Experiment of gas plasma plume deflection by magnetic control

To investigate the deflection effect of gas plasma plume controlled by magnetic field, a novel experimental scheme was presented. The Cs2CO3 catalytic ionization seeds were injected into the combustion chamber to obtain gas plasma on a high temperature magneto hydrodynamic (MHD) experiment rig. The plasma jet was deflected under the action of an external magnetic field, resulting in a thrust-vector effect. Particle image velocimetry (PIV) collected two-dimensional images of jet flow field. Through image processing and velocity vector analysis, the jet deflection angle can be obtained quantitatively. At 1800-2500K, the jet deflection was verified experimentally under the condition of 0.45T magnetic field strength. The results indicate that the jet deflection angle increases gradually with the increase of gas temperature, and above 2200K, the jet deflection angle increase obviously. In the process of gas plasma jet, it is feasible to realize the jet deflection controlled by MHD by adding an external magnetic field.     

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。     

基于被动二次流的射流偏转比例控制

射流偏转比例控制一直是流体式推力矢量(FTV)技术所追求的目标之一。本文研制了一种二元流体式推力矢量喷管,采用能量消耗极小的被动二次流与Conada壁面相结合的方式对低速主射流进行矢量偏转控制,通过改变喷管控制缝入口面积实现了主射流偏转的连续比例控制。对低速主射流两侧控制缝压力和射流偏转角进行测量,获得了主射流偏转角随两侧控制缝压力差系数变化的控制规律曲线。结果表明:低速主射流最大偏转角达到19°,在偏转范围内控制曲线分为敏感区和迟钝区。敏感区的控制曲线近似线性,斜率较大,范围约为±15°;而迟钝区的控制曲线斜率较小,在两侧15°~19°的范围内。该结果证实了主射流两侧的压力差是造成其偏转的直接原因。     

Experimental study on plasma jet deflection and energy extraction with MHD control

This paper presents an integrated research scheme for vector deflection and energy extraction in a gas plasma jet under Magneto-Hydrodynamic(MHD) control. A MHDcontrolled thrust-vector test rig was used to conduct the experimental research. A gas plasma was obtained by injecting ionization seeds of Cs₂CO₃ into the combustion chamber via artificially forced ionization. The effects of the gas temperature and ionization seed mass fraction on the plasma jet deflection and energ...     

矢量喷管偏转对发动机推力的影响

建立了轴对称矢量喷管数学模型和带这种矢量喷的发动机数学模型,研究了矢量喷管偏转时引起的发动机推力的变化。研究结果表明：喷管有的效矢量角与几何矢量角近似成正比;喷管偏转角较小时,喷管的流量系数及发动机的总推力几乎不同几何矢量角变化,喷管偏转角较大时,喷管的流量系数及发动机的总推力随和何矢量角的增大三小;发动机的轴向推力随着几何矢量角的增大而减小,发动机的侧向推力随着几何矢量角的增大而增大。     

高温气体效应对高超声速磁流体控制的影响

高温气体效应会严重影响高温气体流场的流动特性,进而影响高超声速磁流体控制效率。基于低磁雷诺数假设,通过耦合求解带电磁源项的三维Navier-Stokes流场控制方程和电场泊松方程,开展完全气体模型、平衡气体模型、化学非平衡气体模型、热化学非平衡气体模型等条件下的高超声速磁流体控制数值模拟,分析气体模型对磁流体控制的影响,研究高温气体各种非平衡效应及焦耳热振动能量配比等对高超声速磁流体控制的影响规律。研究表明：化学非平衡效应对高超声速磁流体控制影响显著,采用化学非平衡气体模型模拟得到的磁控增阻特性介于完全气体模型和平衡气体模型之间,平衡气体和完全气体模型磁控热流变化的定性规律,与非平衡气体模型模拟结果差异很大;热力学非平衡效应对高超声速磁流体控制的影响,与焦耳热振动能量作用比率紧密相关,随该配比增大,磁场增阻效果由67%降到约12%;高温气体效应会极大地降低磁控增阻效果,会明显地增强部分表面区域的磁控热流减缓效果,要准确数值模拟高超声速磁流体控制,必须有效地考虑化学和热力学非平衡效应,同时选用接近实际情况的焦耳热振动能量配比。     

基于微型涡喷发动机热喷流的无源流体推力矢量喷管的控制规律

流体推力矢量喷管型面固定、活动部件少、结构重量轻,能够为高机动飞行器提供有效的飞行控制手段,但无源流体推力矢量喷管热喷流的偏转控制规律尚未完全掌握。为了推进无源流体推力矢量技术的实用化,本文设计研制了适用于微型涡喷发动机的耐高温喷管模型,对该喷管在微型涡喷发动机热喷流状态下的控制规律进行研究。利用非接触光学显示和测量手段——红外热成像拍摄和粒子图像测速（PIV）技术对主射流流动特性进行研究,获得流动矢量角随二次流控制阀门闭合度变化的控制规律;利用六分量盒式天平测力实验研究无源流体推力矢量喷管的力学特性,获得推力矢量角随二次流控制阀门闭合度变化的控制规律。研究结果表明：该构型喷管在微型涡喷发动机热喷流下主射流连续可控偏转,最大流动矢量角为-12.3°/12.3°,最大推力矢量角为-12.9°/12.8°,控制规律接近线性,不存在主射流偏转突跳问题。     

应用等离子体进行翼型前缘分离控制的数值模拟研究

将等离子体对中性气体的作用模型化为彻体力矢量,求解带源项的Navier-Stokes方程,数值模拟了等离子体激励器在NACA0015翼型大迎角下的分离控制效果,彻体力为净电荷在外加电场作用下的电场力.解拉普拉斯方程得到外加电场分布,等离子体中的净电荷分布由泊松方程给出.为了较好地模拟分离涡的发展,采用了雷诺平均与大涡模拟相结合的脱体涡模拟(Detached Eddy Simulation)方法.通过与实验结果对比,发现该模型能较好地模拟等离子体激励器的控制作用.     

固体塞式喷管二次喷射推力矢量控制

结合塞式喷管的结构特点,选用流体二次喷射的方法,在应用迎风格式求解N-S方程的基础上,对固体塞式喷管发动机的推力矢量控制进行了初步研究。考察了工作压比、流体二次喷射的角度和流量对固体塞式喷管的高度特性以及流体二次喷射产生的侧向力的影响。结果表明,流体二次喷射的推力矢量控制方法可以增加塞式喷管的轴向力;流体二次喷射产生的侧向力与二次喷射的流量和角度成正变关系;塞式喷管轴向力的增加随着二次流流量的增加而增加,但是二次流对轴向力的增加与二次流喷射的角度成反变关系。     

塞式喷管二次喷射推力矢量控制研究

采用流体二次喷射方案,对塞式喷管发动机进行了不同工况的推力矢量控制冷流试验研究。在试验中,主要对影响推力矢量控制性能的参数:二次流流量、位置、喷射角度、二次流喷射孔的数量以及喷射孔出口面积大小等进行了研究。试验数据表明:二次流的工作参数和环境压力对侧向力的影响比较大。在高空环境下,推力矢量控制效果比较好,但在地面条件下,产生的侧向力比较小。二次流喷射产生侧向力的同时,对轴向力也有一定的增加。     

平板附面层等离子体流动控制的数值模拟

通过求解电场中的拉普拉斯方程和赫姆霍兹方程的变形形式,成功地将等离子体激励对平板附面层流动的影响,以体积力向量的形式引入到NS方程之中.借助求解的电荷密度,通过将计算结果与实验数据的对比,可确定德拜长度、最大电荷密度、形状因子等可调参数的取值原则,建立起平板附面层等离子体流动控制的数值模拟方法,为将等离子体流动控制方法应用于外流及内流场中的强剪切流动控制,奠定关键性的技术支撑.      

激波矢量控制喷管落压比影响矢量性能及分离区控制数值模拟

激波矢量控制喷管矢量角随落压比(NPR)的增大而下降的现象已被许多研究所证实.对NPR影响矢量角机理及基于多缝腔体和多缝辅助注气方法的分离区控制研究,目标是寻求大NPR条件下矢量性能提高的方法.研究表明:NPR影响矢量角的机理主要由于次流下游近壁面分离区由小NPR时的开放型变为大NPR时的封闭型,从而导致由于壁面压差力产生的矢量力减小所致.多缝辅助注气方法可以有效控制分离区在大NPR时保持开放,注气压力为环境压力时可以在不从系统额外引气的条件下提高矢量性能.      

基于磁流体控制的高超声速进气道黏性效应

建立引入电磁源项的二维低磁雷诺数磁流体动力学(MHD)方程组,对高超声速二维前体/进气道黏性流场进行了数值模拟.在给出了进气道高于设计马赫数的非设计工况下黏性流场的基本特征基础上,进一步分析了施加MHD控制对进气道黏性效应的影响.结果表明:施加MHD控制可以有效抑制非设计工况下内进气道表面的附面层分离,改善上壁面的热状况,平衡上、下壁面之间的热负担;黏性作用下,进气道流场及性能参数随磁感强度的变化规律与无黏模型计算结果存在较大差别,对磁流体控制的高超声速进气道研究不可忽略黏性的影响.      

不同射流角下等离子体激励对平板气膜冷却影响的数值研究

采用大涡模拟（LES）方法对有/无等离子体激励条件下不同射流角时的平板气膜冷却流场进行了对比研究。结果表明:随着射流角的增大,冷却射流对主流的穿透率与气膜孔下游回流区的范围增大,发卡涡的强度及其抬升射流的能力增强并远离壁面,导致气膜冷却效率降低,但射流角为90°时部分低能冷却流体会进入回流区引起气膜冷却效率升高,故气膜冷却效率在射流角为35°时最大,在射流角为60°时最小;等离子体激励削弱了冷却射流对主流的穿透率,其下拉诱导作用也使得发卡涡头部受到的库塔 儒科夫斯基升力以及水平涡腿间的相互诱导力减小,抑制了发卡涡的发展并促使其破碎为近壁条带结构,从而提高了气膜冷却效率,且射流角越小,上述作用效果越明显,当射流角为35°时中心线气膜冷却效率提高了55%。      

等离子体激励抑制喷管分离流动数值模拟

为研究等离子体激励器对喷管分离流动的抑制作用,运用了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,数值模拟研究了交流介质阻挡放电等离子体和电弧放电等离子体对喷管分离流动的抑制效果,并探究了电弧放电等离子体不同放电热功率密度、不同放电位置对抑制效果的影响。结果表明：电弧放电等离子体在抑制喷管分离流动方面有更好的效果。当电弧放电等离子体激励器作用于激波与边界层相互作用区的上游时,对分离流动的抑制效果最好;当电弧放电热功率密度较小时,其产生的诱导射流速度很小且不易对分离区的流线产生影响;当电弧放电热功率密度为8×10¹⁰ W/m³时,喷管的分离回流区完全消失。     

飞机的全局稳定性分析和非线性控制

现代军用飞机常设计为在大迎角下飞行。此时飞机是一个高度非线性系统，其稳定特性不能用线性方法求解。而实现控制，特别是在非线性不稳定性的情况下，更是十分困难的。本文介绍了一种综合的分析飞机非线性稳定性和控制的方法。即用分岐理论来决定飞机的全局稳定性。用四阶龙格－库塔积分来计算飞机运动的平衡面和分岐点，并构造运动状态的扰动传播矩阵，而此矩阵的特征值可用来预测稳定性的时变性。此外，还利用扰动传播矩阵来求得为满足规定的飞机反应特性（通常由频率和阻尼表示）所需的操纵，即各操纵面反馈回路的放大系数值。对典型飞机的算例计算结果表明，非线性控制是成功的。     

合成射流控制主流矢量的发展过程

合成射流激励器射流矢量控制具有对吸气式发动机进气道出流和发动机喷管流动进行矢量控制的潜力。通过对四种不同出口构型合成射流激励器控制主流矢量偏转的数值模拟和分析,对合成射流控制主流矢量的发展过程进行了研究。结果表明:合成射流控制主流矢量的发展过程可分为三个不同阶段,第一阶段,在主流通道内,激励器工作引起的主流通道压强梯度形成的侧向力致偏主流,在出口处主流矢量偏转Ⅰ;第二阶段,在主流出口附近,合成射流对主流的卷吸作用和引射作用,致偏主流Ⅱ;第三阶段,在出口下游,合成射流与主流自由剪切层发生相互耦合作用,致偏Ⅲ。因此,主射流最终偏转角度是其在经历三个不同阶段时受到的合成射流致偏作用之和,即=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ。     

带有横喷控制的导弹流场数值模拟

从包含多种组分的N-S方程出发，考虑两方程湍流模型，采用NND2M差分格式，对带有横向喷流的双锥旋称体高超声速绕流场进行数值模拟，计算结果与已有的试验数据进行对比，符合较好。在此基础上对带有横向喷流控制系统、型尾翼布局、高超声速飞行的导弹外流场进行数值模拟，研究了迎角、多个喷口、热喷流效应和湍流模型对气动力特性的影响；计算表明在无尾翼情况下有／喷流的气动力差别较小，喷流影响随迎角变化不敏感；对带有尾翼的气动布局，喷口位于背风区时喷流影响较小，喷口位于迎风面时气动力变化较大，压心明显前移；多喷口产生的附加推力和力矩不等于每个单喷口线性相加；湍流模型和热喷流效应引起流场结构改变，但是对总的气动力影响不大。     

脉冲等离子体推力器宏观特性数值研究

为了揭示脉冲等离子体推力器（Pulsed plasma thruster,PPT）的宏观工作特性,以传统＂弹丸＂模型为基础,提出了一种基于电磁和气动耦合加速机理的计算模型以及延时气化效应的评估方法,并与LES-6,LES-8/9 PPT进行模型验证和实验对比。结果表明,计算所获得的PPT脉冲烧蚀质量等宏观特性与实验数据吻合较好;脉冲烧蚀质量中仅有较少一部分（LES-6约10%,LES-8/9约28%）被离子化和电磁加速排出（约31.6km/s）,其余绝大部分则是在主放电结束后以中性气体混和物低速排出（约460～680m/s）;电磁加速对PPT元冲量的贡献是主要的（LES-6约77%,LES-8/9约86%）;增强电磁加速,尤其是减少延时气化效应对PPT效率的提高是十分必要的。     

飞翼布局飞行器航向射流控制方案优化

由于飞翼布局飞行器取消了垂尾,其航向控制困难。为辅助和优化航向控制,基于射流控制技术设计了多种激励方案。设计并制作了航向射流控制激励器,通过风洞测力实验和二维数值模拟,对各方案的控制效果和作用机理进行分析,并选取出最优控制方案。研究结果表明:相同射流动量系数下,产生阻力比施加推力更容易获得偏航力矩。当激励开启后,射流包含与来流相逆的分量越多,与来流作用越明显,形成的分离区越大,控制效果越好。其中前对称吹气为最优控制方案,可以产生约70°阻力舵偏转效果,且力矩耦合程度较小。