高温磁流体动力技术实验系统设计与调试

为了开展高温磁流体功率提取、磁流体加速、磁流体流动控制等磁流体动力技术实验,研制了基于高温燃气发生器的磁流体动力技术实验系统。介绍了高温磁流体动力技术实验系统的基本组成,设计思想及运行情况。燃气发生器采用航空煤油和气氧燃烧,产生最高温度可达3256K的高温燃气,通过添加辅助电离种子K2CO3,可以得到电导率为11.6S/m的导电流体;高温燃气经喷管的加速,在出口得到马赫数1.5的超声速导电流体;实验系统调试实现了15s以上稳定运行,表明具备了开展较长时间高温磁流体动力实验的能力。     

超声速气流中纳秒脉冲放电特性实验研究

产生超声速导电流体是开展磁流体（MHD）动力技术实验研究的前提,低温超声速条件下产生大体积均匀等离子体有效可行的方法之一是纳秒脉冲介质阻挡放电。介绍了基于马赫数为3吸气式双喉道风洞的超声速纳秒脉冲介质阻挡放电实验系统的基本组成、设计原理和运行情况,分别在静止和马赫数为3超声速条件下对气体电离,测量分析电压和电流波形。得到以下结论：风洞稳定工作时间约为16 s,满足超声速气体放电实验的可靠进行和数据的有效采集;实验条件下,纳秒脉冲介质阻挡放电气体击穿与电场强度值有关,而与电场强度变化率无关;实验条件下,着火电压大小受超声速气流密度波动影响显著,而受气流速度影响较小。另外,气体击穿后的放电状态受超声速气流影响小;气体击穿时刻的电流峰值受着火电压和实验环境中随机自由电子数共同影响。     

超声速非平衡电离磁流体动力技术实验系统

介绍了超声速非平衡电离磁流体动力技术实验系统的设计思想和组成,设计、制作了马赫数为3.5的吸气式双喉道风洞,采用以陶瓷板为阻挡介质的电容耦合射频阻挡放电,实现了超声速流场中大体积、连续、稳定、均匀等离子体的产生.主要结论有:实验测试风洞稳定工作时间为18s,稳定运行时实验段静压为650Pa;电容耦合射频放电典型工作状态下,通过伏安诊断法测出超声速条件下等离子体的电导率为1.27×10-3S/m.      

超声速磁流体加速实验及一维模型分析

为了获得负载系数、电导率等参数变化对超声速磁流体加速效果的影响规律,利用激波风洞,采用氩气与碳酸钾作为工质,电容提供电能的方式,在磁感应强度为0.5T的条件下,进行了不同电容充电电压下的超声速磁流体加速实验研究,并对一维定常理想分段法拉第型磁流体加速模型进行了分析.通过实验获得了不同电容充电电压下#10电极间的电压、电流、负载系数、电导率及#20电极开路电压等数据,在300, 400V电容充电电压下,气流速度分别增加11.4%和24.0%,在500V电容充电电压下气流速度减小11.1%.实验及模型分析得出不同的负载系数会使超声速磁流体处于加速或减速的不同状态,而电导率会影响注入总能量的大小,使磁流体流动的速度梯度大小发生改变.      

基于等离子体炬的磁流体动力学实验系统

针对磁流体动力学技术在高超声速飞行器、海洋波浪能、核能和太阳能等领域的应用需求开展磁流体动力学地面实验系统建设,详细介绍了基于等离子体炬的磁流体动力学实验系统的基本组成、设计思路和测试情况。研制了马赫数Ma=1.5的超声速喷管和磁流体试验段,在等离子体炬功率120 kW时测试通道内电导率最高达14 S/m,平均电导率约9 S/m,通过理论计算可知在电导率为9 S/m的情况下,一对测试电极的输出功率可达1 872.96 W,测试试验段整体输出功率达5 993.47 W。该地面实验系统可用于磁流体发电、磁流体加速、磁流体流动控制等磁流体动力学研究。     

磁激等离子体超声速气流的瞬态加速系统及其实验研究

研制了基于激波风洞的热电离系统,设计了马赫数Ma=1.5的喷管和分段法拉第型实验段,并选用了合理的磁场及电场方案。采用氦气驱动氩气模式,通过在激波管低压段注入电离种子K₂CO₃粉末实现气流的热电离;压缩后的高温氩气启动喷管,以瞬态超声速导电流体形式通过实验段。实验结果表明:当激波管高压段压力为1.1 MPa、低压段压力为500 Pa时,喷管出口的超声速导电气流温度约为4 185.91 K,压力约为0.037 MPa;当电容电压为400 V、磁感应强度为1.0 T时,由实验段中间位置电极的放电特性可以估算出气流电导率约为78.1 S/m,单对电极输入功率约为9.46 kW;用感应电压法对加速效果进行初步评估,出口气流速度增加了29.3%,电效率为26.1%。     

连续式高焓超声速预混加热器设计与分析

为研究超声速燃烧和爆轰相关的机理问题,提出了一种结合燃烧型加热器和阵列喷管的超声速预混加热器设计思想。通过预热燃烧室来提供总温可变的高焓富氧气流,经过特征线型面喷管膨胀降温后,在喷管扩张段的适当位置以一定角度喷入燃料,经过混合段后形成所需的连续高焓总温和当量比可调的预混气流。通过对混合过程的数值模拟和预混气体的着火延迟时间分析了当前的预混高焓加热器的混合和自燃问题。在超声速气流中加入斜劈采用纹影技术进行激波点火实验,并验证了当前的预混加热器设计是成功。     

气流粉碎机用三元超声速喷管设计研究

针对气流粉碎机上超声速喷管的使用特点，根据超声速风洞喷管设计的一般原理以及三元特征线理论和边界层修正的理论，提出了一种实用的三元轴对称超声速喷管的设计方法。本方法对收缩段，扩张段分别进行设计。根据设计制成样品进行吹风实验，采用测量出口静压的方法来间接测量出口马赫数。实验表明实验结果与理论计算能够较好的吻合。     

超声速非平衡电离磁流体流动控制试验和数值模拟

为了开展磁流体(MHD)流动控制原理研究,建立了磁流体技术试验系统,采用电容耦合射频-直流组合放电对Ma=3.5气流进行电离,在磁场作用下产生顺/逆气流方向的洛伦兹力控制流场,采用试验段静压变化来监测磁流体流动控制效果,通过一维模型计算磁流体流动控制过程中流场变化情况,分析磁流体流动控制效果;通过添加电磁源项的Navier-Stokes方程耦合电势泊松方程建立了二维磁流体动力模型,对磁流体流动控制进行数值模拟研究。主要结论如下:在磁场约束下,电容耦合射频-直流组合放电能够在Ma=3.5流场中产生大体积均匀电流,电导率约0.015S/m;在焦耳热和洛伦兹力作用下,磁流体加速时静压升高了130Pa,减速时静压升高了200Pa;磁流体流动控制过程中,仅有不足10%的能量在磁流体通道内发生了作用;数值模拟结果显示,在试验条件下,加速时静压升高了128Pa,减速时静压升高了208Pa,与试验结果基本吻合。     

Ludwieg管向超声速流域拓展的设计技术

Ludwieg管风洞能低成本、高效率地产生低湍流度的高超声速气流,被广泛用于高超声速(马赫数6及以上)基础空气动力学实验研究。尽管Ludwieg管式高超声速风洞逐渐普及,但是基于Ludwieg管风洞管原理建设的超声速风洞并不多见,制约了实验人员对超声速空气动力学问题的研究。本文以拓展德国不伦瑞克工业大学马赫数6Ludwieg管风洞到马赫数3流域为例,详细介绍了串列式喷管Ludwieg式超声速风洞的设计技术。串列式喷管Ludwieg式超声速风洞在传统Ludwieg管风洞的结构基础上额外引入一个Laval喷管(第一段Laval喷管)和稳定段,并重新设计试验段对应的Laval喷管(第二段Laval喷管),最终获得超声速流动。文章首先介绍了串列式喷管Ludwieg式超声速风洞的空气动力设计原理;之后分别介绍了不同部件在这种风洞上的优化设计方法;最后,针对这种风洞的独特设计特点,对其将来的发展方向以及科研应用背景进行了展望。串列式喷管Ludwieg式超声速风洞基于常规的Ludwieg式管风洞改建而成,在继承原Ludwieg管风洞优点的同时,以极低的成本拓展了原风洞的运行速域,极其适合高校和科研机构用于开展超声速空气动力学的基础实验研究。     

超声速氩气流磁流体发电初步实验研究(英文)

利用激波风洞,采用氦气驱动氩气,在平衡接触面运行方式下得到高温气体,通过在低压段注入电离种子K2CO3粉末,实现高温条件下导电流体的产生,开展了超声速氩气流磁流体功率提取初步实验研究。在喷管入口总压0.32MPa、总温6504K,磁场强度约0.5T、喷管出口气流速度1959m/s的条件下,对分段磁流体功率提取通道电极的感应电压和短路电流进行了测量,实验测量结果与理论计算相吻合,并由电压电流计算得出了平均电导率约20S/m左右,在负载系数为0.5的情况下,磁流体功率提取通道最大的功率密度可达4.7971MW/m3,最大焓提取率为0.34%。最后分析并给出了气体状态参数T1,M1,T2,M2的测试原理与方法。     

Integrated supersonic wind tunnel nozzle

In supersonic wind tunnels, the airflow at the exit of a convergent-divergent nozzle is affected by the connection between the nozzle and test section, because the connection is a source of disturbance for supersonic flow and the source of disturbance generated by this disturbance propagates downstream. In order to avoid the disturbance, the test can only be carried out in the rhombus area. However, for the supersonic nozzle, the rhombus region is small, limiting the size and attitude angle of the test model. An integrated supersonic nozzle is a nozzle and a test section as a whole, which is designed to weaken or eliminate the disturbance. The inviscid contour of the supersonic nozzle is based on the method of characteristics. A new curve is formed by the smooth connection between the inviscid contour and test section, and the boundary layer is corrected for the overall curve. Integrated supersonic nozzles with Mach number 1.5 and 2 are designed, which are based on this method. The flow field is validated by numerical and experimental results. The results of the study highlight the importance of the connection about the nozzle outlet and test section. They clearly show that the wave system does not exist at the exit of the supersonic nozzle, and the flow field is uniform throughout the test section.     

超音速喷管收缩扩张段匹配问题研究

超音速喷管由收缩和扩张两段组成,是高速风洞中获得超音速流动的重要部件。对于超音速喷管收缩段设计方法的研究较多,但尚未见到喷管收缩段的几种设计型面曲线如何与扩张段合理匹配问题的研究。针对以上的问题,利用CFD数值模拟方法对几种收缩曲线与扩张段匹配问题进行了计算。通过对计算结果进行对比分析,发现不同收缩曲线对超音速喷管内流有一定的影响,分析了流场特征,展示了马赫数在喷管内部的分布。     

不同模型堵塞比的超声速风洞二次喉道优化

为了延长采用真空球排气系统的超声速风洞的工作时间,拟采用二次喉道提高真空球临界工作压强。本文针对Ma=4和Ma=7超声速风洞,采用计算流体软件系统地研究了不同发动机堵塞比对二次喉道起动能力的影响以及不同尺度的二次喉道对真空球临界工作压强的影响。研究结果表明,随着发动机堵塞比的增大,二次喉道的临界起动直径相应增大,呈非线性变化,同时,真空球的临界工作压强下降。因此,二次喉道直径应针对不同的模拟状态和发动机堵塞比范围综合优化选取。     

Investigation of MHD power generation with supersonic non-equilibrium RF discharge

Magnetohydrodynamic (MHD) power generation with supersonic non-equilibrium plasma is demonstrated. Capacitively coupled radio frequency (RF) discharge (6 MHz, maximum continual power output of 200 W) was adopted to ionize the Mach number 3.5 (650 m/s), 0.023 kg/m3 airflow. In a MHD channel of 16 mm × 10 mm × 20 mm, MHD open voltage of 10 V is realized in the magnetic field of 1.25 T, and power of 0.12 mW is extracted steadily and con-tinuously in the magnetic field of 1 T. The reasons for limited power generation are proposed as:low conductivity of RF discharge; large touch resistance between MHD electrode and plasma;strong current eddies due to flow boundary layer. In addition, the cathode voltage fall is too low to have obvious effects on MHD power generation.     

超声速旋流器内气相流场的数值模拟

为了研究旋流对超声速喷管内流场的影响,在现有旋流器的基础上,通过简化模型而设计出一套前置式超声速旋流器装置,并建立不同旋流器下的三维几何模型,利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent,结合realizable k-ε湍流模型对气相流场进行数值模拟。结果表明：在保持入口总压恒定时,随着进气道数量的减少,气体在旋流器中产生的最大切向速度会增大,但不会改变喷管流动具有组合螺旋涡的特性;由于气体的角动量是以减小轴向动量为代价,切向速度的增大,导致出口截面处的平均轴向速度减小;入口总压增大时,气体速度与静温在收缩段的分布接近,在扩张段,气体速度和马赫数增大,而静温减小,并且切向速度在出口截面沿径向方向上呈现出几乎相同的分布。     

叶片式预旋喷嘴出口流场实验研究

叶片式预旋喷嘴具有尺寸小,落后角大的特点。为了详细研究小尺寸预旋喷嘴的预旋性能,采用五孔探针对叶片式预旋喷嘴的出口流场进行了实验研究。测量了Ma=0.2,0.3时喷嘴出口的压力分布、速度分布和出口气流角度分布,实验获得了喷嘴的落后角和预旋效率,并进行了与实验工况相同的数值计算。通过实验获得的总压云图以及速度云图,可以发现叶片式预旋喷嘴的端壁二次流损失、尾迹损失严重,有明显的边界层分离现象。Ma=0.2时,喷嘴Re数为5.76×104,落后角2.84°,实验测得的预旋效率为0.73;Ma=0.3时,喷嘴Re数为1.06×105,预旋效率提高至0.77。实验模型端壁的影响使预旋效率实验结果偏低6.5%左右。数值结果与实验测得各参数符合较好:数值结果与测得的喷嘴出口截面平均总压、静压偏差在1%以内;出气速度、周向速度以及出气角度与实验结果偏差在4%以内。数值计算表明,叶片式预旋喷嘴的预旋效率基本不受压比影响,随Re数增大先增大后基本不变,最后基本稳定在0.85。