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。     

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。     

等离子体合成射流对钝头激波的控制与减阻

为了验证等离子体合成射流对超声速流动的流动控制和减阻效果,在考虑热完全气体效应的情况下,工程拟合等离子体热力学属性和输运系数,利用能量源项模型对超声速平板和球头等典型流场结构进行了数值模拟,并取得了与实验较为一致的结果。研究结果表明：对于马赫数为2的超声速平板流动,等离子体合成射流能有效干扰边界层的发展,并诱导产生一系列大尺度结构;对于马赫数为3的球头流场,等离子体合成射流能显著改变激波脱体距离与球头的阻力特性;在放电后第1个周期内,合成射流能使球头平均阻力降低6.3%,而在射流峰值情况下使阻力降低32.0%,激波脱体距离增加2倍,实现了激波控制和流动减阻的预期效果。     

Bump进气道中鼓包诱导的激波/边界层干扰特性

为了探索Bump进气道中鼓包诱导的锥形激波和机身发展而来的湍流边界层干扰问题,分析其气动优势,首先选取了半锥和半棱锥这两种与鼓包的流场结构具有一定相似性的构型作为参照,采用数值仿真方法,分别对这三类典型的三维激波/湍流边界层干扰问题进行了流场分析。在此基础之上,设计了三个不同马赫数的鼓包,并研究了设计马赫数对鼓包流场特性的影响。结果表明:当三类构型的无黏激波强度相等时,半锥诱导产生的旋涡强度最强,鼓包次之,半棱锥最弱。尽管鼓包诱导的流场非常复杂,其干扰流场却呈现出准锥形相似的特性。虽然半锥对边界层的排移能力最强,但是综合考虑边界层排移能力及进气道出口流场畸变下,鼓包最具优势,这也是其被选为超声速进气道前缘压缩面的重要原因之一。此外,在设计状态下,适当增加设计马赫数能改善鼓包排移边界层的能力,但设计马赫数太高,边界层排移能力基本不变,反而使得进气道总压损失急剧增加。      

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。     

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。     

结合次流控制的壁面鼓包对激波/边界层干扰的控制方法研究

为了对超声速、高超声速进气道内激波/边界层干扰现象进行有效控制,提出了一种结合次流控制的壁面鼓包控制激波/边界层干扰的方法,并对相关流动机理及参数影响规律进行了研究。结果表明:将次流控制与壁面鼓包相结合,利用鼓包前后存在的压差,将激波入射导致的分离区内的低能流引入鼓包下方的引流腔,在减少分离包内低能流的同时,促进分离包的再附着,有效地缩小了激波入射导致的边界层分离,改善了通道内的流动状态,降低了流动损失。同时,将引流腔中的气流从鼓包下游的吹气缝中喷出,对当地边界层起到了一定的能量补充效果,并避免了捕获流量的损失。相较于现有的壁面鼓包控制方案,结合次流控制后可以在较大激波入射范围内实现对激波/边界层干扰的控制,通道出口的总压恢复系数的最大改善幅度可以达到5%以上。此外,将引气缝布置在鼓包迎风面,并且当单条引气缝的宽度和间距固定不变,而引气缝总宽度和单条引气缝宽度之比不大于3时,可以获得较好的控制效果。     

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。     

高超声速导弹等离子体合成射流控制数值研究

快响应控制技术已成为高超声速飞行器发展的关键技术之一,具有极快响应、零质量特性的等离子体合成射流(PSJ)已在超声速流动控制方面初步显示出优异的控制能力,极有潜力应用于高超声速飞行器的快响应控制。基于等离子体合成射流的快响应特性,提出了高超声速飞行器等离子体合成射流快响应控制技术,并通过建立简化的高超声速导弹流场控制模型,对等离子体合成射流控制高超声速导弹进行数值研究。首先,理论分析了高超声速导弹流场的典型结构特征,导弹流场中存在3个特征流场结构。在此基础上,在导弹3个特征位置前面安装等离子体合成射流激励器,研究等离子体合成射流对高超声速流场结构的控制作用,分析由此导致的导弹表面压力分布、升阻特性以及俯仰力矩特性变化。数值仿真结果表明:等离子体合成射流对高超声速导弹外流场中膨胀波和斜激波都具有控制作用,使得波的强度均变弱,且对斜激波的控制效果更为显著;导弹流场结构及气动特性变化具有很强的射流跟随性,射流作用下的导弹流场变化响应时间非常短,仅为0.2 ms;通过合理布置等离子合成射流激励器的位置,可以使得导弹表面压力分布快速改变,从而实现高超声速导弹姿态的快速控制。     

热激励在超声速进气道内对激波诱导的边界层分离的控制机理

通过数值模拟的方法研究了马赫5的超声速进气道内,热激励对激波/边界层相互作用的控制机理。研究了热激励器放热功率(E)、热激励器展向放置数目(N)和热激励器到控制激波的距离(S)三个参数在超声速进气道内激波控制和边界层分离改善中的表现。分别针对以下四种条件进行了数值模拟:1)E=2k W、N=2、S=0.02m;2)E=3k W、N=2、S=0.02m;3)E=2k W、N=3、S=0.02m;4)E=2k W、N=2、S=0m。分析发现:在以上四种条件下,均可观察到热激励在控制激波和改善激波诱导边界层分离上有着显著的效果。热激励器的放热功率对激波的控制效果有着明显的影响,在本文所考虑的热激励能量范围内,放热功率越大,原激波角的改变越大,最终分离区的改变越明显;展向放置的热激励器数目N影响着输入到流场的能量密度,并且N越大,壁面附近的激波面越趋于平面。尽管N对上壁面沿展向的压力分布无明显影响,但对上壁面分离区大小有明显的影响;对比条件1和4下的计算结果,发现S=0.02m可以得到很好的控制效果,而S=0m时流场结构几乎没有变化,这就表明热激励器必须放置在控制激波上游的一定距离处才会有预期的效果。     

超声速压气机叶栅前缘通道激波损失的鼓包控制研究

为了有效减小超声速压气机叶栅变进气马赫数条件下的前缘通道激波损失及由激波诱导的边界层分离,提出了一种带有平直过渡区的新型鼓包结构,并采用数值方法详细分析了新型鼓包结构对激波与激波/边界层相互作用机理以及鼓包几何尺寸与位置对控制效果的影响机制。研究结果表明:新型鼓包在迎风侧凹面产生的压缩波系有效削弱了前缘通道激波的强度,鼓包过渡区产生的膨胀波系使边界层流体加速,明显抑制了局部流动分离,并使分离提前再附。当某一超声速压气机叶栅的前缘通道激波入射在鼓包的过渡区范围内,鼓包高度为0.35倍的边界层厚度且鼓包迎风侧与背风侧长度分别为过渡区长度4倍与5倍时,可以实现较好的控制效果。此外,与无鼓包方案相比,新型鼓包结构可使超声压气机叶栅在设计工况下的总压损失减少4.6%,同时超声速压气机叶栅进气马赫数在1.65~1.8范围内仍能取得较好的气动减损效果。      

斜出口合成射流组流场特性PIV实验研究

提出了斜出口合成射流组的概念,应用PIV相位锁定技术对典型单缝、双缝和三缝斜出口合成射流组非定常流场结构进行了测试,并对出口间距比参数变化对斜出口合成射流组沿壁面的动量输运影响特性进行了探讨。结果表明：三缝斜出口合成射流组具有更强的沿壁面动量输运特性,具有更高的合成射流激励器能量利用效率。相邻射流出口间距比是影响斜出口合成射流组动量输运的重要参数,研究结果指出当间距比S/H＝3．0时,斜出口合成射流组具有较强的沿壁面动量输运特性。     

电弧放电等离子体激励控制超声速压气机叶栅激波/边界层干扰仿真研究

为研究电弧放电等离子体激励对超声速压气机叶栅激波/边界层干扰的控制作用,建立了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,进一步以ARL-SL19超声速叶栅为对象,通过数值仿真研究了电弧放电等离子体与叶栅通道内部流动的相互作用及其对叶栅流动损失的影响。结果表明:等离子体唯象学模型能够较好模拟电弧放电等离子体诱导产生冲击波的气动特性。电弧放电等离子体激励对叶栅通道内部流动主要具有三种作用效果:在放电区,注入的热量会产生阻塞效应,增加近壁面气流的流动损失;在激波/边界层相互作用区,能够改变激波系结构,减小激波损失;在尾迹区,冲击波会诱导产生脱落涡。     

Characteristics of pulsed plasma synthetic jet and its control effect on supersonic flow

The plasma synthetic jet is a novel flow control approach which is currently being studied. In this paper its characteristic and control effect on supersonic flow is investigated both experimentally and numerically. In the experiment, the formation of plasma synthetic jet and its propagation velocity in quiescent air are recorded and calculated with time resolved schlieren method. The jet velocity is up to 100 m/s and no remarkable difference has been found after changing discharge parameters. When applied in Mach 2 supersonic flow, an obvious shockwave can be observed. In the modeling of electrical heating, the arc domain is not defined as an initial condition with fixed temperature or pressure, but a source term with time-varying input power density, which is expected to better describe the influence of heating process. Velocity variation with different heating efficiencies is presented and discussed and a peak velocity of 850 m/s is achieved in still air with heating power density of 5.0 · 1012W/m3. For more details on the interaction between plasma synthetic jet and supersonic flow, the plasma synthetic jet induced shockwave and the disturbances in the boundary layer are numerically researched. All the results have demonstrated the control authority of plasma synthetic jet onto supersonic flow.     

凹腔前缘角对超声速燃烧室性能的影响

针对带有不同前缘角的凹腔内流动和燃烧过程,分别在冷态和燃烧条件下探讨了前缘角对凹腔内流动损失及阻力特性的影响.研究表明:在壁面垂直喷射的喷口上游和凹腔内部均会形成低速、高温回流区,有利于点火及火焰稳定,燃烧反压通过边界层的亚声速区域上传,形成激波/边界层干扰结构.减小前缘角,可使剪切层分离位置提前,更偏向凹腔内部,导致凹腔后壁面再附激波增强,进而增大了总压损失,降低了总压恢复系数;亦可导致凹腔前、后壁面压差阻力增大,阻力系数上升.进一步认识了凹腔内部流场及稳焰增混机理,进而为优化凹腔结构设计提供依据.      

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。     

一种微型侧喷式压电合成射流器的设计

设计了一种侧喷型合成射流器,考察了射流器喷口结构尺寸对射流速度的影响,计算了不同喷口宽度下的动量系数,确定了喷口的最优尺寸,并在攻角为23°的NACA0015翼型进行了数值仿真模拟。结果表明,合成射流器可以有效的抑制边界层流动分离。同时设计了器件的加工工艺流程并完成了器件的加工。     

等离子体激励抑制喷管分离流动数值模拟

为研究等离子体激励器对喷管分离流动的抑制作用,运用了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,数值模拟研究了交流介质阻挡放电等离子体和电弧放电等离子体对喷管分离流动的抑制效果,并探究了电弧放电等离子体不同放电热功率密度、不同放电位置对抑制效果的影响。结果表明：电弧放电等离子体在抑制喷管分离流动方面有更好的效果。当电弧放电等离子体激励器作用于激波与边界层相互作用区的上游时,对分离流动的抑制效果最好;当电弧放电热功率密度较小时,其产生的诱导射流速度很小且不易对分离区的流线产生影响;当电弧放电热功率密度为8×10¹⁰ W/m³时,喷管的分离回流区完全消失。