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。     

等离子体激励器对微型飞行器横航向气动力矩控制的实验研究

在前期等离子体激励器基本流场特性研究的基础上,将等离子体激励器应用于微型飞行器(MAV)进行气动控制。当来流速度为9.1 m/s时,在微型飞行器机翼吸力面非对称布置不同的单介质阻挡放电(SDBD)等离子体激励器,通过对未施加激励的偏航、滚转力矩曲线和施加激励的偏航、滚转力矩曲线进行对比,发现横航向气动力距发生很大的改变,可以实现对横航向气动力矩的控制。在此基础上,采用图像测速(PIV)技术,对机翼背风面的流场进行研究,分析产生横航向控制力矩的流动机理。通过改变激励器的输入电压、占空比和调制频率,实现对横航向气动力矩的比例控制。     

Modeling of dielectric barrier discharge-induced fluid dynamics and heat transfer

A dielectric barrier discharge, operating at kHz and kV conditions, can generate largely isothermal surface plasma and induce wall-jet-like fluid flow. It can serve as an aerodynamic actuator, and has advantages of no moving parts. In order to better understand the mechanism of the momentum coupling between the plasma and the fluid flow, both computational modeling and experimental information are presented. Furthermore, the impact of such athermal, non-equilibrium plasma discharges on low-speed aerodynamics and heat transfer is discussed. The plasma and fluid species are treated as a two-fluid system exhibiting decades of length and time-scale disparities. For Reynolds numbers of 10⁴–10⁵, the time-scales ratios between those characterizing the discharge physics (convection, diffusion, and reaction/ionization) and the fluid flow mechanisms are separated by several decades, allowing the effect of plasma on the fluid dynamics modeled via a one-way body force treatment. At a phenomenological level, the plasma model can be established using a linearized force distribution to approximate the discharge structure. A high-fidelity approach using a first-principle-based hydrodynamic-plasma model is also reviewed. Numerical techniques such as operating splitting are introduced in order to handle the computational stiffness resulting from the time and length scale variations. The goal is to use time-step sizes in the range of the fluid dynamics level while treating the fast varying ones statistically. The momentum coupling is discussed in the context of discharge chemistry; species transport properties, insulator and electrode materials, and dielectric barrier discharge (DBD) geometry. Parametric studies conducted on the operating variables such as voltage, frequency and geometric arrangements offer substantial insight into the plasma physics, as well as a basis to explore thermal management and flow control applications.     

双极性等离子体激励器圆柱绕流控制实验研究

在低速风洞中利用多级双极性等离子体激励器控制圆柱绕流的流动分离。实验风速U∞=10m/s,基于圆柱直径的雷诺数Re=2.8×10^4,在实验中将两组三级双极性等离子体激励器布置在圆柱模型肩部,利用粒子图像测速技术测量圆柱的尾流场。实验结果表明,采用定常和非定常激励均能抑制圆柱尾迹区,等离子体激励强度是影响激励器对圆柱绕流控制能力的重要因素;非定常脉冲激励耗电少,对流动控制能力强,效率明显高于定常激励,脉冲激励频率影响等离子体激励器对流动的控制能力。在实验风速为10m/s时,脉冲激励频率与圆柱涡脱落频率一致,流动控制效果较好。     

Flow separation control on swept wing with nanosecond pulse driven DBD plasma actuators

A 15° swept wing with dielectric barrier discharge plasma actuator is designed.Experimental study of flow separation control with nanosecond pulsed plasma actuation is performed at flow velocity up to 40 m/s. The effects of the actuation frequency and voltage on the aerodynamic performance of the swept wing are evaluated by the balanced force and pressure measurements in the wind tunnel. At last, the performances on separation flow control of the three types of actuators with plane and saw-toothed exposed electrodes are compared. The optimal actuation frequency for the flow separation control on the swept wing is detected, namely the reduced frequency is 0.775, which is different from 2-D airfoil separation control. There exists a threshold voltage for the low swept wing flow control. Before the threshold voltage, as the actuation voltage increases, the control effects become better. The maximum lift is increased by 23.1% with the drag decreased by 22.4% at 14°, compared with the base line. However, the best effects are obtained on actuator with plane exposed electrode in the low-speed experiment and the abilities of saw-toothed actuators are expected to be verified under high-speed conditions.     

介质阻挡放电等离子体气动激励的动量特性

从诱导气流速度和体积力两个方面开展了介质阻挡放电等离子体气动激励的动量特性研究,对不同激励参数下的诱导气流速度进行了测量与结果分析;通过对体积力的实验测量与理论计算,对比研究了体积力的变化规律与主要影响因素.结果表明:等离子体气动激励可以增大气流速度,但随着气流速度的增大,等离子体气动激励的加速效果减弱;激励电压或激励频率增大,体积力均表现为线性增加,但激励电压增大时可以更好的增大体积力;与增大电极内间距相比,增大下层电极宽度可以产生更大的体积力.      

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.     

Turbulent boundary layer separation control using plasma actuator at Reynolds number 2000000

An experimental investigation was conducted to evaluate the effect of symmetrical plasma actuators on turbulent boundary layer separation control at high Reynolds number. Compared with the traditional control method of plasma actuator, the whole test model was made of aluminum and acted as a covered electrode of the symmetrical plasma actuator. The experimental study of plasma actuators' effect on surrounding air, a canonical zero-pressure gradient turbulent boundary, was carried out using particle image velocimetry(PIV) and laser Doppler velocimetry(LDV) in the 0.75 m × 0.75 m low speed wind tunnel to reveal the symmetrical plasma actuator characterization in an external flow. A half model of wing-body configuration was experimentally investigated in the  3.2 m low speed wind tunnel with a six-component strain gauge balance and PIV. The results show that the turbulent boundary layer separation of wing can be obviously suppressed and the maximum lift coefficient is improved at high Reynolds number with the symmetrical plasma actuator. It turns out that the maximum lift coefficient increased by approximately 8.98% and the stall angle of attack was delayed by approximately 2° at Reynolds number2 ×10~6. The effective mechanism for the turbulent separation control by the symmetrical plasma actuators is to induce the vortex near the wing surface which could create the relatively largescale disturbance and promote momentum mixing between low speed flow and main flow regions.     

不同结构等离子体激励器的流场特性实验研究

采用粒子成像测速(PIV)技术,在静止空气中测量了H型、O型和L型3种结构的介质阻挡等离子体激励器的诱导速度场,分析了流场结构,并研究了激励器设计参数对诱导速度的影响.研究结果表明,3种结构的激励器都产生了离开激励器表面向上的射流.其中O型和L型结构的激励器受电极电压的影响比较明显,随着电极电压的增加,射流速度的最大值...     

平流层螺旋桨多工况等离子体增效控制方案研究

基于S1223翼型建立了平流层螺旋桨3维模型,在螺旋桨上下表面设置等离子体激励器,设计了5种螺旋桨工况下的等离子体控制方案,采用唯象学等离子体体积力模型进行数值仿真,研究了5种工况下不同等离子体控制方案对螺旋桨拉力和效率的影响。结果表明,设计工况下不宜开启等离子体激励器,采用交流激励时等离子体对高转速前进工况下的螺旋桨控制效果不明显,低速重载工况和滑翔工况下螺旋桨拉力和效率增加,低转速抗风工况下螺旋桨拉力大。采用等离子体流动控制技术提高平流层螺旋桨性能是可行的,需要进一步开展大量研究以优化等离子体激励器的布置方案和控制方案,提高等离子体控制效果,以满足低速临近空间飞行器对推进系统的需求。     

常气压辉光放电等离子体控制翼型失速的数值模拟研究

基于Shyy提出的大气压下均匀辉光放电等离子体与空气干扰的物理模型,通过求解电位势方程得到电场分布,得到了作用于流体上的电场力.通过数值求解考虑等离子体作用的流体运动控制方程,以NACA0015翼型低速绕流为对象,研究了常压辉光放电等离子体位置和个数控制翼型绕流分离的影响.位于分离点上游的等离子体能够有效地抑止翼型分离,而在分离区的等离子体对流动影响很弱,同实验结果一致,并给出了等离子体对翼型气动力影响的规律.     

等离子体气动激励体积力的实验研究

等离子体流动控制作为一种新概念主动流动控制技术,其物理作用依据之一是“动力效应”。体积力作为表征“动力效应”的重要参数,对研究等离子体流动控制的原理具有重要意义。介绍了实验原理及系统的基本组成,对等离子体气动激励体积力进行了实验测量。结果表明：体积力的大小在mN量级;固定激励频率,激励电压增大时,体积力增大,且线性关系非常明显;固定激励电压,体积力受激励频率的影响不大。     

新型等离子体激励器的数值模拟

为了对新型多电极对等离子体激励器进行可靠的数值模拟,通过求解带有体积力源项的Navier—Stokes方程,模拟单电极对等离子体激励器在二维不可压流中对周围流场的影响,计算结果表明所使用唯象模型的参数基本正确。在此基础上,改进原有模型,对新型双极性等离子体激励器诱导流动进行计算。通过与实验结果的对比,发现改进后的模型能较好地模拟新型双极性等离子体激励器的控制作用,可为今后新型等离子体激励器的应用提供可靠的数值模拟方法。     

一种小功率孔形阳极喷嘴等离子体炬的研究

为了提高小功率等离子体炬的综合性能,本文作者研制了一种新型具有孔形阳极喷嘴的小功率等离子体炬,功率1~5kW。采用流体模拟计算的方法,计算了喷嘴出口附近射流的流场结构特点。通过实验分别测试了采用氩气、氮气作为工质气体时等离子体炬的运行电流和电压,观察了等离子体射流形态和电极烧蚀情况,通过测量等离子体射流前方中心轴线位置处的光谱的方法计算射流温度,采用气体分析仪测量了等离子体射流附近的二氧化氮浓度。测得的试验数据显示相同工质流率和电流条件下,氮气等离子体射流运行电压远高于氩气,而光谱测得氩气射流的温度远高于氮气。氮气等离子体射流和外界空气接触产生了少量的副产物二氧化氮（低于10mL/m3）,而氩气等离子体射流附近无二氧化氮产生。     

介质阻挡放电等离子体对翼型流动分离控制的实验研究

在低速开口风洞中进行了等离子体激励器对NACA0015翼型流动分离控制的实验研究。采用PIV技术,对翼型绕流流场进行了测量,显示了施加等离子体激励后流场的变化。通过五分量天平对升力和阻力的测量,研究了激励电压和激励频率对翼型流动分离控制的规律。研究表明,低风速下在翼型前缘施加等离子体激励,能够有效地控制翼型流动分离,在来流为20m／s时,最大升力系数增加11％,失速迎角增加6°;在给定的流动状态下,激励电压和激励频率存在一个阈值,不同迎角下该阈值不同,迎角越大,分离越严重,对激励强度的要求也越高。     

纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟

利用数值模拟,研究了纳秒脉冲介质阻挡放电（NS-DBD）等离子体激励器在圆柱高速流动控制中的应用。首先,研究了单电极NS-DBD等离子体激励器在静止空气中放电后的流场特性。研究表明在介质阻挡放电形成的等离子体区域,有局部能量快速注入,放电结束5 μs后在上极板后端点位置形成了一个局部温度高达900 K的热点,由此引发很强的压力扰动,形成以上极板后端点位置为中心,扩散速度约为声速的半圆形压缩波。在此基础上,通过数值模拟研究了NS-DBD等离子体激励器布置在直径为6 mm的圆柱上,来流马赫数为Ma_∞=4.6时,对圆柱脱体激波的控制作用。研究表明介质阻挡放电形成的半圆形压缩波对于脱体激波有很强的干扰作用,激波距离增加了15.7%,激波强度也有相应的减弱,导致阻力减少了13%。     

低速翼型分离流动的等离子体主动控制研究

为了研究等离子体激励器的放电形式及其诱导气流的规律,以及翼型迎角、自由来流速度分别对翼型流动分离抑制效果的影响。在低速、低雷诺数条件下利用介质阻挡放电等离子体激励器对NACA0015翼型进行了主动流动控制研究。结果表明：介质阻挡放电的形式为丝状放电;等离子体激励器诱导气流的方向由裸露电极指向覆盖电极,由电极的布置方式决定,与接线方式无关;当来流速度为25m／s,雷诺数为2．03×10^5时,等离子体气动激励可以有效地抑制翼型吸力面的流动分离,翼型最大升力系数增大约为9．7％,翼型l临界失速迎角由17．5°增大到20．5°;翼型失速延迟的真正原因并非单纯的气流加速;等离子体激励器的作用效果随着来流速度的提高而减弱,研究非定常激励或等离子体激励器与流场之间的耦合效应,也许更加具有潜力。     

翼型动态失速DBD等离子体流动控制的数值模拟研究

进行了翼型深度动态失速及基于DBD介质阻挡放电等离子体激励器的流动控制技术数值模拟研究。将激励器对流动空气的作用以彻体力源项形式加入N-S方程。通过数值求解此N-S方程,研究了DBD激励器对NACA0012翼型俯仰运动深度动态失速的控制作用;研究了DBD激励器工作方式对动态失速平均气动力、气动力迟滞曲线的影响,提出了控制效果较好的激励器工作方式。     

大迎角分离流场在等离子体控制下的特性研究

设计了一种新型的大迎角主动流动控制方法。采用圆锥-圆柱组合体模拟飞行器前体,在靠近圆锥尖端处镶嵌了一对马蹄形单电极介质阻挡放电（single_Dielectric Barrier Discharge SDBD）等离子体激励器,通过风洞实验研究了等离子体激励器在不同状态下对大迎角模型前体的非对称气动载荷的控制作用。实验结果表明,通过控制等离子体激励器的开闭可以使得圆锥-圆柱组合体在大迎角下出现的侧力改变方向。还对通过调节单侧等离子体激励器的激励电压实现圆锥前体侧力系数在正负极值间连续变化的可能性进行了初步的实验探索。     

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。