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。     

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。     

脉冲介质阻挡放电等离子体热效应实验

为了研究介质阻挡放电的热效应,将介质阻挡放电等离子体激励器(DBDPA)安装在一个小型量热风洞中,采用微秒级脉冲等离子体电源驱动DBDPA产生放电等离子体。分别应用Lissajous图形分析方法和量热学原理获得了DBDPA的放电功率特性和热功率特性。结果表明:①脉冲介质阻挡放等离子体的放电功率、热功率和热效率均随着激励电压峰-峰值和激励频率的升高而逐渐增大;②脉冲介质阻挡放电等离子体的放电功率和热功率与激励电压和激励频率之间均存在幂函数关系,即脉冲式介质阻挡放电等离子的放电功率正比于激励电压峰-峰值的1.75次方,正比于激励频率的1次方,其热功率正比于激励电压峰-峰值的5.0次方,正比于激励频率的1.5次方;③在激励电压和激励频率这两个参数中,优先选择提高激励电压峰-峰值更有利于提高热效率,也可更快地提升介质阻挡放电等离子热功率中气体加热功率的比例。      

脉冲等离子体流动控制机理研究

为了深入研究介质阻挡放电等离子体流动控制机理,采用数值仿真方法研究了激励器定常、非定常工作模式下,等离子体流动控制对边界层影响,并分析了不同模式控制流动分离的能力。仿真结果表明:激励器定常工作时,在壁面形成射流,非定常工作时,则在激励器下游诱导产生了一系列旋涡,同时旋涡向下游的运动加剧主流与边界层混合;不同工作模式,等离子体激励都能有效控制流动分离;非定常激励时,脉冲占空比为0.6时仍能有效抑制流动分离,控制效率更高。     

等离子体助燃对航空煤油贫油燃烧的影响研究

为验证等离子体助燃改善航空煤油贫油燃烧性能的可行性,研制了圆管型介质阻挡放电等离子体助燃激励器,开展等离子体辅助航空煤油贫油燃烧的验证试验,分析等离子体激励参数(电源占空比、工作介质流量、放电电压)对燃烧性能(燃烧效率、贫熄边界)的影响,并与未施加等离子体助燃激励时的性能参数进行比较,同时对等离子体强化航空煤油贫油燃烧的原因进行了初步分析。实验结果表明,电源占空比或助燃激励器工作介质流量减小、放电电压增大时,燃烧效率增大、贫熄边界扩大,且施加等离子体助燃激励后燃烧性能均有一定程度的提高;圆管型空气介质阻挡等离子体放电产生的O3是等离子体强化航空煤油贫油燃烧的主要因素。     

纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟

利用数值模拟,研究了纳秒脉冲介质阻挡放电（NS-DBD）等离子体激励器在圆柱高速流动控制中的应用。首先,研究了单电极NS-DBD等离子体激励器在静止空气中放电后的流场特性。研究表明在介质阻挡放电形成的等离子体区域,有局部能量快速注入,放电结束5 μs后在上极板后端点位置形成了一个局部温度高达900 K的热点,由此引发很强的压力扰动,形成以上极板后端点位置为中心,扩散速度约为声速的半圆形压缩波。在此基础上,通过数值模拟研究了NS-DBD等离子体激励器布置在直径为6 mm的圆柱上,来流马赫数为Ma_∞=4.6时,对圆柱脱体激波的控制作用。研究表明介质阻挡放电形成的半圆形压缩波对于脱体激波有很强的干扰作用,激波距离增加了15.7%,激波强度也有相应的减弱,导致阻力减少了13%。     

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。     

高风速下介质阻挡放电等离子体气动激励抑制翼-身组合体失速分离的试验研究

在较高风速下研究介质阻挡放电等离子体气动激励对翼一身组合体绕流流动的控制效果。结果表明：在来流风速100m／s的情况下,介质阻挡放电等离子体气动激励能较好地抑制流动分离,失速迎角推迟约30％,升阻比最大提高80％。研究结果为等离子体流动控制技术的应用奠定重要基础。     

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。     

飞行器绕流介质阻挡放电等离子体流动控制技术综述

分析了正弦波激励及纳秒脉冲激励两种激励方式介质阻挡放电等离子体控制技术原理,介绍了近年来该技术在分离控制、激波控制、附面层转捩控制等方面的相关研究进展及成果,展望了该技术在未来飞行器发展中的应用。介质阻挡放电等离子体流动控制技术对现代飞机的气动设计可以提供参考。     

毫秒脉冲等离子体激励改善飞翼的气动性能实验

在来流速度为30m/s时,进行了毫秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励改善飞翼气动性能的风洞实验.等离子体激励器布置在飞翼前缘,峰峰值电压为9.5kV时,放电的脉冲能量在0.1mJ/cm量级.通过六分量测力天平测力研究了脉冲激励频率和占空比对升/阻力系数、升阻比和俯仰力矩系数的作用效果.结果表明:等离子体激励可以有效改善飞翼大攻角气动特性;在最佳无量纲脉冲激励频率F+≈1时,临界失速迎角由14°提高到17°,最大升力系数提高10%;占空比对流动控制效果影响较大,减小占空比可以降低能耗,实验中最佳占空比为5%;俯仰力矩系数的变化表明施加等离子体激励改善了飞翼纵向静稳定性.      

翼型动态失速DBD等离子体流动控制的数值模拟研究

进行了翼型深度动态失速及基于DBD介质阻挡放电等离子体激励器的流动控制技术数值模拟研究。将激励器对流动空气的作用以彻体力源项形式加入N-S方程。通过数值求解此N-S方程,研究了DBD激励器对NACA0012翼型俯仰运动深度动态失速的控制作用;研究了DBD激励器工作方式对动态失速平均气动力、气动力迟滞曲线的影响,提出了控制效果较好的激励器工作方式。     

等离子体激励位置对抑制压气机角区分离效果的影响

为了揭示等离子体气动激励对角区分离的作用效果,应用FLUENT软件数值模拟了等离子体激励器对压气机叶栅角区分离的影响.采用等离子体激励器的简化唯象模型,在压气机叶片吸力面和端壁不同位置沿流向施加激励,对总压损失系数、极限流线、不同截面流动情况进行了比较分析.结果表明:吸力面激励对角区分离改善有限,角区未失速时,近分离点前是激励最佳位置,角区失速后,激励位置越靠前效果越好;端壁流向激励能明显减小角区分离损失,分离点至叶片前缘任何位置施加激励效果一样;组合激励同时减小吸力面边界层和端壁边界层损失,使角区分离消失且不受攻角变化影响.     

等离子体激励器控制平板边界层转捩实验研究

在低速射流风洞中,研究了单级介质阻挡放电等离子体激励器对光滑平板边界层转捩位置的控制作用。实验采用热线测量技术,以边界层速度脉动与平均速度型作为转捩判据。实验发现,在来流速度为15 m/s,激励器连续放电参数为输出电压峰峰值11 kV,频率4.7 kHz时,在激励器放电作用下,平板边界层转捩位置推迟约40 mm。在相同的来流条件和激励器布局下,研究了不同放电参数对边界层内速度型,速度脉动以及频谱分布的影响,发现提高放电电压、频率和占空比能进一步推迟转捩。实验结果表明:激励器产生的射流效应可以增强边界层流动的稳定性,随放电电压、频率以及占空比增强,射流能量增大,因此边界层稳定性进一步加强,转捩控制效果也更明显。     

斜孔式等离子体合成射流激励器静特性的实验

设计了斜孔式等离子体合成射流激励器,采用电参数测量和高速纹影技术研究了其放电特性及瞬态流场特性。实验表明:相较直孔式等离子体合成射流激励器,斜孔式等离子体合成射流激励器的射流流动表现出明显的附壁效应和非对称性,这有利于提高射流对流动分离的控制能力。同时,实验中还观察到了浮力对等离子体高温射流流场演化的影响,特别是在射流演化的末期,其诱导的垂向速度分量显著地改变了射流的最终运动方向。      

纳秒等离子体激励控制翼型流动分离机理研究

为研究纳秒介质阻挡放电(NSDBD)等离子体控制翼型流动分离的物理机理,采用已建立的NSDBD唯象学模型耦合非定常Navier-Stokes方程模拟纳秒等离子体对流场的作用。使用非定常雷诺平均NavierStokes方程(URANS)和大涡模拟(LES)两种求解方法,研究纳秒等离子体激励对NACA0015翼型流动分离控制。结果表明:NSDBD等离子体激励促使边界层提前转捩,转捩对控制流动分离起重要作用;NSDBD激励开始时在翼型前缘形成展向涡,展向涡促使分离剪切层失稳并最终进入尾迹,展向涡贴近壁面运动,将外区的高能气流带入近壁区,使上翼面流场结构发生变化,然后翼型前缘流动提前转捩促使流动经过一个小层流分离泡后发生湍流再附,最终在上翼面形成稳定的附着流动。     

直缝式等离子体合成射流激励器特性的实验研究

为了研究一种新型的直缝式等离子体合成射流激励器,采用高速纹影技术和电参数测量的方法,对激励器的瞬态流场特性和放电特性进行了研究。实验结果表明:在相同出口面积的情况下,直缝式等离子体合成射流激励器的初始射流速度是直孔式激励器的1.4倍。直缝式激励器速度衰减更快,喷气时间更短,和外部气流的动量交换更加迅速。实验中首次对直缝激励器的三维流场进行描述及分析,发现其前驱激波及射流形态具有更好的平面度,存在较大的均匀区。直缝式等离子体合成射流激励器在提高工作频率、扩大流动控制区间等方面具有一定优势。     

超临界机翼介质阻挡放电等离子体流动控制

为了进一步提高等离子体激励器可控雷诺数,采用测力以及粒子图像测速(PIV)等研究方法,从二维机翼到三维半模,从低雷诺数到高雷诺数,开展了对称布局式介质阻挡放电(DBD)等离子体激励器控制超临界机翼气动特性的试验研究,分析了控制机理,实现了等离子体"虚拟舵面"的功能。结果表明:在雷诺数为2×10⁶的情况下,对称布局式等离子体气动激励能较好地抑制超临界机翼绕流流场分离,使失速迎角推迟2°,最大升力系数提高8.98%。     

微秒脉冲等离子体流动控制延迟效应研究

等离子体流动控制(PFC)能有效抑制翼型附面层分离,增加升力,推迟失速,应用前景广阔。流场的延迟效应是指采用PFC进行流动控制时,激励关闭后,流动控制效果仍存在的现象。本文对新型微秒脉冲介质阻挡放电(μs-DBD)的体积力和冲击波特性进行测试,并在此基础上开展风洞实验,进行流场的延迟效应研究,测试μs-DBD的延迟时间和参数影响规律。结果表明,μs-DBD能同时产生体积力和冲击波作用,同时也能在流场中产生明显的延迟效应,延迟时间不小于1200s,远大于毫秒脉冲介质阻挡放电(AC-DBD)产生的延迟时间(150s);激励电压和来流速度越大,翼型迎角越小,延迟效应越强;等离子体激励能使流场失稳分岔,并转变为更优的分岔解;延迟效应研究在节约能耗、延长激励器寿命、PFC控制律设计和风洞实验方法优化等方面有重要意义。     

等离子体用于飞翼布局模型增升减阻试验研究

在风速30m/s、40m/s条件下,通过风洞天平测力试验,研究了飞翼布局模型上布置纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励器后,等离子体激励电压、激励电极数目和激励位置变化对飞翼布局模型增升减阻的效果影响。研究表明,与激励电压和激励电极数目相比,激励位置对流动控制的效果有决定性的影响,同时相对于其他控制位置,等离子体激励抑制模型翼面前缘涡分离效果明显;等离子体激励启动后,通过向边界层内的流体注入能量,推迟了飞翼布局模型翼面大迎角时的流动分离,提高了模型的最大升力系数C_(Lmax)和失速迎角αs,降低了阻力系数C_D;在一定试验条件下,施加等离子体气动激励后,最大升力系数C_(Lmax)由0.97增大到1.1,增大13.2%,失速迎角αs由17.4增大到21.4,推迟了4°,阻力系数C_D最大减小量达到24.6%,且随等离子体激励器能量的增加,激励效果越显著。