等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

电导率模拟对高超声速MHD控制影响

高温气体电导率是高超声速电磁流动控制数值模拟最重要的参数之一。针对电导率模拟准确性及其对高超声速磁流体控制影响的问题,考虑高超声速飞行器流场中高温气体热化学非平衡效应,采用三维低磁雷诺数磁流体动力学（MHD）数值模拟方法及程序,结合国内外常见电导率处理方法开展典型状态高超声速MHD控制数值模拟,分析电导率模拟对高超声速磁流体流场分布、气动力/热特性的影响。研究表明：磁控热流减缓效果与电导率呈非线性关系,电导率较大时将出现电导率的磁控热饱和现象,其产生的原因可能与化学反应趋向于平衡态存在一定关系;采用定电导率方法,会人为放大磁场洛仑兹力的磁阻力效果,使阻力系数的预测值偏大;不同电导率模型计算得到的电导率分布差异很大,甚至存在数量级的差别,显著影响了磁流体的控制效果,这与电导率模型的适用范围、参数选取原则存在很大关联;对于含多种离解、电离组分的高温气体流动来说,采用基于多电离组分迁移碰撞的电导率模型（本文模型M8）,计算与试验一致性最好。     

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.      

高超声速等截面磁流体发电机性能研究

采用三维低磁雷诺数磁流体动力学五方程模型,对等截面管道法拉第型分段电极磁流体发电机内的流动进行数值模拟,研究了负载系数、磁场强度、电极-绝缘壁宽度比对发电通道性能的影响.结果表明:当负载系数为0.50时电功率密度达到最大,并且随着负载系数的增大发生器的减速能力降低;当磁场强度为8T时,500mm的管道长度即可将来流马赫数从6降低到3以下,温度保持在800K以下,并且每立方米的管道发电量能够达到兆瓦级的水平.      

等离子体气动激励控制激波的实验研究

在机械式和气动式激波控制方法的基础上,提出了激波控制的等离子体气动激励方法。采用电弧放电等离子体气动激励方式,设计了电弧放电等离子体气动激励器,在小型暂冲式超声速风洞中开展了等离子体气动激励控制尖劈斜激波的实验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制激波。实验研究了磁场对激波控制效果的影响,结果表明施加磁场使得激波控制效果显著增强。从热效应机理角度出发,建立了等离子体气动激励控制激波的热阻塞模型,采用该理论模型预测的激波变化规律与实验结果一致,从而验证了热阻塞模型的合理性。由于等离子体气动激励方法具有响应迅速、控制灵活等优点,因此将成为激波控制领域一条新的有价值的技术途径。     

局部电弧丝状放电控制激波/边界层干扰的数值研究

采用数值模拟的方法研究局部电弧丝状放电激励对激波/边界层干扰引起的气流分离的控制效果和机理。研究发现在干扰区上游和干扰区内进行电弧放电能够有效控制边界层的分离,且控制效果随着能量输入增大而增强,最大可使分离区减小40.6%,而在干扰区下游作用时对激波/边界层干扰基本没有影响。结合热阻塞效应,可得出电弧放电的作用机理是其产生的焦耳热在流场中造成局部流场阻塞,形成等离子体虚拟型面,在流场中诱导出微弱的斜激波和旋向相反的漩涡,增大了边界层内流体的动量,使其抵抗分离的能力增强,从而抑制了气流的分离。     

高温真实气体效应中催化效应对气动热影响的实验探索

主要介绍了在氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中进行真实气体效应中催化效应对气动热影响的实验研究。首先从测试工作的角度，论述了测热模型、测热传感器及风洞改进等关键技术问题及其解决方法。其次描述了在氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中，首次开展气动热风洞试验的过程及其初步结果。结果表明：热流数据随测点位置和迎角的改变呈有规律的变化；在同样条件下，完全催化表面比完全非催化表面热流数值有明显增加的趋向。     

轴向间距对转子叶片气动激励的影响

使用自行开发的非定常流动分析程序对尾迹、势干扰和激波共同作用下的某高压涡轮级非定常流动进行数值模拟,研究引起叶片表面非定常压力扰动的气动激励机制.通过叶片通道内的畸变跟踪,结合叶片表面压力扰动时空图,对激励源进行识别和分类;通过对叶片表面非定常压力的频域分析,建立了激励源与上游叶片通过频率的关系;定义压力扰动均方根作为气动激励强度的量化参数,分析叶排不同轴向间距下气动激励的变化规律.结果表明:减小轴向间距并保持涡轮级的落压比和效率基本不变时,气动激励随着轴向间距的减小而增强;压力扰动的高阶分量可能会激励扭转模态为主的振动.      

三维磁流体动力学管道流动加减速控制数值研究

阐述了磁流体动力学(MHD)控制流场作用机理.在小磁雷诺数条件下,运用数值模拟方法,对不同外加电磁场条件下三维MHD管道流动的流场情况进行研究,得出不同磁场、电场等MHD参数作用下MHD加速器的性能.对MHD加速器的应用前景进行了展望.计算结果显示,电场取6000V/m,磁场为0.92T 情况下,流场的加速性能可达13.46%,并且可以通过减小磁场或增大电场进一步提高加速性能;在仅添加0.92T磁场条件下,速度减速可达16.35%.