细长圆锥前体非对称涡流场的等离子体控制

应用一对单介质阻挡放电(SDBD)等离子体激励器对顶角为20°的圆锥-圆柱组合体圆锥段分离涡流场进行了主动控制试验研究。试验在3.0m×1.6m低速低湍流度风洞中进行,迎角为45°,基于圆锥段底面直径的雷诺数为5×104。流动控制分为等离子体激励器关闭,左舷或右舷等离子体激励器分别开启,左右舷等离子体激励器占空循环3种模式。试验结果包括7个测量截面上的周向压力分布以及积分得到的截面当地力和力矩以及圆锥段力和力矩。研究结果表明,在圆锥头部尖端处迎风面两侧对称放置一对SDBD等离子体激励器,采用合适的激励器形式,并通过适当的电学参数,可以实现对细长旋成体侧向力和力矩的比例控制。通过对模型及等离子体激励器制作的改进,相对于前人相应的研究结果,本文中侧向力和力矩随占空比变化的线性度得到了改善。     

大迎角分离流场在等离子体控制下的特性研究

设计了一种新型的大迎角主动流动控制方法。采用圆锥-圆柱组合体模拟飞行器前体,在靠近圆锥尖端处镶嵌了一对马蹄形单电极介质阻挡放电（single_Dielectric Barrier Discharge SDBD）等离子体激励器,通过风洞实验研究了等离子体激励器在不同状态下对大迎角模型前体的非对称气动载荷的控制作用。实验结果表明,通过控制等离子体激励器的开闭可以使得圆锥-圆柱组合体在大迎角下出现的侧力改变方向。还对通过调节单侧等离子体激励器的激励电压实现圆锥前体侧力系数在正负极值间连续变化的可能性进行了初步的实验探索。     

等离子体控制下前体分离涡的研究

在圆锥-圆柱组合体模型半顶角为10°的圆锥前体尖端附近布置介质阻挡放电等离子体激励器,采用正弦波高压电源进行等离子体定常开/关激励。实验在3.0m×1.6m的直流式风洞中进行,迎角固定在45°,基于圆锥前体底面直径的实验雷诺数为5×10~4。对模型表面周向压力分布进行了测量,同时对测压截面处的空间涡流场进行了粒子图像测速。通过对截面压力分布和空间流场的PIV结果的分析,给出了侧向力、涡核中心位置、轴向涡量、涡核半径、次涡核半径、旋涡最大切向速度、环量等参数随等离子体激励的变化特性。结果表明:在等离子体激励的作用下,同侧的分离剪切层及其卷起的涡向外侧移动,同时另一侧的向着靠近模型的方向移动。同时激励器的作用使左舷侧涡心位置偏离次涡核的几何中心,且使得双侧的涡核和次涡核的尺寸增大。     

AC和NS等离子体激励对细长前体分离涡流场的控制

为了在更高的风速下实现圆锥前体分离涡的控制,了解AC-DBD和NS-DBD激励器的激励特性,应用交流(AC)放电和纳秒脉冲(NS)放电等离子体激励对20°顶角的圆锥-圆柱组合体圆锥段前体非对称流场进行主动流动控制实验。实验在低速开口风洞中进行,迎角45°,风速5～22m/s,流动控制方式为等离子激励器关闭、左舷或右舷等离子体激励器开启三种模式。结果表明:风速5m/s时,通过AC-DBD的左、右舷激励可控制圆锥前体的非对称流场实现镜像对称,NS-DBD则无明显作用效果;随着风速的提高,AC-DBD对非对称载荷的控制作用逐渐减小,与此同时NS-DBD的控制作用逐渐增加;风速22m/s时,NS-DBD可实现圆锥前体非对称流场的镜像对称控制,而AC-DBD则无明显作用效果;相对于AC-DBD等离子体激励,NS-DBD对于更高速度下的分离涡流场控制是有效的。     

单侧脉冲放电等离子对圆锥前体的流动控制

应用单侧脉冲放电等离子体对细长圆锥前体非对称涡进行了主动流动控制研究。通过风洞试验,对不同截面的周向静态压力分布和动态压力变化进行了测量。同时,对不同截面的周向压力分布进行积分,计算其当地侧向力、当地侧向力增量以及圆锥段侧向力和偏航力矩。研究结果表明,通过单侧脉冲放电可以实现对细长圆锥前体侧向力和力矩的比例控制,并且具有良好的线性度。第八截面动态压力数据的全时间平均和相位锁定平均都达到了收敛。通过比较第八截面相位锁定平均下的压力分布,得出流场的响应滞后于此次50Hz的脉冲调制频率。     

大迎角前体涡控制方法综述

大迎角下飞行器的常规舵面处于机身/弹身的尾涡中,偏航控制能力严重下降。同时,背风侧的非对称涡系导致压力非对称分布,从而诱发出一个几乎与法向力同量级的侧向力,并伴随着很大的偏航力矩。前体涡控制方法可以为细长飞行器提供所需的偏航力矩,在大迎角机动飞行领域具有广阔的应用前景。本文总结了国内外近十年发展的大迎角前体涡控制方面的新方法。其中,被动控制方法包括边界层转捩带、微鼓包、微凹坑、边条、自激振荡旗帜和涡流发生器等;主动控制方法包括等离子体激励器、单孔位微吹气、轴向吹气、合成射流激励器、非定常小摆振片和充气边条等。着重介绍了各种方法的控制效果、机理和适用范围。在这些方法中,涡流发生器、合成射流激励器、非定常小扰动片、等离子体激励器、单孔位微吹气等线性控制方法均有可能提高细长体飞行器大攻角时的机动能力,具有一定的工程应用价值。最后,对大迎角前体涡控制方法的应用前景和未来新的发展方向进行了展望。     

翼型分离流动的等离子体控制数值分析方法研究

利用等离子体进行流动控制是当前的研究热点之一.本文研究通过数值方法模拟等离子体对流场作用的实现方法,及利用数值模拟方法研究翼型大迎角分离流动的等离子体控制.利用CFD软件Fluent中的自定义函数接口,通过C语言编程在软件中引入DBD等离子体激励模型外加体积力源项,对NACA0015翼型大迎角下的等离子体控制进行数值模拟.验证DBD等离子体激励在抑制流动分离与增升减阻方面的作用.结果表明：流动控制效果与DBD激励器布置位置有直接关系;激励器的数量与激励强度均会影响流动控制作用.     

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.     

基于新型丝状电极等离子体激励器的前体涡控制

本文首次将新型丝状暴露电极DBD等离子激励器应用于大迎角下细长体非对称涡控制。丝状暴露电极的材料的选择对DBD推力以及推力效率至关重要,通过地面精细推力测量对丝状暴露电极等离子体激励器进行了优化,结果表明,本文研究材料中采用钨丝作为暴露电极,其推力效率最优;且随着电极直径从d=0.3 mm减小到d=0.08 mm,DBD推力效率显著提升。基于优化后的DBD激励器,将其应用于前体非对称涡控制:未施加等离子体控制时,压力测量以及PIV结果均表明细长体背风区流场为明显的非对称涡结构;在等离子体激励下,该非对称涡结构可变为对称甚至反向非对称,且非稳态激励控制能力明显优于稳态激励。研究发现,大迎角下细长体非对称涡控制与背风区原始涡系结构有关,其中包含对称涡系和非对称涡系。本文研究为大迎角下细长体非对称涡控制提供了一种新思路,同时也为丝状暴露电极DBD等离子体激励器的应用提供参考。     

基于新型丝状电极等离子体激励器的前体涡控制（英文）

本文首次将新型丝状暴露电极DBD等离子激励器应用于大迎角下细长体非对称涡控制。丝状暴露电极的材料的选择对DBD推力以及推力效率至关重要,通过地面精细推力测量对丝状暴露电极等离子体激励器进行了优化,结果表明,本文研究材料中采用钨丝作为暴露电极,其推力效率最优;且随着电极直径从d=0.3 mm减小到d=0.08 mm,DBD推力效率显著提升。基于优化后的DBD激励器,将其应用于前体非对称涡控制:未施加等离子体控制时,压力测量以及PIV结果均表明细长体背风区流场为明显的非对称涡结构;在等离子体激励下,该非对称涡结构可变为对称甚至反向非对称,且非稳态激励控制能力明显优于稳态激励。研究发现,大迎角下细长体非对称涡控制与背风区原始涡系结构有关,其中包含对称涡系和非对称涡系。本文研究为大迎角下细长体非对称涡控制提供了一种新思路,同时也为丝状暴露电极DBD等离子体激励器的应用提供参考。     

介质阻挡放电等离子体对翼型流动分离控制的实验研究

在低速开口风洞中进行了等离子体激励器对NACA0015翼型流动分离控制的实验研究。采用PIV技术,对翼型绕流流场进行了测量,显示了施加等离子体激励后流场的变化。通过五分量天平对升力和阻力的测量,研究了激励电压和激励频率对翼型流动分离控制的规律。研究表明,低风速下在翼型前缘施加等离子体激励,能够有效地控制翼型流动分离,在来流为20m／s时,最大升力系数增加11％,失速迎角增加6°;在给定的流动状态下,激励电压和激励频率存在一个阈值,不同迎角下该阈值不同,迎角越大,分离越严重,对激励强度的要求也越高。     

圆锥脉冲等离子体诱导流场特性分析

对等离子体诱导流场特性进行研究,有利于解决双稳态非对称分离涡带来的连续比例控制困难的问题。在封闭光学玻璃箱体内,应用介质阻挡放电等离子体对20°顶角圆锥附近静止大气进行了定常和脉冲循环控制,对等离子体诱导的圆锥截面绕流速度场进行了二维PIV测量,对定常控制和脉冲循环控制下最大绕流速度及最大轴向涡量进行了比较分析。实验结果表明：相对于定常控制模式,脉冲循环控制下沿垂直于圆锥截面对称面径线分布的时间平均切向速度和轴向涡量范围较广;在脉冲循环控制下,动量传递的主要表现在离散涡的形成而不是气流的加速。     

Turbulent boundary layer separation control using plasma actuator at Reynolds number 2000000

An experimental investigation was conducted to evaluate the effect of symmetrical plasma actuators on turbulent boundary layer separation control at high Reynolds number. Compared with the traditional control method of plasma actuator, the whole test model was made of aluminum and acted as a covered electrode of the symmetrical plasma actuator. The experimental study of plasma actuators' effect on surrounding air, a canonical zero-pressure gradient turbulent boundary, was carried out using particle image velocimetry(PIV) and laser Doppler velocimetry(LDV) in the 0.75 m × 0.75 m low speed wind tunnel to reveal the symmetrical plasma actuator characterization in an external flow. A half model of wing-body configuration was experimentally investigated in the  3.2 m low speed wind tunnel with a six-component strain gauge balance and PIV. The results show that the turbulent boundary layer separation of wing can be obviously suppressed and the maximum lift coefficient is improved at high Reynolds number with the symmetrical plasma actuator. It turns out that the maximum lift coefficient increased by approximately 8.98% and the stall angle of attack was delayed by approximately 2° at Reynolds number2 ×10~6. The effective mechanism for the turbulent separation control by the symmetrical plasma actuators is to induce the vortex near the wing surface which could create the relatively largescale disturbance and promote momentum mixing between low speed flow and main flow regions.     

k-ε（RNG）、LES模拟建筑物周围气流特征及湍流扩散的风洞试验验证

采用k-ε（RNG）与LES湍流模型在来流与建筑物迎风侧呈不同角度的情形下,模拟了位于立方体建筑物顶部污染源所排放污染物的流动和扩散规律,并与相应的风洞试验结果进行了比较。流场分析结果表明：数值模拟能够较好地模拟建筑物顶部回流、背风侧空腔区以及再附着点等。浓度场分析结果表明：来流与建筑物成45°时,建筑物顶部回流区与背风侧空腔区的数值模拟结果略低于风洞试验结果;来流与建筑物成90°时,建筑物顶部回流区数值模拟结果略高于风洞试验结果,而背风侧空腔区的数值模拟结果与风洞试验结果基本一致。综合分析表明：建筑物周围的流场影响浓度场的分布,LES、k-ε（RNG）模型都能够较好地模拟建筑物周围的流动和扩散规律,两种模型相比,LES模型与风洞试验吻合得更好。总之,风洞试验和数值模拟相结合能较好地研究建筑物对流动和扩散的影响。     

高超声速锥模型及其尾迹电磁散射实验研究

介绍了利用X、Ka波段雷达系统在中国空气动力研究与发展中心超高速所弹道靶上开展了金属锥模型和开槽锥模型及其尾迹的电磁散射截面积（RCS）实验研究,模型底部直径12mm、半锥角和头部半径分别为12.5°和1.0金属锥模型速度大于6km/s,飞行环境压力为6.8kPa;开槽锥模型速度5.4km/s,飞行环境压力7.5kPa,雷达测量方式为X波段单站,Ka波段单站。实验结果表明：在等离子体绕流场包覆模型时,获得的锥模型单站X波段RCS、单站Ka波段RCS的实验结果与数值计算结果较为吻合;锥模型的单站后向电磁散射主要集中在模型头身部区域,尾迹散射相对较小。     

飞机机身腹部与两侧进气道性能比较试验研究

通过高低速风洞试验,对比迎角和侧滑角对机身腹部和机身两侧进气的进气道气动性能的影响。试验结果表明:在超音速来流状态下,当迎角增加到5°时,腹部进气道的气动性能改善,而两侧进气道的气动性能几乎不变;在亚音速来流状态下,当迎角从6°逐渐增加到所试验的值(高亚音速为12°,低速为30°),两侧进气道的气动性能逐渐明显变差,而腹部进气道的气动性能对迎角并不敏感,基本能保持无迎角时的性能;在高低速来流状态下,两种型式进气道的气动性能对所试验的侧滑角β(小于6°或9°)均不敏感。      

平流层螺旋桨多工况等离子体增效控制方案研究

基于S1223翼型建立了平流层螺旋桨3维模型,在螺旋桨上下表面设置等离子体激励器,设计了5种螺旋桨工况下的等离子体控制方案,采用唯象学等离子体体积力模型进行数值仿真,研究了5种工况下不同等离子体控制方案对螺旋桨拉力和效率的影响。结果表明,设计工况下不宜开启等离子体激励器,采用交流激励时等离子体对高转速前进工况下的螺旋桨控制效果不明显,低速重载工况和滑翔工况下螺旋桨拉力和效率增加,低转速抗风工况下螺旋桨拉力大。采用等离子体流动控制技术提高平流层螺旋桨性能是可行的,需要进一步开展大量研究以优化等离子体激励器的布置方案和控制方案,提高等离子体控制效果,以满足低速临近空间飞行器对推进系统的需求。