翼型分离流动的等离子体控制数值分析方法研究

利用等离子体进行流动控制是当前的研究热点之一.本文研究通过数值方法模拟等离子体对流场作用的实现方法,及利用数值模拟方法研究翼型大迎角分离流动的等离子体控制.利用CFD软件Fluent中的自定义函数接口,通过C语言编程在软件中引入DBD等离子体激励模型外加体积力源项,对NACA0015翼型大迎角下的等离子体控制进行数值模拟.验证DBD等离子体激励在抑制流动分离与增升减阻方面的作用.结果表明：流动控制效果与DBD激励器布置位置有直接关系;激励器的数量与激励强度均会影响流动控制作用.     

翼型动态失速等离子体流动控制试验

针对动态失速引起的翼型气动性能恶化的问题,利用小型化的激励电源和介质阻挡放电等离子体激励器,借助动态压力测量和外触发式粒子图像测速（PIV）等手段开展了翼型动态失速等离子体流动控制试验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均气动力,提高翼型气动效率,减小气动力随迎角变化的迟滞区域。等离子体诱导出前缘附近的贴体翼面涡,促进分离流再附;增加了上翼面0.2~0.4弦长区域的吸力,减小了升力系数功率谱密度（PSD）分布的二、三、四阶能量幅值,在研究工况下实现了平均升力系数增加7.1%、失速迎角推迟1.3°和迟滞区域减小4.5%的明显控制效果;4°~9°迎角段,等离子体使得翼型平均阻力系数减小40%。此外,振荡频率增加使翼型绕流的非定常性增强,较高雷诺数下的翼型动态分离涡更加难以被抑制,均需要增加等离子体激励强度才能达到较好的控制效果。     

低速翼型分离流动的等离子体主动控制研究

为了研究等离子体激励器的放电形式及其诱导气流的规律,以及翼型迎角、自由来流速度分别对翼型流动分离抑制效果的影响。在低速、低雷诺数条件下利用介质阻挡放电等离子体激励器对NACA0015翼型进行了主动流动控制研究。结果表明：介质阻挡放电的形式为丝状放电;等离子体激励器诱导气流的方向由裸露电极指向覆盖电极,由电极的布置方式决定,与接线方式无关;当来流速度为25m／s,雷诺数为2．03×10^5时,等离子体气动激励可以有效地抑制翼型吸力面的流动分离,翼型最大升力系数增大约为9．7％,翼型l临界失速迎角由17．5°增大到20．5°;翼型失速延迟的真正原因并非单纯的气流加速;等离子体激励器的作用效果随着来流速度的提高而减弱,研究非定常激励或等离子体激励器与流场之间的耦合效应,也许更加具有潜力。     

合成双射流控制翼型分离流动的数值研究

合成双射流激励器是合成射流技术发展的最新成果,所形成的射流具有更高能量、流动更稳定的特点。采用数值模拟的方法,对比研究了合成射流与合成双射流对翼型分离流动的改善效果。结果表明:合成射流可以将翼型失速攻角提高2°、最大升力系数增加18%,合成双射流可以将翼型失速攻角提高4°、最大升力系数增加35%,证明了合成双射流具有更好的分离流动控制效果。另外着重分析了合成双射流工作频率和动量系数对控制效果的影响,发现当激励器工作频率为流场特征频率的1和2倍时,对翼型气动特性的改善效果最好,同时控制效果会随动量系数的增加而增大。     

翼型动态失速的变下垂前缘控制数值模拟

用CFD方法对VR-12翼型可压缩动态失速的变下垂前缘控制概念进行了数值模拟研究.模拟结果显示,变下垂前缘控制能在最大升力下降不大的情况下,非常显著地降低最大阻力,减小俯仰力矩负峰值,明显改善动态失速的负面效应.在流动机理上,变下垂前缘控制完全消除了动态失速涡.对参数影响的模拟研究表明,变下垂前缘控制的优势对马赫数、简缩频率或下垂控制方式的变化不敏感,是一种健壮的翼型可压缩动态失速控制手段.      

介质阻挡放电对增升装置气动性能的影响

增升装置是传统构型飞机的重要组成部分,对飞行器气动性能有重要影响。将高效、简便、节能的介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)等离子体激励器布置在增升装置附近,通过对流场进行控制来达到提高增升装置气动性能的作用。选取二维翼型GAW-1及其29%襟翼作为研究对象,在分析基础流场的基础上,固定激励器放电频率等参数不变,将单级介质阻挡放电激励器放置在几个不同位置,用数值模拟的方法研究其对翼型总体气动特性的影响。仿真结果表明,主翼上表面后缘处的激励器增升效果最好,增升达12.8%且将失速迎角推迟约2°,主翼下表面后缘的升阻比增加可达15%。     

翼型动态失速的数值研究

用不可压缩流动的求解算法，结合WilcoxDC提出的k－ω模式和k－ωSST湍流模式，对翼型的动态失速进行了数值模拟。通过对典型的振荡翼型轻失速和深失速算例的计算结果分析可以看出：（1）绕动态失速翼型的流场结构十分复杂，轻失速和深失速在流动特性上有很大区别。计算结果显示：轻失速主要是由于后缘分离引起，分离涡的影响范围主要是在后缘附近。而深失速则首先形成很大的前缘分离涡，该分离涡在翼型表面上运动，并诱发出二次分离涡，引起翼型升、阻力系数的显著变化。（2）对于动态失速的翼型绕流，k－ωSST湍流模式是较为有效的，计算出的气动力系数迟带曲线变化趋势与实验结果符合得比较好。     

旋翼翼型非定常动态失速特性的CFD模拟及参数分析

构建了一套基于运动嵌套网格技术和可压缩RANS方程的旋翼翼型非定常流动特性模拟的高效、高精度的CFD方法。首先,发展了基于Poisson方程求解的围绕翼型的粘性贴体正交网格生成方法,并提出了基于最小距离法(MDM)改进策略的运动嵌套网格生成方法,克服了弹簧法可能导致网格畸变的不足;其次,为准确模拟由湍流分离和气流再附引起的气动力的迟滞效应,基于RANS方程、双时间方法和高阶插值格式,建立了旋翼翼型非定常气动特性分析的高精度数值方法,并采用能够较好捕捉气流分离现象的S-A湍流模型;再次,针对旋翼后行桨叶动态失速时桨叶剖面来流速度较低、迎角较大的特点,为解决低来流速度时L-B半经验模型在旋翼翼型非定常动态失速计算中的局限性,并克服可压缩方程对低速流场计算收敛困难和精度低的问题,建立了基于Pletcher-Chen低速预处理方法、FAS多重网格法和隐式LU-SGS方法相结合的高效数值方法。应用发展的方法,分别针对NACA0012、SC1095旋翼翼型静态和轻度、深度动态失速进行计算,精确捕捉了气动力迟滞效应以及翼型前缘脱体涡的产生、对流和脱落过程,验证了本文方法的有效性;最后,着重针对NACA0012动态失速状态,开展了振荡参数对旋翼翼型非定常动态失速特性影响的分析,研究结果表明翼型迎角平均值、振幅及减缩频率的变化均能引起迟滞效应的改变并使得气动力峰值发生有规律的前、后移现象等。     

等离子体合成射流改善翼型气动性能实验研究

等离子体合成射流(PSJ)是一种新型主动流动控制激励器,目前研究大多集中于激励特性,对于流动控制的应用研究还明显不足。为了深入探究PSJ翼型流动分离的控制能力与规律,以高升力翼型为载体,在翼型前缘施加等离子体合成射流激励(PSJA),研究激励器对升力特性的影响。结果表明:在翼型前缘施加PSJA,可以有效抑制流动分离;近失速迎角状态下,各个激励频率下都能产生良好的控制效果;过失速迎角状态下,低频效果最好,随激励电压增加,有效频率范围变宽;激励效果随来流速度增加而减弱,当来流速度20m/s时,翼型的失速迎角提高5°,最大升力系数提高8.1%;当来流速度为40m/s时,失速迎角提高3°,最大升力系数提高4.5%。     

转捩对风力机翼型和叶片失速特性影响的数值模拟

采用基于k-ωSST湍流模型的Gamma-Theta转捩模型对S809翼型和NREL Phase VI叶片进行了考虑转捩的气动力数值模拟,研究了转捩对其气动特性特别是失速特性的影响。首先对S809翼型在迎角0°～30°范围内开展了数值模拟,比较了转捩模拟和全湍流模拟获得的翼型升力系数和流场特征,发现前缘层流分离泡的存在显著影响了翼型的失速特性;然后对NREL Phase VI叶片开展了类似的数值模拟,结果显示转捩对叶片失速特性和翼型失速特性产生影响的作用方式是相似的。经过对以上数值模拟结果加以分析认为,转捩对翼型和叶片失速特性的影响主要通过前缘层流分离泡的作用体现出来,前缘层流分离泡的存在使翼型和叶片更早地进入深失速。     

等离子体气动激励体积力的实验研究

等离子体流动控制作为一种新概念主动流动控制技术,其物理作用依据之一是“动力效应”。体积力作为表征“动力效应”的重要参数,对研究等离子体流动控制的原理具有重要意义。介绍了实验原理及系统的基本组成,对等离子体气动激励体积力进行了实验测量。结果表明：体积力的大小在mN量级;固定激励频率,激励电压增大时,体积力增大,且线性关系非常明显;固定激励电压,体积力受激励频率的影响不大。     

平流层螺旋桨多工况等离子体增效控制方案研究

基于S1223翼型建立了平流层螺旋桨3维模型,在螺旋桨上下表面设置等离子体激励器,设计了5种螺旋桨工况下的等离子体控制方案,采用唯象学等离子体体积力模型进行数值仿真,研究了5种工况下不同等离子体控制方案对螺旋桨拉力和效率的影响。结果表明,设计工况下不宜开启等离子体激励器,采用交流激励时等离子体对高转速前进工况下的螺旋桨控制效果不明显,低速重载工况和滑翔工况下螺旋桨拉力和效率增加,低转速抗风工况下螺旋桨拉力大。采用等离子体流动控制技术提高平流层螺旋桨性能是可行的,需要进一步开展大量研究以优化等离子体激励器的布置方案和控制方案,提高等离子体控制效果,以满足低速临近空间飞行器对推进系统的需求。     

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.     

应用等离子体进行翼型升力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,数值模拟了在NLF(1)-0213翼型上表面60%弦长处安装等离子体激励器对升力的控制效果.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.升力线计算结果与实验值吻合,激励器工作时,升力线向上平移,控制效果与襟翼类似.     

Mechanisms of plasma actuators for hypersonic flow control

A summary of recent research progress in hypersonic plasma actuators for flow control is attempted. It is found that the most effective plasma actuator is derived from an electromagnetic perturbation and amplifies by a subsequent viscous–inviscid interaction. Computational efforts using drift-diffusion theory and a simple phenomenological plasma model, as well as experiments in a hypersonic plasma channel, have shown the effectiveness of using electro–aerodynamic interaction as a hypersonic flow control mechanism. In principle, the plasma actuator based on magneto–aerodynamic interaction should have an added mechanism in the Lorentz force, making it even more effective as a flow control mechanism. However, this approach also incurs additional challenges and complications due to the Hall effect.

Magneto–aerodynamic interactions have also been demonstrated for separated flow control, albeit in a very limited scope. Numerical simulations based on a simple phenomenological plasma model have shown the feasibility of separated flow suppression in shock-boundary-layer interaction over a compression ramp at a hypersonic flow of Mach 14.1. The control mechanism relies on the Lorentz force to energize the retarded shear layer in the viscous interacting region, but the effectiveness of momentum transfer via inelastic collision requires further validation.     

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。     

等离子体气动激励抑制翼型失速分离的仿真研究

通过求解表面放电的二维流体体力模型,建立了翼型等离子体流动控制的数学模型,得到等离子体气动激励诱导的体力和热量分布,与Navier-Stokes方程耦合求解.进行了低雷诺数条件下,等离子体气动激励抑制NACA0009翼型失速分离的数值仿真研究,研究了等离子体激励的强度、激励电极数目和激励位置对流动分离抑制和翼型升阻特性的影响.在雷诺数为58000、攻角为24°的情况下,施加等离子体激励后,升力系数由0.7449增大到1.2404;阻力系数由0.4012减小到0.3503.      

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.      

Numerical investigation of aerodynamic flow actuation produced by surface plasma actuator on 2D oscillating airfoil

Numerical simulation of unsteady flow control over an oscillating NACA0012 airfoil is investigated. Flow actuation of a turbulent flow over the airfoil is provided by low current DC surface glow discharge plasma actuator which is analytically modeled as an ion pressure force produced in the cathode sheath region. The modeled plasma actuator has an induced pressure force of about 2 k Pa under a typical experiment condition and is placed on the airfoil surface at 0% chord length and/or at 10% chord length. The plasma actuator at deep-stall angles(from 5° to 25°) is able to slightly delay a dynamic stall and to weaken a pressure fluctuation in down-stroke motion. As a result, the wake region is reduced. The actuation effect varies with different plasma pulse frequencies, actuator locations and reduced frequencies. A lift coefficient can increase up to 70% by a selective operation of the plasma actuator with various plasma frequencies and locations as the angle of attack changes. Active flow control which is a key advantageous feature of the plasma actuator reveals that a dynamic stall phenomenon can be controlled by the surface plasma actuator with less power consumption if a careful control scheme of the plasma actuator is employed with the optimized plasma pulse frequency and actuator location corresponding to a dynamic change in reduced frequency.     

等离子体激励器对微型飞行器横航向气动力矩控制的实验研究

在前期等离子体激励器基本流场特性研究的基础上,将等离子体激励器应用于微型飞行器(MAV)进行气动控制。当来流速度为9.1 m/s时,在微型飞行器机翼吸力面非对称布置不同的单介质阻挡放电(SDBD)等离子体激励器,通过对未施加激励的偏航、滚转力矩曲线和施加激励的偏航、滚转力矩曲线进行对比,发现横航向气动力距发生很大的改变,可以实现对横航向气动力矩的控制。在此基础上,采用图像测速(PIV)技术,对机翼背风面的流场进行研究,分析产生横航向控制力矩的流动机理。通过改变激励器的输入电压、占空比和调制频率,实现对横航向气动力矩的比例控制。