基于数值模拟的NSDBD等离子体激励器防冰特性

飞行器表面在一定气象条件下会产生积冰,积冰会使飞行器气动性能下降,是危害飞行安全的重要因素之一。常见的气热及电热防冰系统已经广泛运用于现有飞行器上。近些年,在纳秒脉冲阻挡介质放电（NSDBD）等离子体激励器的相关研究中发现NSDBD等离子体激励器可对周围流场进行快速加热,考虑到这种热效应可能作为飞机防冰的一种新方式。本文用数值方法对NSDBD等离子体激励器防冰特性开展了研究。首先,建立了基于Messinger模型的积冰模型,对典型积冰条件进行了验证计算;其次,耦合唯象学等离子体模型与非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,计算等离子体对空气流场的影响;最后,将NSDBD等离子体激励器布置在NACA0012翼型前缘防冰区,结合积冰模型与唯象学等离子模型,对其防冰特性进行了研究。计算结果表明等离子体加热的热气流会覆盖在翼型表面防冰区。在相同的霜冰条件下,开启等离子体激励器时机翼前缘没有出现积冰,说明等离体子激励器应用于机翼防冰是有效的。针对不同的激励器参数对防冰特性的影响规律进行了研究,总体上防冰效果与峰值电压、激励器频率有关,从防冰效果和能耗方面考量,在给定计算条件下,存在最优电压值和最优激励器频率值。激励器分布方式对防冰特性的影响与其具体流场有关,需要具体分析。     

航空发动机进气支板电热防冰试验

为了研究电加热防冰的效果,开展了小型航空发动机进气支板的电加热防冰试验。结合该型号发动机进气支板的结构特点,设计了3种电热防冰加热布置方式,分别在支板沿轴向的不同位置采用1~3个电加热棒作为防冰热源。通过模拟不同的发动机进气结冰环境参数和电加热功率,在冰风洞中对3种电加热方式进行了防冰试验研究。通过布置在支板外表面的温度测点记录了防冰过程中支板表面的瞬态温度变化,分析了支板防冰过程中表面温度的变化特点。防冰试验研究了热源总功率、热源布置方式、液态水含量以及来流温度对支板防冰性能的影响。试验结果表明,合理的电加热方式可以取得较好的防冰效果,同时避免支板后部的溢流水结冰。     

气隙构型对高频交流SDBD防除冰激励器的温升影响

等离子体激励具有电离效应、气动效应和热效应,可被用于飞行器防除冰。背面电极的气隙构型对于交流供电的沿面介质阻挡放电（SDBD）防除冰激励器的单周期放电次数和放电电荷分布均有影响,电源频率也为影响激励器温升的重要因素。目前对于交流SDBD温升效果的研究均是基于背面电极无气隙的构型,且缺乏激励频率大于15 kHz的高频条件。为此制作了背面电极有气隙和无气隙的对照构型,在35~55 kHz的高频范围内,采用电学特性、红外测温、放电形态相结合的方式研究了交流SDBD防除冰激励器温升特性。结果表明：施加相同的电压或频率时,背面电极有气隙构型的SDBD激励器的裸露正面最高温度相比无气隙构型激励器可提高至151.51%;背面电极气隙的存在也可以使激励器正面尤其是正面等离子放电反方向的温升区域扩大;增加频率使交流SDBD激励器的温度非线性提高,有助于降低高压击穿风险。     

小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性

采用数值模拟的方法,对涡轮叶片尾缘处圆形小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性进行了研究,分析进口雷诺数和扰流柱间距对冷却通道换热和流动特性的作用过程.结果表明:进口雷诺数的提高能够有效改善冷却通道端壁的换热性能,但这种改善能力随着进口雷诺数的提高而逐渐减弱,同时降低冷却通道的压力损失系数.在两种扰流柱间距中,流向间距是影响端壁换热性能的主要因素,随着流向间距的减小,冷却通道换热性能逐渐变好,压力损失系数降低;横向间距是影响冷却通道流动损失的主要因素,两者大小成反比关系.在通道计算中,扰流柱平均换热性能约是端壁平均换热性能的1.8倍,端壁换热权重约是换热面积比0.824倍,同时该权重几乎不受进口雷诺数的影响.      

双排叉排孔气膜冷却特性研究 (一) 传热系数

作者在Ludwieg风洞中研究了双排叉排孔的气膜冷却特性, 首次在瞬态风洞中实现了沿主流方向和横向两个方向的传热测量, 并给出了近孔区壁温和传热系数的变化细节。本文着重介绍传热系数的测量结果。      

涡轮叶片尾缘内冷通道旋流冷却特性

针对简化的叶片尾缘,设计了3种旋流冷却结构,即冷气分别从旋流腔中部射流孔、旋流腔异侧射流孔、旋流腔同侧射流孔进出旋流腔,并与常规凸台扰流柱冷却结构进行了对比数值研究,分析其强化换热机理和效果.结果表明:旋流腔的结构和冷气的进流布置对旋流冷却性能的影响很大,冷气从旋流腔某侧射流孔进出的旋流冷却结构不仅在流向截面产生涡旋,在展向截面也会产生涡旋,从而有效强化对流换热;相比凸台扰流柱冷却结构,旋流冷却结构能够增强换热,平均努塞尔数增大6.8%~22.9%,但流动阻力也随之增加;冷气从旋流腔异侧射流孔进出的冷却结构强化换热能力较高;而冷气从旋流腔同侧射流孔进出的冷却结构流动换热综合系数比凸台扰流柱提高4.2%,综合性能相对较优.      

Experimental study of an anti-icing method over an airfoil based on pulsed dielectric barrier discharge plasma

Aircraft icing has long been a plague to aviation for its serious threat to flight safety. Even though lots of methods for anti-icing have been in use or studied for quite a long time, new methods are still in great demand for both civil and military aircraft. The current study in this paper uses widely used Dielectric Barrier Discharge(DBD) plasma actuation to anti-ice on a NACA0012 airfoil model with a chord length of 53.5 cm in a closed-circuit icing wind tunnel. An actuator was installed at the leading edge of the airfoil model, and actuated by a pulsed low-temperature plasma power source. The actuator has two types of layout, a striped electrode layout and a meshy electrode layout.The ice accretion process or anti-icing process was recorded by a CCD camera and an infrared camera. Instantaneous pictures and infrared contours show that both types of DBD plasma actuators have the ability for anti-ice under a freestream velocity of 90 m/s, a static temperature of -7℃,an Median Volume droplet Diameter(MVD) of 20 lm, and an Liquid Water Content(LWC) of 0.5 g/m~3. The detected variations of temperatures with time at specific locations reveal that the temperatures oscillate for some time after spraying at first, and then tend to be nearly constant values.This shows that the key point of the anti-icing mechanism with DBD plasma actuation is to achieve a thermal equilibrium on the model surface. Besides, the power consumption in the anti-icing process was estimated in this paper by Lissajous figures measured by an oscilloscope, and it is lower than those of existing anti-icing methods. The experimental results presented in this paper indicate that the DBD plasma anti-icing method is a promising technique in the future.     

纳秒脉冲滑动弧放电等离子体裂解煤油实验研究

为改善极端条件下航空煤油的点火和燃烧性能,提高煤油活性,本文在大气压氮气环境下利用纳秒脉冲电源产生的滑动弧等离子体进行煤油裂解实验研究,得到了包含活性更高的气态轻质烃和氢气等小分子物质的裂解气。通过改变电源输出脉冲电压的上升沿时间和下降沿时间,得到了裂解气产量、碳氢比以及裂解气中各组分选择性的变化规律,并总结了相关的部分反应路径。实验结果如下：裂解气产量随着上升沿时间的增加而减小,随着下降沿时间的增加而上升,裂解气碳氢比则呈现相反的变化规律；裂解气主要组分中,乙烷选择性最高,在各实验工况下均超过30%；随着上升沿时间和下降沿时间的增加,裂解气中丙烷和丙烯的选择性均降低,氢气的选择性上升；上升沿时间和下降沿时间的变化对裂解效果产生影响的主要原因是改变了反应的路径。实验结果表明,纳秒脉冲滑动弧放电等离子体可以将煤油中的部分大分子烃类转化为气态轻烃和氢气等高活性组分。同时,增加纳秒脉冲电压下降沿时间能够改善滑动弧等离子体的裂解效果,获得更多活性更高的小分子物质。     

旋转帽罩电加热防冰瞬态过程研究

基于欧拉两相流理论,对旋转帽罩水滴撞击特性进行了数值模拟,提出了旋转部件表面对流换热计算方法,并基于改进Messinger结冰模型开发了旋转帽罩电热防冰计算程序,对旋转帽罩瞬态防冰过程进行了数值模拟研究.结果表明:旋转运动对旋转帽罩表面对流换热起到增强作用,且在供给相同加热热流密度时转速越大,防冰表面温度越低;防冰系统启动阶段,旋转帽罩表面会发生结冰和冰脱落现象,考虑结冰过程后系统的响应时间缩短;当电加热功率相同时,周期电加热防冰方式更为节能;当电加热能耗相同时,周期电加热方式系统响应更快.     

叶片前缘气膜冷却效率的实验研究

采用放大的半圆柱状表面模拟涡轮叶片前缘的形状,对叶片前缘多排圆柱形孔的气膜冷却效率进行了实验研究。测出了孔排区及其下游的局部冷却效率。研究了主流雷诺数及平均吹风比对冷却效率及二次流(冷气)出流轨迹的影响。实验参数范围是:主流雷诺数Re=42000～127000,平均吹风比M=0.8～2.0,测量分8个工况进行。      

发动机唇口电热防冰系统性能仿真

采用三维耦合传热方法对发动机唇口电热防冰系统进行了多状态下的性能仿真,获得了唇口表面平衡温度及动态温升响应时间,以此评估防冰系统性能,并通过与冰风洞试验结果对比,对仿真过程进行了修正。研究表明:唇口表面加热区平衡温度均高于273.15 K,温升响应时间小于60 s,满足防冰需要,较为严酷的防冰状态点主要为飞行速度较大、环境温度较低的状态点;修正唇口材料导热系数后,仿真与试验结果吻合良好。研究结果能有效指导工程研制,对提高防除冰仿真分析结果的准确性提供了很好的借鉴。     

低速三角翼纳秒脉冲等离子体激励实验

在30m/s来流速度下,进行了纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体气动激励改善47°后掠角钝前缘三角翼气动特性的测力实验.为寻求优化的激励位置,实验研究了5种不同激励位置的流动控制效果.实验结果表明:激励位置对流动控制效果有决定性影响,位于三角翼前缘的等离子体气动激励能有效改善三角翼的气动特性,推迟失速,而上翼面不同展向位置的等离子体气动激励的流动控制效果十分微弱;激励频率是流动控制效果的重要影响因子,激励电压峰峰值为13kV时,激励频率为200Hz下的流动控制效果最好,在迎角30°时可使升力系数由1.31增大到1.44,增大9.6%,升阻比提高3.3%.     

叶栅等离子体流动控制布局优化和影响规律

为提高流动控制能力,基于高负荷压气机叶栅的流场特性和等离子体气动激励特性,对等离子体流动控制的激励布局进行优化,通过选取典型激励布局,实验揭示了不同因素对等离子体气动激励抑制叶栅流动分离的影响.结果表明:吸力面激励布局中,靠近前缘流向激励的作用效果强于展向激励和尾缘激励,沿流向分布多组电极的激励效果最佳;端壁激励布局中,横向激励的作用效果明显强于流向激励;组合激励布局中,基于端壁横向激励和吸力面流向激励的组合布局的激励效果最佳.等离子体气动激励的作用效果随着激励电压的增大而增强,随着攻角的增大其作用效果先增强后变弱;变定常激励为非定常激励,通过耦合流动的不稳定性,可以提高等离子体气动激励流动控制效果.      

展向射流控制机翼前缘涡的机理及其应用

旋涡和流动分离的控制一直是空气动力学研究的一个重要。研究表明展向吹气是控制机翼上旋裂和流动分离的一种十分有效的气动措施。     

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...     

发动机进口支板防冰热负荷数值模拟

为研究航空发动机进口防冰问题,应用三维雷诺平均N—S方程和双方程k～ε模型,计算了某发动机进口支板外部空气流场,用欧拉法建立并求解了空气中过冷水滴控制方程;选取某些飞行工况,得到了支板防冰表面的水滴撞击特性,且分别在干、湿蒸发2种情况下得到了表面的防冰热负荷分布。可以此为基础进行支板表面加热形式和结构设计.     

纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟

利用数值模拟,研究了纳秒脉冲介质阻挡放电（NS-DBD）等离子体激励器在圆柱高速流动控制中的应用。首先,研究了单电极NS-DBD等离子体激励器在静止空气中放电后的流场特性。研究表明在介质阻挡放电形成的等离子体区域,有局部能量快速注入,放电结束5 μs后在上极板后端点位置形成了一个局部温度高达900 K的热点,由此引发很强的压力扰动,形成以上极板后端点位置为中心,扩散速度约为声速的半圆形压缩波。在此基础上,通过数值模拟研究了NS-DBD等离子体激励器布置在直径为6 mm的圆柱上,来流马赫数为Ma_∞=4.6时,对圆柱脱体激波的控制作用。研究表明介质阻挡放电形成的半圆形压缩波对于脱体激波有很强的干扰作用,激波距离增加了15.7%,激波强度也有相应的减弱,导致阻力减少了13%。     

飞机水平尾翼水滴撞击特性及防冰热载荷计算

建立了利用欧拉法求解水滴撞击特性的方法,并基于Messinger质量和能量守恒方程建立了热载荷计算模型,以某型飞机三维水平尾翼为研究对象,展开了撞击特性和热载荷的计算.结果显示水平尾翼的局部水收集系数极值从翼根到翼尖逐渐增加,不同截面水滴收集系数的分布为设计防冰系统范围提供了依据.驻点附近及机翼上、下表面各存在一个热载荷较大的区域,进而确定该尾翼电加热防冰分为3个区域:中间连续加热区和上、下表面驻点附近的各一个间断加热区.      

合成射流方向布局对S形进气道分离控制的效应

对合成射流控制一种S形进气道边界层分离进行了数值研究.选用狭缝出口的合成射流,详细讨论了展向和流向两种布局对控制效应的影响.结果显示:流向布局相对展向布局具有抗逆压梯度强、穿透深、控制效果持久等特点,在射流动量系数为1.62×10-3,特征频率等于1的工况下,其分离区长度缩减了38.39%.流向布局对S形进气道性能的提升也更显著,出口压力系数比无控制时提高158.91%,总压恢复系数提高0.71%,总压畸变指数降低56.75%.      

直升机旋翼桨叶防/除冰系统防护范围研究

直升机主旋翼桨叶在结冰气象条件下有结冰的危险, 为了满足直升机全天候仪表飞行的要求, 必须对桨叶采取结冰防护.本文针对某翼型直升机桨叶, 通过分析表面各项热流, 计算表面温度为零时极限结冰状态的临界速度, 确定了桨叶展向结冰防护范围为沿展向从翼根到翼尖0～95%;采用分析水滴在气流场中运动的拉格朗日法计算水滴撞击特性, 确定桨叶弦向结冰防护范围为上表面12%, 下表面33%.在此基础上对桨叶表面加热形式和结构进行设计, 可为直升机旋翼桨叶防/除冰系统设计奠定基础, 此研究具有重要的实用价值.