基于等离子体激励的圆柱绕流控制实验研究

为验证低雷诺数条件下,采用大气压等离子体流动控制技术进行圆柱绕流控制的有效性,设计了圆柱绕流实验系统,并开展了圆柱绕流实验研究.实验研究表明,在雷诺数为1.35×104和1.90×104的条件下,等离子体激励器产生的流动扰动,能够有效控制圆柱体绕流的流动分离,并显著改善分离流场,增涡、减涡效果明显.实验结果表明,大气压等离子体流动控制技术是钝体绕流流动特性控制的一种有效手段.     

双极性等离子体激励器流动控制特性研究

提出了一种新型等离子体激励器,此激励器中前一级的下电极与后一级的上电极相连,形成双极性型电极.利用粒子示踪测速系统(PIV)对该激励器加速气流进行实验.结果表明:这种新型多级激励器能够消除前后电极之间的相互干扰,大大提高多级等离子体激励器加速气流的效率.同时,在低速风洞中进行了新型激励器对圆柱后尾流的控制初步实验,该新型激励器对圆柱尾流的控制效果显著.     

高速风洞等离子体流动控制实验技术研究

针对开展等离子体高速流动控制研究的技术需求,通过专用模型及实验机构设计、绝缘密封走线、多层电磁屏蔽等技术手段,建立了一套适用于高速风洞的等离子体流动控制系统,提出了等离子体高速流动控制风洞实验的技术规范和运行策略,并初步探索了等离子体激励对二元翼型绕流的控制规律。采用该技术后,解决了高压电缆的绝缘、密封走线问题,模型与实验机构的感应电压减小90%以上。风洞实验结果表明:实验系统运行稳定,实验数据可靠,等离子体激励对犕犪=0.2的流动可实现有效控制;施加等离子体激励后,NACA0012翼型的流动分离明显减弱,升力增大,阻力减小,临界失速迎角增大2°,最大升力系数增大4%,总体气动性能得到显著提升。     

圆柱尾流场的 Tomo-PIV 测量

层析粒子图像测速(Tomo-PIV)是一种先进的光学测量技术,能够定量获取三维体视流场结构,可作为诸如湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段。为了实现该技术在风洞模型测量中的应用,研究了工程应用和数据处理方法。在中航工业气动院 FL-5风洞,选取12mm 直径的圆柱体作为试验模型,应用 Tomo-PIV 技术测量了圆柱三维尾流场,通过解决体光源引入、示踪粒子投放和现场标定等关键技术以及对数据处理方法的研究,成功获得了圆柱体后方典型的三维卡门涡流场。测量区域约95mm×70mm×8.5mm,粒子图像分辨率达到20 pixels/mm,包含数万个速度矢量数据,实现了 Tomo-PIV 的风洞试验验证。     

新型等离子体激励器对流动分离点控制

在西北工业大学低湍流度风洞中采用新型等离子激励器对NACA0015翼型进行表面流动分离点的控制实验.实验风速为20m/s和35m/s,迎角为0°~16°.并参照压力分布的实验结果对流动控制的效果进行了对比分析.结果表明:翼型表面的气流分离点只要落在等离子体激励所形成的激励区内,分离点都会被推迟到靠近等离子体激励器的最末端电极处.证明等离子激励器能够对翼型表面的分离点进行有效控制.     

介质阻挡放电等离子体对NACA0015翼型流动控制的PIV实验研究

采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,研究了介质阻挡放电等离子体激励对NA-CA0015翼型表面流动分离的控制特性.通过风洞实验,研究了电极电压、电极位置和布置方式等参数对翼型分离控制的影响规律,并初步分析了等离子体流动控制机理.结果表明等离子体激励在失速迎角附近可以有效抑制翼型的流动分离,实现气流的完全再附着;在来流速度为20m/s时,将气流再附着的迎角提高了5°.     

基于等离子体合成射流的飞翼布局模型主动流动控制风洞实验研究

为探究等离子体合成射流对三维模型的流动控制效果和机理,在中等展弦比飞翼布局模型前缘布置等离子体合成射流激励器开展低速风洞实验研究。通过六分量天平测力,考察沿弦向、展向不同分布位置的等离子体合成射流对飞翼模型气动力和气动力矩的作用;采用PIV（Particle Image Velocimetry,粒子图像测速）测量模型表面流场分布,研究等离子体合成射流流动控制机理。结果表明:在飞翼模型单侧布置等离子体合成射流,能够有效改善其气动特性,并能产生附加的滚转力矩,滚转力矩系数变化量最高达到0.009;在飞翼模型左右弦布置等离子体合成射流,能显著增强飞翼模型横向稳定性,滚转力矩系数波动范围减小66.7%。沿弦向,等离子体合成射流位置离前缘越近,控制效果越好,距前缘0mm的激励器控制效果最好;沿展向,布置的等离子体合成射流越多,对模型的升力特性改善作用越明显,布置方式以均布为优。在失速迎角前后,等离子体合成射流的流动控制机理不同:在小迎角下,等离子体合成射流在前缘起到了使转捩提前的作用;在失速迎角附近,则加速了分离区的流动、减小了分离区厚度。     

AC-DBD等离子体激励对L形截面钝体风荷载减阻的实验研究

等离子体流动控制是一种应用广泛的主动流动控制技术.为进一步研究其机理、拓展其应用范围,针对L形截面钝体模型,采用3种AC-DBD(介质阻挡放电)等离子体激励器布置形式,比较了施加激励后的减阻效果,并对减阻机理进行了研究.实验在南京航空航天大学0.8 m低速直流风洞中进行(风向角0°、来流速度2～8 m/s),激励器布置...     

旋转圆柱绕流的PIV实验研究

投弃式海流剖面仪(Expendable Current Profiler,XCP)周围流场是典型的旋转圆柱绕流.探头周围流场对探头的运动状态起决定性作用,这直接关系到探头的测量性能,因此有必要对旋转圆柱周围流场进行实验研究.实验在循环水槽中进行,通过PIV对雷诺数保持不变(Re=1000)、不同圆柱旋转速度比(α=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0)的圆柱下游尾流场进行研究.通过选取不同旋转速度比的任一时刻的瞬态流场,来分析旋转对圆柱尾流结构的影响.为了获得流场的频率信息,对所获得流场信息进行能谱分析来获取涡旋的脱落频率,并进一步使用正交模态分解对流场进行分析,给出了流场主要拟序结构及其能量与转速比的变化趋势.发现圆柱旋转改变圆柱尾流结构,使尾迹尺度变小.在旋转速度比0≤α≤2.0时,存在明显的周期性涡旋脱落,并且涡旋脱落的频率有逐渐升高的趋势;而且当转速比2.0<α≤5.0时尾迹流场的周期性减弱,涡旋脱落变得不明显,流场表现出低频、剪切层的区域特征.随着转速变大,涡旋尺度变小.在较高旋转速度比时,流场中能量被重新分布.     

等离子体激励低速分离流动控制实验研究

通过风洞流动显示实验,研究了等离子体激励低速条件下对平板表面分离剪切层的控制特性.结果表明等离子体激励在失速迎角附近可以有效抑制平板上的流动分离,实现流动的完全再附.在大迎角下可以显著减小平板完全分离后分离区的宽度.对比五种不同电极的实验,发现对于给定的输入电压及频率,负极宽度越宽,电极内侧正向间距越宽,其流动控制效果越好.最后通过改变发烟钢丝的位置和来流状况,证明了等离子体对周围流场的吸附和加速作用,对等离子体激励控制流动分离的机理进行了分析.     

圆柱绕流尾迹中涡量与温度标量的相平均分析

实验研究了圆柱绕流尾迹中的三维涡拓扑结构特性以及湍流动量、热量输运特性。利用8支热线和4支冷线相结合的三维涡量探针分别测量从x/d=10~40的速度和温度脉动,采用相平均方法将圆柱绕流尾迹中的大尺度相干结构提取出来,剩余部分包括中等尺度相干结构和随机结构。结果发现:在x/d=10处ωz 与ωx 的等值线具有很强的相似性;随着流向的发展,ωx 和ωy 两分量受到更多来自两涡之间的流向“肋”结构的影响而呈现相似特征,证明了涡结构的三维特性。由于受到来自展向涡和流向肋结构的共同作用,导致展向热输运w~*~θ*在不同位置表现不一样,正涡中的w~*~θ*受到流向肋的拉伸作用而沿着分形线朝着鞍点偏移;而负涡内的w~*~θ*由于受到展向涡的卷起使得w~*~θ*和~ω*z 形状相似。随着流向的发展,展向热输运移向涡边界处,对卡门涡内净热量传递到周围流体中有贡献。同时还发现相干结构对横向和展向热输运的影响很相似。     

端部状态对斜置圆柱气动力分布的影响

在有限长度圆柱气动力测试风洞试验中,端部状态的变化对气动力有很大影响。在雷诺数为6.43×104时,通过刚性模型风洞测压试验对3种端部状态下的斜置圆柱气动力特性进行研究,基于平均风压系数沿斜置圆柱的轴向和周向分布规律,分析端部状态对斜置圆柱气动力测试结果的影响。结果表明:斜置圆柱表面风压沿轴向可分为近上游端部区、中间区和近下游端部区;由于马蹄涡的存在,在近上游端部区的背风面,风压沿轴向有一个突变,端部状态对马蹄涡强度有很大影响;在中间区,背风面风压沿轴向出现交替变化,可能是由于在近上游端部区形成的旋涡受到轴向流作用向中间区流动导致的,端部状态对交替风压变化的幅度和阻力系数有很大影响;当下游端部封闭时,近下游端部区的迎风面和背风面风压都会出现突变,且迎风面的突变幅度更大,下游端板对近下游端部区迎风面的风压分布影响更大。     

快响应PSP技术用于高超声速圆柱绕流的非定常压力测量

压敏涂料(PSP)技术是飞行器风洞实验大面积定量测压和流动显示的重要工具。为了发展非定常流动压力测量和脉冲风洞中全局压力测量能力,航天空气动力技术研究院开发了快速响应压敏涂料技术,与中科院化学所共同合作开发的压敏涂料采用PtTFPP作为发光基团,稳定性较强,持续光照下发光强度衰减为1.5%/h。采用自主研制的静态标定设备在标定腔内测量不同温度和压力条件下20mm×20mm涂料样片的表面发光强度来确定涂料的压力响应特性和Stern-Volmer公式,并设计制作了2套快响应时间动态标定设备,测得涂料典型响应时间在0.2ms。在中国航天空气动力技术研究院FD-03高超声速风洞中对平板圆柱装置进行了Ma=5的 PSP 试验,利用高速相机采集图像数据后,经过批量数据处理,采集频率为250Hz,得到了间隔时间4ms 的连续压力场数据。结合纹影图像和油流图对得到的PSP结果进行了分析,利用同时采集的测压孔数据对PSP 结果进行了比较。试验结果表明,快响应PSP技术可以更详细地显示流场结构,并能同时得到很好的定量压力数据。     

圆柱绕流尾迹对壁湍流相干结构影响的实验研究

对边界层外区的圆柱尾迹流动结构对边界层近壁区相干结构的影响进行了实验研究.实验在低湍流度风洞中进行,将圆柱放置于yc≈1.1δ(δ为边界层厚度)处,利用热线风速仪分别测量了沿流向不同位置边界层内的瞬时脉动速度信号,并分别比较了位于x/d=1、2、3、4、5、10、15、20、30,y+=10~1000范围内的壁湍流相干结构条件相位平均波形及其统计特性.发现圆柱绕流尾迹对平板边界层内相干结构有明显的影响,圆柱绕流尾迹虽然使壁湍流相干结构从喷射向扫掠转变阶段的强度减弱,但壁湍流相干结构的发生概率增加,总体上促进湍流产生,使湍流边界层增厚,壁面摩擦切应力和壁面摩擦速度均增加,从而肯定了湍流边界层外层流动中产生的扰动与近壁区相干结构猝发的生成和发展有直接联系,壁湍流相干结构猝发是外区流动中产生的扰动与湍流边界层内区共同作用产生的这一结论.     

两类流场下悬臂圆柱气动力特性对比研究

对长径比L/D=2的悬臂圆柱在来流风速5~20m/s（Re=1.73×105~6.90×105）下进行层流来流和湍流来流（I_u=9.5%）风洞试验,研究亚临界至超临界雷诺数、高湍流度下悬臂圆柱绕流的气动力特性,包括阻力系数、平均风压分布、脉动风压分布等。结果表明:（1）层流来流下,悬臂圆柱长径比越大,临界区间阻力系数降幅越明显;超临界区间,悬臂圆柱长径比越小,阻力系数越大;亚临界区间脉动风压峰值在距驻点70°位置出现,超临界区间峰值位置后移至110°~115°且脉动风压分布出现明显尖峰。（2）湍流来流下,L/D=2悬臂圆柱脉动风压峰值位置与层流来流超临界雷诺数下的结果一致,峰值大小随雷诺数的变化较为平缓。     

等离子体激励器对气膜冷却效率的影响

建立了介质阻挡放电等离子体激励模型,模拟了在等离子体激励作用下的平板气膜冷却过程,研究了不同吹风比条件下等离子体激励器的激励和结构参数对气膜冷却效率的影响。结果表明:激励电压越高、电极弧度越大、电极厚度越薄、绝缘材料介电常数越大及绝缘材料厚度越薄,等离子体激励的诱导能力越强,能够改善气膜的贴壁特性,提高冷却效率;激励器激励频率对冷却效率的影响很小。激励器参数的改变不影响冷却效率随吹风比的变化特征。