体气动激励方法具有响应迅速、控制灵活等优点,因此将成为激波控制领域一条新的有价值的技术途径。     

微波增强滑移电弧等离子体辅助超声速燃烧

为了研究微波增强滑移电弧等离子体对超声速燃烧火焰结构的影响，在超燃冲压发动机直连式实验台发动机模型加装了微波和滑移电弧结构，进行了超声速稳定燃烧实验。以单级凹腔作为火焰稳定器，燃烧室来流马赫数为2.5，常温乙烯从壁面横向射流，燃料射流点之前放置滑移电弧电极，凹腔对侧馈入2.45 GHz的微波。研究表明，在超燃冲压发动机燃烧室内滑移电弧同样遵循放电和扩展的周期特性，由于气流流速极高，滑移电弧周期约达125 kHz。等离子体的加入使燃烧室预燃激波串前移，火焰的起始和稳定位置从凹腔剪切层向燃料射流前部转移，超声速火焰燃烧速率提高。与单一的微波或滑移电弧等离子体增强燃烧方法相比，微波与滑移电弧的结合可在较低的能耗下，实现与高功率微波等效的效果。微波增强滑移电弧等离子体能够对超声速燃烧起到稳定作用。     

火花放电等离子体射流实验研究

提出一种火花放电等离子体射流发生器,可获得能量较高的零质量射流。其工作频率可达9k Hz,可在大气压下产生持续的平均速度较高的射流。详细阐述了该射流发生器结构;通过对其放电形态的研究,探讨了产生射流的机理;利用皮托管测量了射流平均速度,研究了发生器电极间距及外加电参数对射流平均速度的影响,测量了射流平均速度轴向分布;得到了该等离子体射流发生器的射流特性曲线。实验结果表明,该发生器产生的持续射流平均速度可达40m/s以上;增大加载电压还可提高射流速度;对给定的射流发生器,存在最佳电极间距和电压频率。     

局部电弧丝状放电控制激波/边界层干扰的数值研究

采用数值模拟的方法研究局部电弧丝状放电激励对激波/边界层干扰引起的气流分离的控制效果和机理。研究发现在干扰区上游和干扰区内进行电弧放电能够有效控制边界层的分离,且控制效果随着能量输入增大而增强,最大可使分离区减小40.6%,而在干扰区下游作用时对激波/边界层干扰基本没有影响。结合热阻塞效应,可得出电弧放电的作用机理是其产生的焦耳热在流场中造成局部流场阻塞,形成等离子体虚拟型面,在流场中诱导出微弱的斜激波和旋向相反的漩涡,增大了边界层内流体的动量,使其抵抗分离的能力增强,从而抑制了气流的分离。     

等离子体流动控制研究进展与展望

等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新型主动流动控制技术,具有响应时间短、激励频带宽等显著技术优势,在改善飞行器/发动机空气动力特性方面具有广阔的应用前景,已成为国际上等离子体动力学与空气动力学交叉领域的前沿研究热点。鉴于此,从介质阻挡放电(DBD)、电弧放电等离子体气动激励特性,等离子体气动激励抑制流动分离、控制附面层、控制激波与激波/附面层干扰、控制压气机与涡轮内部流动、控制管道流动和飞行控制等方面,综合评述了国际上等离子体流动控制的研究进展情况;从创新等离子体气动激励方式,揭示等离子体气动激励与复杂流动的非定常耦合机制,突破等离子体流动控制系统关键技术等方面,对未来的发展进行展望。     

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。     

高功率螺旋波等离子体诊断试验研究

高功率螺旋波等离子体源作为可变比冲磁等离子体发动机(Variable Specific Impulse Mag-netoplasma Rocket,VASIMR)的第一级,其参数直接影响发动机的性能。为提高螺旋波源的等离子体密度和工质电离率,以4kW螺旋波等离子体源为研究对象,利用射频补偿Langmuir探针诊断等离子体的离子密度和电子温度。试验结果表明,在强磁场条件下,随着功率的升高,螺旋波等离子体源内部共出现两次放电模式转换,最终进入了螺旋波放电模式。在达到螺旋波放电模式后,羽流区域的等离子体密度超过1×10~(12)cm~(-3),初步评估,放电天线区域的离子密度超过2×10~(14)cm~(-3),离子密度在放电管中心区域较高,沿径向逐渐降低。研究结果为30kW磁等离子体发动机的研制提供依据。     

分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器实验研究

通过纳秒激光烧蚀羽流特性的研究证实了羽流分裂现象的存在,为了抑制羽流分裂现象可能带来的滞后烧蚀而将分块阳极构型引入激光支持的脉冲等离子体推力器中,由此首次提出了分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器的概念.通过实验对比研究了分块阳极和正常阳极构型的放电特性参数、性能参数和放电电弧发展演化等特性.结果表明,分块阳极构型能...     

氪气工质霍尔推力器束聚焦特性研究

以研究氪气替代氙气作为霍尔推力器工质时,等离子体束发散程度大等束聚焦特性问题为目的,通过以霍尔推力器磁场参数、放电电压和阳极工质流量分别作为单一变量进行实验研究,考察其对推力器等离子体束聚焦影响情况。使用HET-P70霍尔推力器进行相关实验,通过改变磁场参数来研究磁场位形对氪气工质推力器性能的影响,最终发现合适磁场位形形成的磁聚焦状态,即实验一中的工况3,可以使羽流发散角达到11.5°,此时推力器放电电压在400V,阳极工质流量3mg/s。另外,通过实验二和实验三,考察阳极工质流量和放电电压对氪等离子体束聚焦的影响机理,发现两个放电参数的变化主要改变了中性气体主电离区位置,进而影响等离子体束聚焦状态。电离位置在设定工况下外移9%,会使得羽流发散半角增大约12°。所以,磁场位形和中性气体的电离位置是影响氪等离子体束聚焦的重要因素,在对氪气霍尔推力器进行设计优化时应予重点考虑。     

射频自偏压效应离子推力器束流特性实验研究

为了获得不同推力器工况对射频自偏压效应离子推力器的自偏压幅值和束流特性的影响，本文通过地面实验研究了栅极射频功率、线圈放电功率、工质种类对自偏压幅值和羽流区等离子体参数的影响，同时对直流栅极工况和射频栅极工况下的束流特性进行了对比。研究结果表明：栅极射频功率的增大会提高自偏压幅值并提升束流强度，但在较高栅极射频功率下，栅极下游区域将发生自持放电并形成等离子体；放电腔内放电模式转换会通过改变等离子体阻抗的方式大幅影响栅极直流自偏压幅值和栅极电压的射频分量，进而影响羽流区等离子体参数；与直流栅极工况相比，射频栅极能同时引出并加速离子和电子，并在栅极下游实现自中和，且在Ar,Kr,Xe三种工质下均具有自中和能力。     

等离子体合成射流激励器及其流动控制技术研究进展

等离子体合成射流(PSJ)激励器是通过半封闭容腔内电弧放电的温升及压升作用产生高温高速零质量射流的装置,具有射流速度高、边界层穿透能力强、响应速度快、激励频带宽、无活动部件等优势,是一种应用前景广泛的新型主动流动控制激励器。对等离子体合成射流激励器近些年来的研究进展进行了综述,重点综述了激励器在增大控制能力、提高能量效率、拓展环境适应性等方面所进行的优化设计,介绍了激励器研究中所发展的创新手段,并对激励器的能量效率特性和参数影响规律进行了归纳总结。重点综述了等离子体合成射流激励器在横向主流干扰、分离流控制、激波控制、激波/边界层干扰控制等应用领域的研究进展,深入探讨了等离子体合成射流与横向主流、分离泡、激波等典型流场结构的耦合作用机理,分析了等离子体合成射流主动流动控制存在的动量注入效应、冲击波效应、局部加热效应等复杂作用机制,并对未来的研究方向进行了探讨。     

基于数值涡流发生器双S型进气道被动流动控制装置参数优化

采用数值涡流发生器代替真实涡流发生器叶片进行双S型进气道流动控制数值模拟,结合实验设计理论分析了27组涡流发生器应用于进气道流动控制计算结果,从中找出控制装置参数变化对进气道总压恢复、流场畸变的不同影响,应用响应面法给出最佳参数组合,为双S型进气道被动流动控制装置参数优化提供技术参考.     

高效放电加工技术研究现状

电火花加工技术经过多年的发展,已经成为一门成熟且不可或缺的加工方法,新工艺、新方法和新装备层出不穷,如何提高加工效率一直是人们所关注的焦点。电火花加工过程中,为防止对工件产生损伤,要避免电弧放电,通过各种工艺手段提高加工效率的效果不明显。通过有效控制电弧通断,利用电弧弧柱极高的能量去除材料,可以极大地提高放电加工效率,是近年来研究高效放电加工的一个新方向。另外,放电烧蚀加工利用电火花放电作为诱导能量,控制金属基体与通入的氧气燃烧产生化学能用于蚀除工件,该能量远远大于脉冲电源的能量,是高效放电加工的另外一个新方向。放电烧蚀加工辅以其他方法形成复合加工,对已烧蚀表面进行优化处理,可以实现高加工效率的同时获得良好的表面质量。综述了电火花加工、电弧加工和放电烧蚀加工技术在高效加工方面的研究现状。