等离子体气动激励诱导气流加速的实验

为揭示等离子体气动激励诱导气流加速的作用机理及影响因素,对静止空气条件下的诱导气流速度进行了测量.实验结果表明:等离子体气动激励启动瞬间形成启动涡,随即旋涡向下游运动并最终演化为近壁面射流;激励电压增大时,诱导气流速度增大,近壁面射流的射程增加;激励频率增大时,诱导气流速度变化不明显;多组电极激励器诱导的气流速度周期性地先增大后减小,并且诱导气流加速的效果沿流向方向逐渐减弱.      

等离子体气动激励诱导空气流动的PIV研究

为了揭示等离子体气动激励与边界层相互作用的物理机制,作者进行了等离子体气动激励诱导空气流动的PIV研究。实验结果表明：毫秒、微秒等离子体气动激励诱导空气流动以“启动涡”和“壁面射流”的形式出现;当激励电压为12kV时,最大诱导速度约为3m／s;激励电压越大,“启动涡”和“壁面射流”的强度越大;脉冲激励的作用强度和作用范围要强于定常激励。该结论为提高等离子体流动控制的作用能力提供了指导。     

等离子体气动激励复合横向槽结构提高气膜冷却效率的数值研究

基于横向槽结构和等离子体气动激励的新型流场调节方法,采用RNG k-ε湍流模型,数值计算分析了常规圆形孔、带横向槽以及带等离子体气动激励等不同气膜冷却结构的流场特性、温度场特性和冷却效率,揭示了等离子体激励器复合横向槽新型气膜冷却结构的冷却机理及规律。结果表明:圆形孔气膜冷却结构,气膜孔出流与主流混合强烈,在流场中形成了肾形涡对,冷流被逐渐抬离壁面,热流被卷吸到冷流下方,壁面的冷却效果最差;冷流经过等离子体激励器的气动激励后,产生了反肾形涡对,使得肾形涡对的平均涡量减小了42.64%,同时诱导冷流贴壁流动;横向槽的存在使得气膜孔出流在展向分布更宽,更贴近壁面,肾形涡对的强度较弱;在横向槽和等离子体气动激励的共同作用下,反肾形涡对的强度最大,使冷流的展向分布区域更大并贴近壁面流动。与圆形孔气膜冷却结构相比,在吹风比M=1.0下,带等离子体激励器、带横向槽和"等离子体激励器+横向槽"等三种气膜冷却结构的全局平均气膜冷却效率分别提高了181.6%,73.5%和200.5%。     

不同射流角下等离子体激励对平板气膜冷却影响的数值研究

采用大涡模拟（LES）方法对有/无等离子体激励条件下不同射流角时的平板气膜冷却流场进行了对比研究。结果表明:随着射流角的增大，冷却射流对主流的穿透率与气膜孔下游回流区的范围增大，发卡涡的强度及其抬升射流的能力增强并远离壁面，导致气膜冷却效率降低，但射流角为90°时部分低能冷却流体会进入回流区引起气膜冷却效率升高，故气膜冷却效率在射流角为35°时最大，在射流角为60°时最小；等离子体激励削弱了冷却射流对主流的穿透率，其下拉诱导作用也使得发卡涡头部受到的库塔 儒科夫斯基升力以及水平涡腿间的相互诱导力减小，抑制了发卡涡的发展并促使其破碎为近壁条带结构，从而提高了气膜冷却效率，且射流角越小，上述作用效果越明显，当射流角为35°时中心线气膜冷却效率提高了55%。      

锯齿电极等离子体激励器对气膜冷却效率影响的数值研究

为获得锯齿电极等离子体激励器提高气膜冷却效率的机理,对有/无锯齿电极等离子体激励器作用下的平板气膜冷却流场进行了数值研究,并采用唯象模型模拟锯齿电极等离子体激励器对流场所施加的电场力。结果表明,冷却射流在锯齿电极等离子体激励器的下拉诱导作用下对主流的穿透率降低,射流中心轨迹高度的下降幅度沿流向发展逐渐增大;锯齿电极等离子体激励器气动激励作用下气膜孔下游的肾形涡的强度与尺度均减小,同时肾形涡的两侧产生与其旋转方向相反的小尺度的反肾形涡,进一步抑制了肾形涡的发展;锯齿电极等离子体激励器产生的展向扩散效应提高了冷却射流的展向扩张能力,从而提高了气膜冷却效率,与无等离子体气动激励相比,锯齿电极等离子体激励器作用下平板中心线与展向平均气膜冷却效率分别提高了50%与200%。     

激励强度对等离子体合成射流的影响

通过在Navier-Stokes方程组中添加体积力源项的方法,模拟了不同激励强度下等离子体合成射流,并研究了激励强度对流场特性的影响。计算结果表明,随着激励强度的增大,激励器附近壁面处的涡量增大,对应的涡对中心诱导的流向速度增大,从而导致涡核更加远离壁面,并被拉伸变长。对于等离子体合成射流的时均流场,其中轴线上的流向速度随着激励强度增大整体变大。在较小的激励强度下,射流半宽度随着激励强度的增大而增大;而激励强度很大时(>6 Dc0),激励强度对半宽度基本没有影响。沿流向的动量通量也随激励强度的增大单调增加。     

马蹄形等离子体激励器强化气膜冷却效率机理

为揭示马蹄形等离子体激励器产生的等离子体气动激励提高气膜冷却效率的机理,选取常规圆形气膜孔冷却结构进行了数值模拟比较.结果表明:马蹄形等离子体激励器产生的等离子体气动激励效果可以使射流具有展向扩张能力,肾形涡对的大小及强度得到显著改变,同时受等离子体气动激励产生的下拉诱导和水平加速效果影响,射流贴壁性及覆盖区域大大提高,冷却效率得到强化;相对于圆形气膜孔冷却效果,马蹄形介质阻挡放电气膜冷却结构在吹风比为0.5,1.0和1.5时,冷却效率值相差最大处分别提高了165%,148%和500%.      

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。     

射流缝对激波诱导矢量喷管三维流场影响的数值模拟

在设计工况下,采用RNGk-ε湍流模型对扩张段不同射流缝几何结构的激波诱导轴对称气动矢量喷管进行了数值模拟。结果表明,流场结构的主要特征是在扩张段有一个主分离涡与一个旋向相反的射流角涡及次流与出口截面之间有一个较大的回流区。周向角,射流缝距出口截面轴向距离和轴向角是射流缝结构优化的三个关键参数,周向角为45°,射流缝距喷管出口截面轴向距离为19 mm,次流注入方向与主流方向相反时产生大的有效矢量角。     

高速压气机叶栅纳秒脉冲等离子体流动控制仿真研究

为研究纳秒脉冲等离子体气动激励在高亚声速来流条件下抑制压气机叶栅流动的分离机制,建立了基于唯象学的模拟纳秒脉冲介质阻挡等离子体气动激励特性的热源模型,在微秒量级时间尺度上分析研究了纳秒脉冲等离子体气动激励对叶栅通道流动结构的影响机制,并初步探究了纳秒脉冲等离子体气动激励的流动控制规律。研究结果表明:基于唯象学的热源模型能够较好地模拟纳秒脉冲等离子体气动激励诱导产生冲击波的气动特性;纳秒脉冲等离子体气动激励诱导产生的冲击波在高亚声速来流条件下能够对叶栅通道流动结构产生较大影响,其影响规律与激励特征和流场特性有关;高亚声速来流条件下,在叶栅通道中施加纳秒脉冲等离子体气动激励能够降低通道出口总压损失,改变流场结构。     

Flow field generated by a dielectric barrier discharge plasma actuator in quiescent air at initiation stage

A single Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasma actuator driven by Alternating Current (AC) power, capable of inducing a starting vortex and a wall jet in quiescent air, is suited for low-Reynolds-number flow control. However, the starting vortex and the wall jet are usually observed after the plasma actuator has been operated for dozens of and hundreds of cycles of the voltage, respectively. The detail of the induced flow field at the initiation stage of the plasma actuator has rarely been addressed. At the initiation stage, a thin jet that provides the impetus for the entrainment of the induced flow at the beginning of the plasma actuation is first observed by using a high-accuracy phase-lock Schlieren technique and a high-speed Particle Image Velocimetry (PIV) system. This is the initial form of the momentum transfer from the plasma to the fluid. Then, an arched type jet is created by the plasma actuator. In addition, the whole development process of the induced flow field from the starting point of the thin jet to the quasi-steady stage of wall jet is presented for providing a comprehensive understanding of the plasma actuator and proposing a relevant enhancement of the numerical simulation model.     

Recent developments in thermal characteristics of surface dielectric barrier discharge plasma actuators driven by sinusoidal high-voltage power

Flow control using surface Dielectric Barrier Discharge(DBD) plasma actuators driven by a sinusoidal alternating-current power supply has gained significant attention from the aeronautic industry. The induced flow field of the plasma actuator, with the starting vortex in the wall jet,plays an important role in flow control. However, the energy consumed for producing the induced flow field is only a small fraction of the total energy utilized by the plasma actuator, and most of the total energy i...     

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.     

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.     

三角翼DBD等离子体流动控制研究进展

现代战机采用较多的三角翼，在大迎角绕流时存在前缘涡破裂等气动问题。作为新型主动流动控制技术，等离子体激励频带宽、响应快、结构简单、便于闭环控制，在解决三角翼气动问题上具有潜力。回顾了介质阻挡放电（DBD）等离子体气动激励的基本原理，及其用于三角翼前缘涡控制的研究进展。从来流条件、几何构型、激励参数等方面分析了DBD等离子体激励对流动控制效果的影响规律；结合不同激励频率下流场演化特性，分析了流动控制机理。最后，从理论研究和工程应用的角度，对三角翼前缘涡控制的发展进行总结展望。     

纳秒脉冲等离子体气动激励数值仿真

从纳秒脉冲等离子体气动激励对流场的作用机理出发,将其对流场的作用等效为热源对流场的快速加热,建立了纳秒脉冲等离子体气动激励的空气动力学模型.应用模型计算了单次纳秒脉冲等离子体气动激励下静止流场的响应,计算结果表明:纳秒脉冲等离子体气动激励可在静止流场中形成一个高温升压升区(716K,225.95kPa)和一个低温升压升区(380K,131.7kPa),分别可诱导一强一弱两道压缩波,压缩波后各有一道稀疏波.压缩波与稀疏波同速向外传播,传播速度开始较大(大于400m/s),随着逐渐向外传播,其传播速度逐渐减小(357m/s).压缩波经过的区域可诱导局部速度,初期诱导的局部速度较大,在激励器切向和法向可诱导60m/s以上的局部速度,随着压缩波的衰减,诱导局部速度的能力减弱,最大可诱导10m/s左右的局部速度.      

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。