介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰CH*自发辐射影响实验研究

为分析非平衡等离子体对空气/甲烷扩散火焰的助燃效果,实验以发射中心谱线430nm的激发态自由基CH*表征火焰燃烧状态,采用同轴圆柱构型激励器在高频交流模式下激发等离子体,分析了火焰CH*自发辐射图像、火焰高度、CH*径向分布和燃烧释热速率等火焰特性在不同空气流量和当量比下随放电电压的变化规律。结果表明：等离子体激励在空气流量较低时,会显著增强火焰上游甲烷燃烧,从而降低CH*空间分布高度和火焰高度;空气流量增大后,有利于促进甲烷充分燃烧,增大火焰下游CH*辐射强度和分布范围。在火焰上游区域,等离子体气动效应可有效扩展甲烷径向分布,实现剪切层更宽范围燃烧,其活化效应会明显提高剪切层燃烧强度,并随电压增大作用效果逐渐增强。此外,等离子体激励会使燃烧器喷嘴出口附近火焰释热速率显著增大,该现象在空气-甲烷动量比较大时更容易发生。     

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。     

等离子体流动控制研究进展与展望

等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新型主动流动控制技术,具有响应时间短、激励频带宽等显著技术优势,在改善飞行器/发动机空气动力特性方面具有广阔的应用前景,已成为国际上等离子体动力学与空气动力学交叉领域的前沿研究热点。鉴于此,从介质阻挡放电(DBD)、电弧放电等离子体气动激励特性,等离子体气动激励抑制流动分离、控制附面层、控制激波与激波/附面层干扰、控制压气机与涡轮内部流动、控制管道流动和飞行控制等方面,综合评述了国际上等离子体流动控制的研究进展情况;从创新等离子体气动激励方式,揭示等离子体气动激励与复杂流动的非定常耦合机制,突破等离子体流动控制系统关键技术等方面,对未来的发展进行展望。     

适用于不同高度的等离子体体积力唯像学模型

针对等离子体流动控制数值模拟中唯像学模型高度适应能力不足的问题,假设等离子体中离子数密度正比于放电光强,对101.3~1.5kPa气压下等离子体放电图片进行灰度处理,得到等离子体发光的相对光强、光强比即离子数密度随气压、激励电压的变化特点。结果表明:随着气压增大,从弥散放电逐渐转化为丝状放电,而光强比逐渐减小,可以使用大气压下的饱和总相对光强代替其他气压下的结果;提高激励电压,等离子体出现双侧放电,且放电光强增大,放电电荷与激励电压近似成线性关系。进一步通过理论推导建立了新的电荷分布边界条件,并拟合了多个气压和激励电压下等离子体发光的相对光强,然后选择其中两个典型工况进行数值模拟,将计算结果与相应气压下等离子体诱导射流激光粒子图像测量结果进行比较,对该模型进行了验证,表明该模型能够准确模拟飞行高度、激励电压对等离子体诱导射流的影响。      

锯齿电极等离子体激励器对气膜冷却效率影响的数值研究

为获得锯齿电极等离子体激励器提高气膜冷却效率的机理,对有/无锯齿电极等离子体激励器作用下的平板气膜冷却流场进行了数值研究,并采用唯象模型模拟锯齿电极等离子体激励器对流场所施加的电场力。结果表明,冷却射流在锯齿电极等离子体激励器的下拉诱导作用下对主流的穿透率降低,射流中心轨迹高度的下降幅度沿流向发展逐渐增大;锯齿电极等离子体激励器气动激励作用下气膜孔下游的肾形涡的强度与尺度均减小,同时肾形涡的两侧产生与其旋转方向相反的小尺度的反肾形涡,进一步抑制了肾形涡的发展;锯齿电极等离子体激励器产生的展向扩散效应提高了冷却射流的展向扩张能力,从而提高了气膜冷却效率,与无等离子体气动激励相比,锯齿电极等离子体激励器作用下平板中心线与展向平均气膜冷却效率分别提高了50%与200%。     

超声速燃烧室乙烯/空气等离子体射流点火试验研究

在来流马赫数1.8,总温800K的超声速燃烧直连式试验台开展了乙烯/空气等离子射流点火的试验研究。采用高速摄影仪拍摄了等离子体射流流场结构、自发光火焰图像和火焰纹影图,对比分析了燃料喷注压力、混合燃料、等离子体射流介质对点火特性的影响。试验结果表明,等离子体射流与主流之间的剪切作用形成了大尺度的涡结构,射流尾流工质主要存在于凹腔剪切层附近,射流与主流干扰的全局特征主要表现在射流诱导的弓形激波上,射流动量的增加,激波强度增强。燃料喷注压力升高,点火后燃烧室稳态压力升高,同时压力响应曲线提前;乙烯喷注压力低于0.33MPa时,压力曲线出现一定震荡,燃烧室无法建立稳定火焰,在0.33~0.624MPa时燃烧过程存在超燃向亚燃燃烧模态转换,高于0.624MPa时点火过程趋于平稳。乙烯和甲烷混合燃料的点火贫油极限出现在喷注压力0.394MPa附近。等离子体射流虽能提供高温工质,但是其射流尾流中经冷空气掺混的部分气体分子将对燃料浓度起到稀释作用,进而影响点火性能。     

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。     

基于交叉射流与切向旋流的CH_4柔和燃烧特性对比

轴向分级柔和燃烧器中,采用了交叉射流、切向旋流两种掺混方式,通过实验结合数值计算的方法,从流场和组分分布角度比较了两种掺混方式的掺混特点,从火焰特征、NO/CO排放方面比较了燃烧性能.实验以甲烷为燃料,热功率为16.2~25.9kW,相对切向旋流,交叉射流延缓了燃料、空气的直接混合,燃料、空气燃烧前经回流烟气充分预热和稀释,火焰根部有抬升,反应区体积大,火焰特征更接近柔和燃烧.同时,交叉射流分级燃烧器的污染物排放性能更优,回流比例为0.5、当量比为0.6时,烟气中NO和CO体积分数均仅为4×10-6.     

双旋空气流场紊流特性的实验研究

运用热线风速仪对反向双旋流空气雾化喷嘴出口空气流场的脉动流速、紊流度及紊流涡团的脉动频率进行了实验测量。结果表明:内外环反向旋流掺混时相交边界层内的脉动流速大、紊流度强;掺混结束后的旋转射流紊流度减小, 且紊流度径向分布均匀。      

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。     

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。     

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.     

跨声轴流压气机等离子体控制实验

为了能有效地拓宽压气机的失稳裕度,在一台跨声轴流压气机上进行了基于介质阻挡放电（DBD）等离子体激励扩稳的实验研究.实验中分别选取了正弦交流电源和纳秒脉冲电源提供激励,并在跨声压气机40%设计转速和65%设计转速下对其扩稳效果和效率进行了对比分析.结果表明:在40%设计转速时,正弦交流电源和纳秒脉冲电源均能有效拓宽压气机流量范围,其中正弦交流电源激励方式能够使压气机综合失速裕度改善（SMI）达到15.33%.在65%设计转速时,两种激励方式的扩稳效果明显减弱,此时纳秒脉冲电源激励方式的扩稳效果更好.在压气机效率方面,纳秒脉冲电源对压气机设计点的效率影响更小,在40%设计转速时甚至能略微提升其设计点效率.实验结果表明,合理地选择激励方式有助于提高等离子体激励的扩稳效果,为实际压气机中基于介质阻挡放电等离子体激励扩稳措施的设计提供参考.      

Recent developments in thermal characteristics of surface dielectric barrier discharge plasma actuators driven by sinusoidal high-voltage power

Flow control using surface Dielectric Barrier Discharge(DBD) plasma actuators driven by a sinusoidal alternating-current power supply has gained significant attention from the aeronautic industry. The induced flow field of the plasma actuator, with the starting vortex in the wall jet,plays an important role in flow control. However, the energy consumed for producing the induced flow field is only a small fraction of the total energy utilized by the plasma actuator, and most of the total energy i...     

喷嘴间距对贫油熄火特性和流场结构的影响

为深入认识喷嘴间距对燃气轮机燃烧室贫油熄火和气动性能的影响,基于典型的双旋流扩散燃烧喷嘴设计了喷嘴位置连续变化可调的双头部模型燃烧室。实验测量了不同初始当量比条件下喷嘴间的最大传焰距离,分析了火焰传播的动态过程;此外还研究了喷嘴间距对贫油熄火当量比、反应流场和方均根速度场的影响。实验结果表明:当量比每增加0.1,无量纲最大联焰间距增大0.2左右,并且喷嘴间的联焰过程大致可分为四个阶段;单喷嘴的贫油熄火当量比大于任意喷嘴间距下双喷嘴的贫油熄火当量比;随着喷嘴间距的减小,贫油熄火当量比先减小后增大;另外,喷嘴间距减小导致射流合并,气流径向速度抵消变小,中心射流速度峰值增大以及回流区尺寸缩小;随着喷嘴彼此靠近,喷嘴间的方均根速度变大,分布区域变广。      

扫频式射流对设计工况压气机叶栅流动分离影响的数值研究

高负荷压气机中的大尺度流动分离是导致其性能下降的主要原因,通过数值方法研究了扫频式射流控制角区分离、减小气动损失的效果,并以模型方程代替实际射流器,讨论了扫频式射流的基本控制参数对压气机叶栅流场控制效果及气动性能的影响。结果表明:扫频式射流使得流场呈现出稳定的周期性变化趋势,且存在一个扫频频率,使得超过该频率后的控制效果趋于稳定;合理选择扫频激励参数对实现流动分离的控制至关重要。在本文的方案中,采用较小的扫频射流角和射流流速能取得较好的控制效果,而更大的最大扫频摆角能强化这种控制效果,时均总压损失最大减小6.1%;扫频式射流能够在更大范围内提高吸力面边界层低能流体的动能,以更好地限制角区分离沿叶高方向发展,从而改善对角区分离的控制效果。     

微波增强滑移电弧等离子体辅助超声速燃烧

为了研究微波增强滑移电弧等离子体对超声速燃烧火焰结构的影响,在超燃冲压发动机直连式实验台发动机模型加装了微波和滑移电弧结构,进行了超声速稳定燃烧实验。以单级凹腔作为火焰稳定器,燃烧室来流马赫数为2.5,常温乙烯从壁面横向射流,燃料射流点之前放置滑移电弧电极,凹腔对侧馈入2.45 GHz的微波。研究表明,在超燃冲压发动机燃烧室内滑移电弧同样遵循放电和扩展的周期特性,由于气流流速极高,滑移电弧周期约达125 kHz。等离子体的加入使燃烧室预燃激波串前移,火焰的起始和稳定位置从凹腔剪切层向燃料射流前部转移,超声速火焰燃烧速率提高。与单一的微波或滑移电弧等离子体增强燃烧方法相比,微波与滑移电弧的结合可在较低的能耗下,实现与高功率微波等效的效果。微波增强滑移电弧等离子体能够对超声速燃烧起到稳定作用。     

Flow field generated by a dielectric barrier discharge plasma actuator in quiescent air at initiation stage

A single Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasma actuator driven by Alternating Current (AC) power, capable of inducing a starting vortex and a wall jet in quiescent air, is suited for low-Reynolds-number flow control. However, the starting vortex and the wall jet are usually observed after the plasma actuator has been operated for dozens of and hundreds of cycles of the voltage, respectively. The detail of the induced flow field at the initiation stage of the plasma actuator has rarely been addressed. At the initiation stage, a thin jet that provides the impetus for the entrainment of the induced flow at the beginning of the plasma actuation is first observed by using a high-accuracy phase-lock Schlieren technique and a high-speed Particle Image Velocimetry (PIV) system. This is the initial form of the momentum transfer from the plasma to the fluid. Then, an arched type jet is created by the plasma actuator. In addition, the whole development process of the induced flow field from the starting point of the thin jet to the quasi-steady stage of wall jet is presented for providing a comprehensive understanding of the plasma actuator and proposing a relevant enhancement of the numerical simulation model.