等离子体流动控制研究进展

介绍了国内外等离子体流动控制的研究进展,主要包括直流电晕放电、大气压辉光放电、表面介质阻挡放电等离子体流动控制。目前等离子体流动控制通常采用表面放电方式,电场强度低,属于弱电离放电,仍没有突破＂离子风＂技术,诱导的气流速度仅为8m/s,不具有实用价值。一种高压纳秒脉冲放电成为等离子体流动控制研究领域中的一个新的热点研究方向,但是纳秒脉冲作用周期的占空比小,能否用一个小占空比获得一个更高的作用效率是一个值得深入探讨的问题。等离子体流动控制技术要想具有实际应用价值,就必须提高等离子体可控的来流速度到100m/s以上。因此必须从根本上解决等离子体激励器的现存问题,在深化研究等离子体流动控制作用机理的基础上,逐步提高等离子体激励器性能,这也是等离子体流动控制领域急待解决的问题。     

大面积表面放电等离子体的产生及电特性研究

为了获得大面积表面放电等离子体,设计了大气压多电极表面放电等离子体激励器,并对给定电源频率下等离子体激励器的放电特性(包括气体放电的利萨如图形、稳定放电时的功率及功率面密度等参数)进行了实验研究.实验测量结果表明,采用多电极结构表面放电等离子体激励器可以在较低的电源输入功率面密度下获得大面积的气体放电等离子体.     

介质阻挡放电等离子体流动控制技术的研究进展

概括了介质阻挡放电等离子体流动控制技术的潜在应用前景;介绍了介质阻挡放电等离子体流动控制的基本机理,列举了流动控制技术的优势;从实验研究、数值模拟研究、机理研究3个方面阐述了国内外的研究现状;指明了其中存在的关键问题及其解决途径;分析了中国开展此项研究的科研基础。     

等离子体合成射流激励器的流场特性分析

等离子体合成射流作为一种新型的主动流动控制技术,是针对传统合成射流激励强度差而设计的。利用Fluent 6.3软件,采用结构化网格,对等离子体合成射流激励器流场进行了二维非定常数值模拟,研究单次放电激励器流场的演化规律,并且比较了不同放电时间尺度对激励器出口速度的影响。研究表明:等离子体合成射流激励器能够产生高速射流,最大速度达到439 m／s,大大增加了流场湍流度;激励器放电时间越长,出口峰值速度越大。计算结果表明等离子合成射流激励器能够应用于高速流动控制。     

介质表面的辉光放电特性

为产生大面积片状等离子体,实验研究了在介质表面的直流放电氩等离子体特性. 测试了共面电极和对面电极两种结构下的放电伏安特性曲线和等离子体发光图像,讨论了介质表面效应对电场分布和放电特性的影响. 结果表明,这两种电极结构具有相似的放电特征,等离子体通道紧贴介质表面;二者伏安特性曲线基本相同,它们随放电条件的变化规律也比较相似,但与传统平板电极直流放电特性不尽相同. 介质表面影响电场分布和电荷损失机制,因而影响放电特性. 介质表面共面和对面电极结构可以产生高密度平面等离子体.     

不同级联方式的多级沿面介质阻挡等离子体激励器的放电和反推力特性研究

为研究不同级联方式下,多级沿面介质阻挡等离子体激励器的放电和反推力特性的不同,本文基于典型的沿面介质阻挡等离子体激励器结构,开展了单级、两级并联和两级串联激励器在静止大气环境下的放电实验和天平测力实验。实验中,激励器的驱动电压波形为正弦波,频率为1 kHz~3 kHz。通过高压探头和电子天平分别测得激励器工作的电流、电压信号和其产生的反推力,基于Lissajous图分析了激励器的放电功率。最后,从伏安特性、放电功率、反推力和放电辉光等方面对实验结果进行了对比分析,获得以下结论：在同样的驱动电压参数下,两级并联激励器的放电电流、放电功率和反推力均相对最大,两级串联激励器的则相对最小,单级激励器居中。在工作模式方面,两级并联激励器的每级承载电压相同,相互独立,放电同步,但存在逆向放电;两级串联激励器的每级间存在强耦合,承载电压不同,放电不同步,接高压端级放电优先,近接地级放电迟缓,由于等势体的存在,不存在逆向放电。     

基于方格网状等离子体激励器的翼型湍流减阻实验

等离子体流动控制技术具有结构简单、响应迅速等特点，已成为流动控制领域的研究热点。为减小飞机的湍流摩擦阻力， 提出了一种基于方格网状等离子体激励器的新型湍流减阻方法，研究了其放电特性与诱导流动特性，并在风洞中获得该激励器减小NACA0012翼型湍流摩擦阻力的参数规律。结果表明，静止条件下，方格网状激励诱导的射流速度与占空比成正比，而随脉冲频率的增大先增加后减小，诱导射流的最大瞬时速度为1.75 m/s。来流速度为15 m/s时，激励能使翼型湍流摩擦阻力减小3.5%。方格网状激励诱导产生的射流使近壁面流体整体抬升，破坏近壁面涡结构，进而抑制湍流生成，实现摩擦减阻。     

大气压等离子体流动控制实验

进行了大气压等离子体流动控制初步实验。在等离子体激励器表面产生了大气压等离子体,验证了不对称布局等离子体激励器诱导边界层加速的现象;发现了一个不对称布局的激励器和一个对称布局的激励器并联、垂直布置的情况下,不对称布局激励器表面边界层加速现象消失,对称布局激励器表面边界层发生了旋涡运动;验证了等离子体激励抑制翼型失速分离的有效性。     

纳秒脉冲气动激励无人机流动控制风洞试验

等离子体流动控制作为一种新型的主动流动控制技术,可显著提升飞行器的气动性能。采用纳秒脉冲气动激励进行了某型无人机流动分离控制实验。实验结果表明:纳秒放电和毫秒放电的激励电压几乎相等,但是纳秒放电产生的电流(30A)比毫秒放电电流(0.1A)大得多;纳秒脉冲气动激励在流场中诱导产生近似向上的冲击波,最大诱导速度不超过0.5m/s;纳秒放电的快速温升效应在静止空气中诱导产生冲击波,冲击波的持续时间约为80μs,传播速度约为380m/s;当激励电压大于一定阈值时,纳秒脉冲气动激励使得该型无人机上表面的流动分离得到抑制,临界失速迎角从20°提升至27°,最大升力系数增大11.24%。探究放电频率对流动控制效果的影响规律,结果表明:最佳激励频率是使得施特劳哈尔数为1的频率值;在附面层流动控制方面,纳秒脉冲气动激励较毫秒脉冲气动激励更加有效;纳秒脉冲等离子体流动控制的主要机制是冲击效应,在高速流动控制中,冲击效应比动力效应更加有效。     

大气压气体放电等离子体流动控制概述

等离子体与固体、液体、气体一样,是物质的一种存在形态,也被称之为物质的第四态.首先简要介绍了气体放电等离子体的基本特性、等离子体在空间中的广泛存在状态、等离子体的划分方法、产生方法以及气体放电等离子体研究的发展历程;其次进一步介绍了流动控制技术在航空航天领域的重要性、流动控制技术的分类、主动流动控制的技术优势以及流动控制技术的作用机理等;然后着重介绍了大气压气体放电等离子体流动控制技术在国内外的发展现状,并主要介绍了大气压介质阻挡放电等离子体流动控制技术的技术优势及其在流动控制领域中的研究现状;最后文章对大气压介质阻挡放电等离子体流动控制领域的研究工作进行了展望.     

多级双极性等离子体激励器加速气流的实验研究

等离子体激励器是一种新型的流动控制手段,通过其产生的等离子体加速气流,从而实现对流动的控制．然而,单一等离子体激励器因其加速气流的效果受到自身流向长度的限制,其应用范围通常被局限在小尺度的物体上．目前采用的解决方法是将多个传统等离子体激励器并联成一组,形成多级激励器,然而前后电极的相互干扰大大降低了这种多级激励器的工作效率．本文提出了一种新型等离子体激励器的串联方案,也就是将多级激励器中前一级的下电极都与后一级的上电极相连,形成一种新型多级双极性等离子体激励器．粒子示踪测速系统（PIV）对该激励器加速气流的实验结果表明,这种新型多级激励器能够消除前后电极之间的相互干扰,大大提高多级等离子体激励器加速气流的效率．     

典型布局端壁等离子体激励抑制高负荷扩压叶栅角区分离实验

为提高端壁等离子体气动激励对高负荷压气机扩压叶栅角区流动分离的控制能力,需要进一步优化激励布局,实现更高效的流动控制。针对多种端壁等离子体激励布局形式,分别开展了毫秒脉冲等离子体气动激励抑制叶栅角区流动分离的实验研究。结果表明:端壁横向流动对角区流动分离的影响大于流向附面层的流动分离。端壁激励布局对流动控制效果至关重要。优化后的激励布局沿三维角区端壁分离线切向,流动控制效果最好,50%叶高处总压损失减小11.8%;但随着来流攻角的变化,导致激励器布置不再与端壁分离线相切,流动控制效果减弱,因此要根据控制攻角的范围需求,结合具体的流场结构,设计合适的激励布局;适当的增加激励组数能有效促进射流与近壁面气流掺混,提高流动控制效果。     

介质阻挡放电等离子体对圆柱绕流尾迹区流场影响实验研究

利用二维粒子图像测速系统研究了低速风洞实验中介质阻挡放电等离子体对圆柱绕流尾迹区流场的影响。对圆柱尾迹区时均流场和瞬时流场的分析表明,在圆柱表面布置的两对等离子体激励器可在圆柱尾迹区形成射流,进而改变尾迹区的速度分布和涡量分布。     

等离子体气动激励减小翼型跨音速阻力的数值模拟

等离子体气动激励能够显著提升飞行器／动力装置的气动性能。本文进行了等离子体气动激励减小RAE2822翼型跨音速阻力的数值模拟。将电弧放电等离子体激励简化为对流场的热能注入,建立了基于唯象学的数值计算模型,以实验测试结果作为输入条件,将热能以源项的形式加入N-S方程求解,研究了不同来流速度、激励强度以及激励位置下等离子体气动激励对翼型阻力特性的影响。仿真结果表明:等离子体气动激励可以有效减小RAE2822翼型跨音速阻力,来流速度与等离子体气动激励减阻效果有较大关系,当[WTBX]Ma=0.81时,减阻达到13.58％;激励强度对减阻效果影响较小,当W[WTBZ]=3 000 K时,减阻达到11.77％;增大激励位置,减阻效果增大,但幅度变小,当[WTBX]D[WTBZ]=20 mm时,减阻达到13.17％。     

Advanced flow measurement and active flow control of aircraft with MEMS

Advanced flow measurement and active flow control need the development of new type devices and systems.Micro-electro-mechanical systems(MEMS) technologies become the important and feasible approach for micro transducers fabrication.This paper introduces research works of MEMS/NEMS Lab in flow measurement sensors and active flow control actuators.Micro sensors include the flexible thermal sensor array,capacitive shear stress sensor and high sensitivity pressure sensor.Micro actuators are the balloon actuator and synthetic jet actuator respectively.Through wind tunnel test,these micro transducers achieve the goals of shear stress and pressure distribution measurement,boundary layer separation control,lift enhancement,etc.And unmanned aerial vehicle(UAV) flight test verifies the ability of maneuver control of micro actuator.In the future work,micro sensor and actuator can be combined into a closed-loop control system to construct aerodynamic smart skin system for aircraft.     

等离子激励器对静止空气的诱导作用

对等离子体发生器对静止空气诱导加速作用进行了数值模拟,并与Notre Dame大学的相关实验结果进行了比较,二者符合良好.研究结果表明,等离子体发生器对静止空气有诱导加速作用,激励强度、等离子体发生器尺寸等对流体的诱导有较大影响.该研究成果可用于飞行器的减阻增速、流动分离控制及推力矢量控制等.