等離子體高能合成射流及其超聲速流動控制機理研究.pdf

1、有效的主動流動控制技術(shù)對于保證飛行器的飛行安全性、改善飛行器可操縱性和提高飛行器推進效率具有重要意義，而主動流動控制的實際應(yīng)用則取決于高性能主動流動控制激勵器的發(fā)展。等離子體氣動激勵器以其結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、工作頻帶寬、無機械活動部件和環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢，已成為主動流動控制技術(shù)和流體力學(xué)研究的前沿與熱點。作為等離子體氣動激勵器的一種，等離子體合成射流激勵器兼具有合成射流激勵器無需氣源與管道的零質(zhì)量通量特征和等離子體氣動激勵器的諸多優(yōu)點

2、，而且可以產(chǎn)生速度高達每秒數(shù)百米的高能射流和強度較大的“前驅(qū)激波”，在超聲速/高超聲速主動流動控制中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能，極有可能成為高速流場主動流動控制技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H工程應(yīng)用的突破口。
　　針對等離子體合成射流機理及其在超聲速流動控制應(yīng)用中存在的科學(xué)問題，本文綜合運用數(shù)值模擬、實驗和理論分析方法，以常規(guī)兩電極等離子體合成射流激勵器全面系統(tǒng)研究為基礎(chǔ)，以提高等離子體合成射流激勵器工作特性和實現(xiàn)高速流場有效控制為目標，積極開展

3、新型三電極等離子體高能合成射流激勵器和基于等離子體合成射流的超聲速流動控制機理研究。
　　基于氣體放電的熱效應(yīng)作用機理，并結(jié)合局部熱力學(xué)平衡等離子體物理假設(shè)，建立了等離子體合成射流唯象能量沉積模型，分析了等離子體合成射流完整周期內(nèi)的流場變化過程和速度特性，提出了飽和頻率這一激勵器工作特性重要參數(shù)。數(shù)值結(jié)果表明兩電極等離子合成射流激勵器工作過程中，電能-熱能和電能-射流動能的轉(zhuǎn)換效率分別約為5％和1.6%。實驗驗證了等離子體合成射流

4、激勵器快速的流場響應(yīng)能力，容性電源供能的兩電極等離子體合成射流激勵器電容-電弧能量的轉(zhuǎn)換效率約為20%。激勵器出口直徑和腔體體積的增大會降低形成射流的速度，隨著放電頻率的提高，激勵器工作頻率對射流特性的影響效果減弱。
　　通過在兩電極激勵器結(jié)構(gòu)中引入觸發(fā)電極，并改進激勵器電源系統(tǒng)，設(shè)計了一種新型三電極等離子體高能合成射流激勵器。三電極等離子體高能合成射流激勵器可以有效降低激勵器工作擊穿電壓，減小電源體積和功率，易于激勵器系統(tǒng)的小型

5、化、集成化。在相同工作擊穿電壓條件下，三電極激勵器可以增大放電電弧長度，實現(xiàn)激勵器腔內(nèi)氣體的充分加熱，提高射流形成能力。三電極激勵器電容-電弧能量轉(zhuǎn)換效率可以提高至約80%，較兩電極激勵器增大了約4倍。相同電容能量輸入時，三電極激勵器可以形成速度更高、“前驅(qū)激波”強度更大的等離子體高能射流，即三電極激勵器具有低能耗、高能效的工作優(yōu)勢。三電極激勵器工作過程中的電弧能量和腔內(nèi)氣體初始內(nèi)能之比(Q/E)是三電極等離子體高能合成射流流場特性的重

6、要影響參數(shù)，大的Q/E可以產(chǎn)生速度更大的等離子體高能合成射流和強度更大的“前驅(qū)激波”。
　　對比研究了不同低氣壓環(huán)境條件下兩電極/三電極激勵器工作特性，并著重分析了p=0.13atm時三電極等離子體高能合成射流流場結(jié)構(gòu)和參數(shù)影響規(guī)律。結(jié)果表明隨著工作環(huán)境壓強的降低，兩電極/三電極激勵器工作擊穿電壓及放電峰值電流同步減小，但各氣壓條件下兩種激勵器電容-電弧能量轉(zhuǎn)換效率基本不變，分別維持為約20%和85%。在p=0.6atm和0.1a

7、tm時，兩電極等離子體合成射流具有最大的射流速度峰值，但各氣壓條件下“前驅(qū)激波”速度恒定，約為345m/s。三電極等離子體高能合成射流及“前驅(qū)激波”速度均不隨氣體壓強的改變而變化，但“前驅(qū)激波”強度在p=0.6atm時達到最大。隨著電容能量的增加，三電極激勵器電容-電弧能量轉(zhuǎn)換效率降低。隨著電容增大和激勵器腔體體積的減小，三電極等離子體高能合成射流及“前驅(qū)激波”速度增大，但增加速率逐漸減小。
　　開展了等離子體高能合成射流與超聲速

8、橫向主流相互作用過程研究，提出并驗證了等離子體高能合成射流激波控制的波控和渦控雙重作用機理，揭示了激波控制效果的影響規(guī)律。在Ma2的超聲速主流中，等離子體高能合成射流可以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)射流條件下當量射流壓比為4的斜激波角度，產(chǎn)生射流通量比為1.1的射流穿透度。超聲速主流中，射流干擾激波前后的壓強變化可以減小受控激波前后壓差，從而起到激波控制的波控效果。近壁面高溫射流對邊界層的的動量注入和對主流的熱阻塞作用，具有改變激波角度、降低激波強度的渦控