表面磁流体气动激励控制楔面激波规律数值研究

针对表面磁流体(MHD)气动激励对高超声速进气道在非设计状态下激波控制问题,从唯象学的角度出发,基于低磁雷诺数假设,将电磁作用简化为Navier-Stokes方程组中的源项处理,同时考虑到低气压、低磁场环境下电子回旋效应引起的Hall效应,并联立Ohm定律,建立磁流体动力学模型,通过与实验纹影对比验证了模型的合理性,并利用该模型研究了表面MHD加/减速激励作用位置与宽度、磁场强度、电导率和能量转化率等参数对楔面激波的影响规律。结果表明:表面MHD气动激励包括焦耳热与洛伦兹力作用,当放电功率密度为3.8×10~9k W/m~3,磁场强度为0.34T时,MHD加/减速激励分别使激波位置前移6mm与10mm;而磁场强度较低时,由于焦耳热的主导作用,将会出现激波前后压力比增大,激波强度增加等负面效应;根据激励参数的影响规律,激励器电极应靠近尖端布置,增大磁场强度,并改善等离子体源以提高气体电导率,同时适当增大激励区域宽度。     

分段法拉第磁流体发电通道流动特性数值模拟

磁流体发电是解决以冲压发动机为动力的飞行器机载供电问题的有效途径。为了探究磁流体发电通道的内部流动情况和能量转化机理,针对分段法拉第型发电通道,结合实验设备设计参数,构建了低磁雷诺数条件下的磁流体五波模型,并运用二阶熵格式对其求解。通过分析四种不同情况,研究了分段法拉第型磁流体发电通道在不同实验条件下的流动特性。计算结果表明:磁作用数由0变为0.1时,通道出口处温度升高10.4%,出口速度降低27.7%,马赫数降低25%,磁作用数升高至1时,出口速度将降至临界声速,马赫数降为1,出口温度较基准态升高20.8%;通道能量转化率越高,通道内壁逆压梯度越大,流动在内壁上容易发生分离;负载系数为0.5时,通道出口速度相较于负载系数为0.8的情况,气流速度下降约11.7%,马赫数下降8%,通道将产生更多的焦耳热,能量转化率较高,但是电效率较低。通道在进行发电实验时,增大电磁作用强度,同时选择合适的外部负载,可以提高通道发电性能。     

磁流体发电高温燃气的产生与控制研究

为探索磁流体发电技术在高超声速飞行器上的应用,研制了基于燃气发生器的高温燃气实验系统。介绍了燃烧工质的选取、工况的选择以及实验系统的调试机理、运行情况。结果表明,采用航空煤油做燃料,气氧做氧化剂,混合比为1.2~12的条件下满足温度大于2600K的要求;煤油流量作为基准值,通过调节氧气路孔板流量计前压力能很好地调节燃气发生器的温度;通过调试确定了系统运行的时序,并进行了燃烧温度为3278.5K的点火实验。电导率的测试实验表明,在燃气温度2750K的情况下,燃气电导率的平均值达到10S/m,峰值15S/m,满足磁流体发电的技术要求。     

超声速非平衡电离磁流体流动控制试验和数值模拟

为了开展磁流体(MHD)流动控制原理研究,建立了磁流体技术试验系统,采用电容耦合射频-直流组合放电对Ma=3.5气流进行电离,在磁场作用下产生顺/逆气流方向的洛伦兹力控制流场,采用试验段静压变化来监测磁流体流动控制效果,通过一维模型计算磁流体流动控制过程中流场变化情况,分析磁流体流动控制效果;通过添加电磁源项的Navier-Stokes方程耦合电势泊松方程建立了二维磁流体动力模型,对磁流体流动控制进行数值模拟研究。主要结论如下:在磁场约束下,电容耦合射频-直流组合放电能够在Ma=3.5流场中产生大体积均匀电流,电导率约0.015S/m;在焦耳热和洛伦兹力作用下,磁流体加速时静压升高了130Pa,减速时静压升高了200Pa;磁流体流动控制过程中,仅有不足10%的能量在磁流体通道内发生了作用;数值模拟结果显示,在试验条件下,加速时静压升高了128Pa,减速时静压升高了208Pa,与试验结果基本吻合。     

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。      

多孔壁面对高速边界层最优增长条带二次失稳的影响规律

边界层转捩是高超声速飞行器设计中的关键基础理论问题。当环境扰动强度较高时，将在模态扰动失稳区上游发生由最优增长条带二次失稳触发的亚临界转捩。为评估多孔壁面在亚临界转捩中的控制效果，以超/高超声速平板边界层流动为研究对象，建立了基于伴随抛物化稳定性方程的优化系统与求解方法。以最优扰动非线性演化形成的三维条带边界层为新的基本流动开展全局稳定性分析，研究表明：多孔壁面对第一模态频率范围内的二次失稳扰动为促进作用，对第二模态频率范围内的二次失稳扰动起抑制作用，并且转折频率接近局部快/慢模态的同步频率，对于工程应用中多孔涂层的布置方案具有一定的指导意义。