补气式等离子体合成射流激励器工作机制

补气式等离子体合成射流(PSJ)激励器通过在常规激励器的腔体上外接单向阀,增加吸气复原阶段的补气量,提升射流能量。为防止漏气,对单向阀结构进行了特别设计,并在单向阀进气口打开和封闭时,分别测量了激励器射流峰值速度、腔体内部压力,及其放电电压和电流,探究单向阀补气改善射流性能的工作机制。结果表明,单向阀能够显著提高等离子体合成射流性能。射流穿透高度提升达30.0%,射流峰值速度增加达到18.7%,射流作用范围面积扩大达76.3%。但其有效作用频段仍与单向阀的响应频率和承受反向冲击压力的能力及激励器饱和工作频率密切相关。补气工作机制是单向阀补气与放电之间形成正向反馈作用,通过单向阀在吸气复原阶段扩大进气口面积,吸气复原更充分,腔内气压增大,使得气体击穿电压升高,增大能量沉积阶段的放电能量,提高腔内压力,产生更大内外压差,从而提升射流性能。射流喷出后腔内负压更大,也进一步促进了吸气复原,通过单向阀补气的作用更显著。     

火花放电等离子体射流实验研究

提出一种火花放电等离子体射流发生器,可获得能量较高的零质量射流。其工作频率可达9k Hz,可在大气压下产生持续的平均速度较高的射流。详细阐述了该射流发生器结构;通过对其放电形态的研究,探讨了产生射流的机理;利用皮托管测量了射流平均速度,研究了发生器电极间距及外加电参数对射流平均速度的影响,测量了射流平均速度轴向分布;得到了该等离子体射流发生器的射流特性曲线。实验结果表明,该发生器产生的持续射流平均速度可达40m/s以上;增大加载电压还可提高射流速度;对给定的射流发生器,存在最佳电极间距和电压频率。     

多路等离子体合成射流改善翼型性能实验研究

等离子体合成射流(PSJ)响应快,频带宽,强度大,在飞行器增升减阻领域具有广阔应用前景。但常规等离子体合成射流只是单点激励,作用范围小,控制效果弱。为提高等离子体合成射流抑制机翼流动分离的能力,设计了一种新型多路放电电路驱动合成射流,使单个电源产生5~12路多点、高强度合成射流激励,并将其用于高升力翼型失速分离控制。研究了激励频率、电容能量、来流速度和激励位置对流动控制效果的影响以及阵列式激励的控制规律。实验结果表明:12路PSJs各路均能产生较强的冲击波和射流,能有效抑制翼型吸力面的流动分离,增加升力,推迟失速;当激励频率为150Hz使无量纲频率等于4.8时,流动控制效果最好;电容能量越大,来流速度越小,流动控制效果越好;翼型距前缘15%c处为最佳激励位置,在主翼后缘施加激励与前缘激励类似,能有效抑制主翼流动分离;在主翼前缘和后缘同时施加激励,增升效果变强,推迟失速的能力降低。流场存在延迟效应,延迟时间不小于585s。     

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。     

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。      

螺旋桨等离子体流动控制的增效实验

实验依托搭建的螺旋桨等离子体流动控制测试平台,基于等离子体附壁射流抑制边界层分离的两种机制,采用等离子体射流与来流方向相同的正向射流方式和与来流方向相反的逆向射流方式,研究了微秒脉冲等离子体射流对螺旋桨三维流动分离的控制效果,对比分析了两种射流方式增效特点.实验结果表明:在螺旋桨转速为300r/min,电压峰值为8.5kV,脉冲频率为10~160Hz范围内,正向射流有利于减小螺旋桨转矩,逆向射流对转矩的效果则相反.两种射流方式均提高了螺旋桨拉力和效率,同时其控制效果受脉冲频率的影响较大;正向和逆向两种射流分别使螺旋桨效率最大提高了11.56%,2.79%.      

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%。     

低气压条件下多缝式等离子体合成射流激励器特性实验

设计了一种低气压条件下工作的大间距多缝式等离子体合成射流激励器,旨在应用于高空飞行器的内部流动控制。实验中利用气体放电电压在低气压条件下迅速降低的特性,将激励器放电电极间距设计为26mm,使激励器腔体和出气口均得到显著拉长,并通过电参数测量、高速纹影观察分别研究了其放电特性及瞬态流场特性。实验结果表明:激励器的初始射流锋面速度达到了761m/s,故在高速流动控制中具有较大的应用潜力。此外,激励器射流导致的压缩波和射流边界均接近半椭圆形,具有较大的流场均匀区,因此其流动干扰能力和动量交换能力较常规孔式射流要更强。      

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。     

Experimental characteristics of a two-electrode plasma synthetic jet actuator array in serial

Plasma Synthetic Jet (PSJ) actuators have shown wide and promising application prospects in high-speed flow control, due to their advantages including high exhaust speed, wide frequency band, rapid response, and non-moving components. Although previous studies on PSJ actuators are abundant, most of them have focused on the performance of a single actuator. However, in practice, an actuator array is very necessary for large-scale aerodynamic actuation on account of the small affected area of a single PSJ. In this paper, the characteristics of a two-electrode plasma synthetic jet actuator array in serial are investigated experimentally. Compared to a parallel actuator array, the serial actuator array requires simpler power supply design and is much easier to realize. High-speed photography of the discharge evolution, voltage-current measurement, and shadowgraphy visualization are used in the investigation. Experimental results show that, for the serial actuator array, weak discharges happen firstly between energized and suspending electrodes, and then a strong pulse arc discharge is triggered. The breakdown voltage in serial is irrelevant to such factors as the number of actuators, the maximum or minimum gap in serial, the connection sequence, etc. It is mainly determined by the sum of gaps. For serial actuators with the same anode-to-cathode spacing, the energy deposition is the same, and the jet is synchronous and similar. Because of the entrainment and merging of adjacent jet vortices, the jet front speed of an aligned synchronous jet array increases as the orifice distance decreases. To achieve the highest jet front velocity, the orifice of the actuator has an optimal diameter.     

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。     

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。     

Experimental and numerical investigation on opposing plasma synthetic jet for drag reduction

Experimental and numerical studies are carried out to validate the potential of opposing Plasma Synthetic Jet (PSJ) for drag reduction for a hemisphere. Firstly, flow field changes of opposing PSJ are analyzed by comparing the experimental schlieren images and simulation results in a supersonic free stream of Mach number 3. As PSJ is a kind of unsteady pulsed jet, the shock standoff distance increases initially and then decreases under the control of PSJ, which corresponds to the change of the strength of PSJ. Accordingly, the amount of drag reduction of the hemisphere increases initially and then decreases. It is found that there is a short period of “drag rise” during the formation of PSJ before the drag reduction, which is induced by the generation of normal shock waves and the area difference of the cavity wall of PSJ Actuator (PSJA). Secondly, the effects of five parameters, including exit diameter, discharge energy of PSJA, Mach number, static pressure of incoming flow and angle of attack, on drag reduction of opposing PSJ were studied in detail by using numerical method. It is found that the Maximum Pressure Ratio (MPR) has a significant impact on the average drag reduction for a configuration-determined PSJA. For the configuration selected in this study, the flow field of opposing PSJ shows typical Short Penetration Mode (SPM) in a control cycle of PSJ when the MPR is less than 0.89. However, the flow field shows typical Long Penetration Mode (LPM) at some time when the MPR is bigger than 0.89. Relatively better drag reduction is achieved in this case.     

翼型尾缘低频大功率合成射流的动态载荷特性研究——A：实验方案设计

为了获得翼型在尾缘合成射流作用下的气动特性,针对NACA0015翼型,设计了适用于风洞研究的尾缘合成射流实验,设计内容包括实验模型的设计,低频大功率合成射流致动器的设计,以及测量方案的设计。该实验方案在伺服电机达到适当转速时,合成射流器能够达到较好的吹／吸气效果。通过调节地面气缸的行程和电机的工作频率,可以实现对喷口速度、频率等参数的调节,为研究合成射流动量系数和减缩频率对气动力和力矩的影响规律提供了便利。针对二元实验段,采用自行设计的二分量应变天平测量动态升力和力矩。该实验模型在二元风洞中顺利开展了相关实验研究。研究结果显示,当合成射流频率为3Hz时,升力系数的幅值约为0．16。因此,尾缘低频大功率合成射流可以使翼型获得较大的用于控制气动弹性的控制力。这种新型作动方式为未来飞行器气动弹性稳定性控制提供了一种新途径。     

基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

作为一种新的流动控制激励器,合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明,在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度,当合成射流的动量系数为0.301×10^-3时,可使再附点长度减小25%。合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数,当频率为260 Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32、激励频率等同于旋涡脱落频率时,合成射流控制效果最好,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

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。