纳秒等离子体激励控制翼型流动分离机理研究

为研究纳秒介质阻挡放电(NSDBD)等离子体控制翼型流动分离的物理机理,采用已建立的NSDBD唯象学模型耦合非定常Navier-Stokes方程模拟纳秒等离子体对流场的作用。使用非定常雷诺平均NavierStokes方程(URANS)和大涡模拟(LES)两种求解方法,研究纳秒等离子体激励对NACA0015翼型流动分离控制。结果表明:NSDBD等离子体激励促使边界层提前转捩,转捩对控制流动分离起重要作用;NSDBD激励开始时在翼型前缘形成展向涡,展向涡促使分离剪切层失稳并最终进入尾迹,展向涡贴近壁面运动,将外区的高能气流带入近壁区,使上翼面流场结构发生变化,然后翼型前缘流动提前转捩促使流动经过一个小层流分离泡后发生湍流再附,最终在上翼面形成稳定的附着流动。     

等离子体激励器对微型飞行器横航向气动力矩控制的实验研究

在前期等离子体激励器基本流场特性研究的基础上,将等离子体激励器应用于微型飞行器(MAV)进行气动控制。当来流速度为9.1 m/s时,在微型飞行器机翼吸力面非对称布置不同的单介质阻挡放电(SDBD)等离子体激励器,通过对未施加激励的偏航、滚转力矩曲线和施加激励的偏航、滚转力矩曲线进行对比,发现横航向气动力距发生很大的改变,可以实现对横航向气动力矩的控制。在此基础上,采用图像测速(PIV)技术,对机翼背风面的流场进行研究,分析产生横航向控制力矩的流动机理。通过改变激励器的输入电压、占空比和调制频率,实现对横航向气动力矩的比例控制。     

翼型电热防/除冰系统的数值模拟

飞机积冰是飞机在积冰气象条件下飞行时,大气中的液态水在部件表面冻结并积聚成冰的一种物理过程.开展飞机积冰研究,可以使人们更深入地认识积冰产生的机理,为飞机防/除冰装置的设计提供理论基础.采用数值模拟的手段,对二维翼型的结冰过程和防/除冰过程进行了系统的研究.根据经典Messinger模型对机翼的积冰过程进行了模拟,并在此模型的基础上计算了所需要的防冰热功率,同时采用焓方法对飞机机翼的融冰过程进行了模拟.     

考虑传质传热效应的翼型积冰计算

本文采用计算流体力学的方法对NACA0012翼型前缘涉及传质传热效应的glaze ice积冰进行了预测.在流场计算中,用有限体积法对二维定常不可压粘流的时均N-S方程进行离散求解;采用四阶龙戈-库塔(RK)法求解水滴运动方程;通过求解在翼型表面控制体积内积冰过程中所遵循的质量和能量守恒方程,并且假定冰沿着与当地翼型表面法向一致的方向增长,来预测积冰的形状.文中同时对结有glaze ice冰翼型的气动特性进行了计算与分析.     

射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验

介质阻挡放电(DBD)均匀稳定、易于敷设,是机翼/翼型等离子体流动控制(PFC)中最常用的激励方式。射频介质阻挡放电激励频率高、放电功率大,且能在流场中产生明显的加热,应用潜力大。采用射频电源驱动DBD激励器产生等离子体,分析放电的体积力、热特性和诱导流场特性,开展了射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验,研究了占空比、调制频率、载波频率和电源功率等参数对流动控制效果的影响规律。结果表明:射频等离子体激励的体积力效应随激励电压的增大而增加;射频等离子体激励产生的热量在诱导的流场中进行传导,加速流场;当来流速度为20m/s,Re=3.36×10~5时,在翼型前缘施加激励,使翼型临界失速迎角推迟1°,最大升力系数增大6.43%,且在过失速迎角下仍具有流动控制效果,使升力下降变缓;调制频率越大,控制效果越好;存在最佳占空比、载波频率和功率,占空比对流场控制效果的影响最显著,最佳占空比、载波频率和功率分别为20%,460kHz和50W。射频等离子体激励以体积力效应、热效应和诱导壁面射流改善失速流场,使得NACA0015翼型气动性能极大改善,流动分离得到有效控制。     

飞机机翼表面霜冰的三维数值模拟

基于欧拉两相流理论对三维情况下飞机机翼表面的霜冰进行了数值模拟.根据水滴拟流体模型建立三维水滴控制方程;提出一套水滴控制方程的数值求解方法;由三维水滴流场的求解结果计算机翼表面的水滴收集特性,提出一种三维积冰外形的生成方法,完成了对飞机机翼表面霜冰的三维数值模拟.对ONERA M6机翼在不同迎角下霜冰的积冰情况进行了数值预测,并分析了结冰条件对积冰的影响.      

飞机热气防冰系统与冰脊预测的数值模拟

基于流固耦合传热的思想建立了一套飞机热气防冰系统的的数值模拟方法,并将其与积冰热力学模型结合起来,实现了热气防冰系统开启时的机翼积冰预测.采用格心格式有限体积法求解N-S方程获得防冰腔与外流场;通过欧拉法在外流场的基础上获得过冷水滴撞击特性;求解三维热传导偏微分方程获得蒙皮的传热特性;采用交接面插值的方法实现防冰腔到外流场的热量传递;建立了考虑三维溢流效应的积冰热力学模型并在此基础上开展了机翼冰脊的数值预测.数值模拟结果表明:热气防冰系统开启时加热机翼表面温度最高可达308K,加热区后的上下机翼表面均有冰脊形成,通过对结果的分析表明该方法是合理可行的.      

基于合成射流的机翼溢流冰防护实验

为了解决电加热防/除过程中,机翼前缘溢流水流至防护区后侧形成冰脊影响飞行安全的问题,提出一种电加热系统与合成射流激励器复合式防冰方法。该方法将电加热系统布置于机翼前缘,通过加热使得机翼前缘温度高于冻结温度,防止过冷水滴在机翼前缘冻结,合成射流出口位于电加热系统防护区下游,通过合成射流的吹吸作用改变溢流水的运动轨迹,防止前缘溢流水流至机翼后表面形成冰脊。在结冰风洞中,通过实验研究了液态水含量、环境温度和合成射流速度对电加热与合成射流复合式防冰性能的影响。实验结果表明:电加热与合成射流复合式防冰系统在设计的结冰气象条件下,不仅能够保持机翼前缘不结冰,还能消除机翼后表面的冰脊。     

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。     

等离子体合成射流改善翼型气动性能实验研究

等离子体合成射流(PSJ)是一种新型主动流动控制激励器,目前研究大多集中于激励特性,对于流动控制的应用研究还明显不足。为了深入探究PSJ翼型流动分离的控制能力与规律,以高升力翼型为载体,在翼型前缘施加等离子体合成射流激励(PSJA),研究激励器对升力特性的影响。结果表明:在翼型前缘施加PSJA,可以有效抑制流动分离;近失速迎角状态下,各个激励频率下都能产生良好的控制效果;过失速迎角状态下,低频效果最好,随激励电压增加,有效频率范围变宽;激励效果随来流速度增加而减弱,当来流速度20m/s时,翼型的失速迎角提高5°,最大升力系数提高8.1%;当来流速度为40m/s时,失速迎角提高3°,最大升力系数提高4.5%。     

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.     

飞机热气防冰系统研究

介绍了飞机热气防冰系统的应用背景及基本结构，回顾了其发展历程及国内外研究现状.从防冰表面水滴撞击特性计算、蒙皮外部结冰/溢流水模型建立、热气防冰腔内部结构参数研究以及多物理场防冰表面内外耦合仿真这4个关键问题角度，分析了热气防冰系统的主要研究内容.分析表明:准确预测三维溢流冰形成过程、优化热气防冰腔内部结构参数、确定防冰安全边界和防冰裕度以及冰风洞防冰系统实验的参数缩比等关键研究点是热气防冰系统的发展趋势.      

热气防冰参数对机翼表面溢流结冰的影响研究

机翼热气防冰数值模拟中,根据N-S方程求解流场,用Euler法获得水滴撞击特性,通过蒙皮导热将求解得到的内外流场进行耦合传热并达到稳定后,开始模拟结冰,来进行机翼热气防冰及形成溢流结冰的数值计算。计算结果表明,热空气防冰数值模拟是可行和合理的。采用数值模拟方法对机翼热空气防冰过程进行了模拟,得到了由于引气温度不足或机翼热空气保护面积不同而导致的不同溢冰高度和位置。分析了供气温度、防冰区域对翼面溢流冰形成的影响。结果表明:供气温度直接正向影响热交换后蒙皮表面温度。供气温度越低,溢流冰形高度越高,对气动特性影响也越大;热防护区域范围对溢流结冰结果也会产生影响,热防护区域越大,冻结位置距离驻点越远,而且冰形高度越低,对气动特性影响也越弱。     

基于水膜流动与耦合传热的翼型防/除冰计算

针对飞行器防/除冰过程中翼面上空气-水膜-冰层-机翼之间的耦合传质传热现象,建立了一种基于水膜流动与耦合传热模型的翼型防/除冰数值模拟方法。基于Myers水膜流动模型建立了防/除冰热载荷作用下翼面溢流水流动、积冰及内部温度分布的数值计算理论。对于翼型及冰层内的传热现象,利用焓理论及有限体积法建立了复杂多层结构传热的数值模拟方法,对于冰层相变过程,提出了一种基于焓理论的相变修正方法以考虑相变潜热对温度变化的影响。最终实现了翼型防/除冰过程的耦合计算,结果表明:通过结合不同界面处的传热边界条件和考虑了相变潜热效应的焓理论对水膜流动与翼型/冰层传热模型进行耦合求解,能够对翼型/冰层内温度分布进行准确计算,可实现对翼型防/除冰过程中溢流水流动及积冰特性的有效预测与分析。      

Effects of flow parameters on thermal performance of an inner-liner anti-icing system with jets impingement heat transfer

The multiple jets impingement heat transfer is widely applied in the wing anti-icing system. It is challenging to apply the similarity criterion to carry out the anti-icing experiments due to the complex flow and heat transfer behavior. In the present study, the full-scale slat model is used to carry out anti-icing experimental researches in a 2 m × 3 m icing wind tunnel of China Aerodynamics Research and Development Center. The effects of icing parameters Liquid Water Content (LWC) and Median Volume Diameter (MVD) and hot air parameters (mass flow rate and temperature) on the thermal performance of an inner-liner anti-icing system with jets impingement heat transfer are studied. The effects of the experimental parameters are analyzed in detail by combining impingement and evaporation heat transfer mechanisms. The impingement hot air mass flow rate dramatically affects the heat transfer performance of the impingement stagnation region within the range of the experimental parameters. The temperature of impingement hot air and that of wing skin are approximately linear correlated. The experimental results show the effects of LWC and MVD on water film formation and runback ice accretion. The formation of water film is analyzed by an analytical method based on the wing skin temperature difference of dry and wet air conditions.     

等离子体激励器控制平板边界层转捩实验研究

在低速射流风洞中,研究了单级介质阻挡放电等离子体激励器对光滑平板边界层转捩位置的控制作用。实验采用热线测量技术,以边界层速度脉动与平均速度型作为转捩判据。实验发现,在来流速度为15 m/s,激励器连续放电参数为输出电压峰峰值11 kV,频率4.7 kHz时,在激励器放电作用下,平板边界层转捩位置推迟约40 mm。在相同的来流条件和激励器布局下,研究了不同放电参数对边界层内速度型,速度脉动以及频谱分布的影响,发现提高放电电压、频率和占空比能进一步推迟转捩。实验结果表明:激励器产生的射流效应可以增强边界层流动的稳定性,随放电电压、频率以及占空比增强,射流能量增大,因此边界层稳定性进一步加强,转捩控制效果也更明显。     

新型等离子体激励器的数值模拟

为了对新型多电极对等离子体激励器进行可靠的数值模拟,通过求解带有体积力源项的Navier—Stokes方程,模拟单电极对等离子体激励器在二维不可压流中对周围流场的影响,计算结果表明所使用唯象模型的参数基本正确。在此基础上,改进原有模型,对新型双极性等离子体激励器诱导流动进行计算。通过与实验结果的对比,发现改进后的模型能较好地模拟新型双极性等离子体激励器的控制作用,可为今后新型等离子体激励器的应用提供可靠的数值模拟方法。     

Geometrical and electrical optimization of NS-SDBD streamwise plasma heat knife for aircraft anti-icing

Ice accretion on aircraft encountering supercooled water droplets in clouds poses great risks to flight performance and safety. With the aim of optimizing the newly developed streamwise plasma heat knife method for anti-icing, a parametric investigation is carried out in this work. The influence of the detailed voltage profile on the heating effects of a Surface Dielectric Barrier Discharge driven by Nanosecond Pulses (NS-SDBD) is investigated, and a comparison of the anti-icing performance among different configurations of streamwise plasma heat knife is made. The results show that columnar high-temperature regions produced by a multi-streamer discharge appear at small pulse rise time, but become diffuse as the pulse rise time increases. An optimal pulse rise time exists to provide a wide range and high value of temperature, which is found to be 150 ns for the setup in the present study. The influence of the pulse fall time is much weaker than that of the rise time. The range and value of the temperature decrease with increasing pulse fall time. A greater pulse width is found to improve the heating effect by increasing the discharge power. When a spanwise electrode is placed connecting the streamwise electrodes of the streamwise plasma heat knife at the airfoil leading edge, the anti-icing performance becomes poorer, whereas good performance is achieved when the spanwise electrode is at the edge of the streamwise electrodes. Based on this, a three-level configuration of the plasma heat knife is proposed, and its anti-icing performance is found to be much better than that of the original configuration.