等離子體高能合成射流及其超聲速流動(dòng)控制機(jī)理研究.pdf

1、有效的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)對(duì)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(jìn)效率具有重要意義，而主動(dòng)流動(dòng)控制的實(shí)際應(yīng)用則取決于高性能主動(dòng)流動(dòng)控制激勵(lì)器的發(fā)展。等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、工作頻帶寬、無(wú)機(jī)械活動(dòng)部件和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已成為主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)和流體力學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)。作為等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的一種，等離子體合成射流激勵(lì)器兼具有合成射流激勵(lì)器無(wú)需氣源與管道的零質(zhì)量通量特征和等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的諸多優(yōu)點(diǎn)

2、，而且可以產(chǎn)生速度高達(dá)每秒數(shù)百米的高能射流和強(qiáng)度較大的“前驅(qū)激波”，在超聲速/高超聲速主動(dòng)流動(dòng)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(chǎng)主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H工程應(yīng)用的突破口。
　　針對(duì)等離子體合成射流機(jī)理及其在超聲速流動(dòng)控制應(yīng)用中存在的科學(xué)問(wèn)題，本文綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)和理論分析方法，以常規(guī)兩電極等離子體合成射流激勵(lì)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(lì)器工作特性和實(shí)現(xiàn)高速流場(chǎng)有效控制為目標(biāo)，積極開(kāi)展

3、新型三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器和基于等離子體合成射流的超聲速流動(dòng)控制機(jī)理研究。
　　基于氣體放電的熱效應(yīng)作用機(jī)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(chǎng)變化過(guò)程和速度特性，提出了飽和頻率這一激勵(lì)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(lì)器工作過(guò)程中，電能-熱能和電能-射流動(dòng)能的轉(zhuǎn)換效率分別約為5％和1.6%。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了等離子體合成射流

4、激勵(lì)器快速的流場(chǎng)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(lì)器電容-電弧能量的轉(zhuǎn)換效率約為20%。激勵(lì)器出口直徑和腔體體積的增大會(huì)降低形成射流的速度，隨著放電頻率的提高，激勵(lì)器工作頻率對(duì)射流特性的影響效果減弱。
　　通過(guò)在兩電極激勵(lì)器結(jié)構(gòu)中引入觸發(fā)電極，并改進(jìn)激勵(lì)器電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新型三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器。三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器可以有效降低激勵(lì)器工作擊穿電壓，減小電源體積和功率，易于激勵(lì)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(lì)器可以增大放電電弧長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)器腔內(nèi)氣體的充分加熱，提高射流形成能力。三電極激勵(lì)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(lì)器增大了約4倍。相同電容能量輸入時(shí)，三電極激勵(lì)器可以形成速度更高、“前驅(qū)激波”強(qiáng)度更大的等離子體高能射流，即三電極激勵(lì)器具有低能耗、高能效的工作優(yōu)勢(shì)。三電極激勵(lì)器工作過(guò)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(chǎng)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(qiáng)度更大的“前驅(qū)激波”。
　　對(duì)比研究了不同低氣壓環(huán)境條件下兩電極/三電極激勵(lì)器工作特性，并著重分析了p=0.13atm時(shí)三電極等離子體高能合成射流流場(chǎng)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(qiáng)的降低，兩電極/三電極激勵(lì)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(lì)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(shí)，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(qiáng)的改變而變化，但“前驅(qū)激波”強(qiáng)度在p=0.6atm時(shí)達(dá)到最大。隨著電容能量的增加，三電極激勵(lì)器電容-電弧能量轉(zhuǎn)換效率降低。隨著電容增大和激勵(lì)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(kāi)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(guò)程研究，提出并驗(yàn)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(jī)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(dāng)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(qiáng)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(duì)邊界層的的動(dòng)量注入和對(duì)主流的熱阻塞作用，具有改變激波角度、降低激波強(qiáng)度的渦控