表面介质阻挡纳秒脉冲放电能量特性和诱导流动特性研究

聚焦于表面介质阻挡纳秒脉冲放电(NS DBD)基本问题,设计不同结构激励器,研究放电能量特性、诱导流动特性.结果表明:单位展长激励器单次放电能量随激励电压增大而非线性增大,其值在0.1~1 m J/cm量级,与激励器长度和激励频率无关;NS DBD瞬时功率可达几百千瓦,而时均功率较低,仅为瓦量级.NS DBD诱导流动的速度较低,在0.1 m/s量级上;提升激励电压对诱导速度提升不明显;随激励频率增大有所增大.NS DBD可诱导形成冲击波,其初始运动速度稍高于音速,不同结构激励器诱导冲击波在传播位置上无明显差别,主要影响诱导冲击波个数;激励电压对冲击波传播速度无明显影响;唯象学仿真表明不同沉积能量诱导冲击波速度不同,实验对应下的沉积能量诱导冲击波波速近于音速.     

激励频率对等离子体合成射流的影响

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟了不同激励频率下等离子体合成射流诱导的流场,其中等离子体激励器采用体积力唯象模型模拟.计算结果表明,随着激励频率的增大,激励器诱导的相邻两个涡对的流向间距单调减小,涡对引起的速度波动范围变小,激励频率f=60Hz时,相邻两个周期内所形成的涡对很快融合在一起,下游的流场结构更接近于定常激励的情况.激励频率对等离子体合成射流平均流场几乎没有影响.等离子体激励频率较小时（f〈40Hz）,等离子体合成射流在近壁面区域内的动量随着激励频率的增大而增大,在距壁面较远位置以后,变化趋势相反.     

介质阻挡放电等离子体流动控制的研究

在等离子体激励因素诱导流场变化实验和数值模拟分析的基础上,探索了介质阻挡放电等离子体流动控制的效应．结果表明湍流模型比层流模型可获得更好的结果．通过平板流动实验与压气机叶栅实验相结合的措施,研究了等离子体对外流、内流加速与抑制流动分离的耦合作用．实验结果表明：等离子体激励可以改变边界层的速度特性;在流速低于20m／s时,等离子体激励可显著改善栅后总压和速度分布特征;流速接近50m／s时,等离子体仍会明显改变总压和速度的最小值;可见,在低速流动条件下,采用等离子体激励方式能达到抑制流动分离的目的．     

非定常等离子激励器诱导平板边界层的流动结构

采用唯象模型模拟DBD等离子激励器,通过求解Navier-Stokes方程研究了等离子非定常激励与平板边界层的相互作用.分别考察了激励强度、激励波形和激励频率对非定常等离子体激励诱导流场结构的影响.结果表明,非定常等离子激励使边界层内形成系列涡对,其涡量沿程呈指数型衰减.涡对的强度主要由等离子的有效激励强度决定,激励频率主要是对涡的平均流向间距的影响.占空因子不太大时,相邻涡对的相互作用可以忽略,激励波形对涡对影响不大.     

放置于驻点的合成射流控制圆柱涡脱落模式的实验研究

将合成射流同时放置于圆柱前、后驻点位置,利用PIV测速技术,在水槽中进行了合成射流控制圆柱绕流的实验研究.在来流雷诺数、合成射流激励器振幅为固定值的情况下,使合成射流激励频率fe为尾迹涡固有脱落频率f0的1到3倍,应用频谱分析和本征正交分解(Pro-per Orthogonal Decomposition,简称POD)等方法,研究了合成射流对圆柱绕流结构的控制效果.随着激励频率的增加,合成射流的影响范围沿流向逐渐扩大,并且激励频率逐渐取代尾迹涡脱落的固有频率主控全流场.不施加控制以及fe/f0=1,2时,前两阶POD模态分布规律及模态系数的频谱分析均体现出尾迹涡固有的反对称脱落特性.激励频率fe/f0=2,3时,尾迹涡脱落模式的变化以及激励频率的主频特性在第3,4阶模态分布及模态系数变化中得到了很好的体现.激励频率fe/f0=2时,尾迹涡脱落兼有对称与反对称模式;激励频率fe/f0=3时,合成射流涡对在近尾迹剪切层诱导产生对称的尾迹涡结构,但是在向下游发展过程中逐渐演化为反对称模式.     

利用介质阻挡放电等离子体控制压气机叶栅端壁二次流

在压气机叶栅端壁20％,40％和60％弦长处布置了3组等离子体激励器．利用微型五孔压力探针测量了施加等离子体激励前后压气机叶栅尾迹的流场．测量结果表明3组激励器同时工作时对总压损失和流动阻塞改善的效果最好．各组等离子体激励器独立工作时,20％弦长处的等离子体激励能够最有效的改善流动阻塞;60％弦长处的激励对总压损失的改善比较好;而40％弦长处的激励则会恶化总压损失．总之在叶栅端壁施加等离子体激励对端壁二次流有较明显影响,激励位置是影响作用效果的关键因素．     

空间静电放电对集成运算放大器的干扰影响模拟试验研究

航天器充电效应导致的空间静电放电(SESD)作用于星载电子设备会使敏感电路和器件产生各种"软错误",最终可能导致设备或系统异常甚至整星失效.目前,关于SESD对空间电子设备,尤其是对星用器件的影响研究较少.本文选取典型的模拟电路LM124集成运算放大器为研究对象,利用ESD发生器模拟空间静电放电对该器件的常用4种工作模式进行了辐射干扰试验,并利用信号发生器对器件输入端进行了正弦波干扰注入测试.模拟的SESD干扰试验结果表明,运放输出端在放电干扰下会产生异常瞬态脉冲,脉冲特征与器件的工作模式、偏置条件和放电电压有关.电压比较器只出现单一极性的输出瞬态脉冲,电压跟随器与同相放大器对ESD的响应类似,而反相放大器对ESD的敏感度相对较低.正弦波干扰注入测试结果表明,输出瞬态脉冲的幅度、脉宽与输入端干扰信号的幅度和频率之间存在明显的相关性.此工作对于深入研究各类星用典型器件对SESD干扰的响应规律,了解SESD导致航天器电子设备或系统在轨故障的机制,进而在电路层次采取有针对性的防护措施具有借鉴意义.     

尾迹撞击平板诱发旁路转捩前期拟序结构的实验研究

通过水槽氢气泡流动显示和PIV实验研究了圆柱尾迹与平板前缘发生直接撞击后平板边界层旁路转捩特性,包括边界层旁路转捩前期拟序结构演化及其对流场统计特性影响.结果表明,尾迹撞击平板后能在平板上表面近壁区生成尺度较小展向涡;这些展向涡或者是尾迹涡被平板前缘切割后在近壁区残留部分,或者是由过前缘尾迹涡所诱生成.近壁区展向涡生成使边界层内流向速度脉动最大值在早期即出现快速增长.另一方面,尾迹对平板撞击作用主要体现在圆柱尾迹中发辫涡结构在流经平板前缘时被撕裂,受RDT机制作用在流向上被迅速拉伸形成近壁区流向涡.其后取代展向涡与条带一起成为近壁区主要流动结构,使流向速度脉动最大值出现二次增长.实验中转捩前期近壁区流体同时感受二维动和三维动,使转捩进程相比于尾迹与边界层不发生直接撞击时更加快速.     

旋转诱导轮缘密封不稳定流动特性及结构优化

针对无主流非均匀压力场影响下旋转诱导轮缘密封非定常流动问题,采用经旋转封闭腔试验验证的大涡模拟方法,研究了封闭轮缘密封腔内流动的不稳定性,在此基础上针对典型轴向与径向密封和实际发动机中可见的斜向密封等3种结构进行非定常雷诺平均数值计算,研究了典型轮缘密封结构下密封区域瞬时流场特性,并采用快速傅里叶变换与互相关分析方法揭示了轮缘密封区域大尺度涡结构的动力学特性,最后给出了不同轮缘密封结构的旋转诱导封严特性及密封结构优化的启示.研究结果表明:旋转诱导轮缘密封流具有固有不稳定特性,在轮缘间隙区域产生了一系列大尺度涡结构,它们沿周向以低于转子的速度传播,旋涡频率、转速与个数取决于轮缘密封类型,总体上旋转诱导斜向密封的封严效率优于轴向与径向密封.     

扩压叶栅中拓扑与漩涡结构的研究

为进一步揭示扩压叶栅中旋涡的结构型式,以理解旋涡对损失的作用机理,主要使用拓扑分析和数值计算的方法,讨论叶片通道中马蹄涡、通道涡、角涡等二次流旋涡的生成、演绎与发展．提出了低能流体区与外部流动区分界面的概念,分析表明通道涡、马蹄涡和角涡都位于分界面内部（低能流体区）,而集中脱落涡位于分界面外部（外部流动区）．在损失分析方面,采用了流动耗散函数而非熵增来表征损失的大小．结果表明,涡运动与损失的产生存在直接联系,即旋涡的中心附近都是局部损失核心;流道中损失最严重的区域是位于分界面附近而不是位于低能区里．     

异重流在层结与非层结水体中沿斜坡运动的实验研究

异重流在层结环境下的运动特性是海洋、大气等学科领域重要的研究主题之一.本研究在不同层结盐水中开展一系列实验,对突然释放型异重流在斜坡上的发展和演变特性进行了研究.非层结水体中异重流头部速度先迅速增大,而后基本不变减速幅度较小;而在层结水体中异重流头部速度先增大,之后明显减小,其发展主要分为加速阶段、减速阶段和分离阶段三个过程.异重流的运动特性可以用相对层结度S、雷诺数Re和理查德森数Ri0等无量纲参数描述.采用高速相机对异重流头部位置、头部速度和剖面速度等进行了分析.用激光粒子图像测速技术(PIV)得到异重流的速度场和涡度场,结果表明在异重流不同位置的涡度方向存在差异,上边界的正向开尔文-亥姆霍兹涡是产生卷吸的主要原因,下边界的负向涡度则由边界层引起.本文揭示了层结与非层结水体下异重流运动特性的不同影响机理和特性,结果可在河口盐水入侵、海底浊流发展等实际领域中得到应用.     

压电驱动自耦合射流流动和换热特性实验研究

采用三维粒子图像测速仪、热线风速计和红外热像仪对狭缝喷口自耦合射流的流动特征和冲击靶板的对流换热特征进行了实验研究．结果表明，在紧邻喷口的法向距离内，涡对周期性地生成、破碎和融合，在某个法向距离上形成较为稳定的连续性射流；随着自耦合射流的发展，呈现在喷口短轴方向急剧向两侧扩展、而在喷口长轴方向先收缩后缓慢扩展的流动特征．激发器存在两个谐振频率，使得自耦合射流的速度和涡量比较大，其中高频谐振频率效果更好；实验得到的两个谐振频率在数值上与理论分析有一定差异，低频谐振频率相对差值更大．与常规射流冲击冷却相比，自耦合射流冲击作用下的靶面对流换热系数同样具有随冲击间距增大而先逐渐增大、后逐渐衰减的变化趋势，但最佳冲击间距值却明显高于常规射流，而且自耦合射流的作用范围大，表明自耦合射流具有强的夹带能力和穿透能力．     

串联电脉冲沉积Ni20Cr弥散Y2O3微晶涂层及其高温氧化性能

提出了一种把脉冲电源的输出两极均作为沉积电极、被处理试样作为一种感应电极、利用产生的串联脉冲放电沉积金属涂层的新技术. 通过“针-板-针”电极系统的放电电压-放电间隙测量实验证实了上述串联脉冲放电的物理过程. 采用振动式串联电脉冲沉积设备在Ni20Cr合金基体上成功地制备出了Ni20Cr微晶涂层和Ni20Cr弥散Y₂O₃微晶涂层. 950℃空气中的高温氧化实验结果表明, Ni20Cr合金微晶涂层极大地提高了基体合金的抗高温氧化性能, 同时还证实在微晶涂层中施加细小弥散Y₂O₃颗粒有助于进一步降低涂层的氧化速率及提高氧化膜的抗剥落性能.     

应用MDDES的飞行器气动／结构耦合抖振数值模拟

严重分离流动非定常效应是造成现代飞行器发生抖振的主要因素,因此,准确模拟飞行器分离流动是开展飞行器抖振研究的基础．本文在综合考虑现代计算机资源以及分离流流动模型可信度的基础上,建立了基于MDDES（Modified Delayed Detached Eddy Simulation）的分离流非定常数值模拟方法,通过对典型的战斗机大攻角分离流模拟计算,对计算方法进行了验证．在此基础上,综合利用RBF径向基函数技术与无限插值方法建立高效的、鲁棒性强的动网格技术,结合模态空间下结构动力学方程,建立了飞机气动／结构耦合抖振数值模拟平台,对某战斗机大攻角下边条涡干扰引起的垂尾抖振问题开展研究．数值结果显示：通过对流场中涡破裂位置的压力脉动的时域响应进行的频谱分析表明,不同尺度的涡结构脉动频率覆盖了垂尾的结构固有模态频率,相比较雷诺平均Navier-Stokes方程,MDDES方法能够分辨出更细致的、更高频率的小尺度涡结构;与颤振明显的区别,各阶模态位移加速度响应由自身模态所主导,一阶弯曲与一阶扭转模态存在强烈的耦合,使结构产生加速度,承受较大的惯性力载荷冲击,是引起结构疲劳的主要因素,验证了所采用数值手段和相应方法的有效性．     

距离对合成射流涡环撞击壁面的影响

利用二维PIV测速技术研究了射流孔口与壁面距离对合成射流涡环撞击壁面过程的影响,分析了涡环撞击壁面的演化规律,给出了流场的统计特性．研究结果表明,不同的孔口与壁面距离的差异,最终体现在涡环靠近壁面时涡量强度及撞击速度的差异;基于孔口直径的无量纲距离接近或小于合成射流无量纲冲程时,涡环撞壁会在壁面附近诱导产生二次涡结构．因此,合适的孔口与壁面距离对涡环撞击壁面效果起着至关重要的影响．流场统计特性分析表明,涡环撞壁后形成壁面射流,其时均速度最大值衰减速率和射流半宽度扩展速率随孔口与壁面距离的增加而减小．无量纲化的壁面射流速度型均表现出自相似特性,并且与壁面层流射流的理论曲线吻合较好．     

集成于薄板的压电型随机振动能量收集器件优化设计

将压电薄膜粘贴于方形薄板表面即构成实用的振动能量收集器件,本文研究此类器件在受到宽带随机点激励作用时以平均输出功率最大为目标的优化设计问题,具体包括压电片布置位置和尺寸要求、最优负载电阻等.首先,导出机电耦合系统关于位移和输出电压的随机偏微分-积分方程组,通过模态分析技术消去空间项得到关于主坐标和电压的无限维随机常微分方程组.进而,由线性随机振动理论建立平均输出功率的解析表达,优化问题据此展开.研究表明:宽带激励作用时,压电片最优中心位置处于激励点及与之相应的3个对称点;在最优布置条件下,平均输出功率随压电片尺寸增加近于单调增加,而增速渐缓,据此可定义最优尺寸;在最优布置条件下,平均输出功率随外接电阻的变化有极值出现,可由此断定最优负载电阻.上述研究揭示了对称最优布置位置的存在性及输出功率对布置位置的敏感性,对平板型随机振动能量收集器件的优化设计有一定的指导意义.     

三角翼前缘涡轴向速度的数值模拟研究

本文通过数值模拟的方法研究了雷诺数和攻角对76°大后掠三角翼和50°中等后掠三角翼前缘涡轴向速度的影响.前缘涡速度沿轴向的变化趋势反映了三角翼前缘涡的产生、发展及其演化过程,计算结果表明,后掠角、攻角和雷诺数共同影响前缘涡轴向速度的发展和展向分布特征,其中雷诺数是最重要的影响因素.较高雷诺数下,大后掠三角翼和中等后掠三角翼前缘涡轴向速度呈现出常见的射流型轴向速度分布;而降低雷诺数至105以内时,中等后掠三角翼前缘涡轴向速度剖面为尾流型,大后掠三角翼在较小攻角下也表现出尾流型的特征.     

向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏流动特性研究

对微型燃气轮机向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏流动,在级环境下进行了全三维粘性数值模拟研究．结果表明,轮盖和叶轮叶片顶部之间的相对运动引起的刮削流以及叶轮顶部压力面和吸力面两侧的压差对间隙泄漏流动起主要控制作用,叶顶线速度越高,间隙尺寸越小,刮削作用越强;改变叶轮转速对叶轮中部和导风轮顶部间隙内的泄漏速度影响不大,但是叶轮转速能明显影响通道涡涡核与吸力面之间的距离;间隙泄漏量主要在导风轮顶部区域形成,如布置泄漏抑制结构,在轮盖子午弦长的中后部将是最有效的．     

球形卫星轨道大气就位探测初期结果

球形卫星是我国首颗集大气成分、大气密度探测和精密定轨为一体的球形小卫星,主要载荷为轨道大气探测仪,于2021年10月14日发射入轨,轨道高度为520 km,倾角为97.4°.本文简要介绍了轨道大气探测仪,并对在轨初期的测试结果进行了分析和讨论.大气密度实测值与F10.7和Kp值具有强相关性; 2021年11月3日太阳和地磁活动宁静期大气密度峰值与谷值比为3.02; 2021年11月4日较强磁暴事件期间全球大气密度实测峰值由2.8×10^-13kg/m³跃升到8.0×10^-13kg/m³,涨幅达2.857,而模式值涨幅仅为1.316倍,实测值还显示了此次事件期间大气密度强增强起始于南极及高纬地区,并向中低纬区域传播,而模式值则仅显示了暴时大气密度南北半球对称弱增强的态势.结果表明,实测数据反映了轨道大气密度在宁静期和磁暴事件期间的时空分布变化,在大量实测数据基础上可实施对热层大气模式的修正.     

轨道磁流变隔振器的结构优化设计及性能测试

参数可调的磁流变装置对提高轨道系统的低频隔振性能具有重要的意义,针对原型磁流变隔振器存在的峰值阻尼力过小等问题,提出针对隔振器绕组区域结构的优化设计方法,推导了隔振器线圈安匝数和线圈功耗的表达式,利用电磁场软件Maxwell对隔振器结构进行优化匹配,研制了一种新型磁流变挤压模式隔振器,用MTS858测试机对其性能进行测试,在2Hz,0.6 mm激振载荷和0.5 A小电流驱动时,小尺度磁流变隔振器的阻尼力最大增加58.3%,且阻尼耗散能力能够增加93.5%;当激励频率、振幅一定时,随着初始挤压位置的改变,磁流变隔振器在不同电流下呈现可控的刚度和阻尼特性,即该隔振器可望调整初始挤压位置来满足不同零场刚度阻尼要求的隔振需求,对同类隔振器件优化设计具有参考价值.