激励器结构对三电极等离子体高能合成射流流场及其冲量特性的影响

等离子体激励器以其结构简单、响应速度快、环境适应性强等优势,已成为主动流动控制技术和流体力学研究的前沿与热点。相比于传统两电极激励器,三电极等离子体高能合成射流激励器具有更高的能量效率,形成射流冲量更大,有望成为新型快响应直接力产生装置。为揭示激励器结构对射流流场和冲量特性的影响规律,进而优化激励器结构参数,利用电参数测量装置、高速阴影系统及自主设计的单丝扭摆式微冲量测量系统对不同射流孔径、腔体体积和电极间距的三电极激励器放电特性、射流流场及其冲量进行了实验研究。为对比激励器在不同工况条件下的工作特性,定义无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量 I *,并分析了激励器结构参数对ε和 I *的影响。结果表明对于给定无量纲能量沉积ε,激励器存在最优射流孔径;激励器无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量I *随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加;射流强度及其流场影响区域随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加。对比不同腔体体积和电极间距工况条件下 I *随ε的变化可知,为设计具有较好射流冲量水平的激励器,在相同无量纲能量沉积ε条件下,应尽量增大激励器无量纲射流冲量 I *。当设计激励器无量纲能量沉积ε小于初始工况时,应增大初始工况激励器腔体体积使无量纲能量沉积ε降低至设计值;当设计激励器无量纲能量沉积ε大于初始工况时,应增大初始工况激励器电极间距使无量纲能量沉积ε增加至设计值,使设计激励器具有较好的射流冲量水平。     

斜孔式等离子体合成射流激励器静特性的实验

设计了斜孔式等离子体合成射流激励器，采用电参数测量和高速纹影技术研究了其放电特性及瞬态流场特性。实验表明:相较直孔式等离子体合成射流激励器，斜孔式等离子体合成射流激励器的射流流动表现出明显的附壁效应和非对称性，这有利于提高射流对流动分离的控制能力。同时，实验中还观察到了浮力对等离子体高温射流流场演化的影响，特别是在射流演化的末期，其诱导的垂向速度分量显著地改变了射流的最终运动方向。      

直缝式等离子体合成射流激励器特性的实验研究

为了研究一种新型的直缝式等离子体合成射流激励器,采用高速纹影技术和电参数测量的方法,对激励器的瞬态流场特性和放电特性进行了研究。实验结果表明:在相同出口面积的情况下,直缝式等离子体合成射流激励器的初始射流速度是直孔式激励器的1.4倍。直缝式激励器速度衰减更快,喷气时间更短,和外部气流的动量交换更加迅速。实验中首次对直缝激励器的三维流场进行描述及分析,发现其前驱激波及射流形态具有更好的平面度,存在较大的均匀区。直缝式等离子体合成射流激励器在提高工作频率、扩大流动控制区间等方面具有一定优势。     

放电电阻对等离子合成射流激励器特性的影响

设计了一种射流出口为竖直圆孔的等离子体合成射流激励器(PSJA),旨在研究在不同放电电阻时激励器的特性。实验中通过电参数测量、高速纹影观察获得了放电电阻为300、200、100 Ω的激励器放电特性及瞬态流场特性。结果表明:放电过程由于限流电阻的存在,可分为两个阶段,即急剧放电阶段和缓慢放电阶段。这一模式在满足较高初始能量注入的同时可以持续为激励器提供能量,有效提高了稳定性。同时,观察到较小的放电电阻,可以获得较大的射流速度,流动控制能力更强。但减小放电电阻,会导致放电电流增大,射流速度不稳定,工作稳定性变差。在实际应用中,需要综合考虑并确定最终的电阻值,确保两个放电阶段能量的合理分配。      

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

新型双出口合成射流激励器的流场特征研究

设计了一种新型双出口合成射流激励器,应用非接触粒子图像激光测速技术（PIV）,测试了激励器出口的流场特性,包括瞬态和时均流动结构。结果表明,相比常规合成射流激励器,新型激励器一侧出口呈现为明显抽吸作用,另一侧出口流动带有合成射流流场特征,在出口下游得到一股放大了的单方向射流。新型合成射流激励器单侧出口的抽吸作用,在常规激励器基础上形成新的流体＂微泵＂工作机制,不仅放大了合成射流能量大小,同时实现了不同区域内流体的＂定向输运＂,其外流场特性更加有利于边界层分离、射流矢量偏转等主动流动控制。     

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。     

地面试验模拟高空等离子体流动控制效果

提出了一种利用地面试验研究不同海拔高度等离子体流动控制性能的方法,该方法基于等离子体诱导射流雷诺相似原则,首先通过测量不同气压下静止空气中等离子体诱导射流的雷诺数,确定地面模拟等离子体激励器的结构和激励参数,然后将该激励器用于风洞试验,最后根据风洞试验结果评估等离子体在不同海拔高度处的流动控制效果。利用该方法研究了等离子体控制临近空间S1223翼型,结果表明相同工作条件下等离子体诱导射流最大速度随着海拔高度增加而增大,但射流雷诺数逐渐降低;高海拔低气压下除了切向壁面射流,等离子体在激励器上方诱导出一个高速向下的法向射流;采用雷诺相似等离子体激励器控制雷诺数为7.1×104的S1223翼型表面流动,攻角为6°~20°时升力系数增大27%~43%,表明采用等离子体流动控制技术后临近空间飞行器的升力特性可得到显著提升。     

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。     

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。     

合成射流激励器对射流矢量的影响

合成射流激励器全流场计算模型—X L模型,实现了将激励器腔体及外部受控流场作为单连域的计算处理。对合成射流激励器在不同工作状态下控制宏观低速流流动进行了数值分析和机理探讨。结果显示:应用合成射流激励器可以有效控制宏观低速流流动方向,通过改变激励器的工作参数和布置位置可以控制主流的偏转角度;激励器处于"拉"模式对主流的控制效果更明显,且激励器与受控主流之间存在一个最佳距离,使得对主流的矢量控制效果最大;合成激励器工作形成的漩涡对强度受合成射流频率和速度幅值影响。压强梯度的存在和旋涡的卷吸作用是合成射流激励器控制宏观低速流流动方向的主要因素。     

半钹形压电合成射流驱动器及其特征参数研究

采用了一种新型驱动结构,半钹形压电金属复合结构,以提高合成射流驱动器出口射流速度,增强其流场主动控制能力。研究了3种半钹形隔膜及一种传统平板形驱动隔膜的合成射流驱动器,分别对其频率响应特性、射流时均速度沿出口中心线方向以及出口两侧的分布做了比较分析。结果表明3种半钹形隔膜驱动器的出口射流时均速度比平板形驱动器分别提高了51%,26%和48%。此外,还研究了半钹形驱动器的腔体结构特征尺寸对出口射流速度的影响,结果表明驱动器腔体结构特征尺寸存在着优化组合,使得出口射流速度更大,而且沿出口中心线方向上的速度衰减降低。     

Suppressing unsteady motion of shock wave by high-frequency plasma synthetic jet

Three Plasma Synthetic Jet Actuators (PSJA) under the high-frequency actuation are used to control the Shock Wave Boundary Layer Interaction (SWBLI), a high-speed schlieren image processing method based on spatial Fourier transform as well as snapshot proper orthogonal decomposition were used to study the control effect of high-frequency plasma synthetic jet on low-frequency unsteadiness of SWBLI. The analysis of the base flow shows that the separated shock wave actually has both large- and small-amplitude vibrations at low frequency. And the results revealed that the PSJA with an operating frequency of 2 kHz has the ability to reduce the energy of low-frequency component of shock wave motion, indicating that the 2 kHz actuation can effectively suppress low-frequency unsteadiness of the separated wave. Compared with the actuation frequency of 2 kHz, the energy of low-frequency component of the shock wave is enhanced under the 8 kHz actuation, which aggravates the low-frequency unsteady motion of the shock wave. It is likely that the actuation frequency is too high, thus the intensity of the precursor shock wave induced by PSJA becomes weaker. Additionally, as the 4 kHz actuation is applied, the pulsation of the separation region was enhanced, it is speculated that the actuation frequency is coupled with the oscillation frequency of the separation region.     

Numerical investigation of aerodynamic flow actuation produced by surface plasma actuator on 2D oscillating airfoil

Numerical simulation of unsteady flow control over an oscillating NACA0012 airfoil is investigated. Flow actuation of a turbulent flow over the airfoil is provided by low current DC surface glow discharge plasma actuator which is analytically modeled as an ion pressure force produced in the cathode sheath region. The modeled plasma actuator has an induced pressure force of about 2 k Pa under a typical experiment condition and is placed on the airfoil surface at 0% chord length and/or at 10% chord length. The plasma actuator at deep-stall angles(from 5° to 25°) is able to slightly delay a dynamic stall and to weaken a pressure fluctuation in down-stroke motion. As a result, the wake region is reduced. The actuation effect varies with different plasma pulse frequencies, actuator locations and reduced frequencies. A lift coefficient can increase up to 70% by a selective operation of the plasma actuator with various plasma frequencies and locations as the angle of attack changes. Active flow control which is a key advantageous feature of the plasma actuator reveals that a dynamic stall phenomenon can be controlled by the surface plasma actuator with less power consumption if a careful control scheme of the plasma actuator is employed with the optimized plasma pulse frequency and actuator location corresponding to a dynamic change in reduced frequency.     

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。     

合成射流流动特性实验研究及在燃烧中的应用探讨

应用热线风速仪对合成射流激励器出口流场进行了较详细测量。实验结果表明,激励器流场可划分为2个不同的区域。在距离激励器出口10～15倍出口缝宽之前,流动具有强烈的非定常性;在此位置下游,流动特性与常规射流相似。在流向中心线上,随着向下游距离的增加,时均速度呈先增后降的趋势,湍流度则单调递减。当激励电压有效值40V、激励频率980Hz时,时均速度在15倍缝宽处达到最大,约14.2m/s,激励器出口附近湍流度近80%。在展向上,时均速度、湍流度均剧烈改变,梯度变化明显高于常规喷流。适当参数的合成射流激励可以改善扩散燃烧器出口温度分布、降低NO_x生成量。      

应用合成射流技术增强燃气/氧气掺混

为增强燃气／氧气的掺混，基于旋涡系统的非线性控制理论，在合成射流激励器的简化模型基础上，对激励器组处于不同工作情形下增强燃气／氧气的掺混流场进行了数值模拟和分析比较，结果表明：合适的激励器工作组可以显著增强燃气／氧气的掺混程度及换热，合成射流的控制效果与激励器的布局、强度和相位等密切相关。