超声速非平衡电离磁流体动力技术实验系统

介绍了超声速非平衡电离磁流体动力技术实验系统的设计思想和组成,设计、制作了马赫数为3.5的吸气式双喉道风洞,采用以陶瓷板为阻挡介质的电容耦合射频阻挡放电,实现了超声速流场中大体积、连续、稳定、均匀等离子体的产生.主要结论有:实验测试风洞稳定工作时间为18s,稳定运行时实验段静压为650Pa;电容耦合射频放电典型工作状态下,通过伏安诊断法测出超声速条件下等离子体的电导率为1.27×10-3S/m.      

非结构网格高超声速化学非平衡MHD流场数值模拟

 在非结构网格上对考虑化学非平衡效应的二维高超声速磁流体绕钝头体流动进行了数值模拟。控制方程由二维理想磁流体动力学（MHD）方程和组元连续方程两部分组成,化学动力学模型为5组元17反应模型。MHD方程空间离散采用AUSM格式,时间推进采用显式5步龙格-库塔格式,并通过弱耦合的方式与化学反应控制方程结合在一起。计算模型为二维钝头体,外加磁场为偶极子场,磁场源位于钝头体内部。在高超声速来流条件下,对有、无磁场干扰,是否考虑化学反应下的4种工况进行了数值计算,得到了满意的结果,并与有限的参考文献进行了对比。结果表明本文发展的方法能准确地模拟考虑化学非平衡效应的高超声速MHD流场。     

超声速磁流体加速实验及一维模型分析

为了获得负载系数、电导率等参数变化对超声速磁流体加速效果的影响规律,利用激波风洞,采用氩气与碳酸钾作为工质,电容提供电能的方式,在磁感应强度为0.5T的条件下,进行了不同电容充电电压下的超声速磁流体加速实验研究,并对一维定常理想分段法拉第型磁流体加速模型进行了分析.通过实验获得了不同电容充电电压下#10电极间的电压、电流、负载系数、电导率及#20电极开路电压等数据,在300, 400V电容充电电压下,气流速度分别增加11.4%和24.0%,在500V电容充电电压下气流速度减小11.1%.实验及模型分析得出不同的负载系数会使超声速磁流体处于加速或减速的不同状态,而电导率会影响注入总能量的大小,使磁流体流动的速度梯度大小发生改变.      

三维等离子体MHD气动热环境数值模拟

电磁流动控制技术是一个多学科交叉融合的重要研究方向,在高超声速飞行器气动特性优化、气动热环境减缓、边界层转捩和等离子体分布等流动控制方面显示出广阔的应用前景。考虑高超声速飞行器绕流流场中发生的离解、复合、电离和置换等化学反应,气体分子振动能激发以及化学非平衡效应,耦合电磁场作用并基于低磁雷诺数假设,通过数值模拟求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程,建立磁场与三维等离子体流场耦合数值模拟方法及程序,采用典型算例进行考核。在此基础上,开展不同条件下磁场对再入三维等离子体流场以及气动热环境影响分析。研究表明:建立的高超声速飞行器的等离子体流场与磁场耦合计算方法及程序,其数值模拟结果与文献符合,外加磁场使飞行器头部弓形激波外推,磁场强度越强,激波面外推距离越大;不同磁场强度环境下,流场中温度峰值大小略有变化,变化幅度较小;磁场对绝大部分区域的热流有减缓作用,作用的大小与飞行高度、马赫数以及磁场的配置紧密相关;当前的计算条件下,飞行的高度越高,磁场的作用越明显。     

高温气体效应对高超声速磁流体控制的影响

高温气体效应会严重影响高温气体流场的流动特性,进而影响高超声速磁流体控制效率。基于低磁雷诺数假设,通过耦合求解带电磁源项的三维Navier-Stokes流场控制方程和电场泊松方程,开展完全气体模型、平衡气体模型、化学非平衡气体模型、热化学非平衡气体模型等条件下的高超声速磁流体控制数值模拟,分析气体模型对磁流体控制的影响,研究高温气体各种非平衡效应及焦耳热振动能量配比等对高超声速磁流体控制的影响规律。研究表明：化学非平衡效应对高超声速磁流体控制影响显著,采用化学非平衡气体模型模拟得到的磁控增阻特性介于完全气体模型和平衡气体模型之间,平衡气体和完全气体模型磁控热流变化的定性规律,与非平衡气体模型模拟结果差异很大;热力学非平衡效应对高超声速磁流体控制的影响,与焦耳热振动能量作用比率紧密相关,随该配比增大,磁场增阻效果由67%降到约12%;高温气体效应会极大地降低磁控增阻效果,会明显地增强部分表面区域的磁控热流减缓效果,要准确数值模拟高超声速磁流体控制,必须有效地考虑化学和热力学非平衡效应,同时选用接近实际情况的焦耳热振动能量配比。     

交流介质阻挡放电等离子体主动控制S形进气道流动分离的实验研究

S形进气道内的流动分离和二次流造成进气道出口压力损失和气流畸变较为严重，严重影响发动机的工作性能。为改善其流场特性，采用交流介质阻挡放电(Alternating current dielectric barrier discharge,AC-DBD)等离子体激励器主动控制进气道内的流场。在来流风速为10m/s，雷诺数Re_D为1.35×10⁵的工况下，探究了控制位置、布局形式对控制效果的作用规律，从流向和出口截面流场及压力分布出发，探究了主动控制的机理。结果表明，AC-DBD等离子体激励器能够提高壁面静压恢复系数，抑制流动分离并改善出口压力畸变。激励器控制位置在分离点附近最佳，且以诱导气流与来流平行的布局形式最优。在本实验范围内，出口静压系数提高了8.94%，出口稳态畸变指数降低了4.58%。其控制机理是DBD等离子体产生的诱导气流直接加速边界层运动，提高边界层抵抗逆压梯度的能力，从而抑制流动分离。同时，抑制二次流运动，降低压力畸变。     

电弧喷射推力器流动区域电磁场数值解法

为了有效地进行电弧喷射推力器流动区域全场(流场、电场、磁场和化学反应)耦合数值模拟并揭示其电磁场特征，建立了适当的电磁场模型，对电磁场控制方程的数值解法进行了详细研究。模型基于推力器稳态工作特征，控制方程由麦克斯韦方程组简化得到，采用有限控制容积积分方法离散椭圆型控制方程，采用9种不同的迭代方法求解离散方程。给出了不同迭代方法的收敛速度、数值稳定性和最终精度。研究表明，Gauss—Seidel逐线超松弛迭代法是推力器流动区域电磁场离散方程的一种快速有效的数值解法。     

不同类型多级等离子体激励器诱导气流的力学特性研究

等离子体激励器通过产生的等离子加速气流,可以实现对流动的控制。单级等离子体激励器由于受到等离子体放电的物理限制,其控制作用较小;为了提高等离子体流动控制的效果,关于多级等离子体激励器的研究得到发展。采用图像采集和粒子示踪测速系统(PIV),对传统多级等离子体激励器和多级双极性等离子体激励器的放电现象以及气流加速进行研究,并通过流场速度分布计算等离子体激励器对空气产生的推力和吸力。结果表明:随着电压的升高,传统多级等离子体激励器产生的推力和吸力会逐渐减弱;而多级双极性等离子体激励器产生的推力和吸力均呈逐渐增强的趋势。     

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。     

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。     

MHD Flow Control of Oblique Shock Waves Around Ramps in Low-temperature Supersonic Flows

This article is devoted to experimental study on the control of the oblique shock wave around the ramp in a low-temperature supersonic flow by means of the magnetohydrodynamic(MHD) flow control technique. The purpose of the experiments is to take advantage of MHD interaction to weaken the oblique shock wave strength by changing the boundary flow characteristics around the ramp. Plasma columns are generated by pulsed direct current(DC) discharge, the magnetic fields are generated by Nd-Fe-B rare-earth permanent magnets and the oblique shock waves in supersonic flow are generated by the ramp. The Lorentz body force effect of MHD interaction on the plasma-induced airflow velocity is verified through particle image velocimetry(PIV) measurements. The experimental results from the supersonic wind tunnel indicate that the MHD flow control can drastically change the flow characteristics of the airflow around the ramp and decrease the ratio of the Pitot pressure after shock wave to that before it by up to 19. 66%, which leads to the decline in oblique shock wave strength. The oblique shock waves in front of the ramp move upstream by the action of the Lorentz body force. The discharge characteristics are analyzed and the MHD interaction time and consumed energy are determined with the help of the pulsed DC discharge images. The interaction parameter corresponding to the boundary layer velocity can reach 1. 3 from the momentum conservation equation. The velocity of the plasma column in the magnetic field is much faster than that in the absence of magnetic field force. The plasma can strike the neutral gas molecules to transfer momentum and accelerate the flow around the ramp.     

Investigation of MHD power generation with supersonic non-equilibrium RF discharge

Magnetohydrodynamic (MHD) power generation with supersonic non-equilibrium plasma is demonstrated. Capacitively coupled radio frequency (RF) discharge (6 MHz, maximum continual power output of 200 W) was adopted to ionize the Mach number 3.5 (650 m/s), 0.023 kg/m3 airflow. In a MHD channel of 16 mm × 10 mm × 20 mm, MHD open voltage of 10 V is realized in the magnetic field of 1.25 T, and power of 0.12 mW is extracted steadily and con-tinuously in the magnetic field of 1 T. The reasons for limited power generation are proposed as:low conductivity of RF discharge; large touch resistance between MHD electrode and plasma;strong current eddies due to flow boundary layer. In addition, the cathode voltage fall is too low to have obvious effects on MHD power generation.     

槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻,需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发。在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理。结果表明：展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小。     

MHD控制激波诱导湍流边界层分离的机理分析

为了研究磁流体动力学(Magnetohydrodynamics:MHD)加速边界层对激波-湍流边界层相互作用的影响,用高阶有限差分法求解了小磁雷诺数近似的MHD湍流方程。其中,无粘通量采用WENN格式离散、粘性通量采用Roe平均中心差分离散,时间采用半隐式推进,并采取追赶法求解。计算给出了湍流、电场、磁场和电导率等参数对边界层分离的影响,数值结果显示:在同样的逆压梯度下,湍流边界层分离能更快地趋于稳态流场,且分离区比层流小;通过施加洛仑兹力加速,边界层速度型面变得更加饱满、位移厚度减小、分离点和再附点向激波与固壁的交点靠近,分离区尺寸减小甚至最终被消除。     

横截面形状对超声速磁流体发生器性能的影响

通过三维数值模拟研究了不同横截面形状的磁流体(MHD)发生器的热、电磁流动特性,发生器入口采用超声速来流条件,旨在应用于磁流体旁路超燃冲压发动机推进系统。数值模拟采用低磁雷诺数下磁流体五方程模型,通过熵条件格式和超松弛迭代(SOR)法联合算法分别求解Navier-Stokes方程组和电势方程。研究表明在电极壁面上电场、电流以及洛伦兹力等电磁场参数呈周期性变化,由于电极端点效应,电磁场参数在电极端点出现周期性的极值,而在管道中心电极端点效应对电流影响并不大,沿着流向电流保持连续变化。对不同管道横截面形状的发生器的数值模拟表明:由于涡电流和二次流效应的影响,形状参数较小的发生器焦耳热较为严重,二次流较弱;而形状参数较大的发生器焦耳热较小,二次流增强。因此,当形状参数α=0.8时可获得较好的焓提取率和电效率。     

基于激波风洞的超声速磁流体动力技术实验系统

开展磁流体(MHD)动力技术实验研究,实验系统必须满足两项基本的条件:一是超声速或高超声速气流;二是气流必须是导电流体.基于此,介绍了基于激波风洞的超声速磁流体动力技术实验系统的基本组成、设计思想和调试情况.设计了马赫数Ma=2的超声速喷管及实验段;采用氦气驱动氩气,在平衡接触面运行方式下得到高温气体,通过在低压段注入...     

非均匀流等溢流角设计高超侧压进气道

工作在前体附面层内的高超侧壁压缩进气道,来流的非均匀性应该是进气道设计的一个重要依据。按经典的附面层理论和等溢流角设计准则设计了侧壁压缩角为６°,前缘型线为圆弧的变后掠角高超侧压式进气道模型,在Ｍａ５．３／Ｍａ４风洞中利用风洞壁面自然发展的附面层进行非均匀来流下进气道性能试验。试验发现,在相同的来流附面层条件下,圆弧前缘进气道相对于直前缘进气道喉道处的压力畸变小、进气道总压恢复高。     

超燃冲压发动机燃烧室冷态流场研究

利用西北工业大学电阻加热超声速燃烧室直连式实验设备,针对自行设计的超声速燃烧室模型,在燃烧室入口马赫数Ma=2.0、入口流量m=0.73～1.0kg/s、入口总压p_t≈(7～8)×105Pa、入口总温T_t为室温条件下,开展了不同燃烧室进口流量、隔离段长高比以及燃烧室出口堵塞比情况下的燃烧室冷流实验;采用CFD商用软件对燃烧室冷流流场进行了数值模拟,并将计算结果与实验数据进行了对比和分析.研究结果表明,增加隔离段的长高比,可以提高燃烧室抗反压的能力,燃烧室出口压力场的畸变对燃烧室内部流场有较大的影响,同时通过计算结果与实验数据的对比验证了计算方法的适用性.      

基于磁流体控制的高超声速进气道黏性效应

建立引入电磁源项的二维低磁雷诺数磁流体动力学(MHD)方程组,对高超声速二维前体/进气道黏性流场进行了数值模拟.在给出了进气道高于设计马赫数的非设计工况下黏性流场的基本特征基础上,进一步分析了施加MHD控制对进气道黏性效应的影响.结果表明:施加MHD控制可以有效抑制非设计工况下内进气道表面的附面层分离,改善上壁面的热状况,平衡上、下壁面之间的热负担;黏性作用下,进气道流场及性能参数随磁感强度的变化规律与无黏模型计算结果存在较大差别,对磁流体控制的高超声速进气道研究不可忽略黏性的影响.