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。     

合成射流对高超声速进气道起动特性影响数值模拟研究

通过数值模拟研究合成射流作用于高超声速进气道内部流场,分析其对进气道起动性能的影响及进气道工作过程中对合成射流激励器本身的影响。结果表明:合成射流能够改善进气道的起动性能,其控制机理是合成射流阻碍内压缩段后部与隔离段前部两处分离边界层的连合,无法快速形成大的分离泡进而改善进气道起动性能;进气道工作过程中压力变化剧烈导致合成射流激励器膜片单向受载过大是激励器实际应用于超声速/高超声速流动控制急需解决的问题。     

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。     

三维等离子体MHD气动热环境数值模拟

电磁流动控制技术是一个多学科交叉融合的重要研究方向,在高超声速飞行器气动特性优化、气动热环境减缓、边界层转捩和等离子体分布等流动控制方面显示出广阔的应用前景。考虑高超声速飞行器绕流流场中发生的离解、复合、电离和置换等化学反应,气体分子振动能激发以及化学非平衡效应,耦合电磁场作用并基于低磁雷诺数假设,通过数值模拟求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程,建立磁场与三维等离子体流场耦合数值模拟方法及程序,采用典型算例进行考核。在此基础上,开展不同条件下磁场对再入三维等离子体流场以及气动热环境影响分析。研究表明:建立的高超声速飞行器的等离子体流场与磁场耦合计算方法及程序,其数值模拟结果与文献符合,外加磁场使飞行器头部弓形激波外推,磁场强度越强,激波面外推距离越大;不同磁场强度环境下,流场中温度峰值大小略有变化,变化幅度较小;磁场对绝大部分区域的热流有减缓作用,作用的大小与飞行高度、马赫数以及磁场的配置紧密相关;当前的计算条件下,飞行的高度越高,磁场的作用越明显。     

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。     

高超声速钝锥体等离子体流场数值模拟

以小钝锥体为对象建立二维几何模型,利用COMSOL Multiphysics软件对等离子体流场控制方程组进行求解,对高超声速气流流过模型所产生的等离子体流场进行数值模拟.仿真得到了在模型头部激波、尾部膨胀波和尾后激波的共同作用下,考虑烧蚀反应时流场的速度、温度、压强和等离子体电子数密度分布,重点分析了钝锥体模型等离子体包覆层和尾后电子分布的特征和成因.可以为高超声速飞行器的探测和控制提供重要的借鉴和参考.     

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%。     

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。     

前缘钝化对高超声速飞行器气动特性的影响

为解决前缘钝化后由于外形的变化引起周围流场改变,导致激波形状发生变化而影响飞行器气动特性的问题,对前缘钝化后的吸气式高超声速飞行器气动特性进行了研究。对比分析了前缘钝化对吸气式高超声速飞行器气动特性的影响,得出了吸气式高超声速飞行器气动性能参数随着钝化半径的变化规律。研究结论可为乘波构型的高超声速飞行器一体化设计提供一定的依据。     

合成双射流及其流动控制技术研究进展

主动流动控制技术一直以来都是流体力学研究的前沿和热点。针对传统合成射流流动控制环境适应性差和能量效率不高的问题,发展了合成双射流及其流动控制技术。本文对其主要研究进展进行了综述。研究提出了基于能量综合利用和气体增压原理的合成射流激励器设计基本思想,发明了合成双射流、矢量合成双射流、合成双射流基连续射流、合成热/冷射流、自持式合成双射流等系列化新型合成射流激励器。合成双射流激励器解决了压载失效带来的环境适应性问题,且具有能量效率、可控频率倍增特性以及特有的矢量功能。开展了合成双射流分离流控制、矢量控制、超声速/高超声速进气道流场控制、气动热控制、散热冷却、防除冰、水下仿生推进等应用方向,验证了合成双射流控制效率倍增和应用于极端环境的新功能。     

高超声速流动中侧向喷流干扰特性的实验研究

在高超声速(M=6)流动中,实验研究了侧向喷流的干扰特性,并探讨了喷流压力、攻角、迎风侧及背风侧喷流对侧向喷流干扰特性的影响.结果表明,在高超声速流动中,随喷流压力增大,喷流弓形激波与来流弓形激波相交,喷流前的高压区增大,而喷流后的低压区几乎不受影响,喷流的控制效果加强.与迎风侧喷流相比,背风侧喷流控制效果更好,这一趋势随攻角的增大更加明显.     

Experimental and numerical investigation on opposing plasma synthetic jet for drag reduction

Experimental and numerical studies are carried out to validate the potential of opposing Plasma Synthetic Jet (PSJ) for drag reduction for a hemisphere. Firstly, flow field changes of opposing PSJ are analyzed by comparing the experimental schlieren images and simulation results in a supersonic free stream of Mach number 3. As PSJ is a kind of unsteady pulsed jet, the shock standoff distance increases initially and then decreases under the control of PSJ, which corresponds to the change of the strength of PSJ. Accordingly, the amount of drag reduction of the hemisphere increases initially and then decreases. It is found that there is a short period of “drag rise” during the formation of PSJ before the drag reduction, which is induced by the generation of normal shock waves and the area difference of the cavity wall of PSJ Actuator (PSJA). Secondly, the effects of five parameters, including exit diameter, discharge energy of PSJA, Mach number, static pressure of incoming flow and angle of attack, on drag reduction of opposing PSJ were studied in detail by using numerical method. It is found that the Maximum Pressure Ratio (MPR) has a significant impact on the average drag reduction for a configuration-determined PSJA. For the configuration selected in this study, the flow field of opposing PSJ shows typical Short Penetration Mode (SPM) in a control cycle of PSJ when the MPR is less than 0.89. However, the flow field shows typical Long Penetration Mode (LPM) at some time when the MPR is bigger than 0.89. Relatively better drag reduction is achieved in this case.     

Trailing-edge shock loss control with self-sustaining synthetic jet in a supersonic compressor cascade

To effectively reduce the loss of strong shock wave at the trailing edge of the supersonic cascade under high backpressure, a shock wave control method based on self-sustaining synthetic jet was proposed. The self-sustaining synthetic jet was applied on the pressure side of the blade with the blow slot and the bleed slot arranged upstream and downstream of the trailing-edge shock,respectively. The flow control mechanism and effects of parameters were investigated by numerical simulation. The res...     

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。     

逆向喷流对双锥导弹外形减阻特性的影响

逆向喷流是一种主动流动控制技术，具有减阻降热特性，可用于高超声速飞行器设计。以典型双锥导弹外形的球头、单锥、双锥（全弹）为研究对象，将喷流发生器和弹体固连，采用CFD方法对逆向喷流的减阻特性进行了数值研究，对比分析了喷流马赫数、喷流压比等参数对不同对象减阻效果的影响。结果表明：逆向喷流流场存在长、短射流穿透两种模态；球头在小压比长射流模态时的减阻效果最佳；单锥和双锥在大压比短射流模态时的减阻效果更好。存在一个最佳压比，使得逆向喷流的减阻效果最佳；喷流压力过大，减阻效果变差，甚至出现阻力系数不降反增情形。逆向喷流减阻效果对控制体选取敏感，若将逆向喷流对头部的减阻特性（超过40%）直接推广至飞行器整机（6%左右），评估结果过于乐观。综合最佳减阻效果、最佳喷流压比、流量与所需储气瓶体积等影响因素，工程应用时逆向喷流应优先选用声速喷流。     

Experimental characteristics of a two-electrode plasma synthetic jet actuator array in serial

Plasma Synthetic Jet (PSJ) actuators have shown wide and promising application prospects in high-speed flow control, due to their advantages including high exhaust speed, wide frequency band, rapid response, and non-moving components. Although previous studies on PSJ actuators are abundant, most of them have focused on the performance of a single actuator. However, in practice, an actuator array is very necessary for large-scale aerodynamic actuation on account of the small affected area of a single PSJ. In this paper, the characteristics of a two-electrode plasma synthetic jet actuator array in serial are investigated experimentally. Compared to a parallel actuator array, the serial actuator array requires simpler power supply design and is much easier to realize. High-speed photography of the discharge evolution, voltage-current measurement, and shadowgraphy visualization are used in the investigation. Experimental results show that, for the serial actuator array, weak discharges happen firstly between energized and suspending electrodes, and then a strong pulse arc discharge is triggered. The breakdown voltage in serial is irrelevant to such factors as the number of actuators, the maximum or minimum gap in serial, the connection sequence, etc. It is mainly determined by the sum of gaps. For serial actuators with the same anode-to-cathode spacing, the energy deposition is the same, and the jet is synchronous and similar. Because of the entrainment and merging of adjacent jet vortices, the jet front speed of an aligned synchronous jet array increases as the orifice distance decreases. To achieve the highest jet front velocity, the orifice of the actuator has an optimal diameter.     

匀速俯仰运动及角速率对横向喷流的影响

为研究运动对横向喷流干扰特性的影响，数值模拟了导弹模型匀速俯仰运动过程的超声速横向喷流，获取了运动状态下的横向喷流干扰量，并对比分析了俯仰运动和角速率对喷口附近流场结构、模型表面极限流线、表面压力分布和子午线压力变化及气动特性和干扰放大因子造成的影响。结果表明：模拟参数范围内，动态及角速率影响随运动方向及迎角范围而发生变化；中小迎角时主要影响上游分离区和尾部偏折效应，大迎角时弓形激波位置变化显著；俯仰运动的气动特性和横向喷流干扰特性出现动态迟滞，且随角速率增加而增强；动态大迎角下由于压力平台效应减弱，其力矩放大因子受俯仰运动影响更为明显，出现偏离静态的不利结果。     

侧向多喷流流场数值研究

为研究侧向喷流对高超声速拦截弹喷流直接力控制性能的影响，发展了在有限体积离散方法框架下的三维非定常N—S方程，采用LU—SSOR隐式时间推进格式和残值项空间迎风型格式求解技术，对大气层内高超声速拦截弹多个姿态控制喷流发动机同时工作时的干扰流场进行了数值求解。计算给出了自由流与侧喷流、侧喷流与侧喷流之间复杂干扰流场结构图(等压云图、等马赫云图)以及喷流附近的压强分布，其结果与单一侧向喷流流场情况进行了比较和分析。结果显示，喷流前的压强场基本不受后喷流的影响，处于前喷流尾流区后的喷流的干扰效率将受到较大影响。     

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。