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.     

超声速欠膨胀冲击射流流场振荡的数值模拟

为了研究超声速欠膨胀冲击射流自激振荡与喷嘴进出口压比的关系,对轴对称冲击射流进行了数值模拟,计算中采用了雷诺应力模型。结果发现:当喷嘴压比较小时,流场振荡随喷嘴压比的增大而加剧。当压比处于某一范围内时,流场振幅最大,振荡最剧烈。随着压比的继续增大,流场振幅又减小。流场振幅随喷嘴压比的变化与冲击单音强度随喷嘴进出口压比的变化相似,说明流场振荡与冲击单音有内在的关联。     

激励强度对等离子体合成射流的影响

通过在Navier-Stokes方程组中添加体积力源项的方法,模拟了不同激励强度下等离子体合成射流,并研究了激励强度对流场特性的影响。计算结果表明,随着激励强度的增大,激励器附近壁面处的涡量增大,对应的涡对中心诱导的流向速度增大,从而导致涡核更加远离壁面,并被拉伸变长。对于等离子体合成射流的时均流场,其中轴线上的流向速度随着激励强度增大整体变大。在较小的激励强度下,射流半宽度随着激励强度的增大而增大;而激励强度很大时(>6 Dc0),激励强度对半宽度基本没有影响。沿流向的动量通量也随激励强度的增大单调增加。     

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。     

Suppressing unsteady motion of shock wave by high-frequency plasma synthetic jet

Three Plasma Synthetic Jet Actuators (PSJA) under the high-frequency actuation are used to control the Shock Wave Boundary Layer Interaction (SWBLI), a high-speed schlieren image processing method based on spatial Fourier transform as well as snapshot proper orthogonal decomposition were used to study the control effect of high-frequency plasma synthetic jet on low-frequency unsteadiness of SWBLI. The analysis of the base flow shows that the separated shock wave actually has both large- and small-amplitude vibrations at low frequency. And the results revealed that the PSJA with an operating frequency of 2 kHz has the ability to reduce the energy of low-frequency component of shock wave motion, indicating that the 2 kHz actuation can effectively suppress low-frequency unsteadiness of the separated wave. Compared with the actuation frequency of 2 kHz, the energy of low-frequency component of the shock wave is enhanced under the 8 kHz actuation, which aggravates the low-frequency unsteady motion of the shock wave. It is likely that the actuation frequency is too high, thus the intensity of the precursor shock wave induced by PSJA becomes weaker. Additionally, as the 4 kHz actuation is applied, the pulsation of the separation region was enhanced, it is speculated that the actuation frequency is coupled with the oscillation frequency of the separation region.     

放电电阻对等离子合成射流激励器特性的影响

设计了一种射流出口为竖直圆孔的等离子体合成射流激励器(PSJA),旨在研究在不同放电电阻时激励器的特性。实验中通过电参数测量、高速纹影观察获得了放电电阻为300、200、100 Ω的激励器放电特性及瞬态流场特性。结果表明:放电过程由于限流电阻的存在,可分为两个阶段,即急剧放电阶段和缓慢放电阶段。这一模式在满足较高初始能量注入的同时可以持续为激励器提供能量,有效提高了稳定性。同时,观察到较小的放电电阻,可以获得较大的射流速度,流动控制能力更强。但减小放电电阻,会导致放电电流增大,射流速度不稳定,工作稳定性变差。在实际应用中,需要综合考虑并确定最终的电阻值,确保两个放电阶段能量的合理分配。      

支板超声速冷流流场及液体喷流混合特性

支板流场和支板燃料喷流的混合效果对超燃冲压发动机的性能有重要影响。为了找出支板流场的特性以及支板构型对支板流场和支板液体喷流混合特性的影响,采用试验和数值两种手段对支板超声速冷流流场进行了初步研究,并对冷流情况下支板液体喷流的混合特性进行了试验研究。结果表明:支板后掠角对支板流场影响较大;支板尾部交错几何结构能形成具有强烈卷吸作用的涡流,加快支板后缘剪切层发展并促进燃料在主流当中的扩散,增强混合;侧喷支板横向喷流与后喷支板顺流喷射相比,燃料在主流当中扩散得更快,混合得更好。研究成果初步确定了不同构型支板的超声速冷流流场特征,得到了支板构型对支板液体喷流混合效果的影响,为进一步开展热态研究和指导支板的设计打下基础。     

流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响

采用大涡模拟方法、结构化网格建立了低压高负荷透平Pak B叶栅的非稳态数值分析模型,研究了不同流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响.控制前随着雷诺数的减小和气流攻角的增大,叶栅流动分离区域变大,在气流攻角为5°下发生分离未在尾缘前再附的情况.合成射流控制后,不同流动参数下的流动分离都得到了有效的控制,并且在射流偏角为30°时,合成射流控制效果最好.合成射流使叶栅吸力面的流动分离位置推迟,再附位置前移,分离泡尺寸减小,叶栅吸力面的逆压梯度段缩短,吸力面边界层表面的剪切层在向下游迁移的过程中,没有发生充分的抬升,避免了大尺度涡旋的形成,并且很快地黏附于壁面,进而有效地控制了流动分离.      

非稳态单喷口射流控制扩压器内边界层的分离流动

对扩压器内单喷口射流产生的流向涡控制扩压器内部边界层分离流动行为进行了研究。研究的对象是一个扩张角为10°的二维扩压器,扩压器进出口面积比为1∶4.7,入口高度为15 mm。采用数值计算方法研究了当射流出口速度为非稳态时对分离流动的影响。给出了不同时刻,不同截面上的旋涡涡量分布。结果表明,采用非稳态喷射流向涡方法可以在不改变主流流量特性的情况下,有效地减小分离流动区域。     

Effects of synthetic jet frequency on the separated flow in a diffusing S-duct

Numerical simulations were carried out to investigate the effects of synthetic jet actuation frequency on the separated flow in a diffusing S-duct. The Reynolds number based on the entrance height was 9.78×105. At first, the numerical model was validated with experimental data, and then, the interaction between the separated flow and the synthetic jets at different frequencies was discussed. The results demonstrate that the control effect is significantly dependent on the momentum mixing enhancement between inside of the separated boundary layer and the outer flow. There exists a narrow range of actuation frequency, in which effective separation control can be achieved using synthetic jets. A dimensionless frequency F+=1.0 is identified as the optimal frequency, with a momentum coefficient of 1.62×10-3, the separation area is reduced about 46%, and the aerodynamic performance of the S-duct is also greatly improved compared to uncontrolled case. Further analysis reveals that the choice of actuation frequency is mainly determined by the momentum flux produced by a single ejection and the spacing between adjacent ejections, the optimal frequency case can be understood as a balance between the two factors. In addition, it is found that the synthetic jets can also suppress the secondary flows while decreasing the separation.      

弹头外形不同尺度模型对二维射流流场的影响

超声速射流装置能很好地模拟榴弹引信发电机飞行时大气环境的工况，并成为地面考核和验收必不可少的设备。从二维轴对称N-S方程出发，利用二阶精度有限体积法和S-A湍流模型，对超声速射流装置的自由射流流场以及不同模型尺寸对超声速流场结构的影响进行了模拟计算。给出了激波与射流边界之间复杂干扰流场结构图，结果证明不同模型的尺寸对超声速射流流场有较大的影响。     

等离子体气动激励改善增升装置气动性能的试验

针对流动分离导致飞机增升装置气动性能下降的问题,进行了脉冲等离子体气动激励抑制增升装置流动分离的试验。研究了等离子体气动激励的频率、占空比及激励位置等参数对流动控制效果的影响。研究结果表明：等离子体气动激励通过加速近壁面附面层,增强附面层内的能量掺混,可有效抑制主翼和襟翼表面的流动分离,改善增升装置气动性能。在主翼前缘施加激励,可有效控制主翼表面大迎角下的失速分离,最大升力系数增大18.1%、临界失速攻角提高4°;在襟翼前缘施加激励,可有效抑制襟翼表面的流动分离,显著减小阻力,在4°迎角下,将试验模型阻力系数减小了28.7%,升力系数提高了7.1%。占空比对控制效果有较大影响,当占空比为10%～30%时,激励的非定常性更强,控制效果最好;占空比为50%的控制效果次之,占空比为100%时的控制效果最差。来流速度越高,逆压梯度越大,流动分离更难被抑制,控制效果也变差。该研究为在增升装置上应用等离子体流动控制技术提供了理论和方法的基础。     

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。     

脉冲射流控制现象的自激-外激耦合模型

为了阐释脉冲射流控制中出现的频率依赖性、位置依赖性、条件同步性及强度依赖性这4种现象,在弱非线性稳定性理论的基础上,建立了一种简化的自激-外激耦合模型,用于近似描述脉冲射流流动控制现象.该模型由偏微分方程组构成,特定情形下可简化为常微分方程进行求解,通过将求解结果与脉冲射流控制的数值模拟及实验数据进行对比,研究发现:该...     

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。     

Modulation of driving signals in flow control over an airfoil with synthetic jet

A new skill of modulating driving signals of a synthetic jet with low frequency is introduced to enhance the control authority. Based on dynamic mesh technique, the effect of flow control over a NACA0015 airfoil with a Synthetic Jet Actuator(SJA) has been investigated. The SJA is located at x/c = 10%, and two jet injection angles of 90° and 30° have been considered. Flow structures indicate that modulation with low frequency can reduce the dissipation rate of vortices after they shed off the sur...     

激励器结构对三电极等离子体高能合成射流流场及其冲量特性的影响

等离子体激励器以其结构简单、响应速度快、环境适应性强等优势,已成为主动流动控制技术和流体力学研究的前沿与热点。相比于传统两电极激励器,三电极等离子体高能合成射流激励器具有更高的能量效率,形成射流冲量更大,有望成为新型快响应直接力产生装置。为揭示激励器结构对射流流场和冲量特性的影响规律,进而优化激励器结构参数,利用电参数测量装置、高速阴影系统及自主设计的单丝扭摆式微冲量测量系统对不同射流孔径、腔体体积和电极间距的三电极激励器放电特性、射流流场及其冲量进行了实验研究。为对比激励器在不同工况条件下的工作特性,定义无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量 I *,并分析了激励器结构参数对ε和 I *的影响。结果表明对于给定无量纲能量沉积ε,激励器存在最优射流孔径;激励器无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量I *随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加;射流强度及其流场影响区域随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加。对比不同腔体体积和电极间距工况条件下 I *随ε的变化可知,为设计具有较好射流冲量水平的激励器,在相同无量纲能量沉积ε条件下,应尽量增大激励器无量纲射流冲量 I *。当设计激励器无量纲能量沉积ε小于初始工况时,应增大初始工况激励器腔体体积使无量纲能量沉积ε降低至设计值;当设计激励器无量纲能量沉积ε大于初始工况时,应增大初始工况激励器电极间距使无量纲能量沉积ε增加至设计值,使设计激励器具有较好的射流冲量水平。     

斜出口合成射流激励器S进气道分离流动控制

设计加工了单膜双腔式斜出口合成射流激励器,应用PSI DTC Initium压力扫描系统对斜出口合成射流激励器在S进气道主动流动控制中的应用进行了研究。结果表明：斜出口合成射流激励器能够抑制S进气道分离流动,提高出口总压恢复系数σ和降低畸变指数DC90,只需通过改变激励器的工作电压和频率,就可实现对S进气道内部流场的控制。在共振频率下,当来流速度V=80m/s,采用斜出口合成射流控制可使出口截面平均总压恢复系数增加0.37%,此时所耗合成射流能量仅为主流的0.24%。     

合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究

后台阶流动是流体力学中一个经典的研究课题,代表着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题。后台阶流动分离会导致一些不利的影响,如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等。基于阵列式合成射流激励器对二维矩形后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,综合应用表面测压、七孔探针、粒子图像测速仪(PIV)和热线等多种实验手段,获取了后台阶的表面压力分布和非定常流场结构。结果表明:利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动可使无量纲再附点长度降低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。热线结果表明,频率是后台阶分离流动控制的重要参数,当频率为260 Hz,扰动频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32时,合成射流控制可使位于1/2倍频的剪切层能量增强,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

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。