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。     

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。      

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。      

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。     

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。      

吸气式激光推进单脉冲性能实验研究

利用实验室建立的多种测量系统,组合不同的聚焦及约束条件,广泛进行了吸气式激光推进单脉冲性能实验研究。给出了气压、单脉冲能量和实验件构形对冲量耦合系数影响规律,发现随实验条件变化存在不同的冲量耦合系数稳定区间;测量了单脉冲激光推力加载过程,其持续时间约为170μs,峰值约为200 N;获得了不同约束和不同能量下的流场波系结构,认为激波速度大、有效作用时间长有利于获得高的冲量;进一步综合分析了目前吸气式激光推进的研究局限和发展方向,为重复多脉冲性能研究奠定了很好的实验方法和数据基础。     

激光干涉法测量微冲量数据处理方法

采用激光干涉法测量微冲量是一种新的微冲量测量方法。为了有效地测量10-4~10-8N.s量级的微小冲量,对力的加载过程进行定量的描述,在激光等离子体微推进器(μLPT)研究过程中采用该方法作为测试手段。介绍了测量系统的组成及测量方法,进行典型实验并提供了实验测量结果,重点讨论了测量系统的数据处理方法,对处理过程中存在的问题及数据处理方法的局限性进行了分析。研究工作对于激光干涉法应用于μN.s量级微冲量测量具有一定的参考价值。     

两电极等离子体合成射流性能及出口构型影响仿真研究

通过将火花放电的物理效应等效为气体焦耳加热的过程,在能量方程中引入能量源项,进行了单次能量沉积下两电极等离子体合成射流的唯象模拟。提出将等离子体合成射流对外界流场的动能和热能注入分别作为表征射流"冲击效应"和"热效应"的参数。研究表明在单次放电条件下射流建立的自维持振荡过程中,射流动能和热能主要集中于主射流阶段且射流的"冲击效应"相比"热效应"衰减更快,在一个大气压下两电极激励器总的能量转化效率约为2.3%。分析了出口构型对射流的影响,研究表明收缩孔结构可以有效提高射流速度,但将导致射流动量和饱和频率的降低。     

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。     

激光干涉法在扭摆法测量微冲量中的应用

介绍了激光干涉法测微小转角的原理及测量方法,提出了采用激光干涉测量微冲量的方法,将激光与靶作用产生的微冲量转化为扭摆的转动角度,通过激光干涉法测量此微小转角从而计算出冲量。相同单脉冲能量下,以PVC+2%C为工质,用扭摆法测量了激光与工质作用产生的微冲量,结果表明该测试系统分辨率为2×10-8N.s,量程为2×10-7～0.8×10-5N.s。     

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.     

Characteristics of High Speed Electro-thermal Jet Activated by Pulsed DC Discharge

Experimental study of synthetic jet produced by pulsed direct current(DC) discharge is presented.High velocity jet is activated electro-thermally by high frequency pulsed DC discharge in small cavity.A cavity of 2.38 mm diameter cylinder bounded by circular electrode is made in a ceramic plate and a small orifice of 1.78 mm diameter is drilled in the middle of cavity.High frequency pulsed DC discharge instantaneously heats air in the cavity and produces high velocity jet at the exit of the orifice.Schlieren imaging at high framing rate of 100 kHz reveals the presence of supersonic precursor shock followed by the jet emerging from the orifice.The jet velocity reaches as high as about 300 m/s.Jet with smaller cavity volume produces lesser effect and jet velocity reaches maximum at certain cavity volume with given discharge current and orifice size.As duty time of pulse increases from 5 to 20 μs at fixed frequency of 5 kHz,the jet velocity also increases and becomes nearly constant with further increase in duty time.At fixed duty time of 20 μs,higher frequency pulsing of 10 kHz produces degradation of the jet as the discharge pulse continues.The jet developed in this study is demonstrated to be strong enough to penetrate deep into supersonic boundary layer and to produce a bow shock when the jet is issued into Mach 3 supersonic flow.     

用于质量特性参数测量的新型气浮扭摆台

常规扭摆台采用滚动轴承和扭杆振动结构,纵向尺寸大、测量精度低、抗倾覆力矩小,不能满足质量特性参数综合试验台的要求,必须对其进行结构的分析和优化。本文提出交叉弹簧板结构替换扭杆,减少了扭摆台纵向尺寸,分析和实验表明该结构具有和扭杆相同的振动效果。将滚动轴承替换为气浮轴承,提高了抗倾覆力矩,测量精度最高达0.1%;采用有限元法对柱坐标系下修正的雷诺方程进行仿真计算,研究气浮轴承结构参数对承载能力和抗倾覆力矩的影响规律,确定了给定轴承外径下的最优几何参数。实验表明,改进的试验台提高了测量精度和振动稳定性,对卫星等飞行体质量特性参数的测量有重要的意义。     

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。     

补气式等离子体射流发生器实验研究

提出一种补气式等离子体射流(ASPSJ)发生器,在常规火花放电式等离子体射流(PSJ)发生器腔体上连接单向阀,改善发生器吸气复原阶段的补气量和射流的连续性,以获得能量更高的合成射流。研究了在不同加载电参数下,不同类型单向阀对发生器最大射流速度的优化作用;通过正交实验法确定了补气式等离子体射流发生器的最佳工作电参数,以获得最高的合成射流速度。文中的等离子体射流发生器配以所选择的补气单向阀,最优加载电压频率为150 Hz,幅值为50 kV,占空比为15%。实验结果表明,补气式等离子体射流发生器将最大射流速度提升20%以上,高射流速度的工作频带由单点扩展到100 Hz,以期在应用于流动控制时获得更好的效果。研究成果为后续的主动流动控制的应用研究提供了指导。