等离子体高能合成射流及其超声速流动控制机理研究

摘要

有效的主动流动控制技术对于保证飞行器的飞行安全性、改善飞行器可操纵性和提高飞行器推进效率具有重要意义，而主动流动控制的实际应用则取决于高性能主动流动控制激励器的发展。等离子体气动激励器以其结构简单、响应速度快、工作频带宽、无机械活动部件和环境适应性强等优势，已成为主动流动控制技术和流体力学研究的前沿与热点。作为等离子体气动激励器的一种，等离子体合成射流激励器兼具有合成射流激励器无需气源与管道的零质量通量特征和等离子体气动激励器的诸多优点，而且可以产生速度高达每秒数百米的高能射流和强度较大的“前驱激波”，在超声速/高超声速主动流动控制中表现出巨大的应用潜能，极有可能成为高速流场主动流动控制技术从实验室走向实际工程应用的突破口。
　　针对等离子体合成射流机理及其在超声速流动控制应用中存在的科学问题，本文综合运用数值模拟、实验和理论分析方法，以常规两电极等离子体合成射流激励器全面系统研究为基础，以提高等离子体合成射流激励器工作特性和实现高速流场有效控制为目标，积极开展新型三电极等离子体高能合成射流激励器和基于等离子体合成射流的超声速流动控制机理研究。
　　基于气体放电的热效应作用机理，并结合局部热力学平衡等离子体物理假设，建立了等离子体合成射流唯象能量沉积模型，分析了等离子体合成射流完整周期内的流场变化过程和速度特性，提出了饱和频率这一激励器工作特性重要参数。数值结果表明两电极等离子合成射流激励器工作过程中，电能-热能和电能-射流动能的转换效率分别约为5％和1.6%。实验验证了等离子体合成射流激励器快速的流场响应能力，容性电源供能的两电极等离子体合成射流激励器电容-电弧能量的转换效率约为20%。激励器出口直径和腔体体积的增大会降低形成射流的速度，随着放电频率的提高，激励器工作频率对射流特性的影响效果减弱。
　　通过在两电极激励器结构中引入触发电极，并改进激励器电源系统，设计了一种新型三电极等离子体高能合成射流激励器。三电极等离子体高能合成射流激励器可以有效降低激励器工作击穿电压，减小电源体积和功率，易于激励器系统的小型化、集成化。在相同工作击穿电压条件下，三电极激励器可以增大放电电弧长度，实现激励器腔内气体的充分加热，提高射流形成能力。三电极激励器电容-电弧能量转换效率可以提高至约80%，较两电极激励器增大了约4倍。相同电容能量输入时，三电极激励器可以形成速度更高、“前驱激波”强度更大的等离子体高能射流，即三电极激励器具有低能耗、高能效的工作优势。三电极激励器工作过程中的电弧能量和腔内气体初始内能之比(Q/E)是三电极等离子体高能合成射流流场特性的重要影响参数，大的Q/E可以产生速度更大的等离子体高能合成射流和强度更大的“前驱激波”。
　　对比研究了不同低气压环境条件下两电极/三电极激励器工作特性，并着重分析了p=0.13atm时三电极等离子体高能合成射流流场结构和参数影响规律。结果表明随着工作环境压强的降低，两电极/三电极激励器工作击穿电压及放电峰值电流同步减小，但各气压条件下两种激励器电容-电弧能量转换效率基本不变，分别维持为约20%和85%。在p=0.6atm和0.1atm时，两电极等离子体合成射流具有最大的射流速度峰值，但各气压条件下“前驱激波”速度恒定，约为345m/s。三电极等离子体高能合成射流及“前驱激波”速度均不随气体压强的改变而变化，但“前驱激波”强度在p=0.6atm时达到最大。随着电容能量的增加，三电极激励器电容-电弧能量转换效率降低。随着电容增大和激励器腔体体积的减小，三电极等离子体高能合成射流及“前驱激波”速度增大，但增加速率逐渐减小。
　　开展了等离子体高能合成射流与超声速横向主流相互作用过程研究，提出并验证了等离子体高能合成射流激波控制的波控和涡控双重作用机理，揭示了激波控制效果的影响规律。在Ma2的超声速主流中，等离子体高能合成射流可以产生稳态射流条件下当量射流压比为4的斜激波角度，产生射流通量比为1.1的射流穿透度。超声速主流中，射流干扰激波前后的压强变化可以减小受控激波前后压差，从而起到激波控制的波控效果。近壁面高温射流对边界层的的动量注入和对主流的热阻塞作用，具有改变激波角度、降低激波强度的涡控效果。布置于分离激波上游的等离子体高能合成射流具有更好的激波控制效果，而随着射流倾角的减小，激波控制效果降低。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 主动流动控制激励器分类及工作性能参数

1.3 高速流场主动流动控制激励器及应用进展

1.4 本文主要工作

第二章 两电极等离子体合成射流数值模拟与实验研究

2.1 引 言

2.2 两电极等离子体合成射流数值模拟研究

2.3 两电极等离子体合成射流实验研究

2.4 小结

第三章 三电极等离子体高能合成射流激励器工作特性研究

3.1 引 言

3.2 三电极等离子体高能合成射流激励器工作原理

3.3 三电极等离子体高能合成射流放电及能量特性

3.4 三电极等离子体高能合成射流流场特性实验研究

3.5 小结

第四章 低气压下两电极/三电极激励器实验研究

4.1 引 言

4.2 两电极/三电极激励器不同气压下的工作特性

4.3 低气压条件下三电极激励器不同工作参数影响

4.4 小结

第五章 三电极等离子体高能合成射流用于超声速流动控制

5.1 引言

5. 2 实验测试系统和实验模型

5.3 等离子体合成射流与超声速主流干扰特性研究

5.4 基于等离子体合成射流的激波控制研究

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论和创新点

6.2 对未来研究工作的展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果