多相等离子体气动激励流动特性

等离子体激励器电极组相位不同便产生多相等离子体气动激励,建立了粒子图像测速仪流场参数测试系统,利用粒子图像测速仪技术,研究了非对称布局等离子体气动激励诱导空气流动特性,分析了多相等离子体气动激励对诱导空气流动速度的影响。结果表明:粒子图像测速仪流场测试系统能够准确地反映等离子体气动激励诱导空气流动的流场空间结构,等离子体气动激励诱导空气流动是平行于激励器的近壁面射流,多相等离子体气动激励能够增大等离子体气动激励诱导气流速度,或者使等离子体气动激励影响流场区域增大。粒子图像测速仪系统是深入研究等离子体气动激励的流场结构最佳的方式之一。

多相等离子体气动激励抑制翼型失速分离的实验

开展了多相等离子体气动激励抑制NACA 0015翼型失速分离的实验,详细研究了翼型升阻特性随激励电压、激励相角、输入电压波形和占空比等激励参数的影响.研究表明:雷诺数Re=4.9×105(来流速度60m/s)时,多相等离子体气动激励可有效抑制NACA 0015翼型吸力面的流动分离,将翼型临界失速攻角提高2°;相位对流动控制效果的影响不大;电压幅值和占空比必须达到一定的阈值才能有效抑制流动分离;流动分离被抑制后,维持流动保持附着状态所需的激励电压幅值可以显著降低.研究为揭示多相等离子体流动控制作用机理奠定了基础.

环形电极等离子体激励控制透平叶顶间隙泄漏流动研究

为探究等离子体激励对叶顶泄漏流动的影响,基于非对称阻挡介质放电等离子体激励的数值模型,提出了环形电极的阻挡介质放电等离子体激励模型。将等离子体激励产生的体积力耦合至雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方程组的动量方程中,数值研究了3种等离子体激励电压(9、13、17 kV)和3种激励频率(8、10、12 kHz)的透平叶顶泄漏流动特征。结果表明:环形电极等离子体激励显著改变了叶顶间隙的压力分布,在叶顶间隙内部和叶顶的两侧诱导形成大尺寸涡系结构,阻碍压力侧的主流进入叶顶间隙,有效抑制了动叶叶顶泄漏流动;在激励频率一定时,随着激励电压的增加,叶顶泄漏流动引起的总压损失减弱,但过高的激励电压会造成额外的诱导涡损失;激励电压保持不变,激励频率的增大对叶顶间隙的高压区域无明显影响,而叶顶两侧的诱导涡得到增强并挤压相邻的通道涡,叶栅通道120%轴向弦长处截面的总压损失进一步降低,13 kV激励电压、12 kHz激励频率工况具有最低的总压损失系数,相比无等离子体激励降低了16.12%。研究阐明了等离子体激励电压与激励频率对透平叶顶区域流场以及叶栅气动性能的影响规律。

脉冲等离子体气动激励抑制翼型吸力面流动分离的实验

为了提高等离子体气动激励控制附面层的能力,进行了脉冲等离子体气动激励抑制NACA 0015翼型失速分离的实验,研究了等离子体气动激励电压、位置、占空比和脉冲频率等对流动分离抑制效果的影响。在来流速度为72m/s时,等离子体气动激励可以有效地抑制翼型吸力面的流动分离,翼型的升力增大约35%,翼型的临界失速迎角由18°增大到21°。实验结果表明:分离越严重,来流速度越大,有效抑制翼型失速分离的阈值电压越大;等离子体气动激励的最佳位置在流动分离起始点的前缘;调节占空比,可以在控制效果相当的情况下,降低等离子体气动激励所消耗的功率;当脉冲频率使斯特劳哈尔数等于1时,控制效果最佳。

等离子体气动激励的数值仿真

为了优化等离子体气动激励,揭示它与边界层相互作用物理机制,建立了介质阻挡表面放电的数学模型。将等离子体气动激励对流体的宏观作用,等效成体积力,通过求解电势方程和电荷密度方程得到体积力,然后将体积力与Navier-Stokes方程耦合求解,得到等离子体气动激励对流体边界层的加速效应并以此研究激励电压和频率的变化对诱导速度的影响。仿真的结果与实验结果一致,表明模型具有较高的精度,有助于认识等离子体气动激励用于流动控制的机理,为等离子体流动控制技术的应用奠定基础。

等离子体气动激励扩大低速轴流式压气机稳定性的实验

在低速轴流式压气机孤立转子实验台上进行了等离子体气动激励扩大压气机稳定性的实验研究.研制了等离子体气动激励处理机匣,通过比较一定转速下施加等离子体气动激励前后的压升系数和流量系数,研究压气机稳定性的变化.施加等离子体气动激励后,转速为900 r/min和1 080 r/min时,压气机近失速流量系数分别降低5.2%和5.07%.等离子体气动激励电压增大后,扩稳效果更好.在距离转子叶片前缘49.5%弦长处施加等离子体气动激励,扩稳效果更好.

锯齿等离子体气动激励器放电特性与加速效应

为研究新型布局的锯齿等离子体气动激励器的放电特性与加速效应,在常规大气环境下测量了不同激励参数下的频率—放电电压—放电电流—电源电流以及等离子体气动激励器诱导的边界层速度。结果表明:与常规布局等离子气动激励器相比,布局形式改变后谐振频率保持不变,放电电压相差不大,但放电电流变小,消耗的功率变小;诱导速度与激励电压呈近线性关系变化,速度值较常规布局小,其尖端放电诱导的气流对流场的扰动影响有待进一步的研究;实验还发现锯齿等离子体气动激励器放电时离子流对绝缘材料有很强的破坏作用。

等离子体气动激励抑制翼型失速分离的仿真研究

通过求解表面放电的二维流体体力模型,建立了翼型等离子体流动控制的数学模型,得到等离子体气动激励诱导的体力和热量分布,与Navier-Stokes方程耦合求解.进行了低雷诺数条件下,等离子体气动激励抑制NACA0009翼型失速分离的数值仿真研究,研究了等离子体激励的强度、激励电极数目和激励位置对流动分离抑制和翼型升阻特性的影响.在雷诺数为58 000、攻角为24°的情况下,施加等离子体激励后,升力系数由0.744 9增大到1.240 4;阻力系数由0.401 2减小到0.350 3.

对称布局等离子体气动激励器的放电特性与加速效应

等离子体气动激励诱导空气流动特性的测试诊断,是等离子体流动控制的重要基础。为了解等离子体气动激励的电特性,以及激励电压幅值和相位对诱导流动特性的影响,选取对称布局介质阻挡放电激励器进行了实验研究。结果表明:对称布局激励器的放电形式为丝状放电,均匀发生在高压电极周围,与非对称布局激励器的放电图像不同;当激励器相邻高压电极上施加电压的幅值和相位均相同时,诱导的定向射流向上垂直于激励器表面,速度为m/s量级;改变激励器高压电极上施加电压的幅值或相位,可以诱导产生向左上方或右上方的射流,但不能有效增大诱导气流速度。

等离子体气动激励建模仿真综述

等离子体流动控制是一种新概念的主动流动控制技术,已成为国际上空气动力学和气动热力学领域新兴的研究热点。分析了等离子体气动激励建模仿真的特点和国内外的研究现状,研究了目前常用的4种等离子体气动激励的建模仿真方法,对各种仿真方法的优缺点进行了归纳。分析了等离子体气动激励建模仿真研究的发展趋势,即今后更多的研究工作将偏向粒子模拟方法,建模时考虑的因素会越来越多,从非定常的角度对等离子体气动激励展开研究,使得模型与实际物理过程更加接近;更高来流速度下的等离子体流动控制的仿真研究将增多,和实际应用的条件更为接近。深入的仿真研究有助于揭示等离子体气动激励及其和边界层相互作用的物理本质,以促进等离子体流动控制技术在我国的研究和发展。

射频放电等离子体气动激励特性的实验研究

为了提高等离子体气动激励的强度及流动控制的能力,实验研究了射频放电等离子体的气动激励特性。建立了射频放电等离子体气动激励实验系统,由射频信号发生器、阻抗匹配升压变压器、尖–尖电极等离子体激励器等组成。尖–尖电极等离子体激励器由一组对称的电极和固定装置组成,电极材料采用钨,固定装置材料采用胶木,固定之后电极间距为0.5 mm。在静止空气条件下进行实验,研究了射频放电等离子体的电特性和诱导流动特性。实验结果表明:气压变化时,等离子体激励器的阻抗会发生变化,耦合到等离子体激励器的输入功率也不同;在大气压下,由于射频放电存在快速加热作用,在静止空气中诱导产生了近似圆柱形的冲击波;冲击波首先以音速向外传播,随后强度逐渐减弱,一定时间后衰减为弱扰动;采用射频电源、重频脉冲直流电源、ns脉冲电源,均能在静止空气中诱导产生冲击波,冲击波波速接近音速。由于射频电源的体积、重量更小,实现阻抗匹配之后所需的电源输入功率最低,因此,射频放电是一种非常有前景的气动激励产生方式,在等离子体流动控制方面可能取得较好的效果。

等离子体气动激励系统的谐振特性实验研究

为了揭示等离子体流动控制动力学过程中电参数的演化机制,进行了等离子体气动激励系统谐振特性的实验研究。实验结果表明,接通小尺度等离子体气动激励器时,等离子体气动激励系统的谐振频率在等离子体电源的设计谐振频率附近;接通大尺度等离子体气动激励器时,激励系统的谐振频率变小;随着输入电压的增大,激励系统的谐振频率越来越小;大尺度激励器弯曲时,激励系统的谐振特性未发生显著变化;在工作环境来流速度<25m/s时,激励系统的谐振特性未发生显著变化。

等离子体气动激励系统电特性的实验研究

为了研究大尺度等离子体激励器和调整电源电感、电容的情况,笔者对等离子体气动激励系统的电特性进行了实验研究,得出等离子体气动激励系统的电感和电容是影响电特性的关键因素。实验结果表明,一定的电源输入电压下,减小电源电感或串联电容分压器,等离子体气动激励系统的谐振频率、电源输入电流和放电电流增大,等离子体气动激励器的放电电压基本保持不变;随着电源频率的增大,等离子体气动激励系统放电有3个典型的方式,电源频率小于谐振频率时,放电电流波形有突变;随着电源频率增大,激励系统的感性不断增大,放电电流增大,电流突变消失;电源频率大于谐振频率后,电容将电压的高次谐波滤掉,放电电流减小。

μs脉冲等离子体气动激励特性的实验研究

等离子体气动激励特性的测试诊断是揭示等离子体流动控制物理作用机制的重要基础。为此,主要在常规大气环境条件下,对μs脉冲等离子体气动激励特性进行电、光谱和流动特性的综合测试诊断实验研究。实验结果表明:μs脉冲放电的本质是丝状放电,在一个周期内,放电集中在正电压脉冲和负电压脉冲的上升沿;随着激励电压幅值增大,发射光谱强度增大,但表征电子温度和密度的典型谱线比变化不大;在放电的起始阶段,等离子体气动激励诱导了启动涡,启动涡随后发展成近壁面射流;激励电压和脉冲重复频率越大,等离子体气动激励诱导体积力越大;μs脉冲等离子体气动激励为非定常激励,消耗的功率比激励电压波形为连续正弦波时减小约30%,对于等离子体流动控制研究更为有益。

等离子体气动激励诱导空气流动的PIV研究

为了揭示等离子体气动激励与边界层相互作用的物理机制,作者进行了等离子体气动激励诱导空气流动的PIV研究。实验结果表明:毫秒、微秒等离子体气动激励诱导空气流动以'启动涡'和'壁面射流'的形式出现;当激励电压为12kV时,最大诱导速度约为3m/s;激励电压越大,'启动涡'和'壁面射流'的强度越大;脉冲激励的作用强度和作用范围要强于定常激励。该结论为提高等离子体流动控制的作用能力提供了指导。

不同时间尺度等离子体气动激励特性的测试诊断

为了揭示ns脉冲等离子体气动激励与流场附面层耦合作用机制,提高等离子体气动激励控制附面层的能力,对不同时间尺度的等离子体气动激励的放电特性和体积力等进行了测试诊断。实验结果表明:ms、μs、ns脉冲放电的放电电压相差不大,但ns脉冲的最大放电电流明显高于ms和μs脉冲,最高可达到4 A;激励电压越大,等离子体气动激励诱导体积力越大;ms、μs脉冲等离子体气动激励诱导体积力水平方向分量较大,ns脉冲水平方向体积力近似为零;ns脉冲垂直方向体积力不为零,与ms和μs脉冲相差较小。

等离子体气动激励体积力的实验研究

等离子体流动控制作为一种新概念主动流动控制技术,其物理作用依据之一是'动力效应'。体积力作为表征'动力效应'的重要参数,对研究等离子体流动控制的原理具有重要意义。介绍了实验原理及系统的基本组成,对等离子体气动激励体积力进行了实验测量。结果表明:体积力的大小在mN量级;固定激励频率,激励电压增大时,体积力增大,且线性关系非常明显;固定激励电压,体积力受激励频率的影响不大。

等离子体激励气动力学探索与展望

等离子体激励气动力学是研究等离子体激励与流动相互作用下,绕流物体受力和流动特性以及管道内部流动规律的科学,属于空气动力学、气体动力学与等离子体动力学交叉前沿领域.等离子体激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度、物性变化,对气流施加的一种可控扰动.局域、非定常等离子体激励作用下,气流运动状态会发生显著变化,进而实现气动性能的提升.国际上对介质阻挡放电等离子体激励、等离子体合成射流激励及其调控附面层、分离流动、含激波流动等开展了大量研究.等离子体激励调控气流呈现显著的频率耦合效应,等离子体冲击流动控制是提升调控效果的重要途径.发展高效能等离子体激励方法,通过等离子体激励与气流耦合,激发和利用气流不稳定性,揭示耦合机理、提升调控效果,是等离子体激励气动力学未来的发展方向.

等离子体气动激励控制平板边界层的仿真研究

对等离子体气动激励控制边界层进行了数值仿真。将等离子体气动激励对边界层的作用建模成动量和热量。通过由基于表面放电的二维流体体力模型得到的等离子体气动激励的体力分布函数,得到向边界层注入的动量和热量分布,将动量和热量以源项的形式引入N-S方程求解。研究了等离子体气动激励的强度、激励电极的数目、来流速度的大小以及热量项的大小对等离子体气动激励作用效果的影响,仿真结果与实验一致。

等离子体气动激励器布局对放电特性与加速效果的影响

在常规大气环境下,对常规、半圆和锯齿三种不同布局的等离子体气动激励器的放电特性与加速效果进行了实验研究,对不同激励参数下的频率与放电电压和频率与放电电流以及等离子体气动激励器诱导的边界层速度进行了测量。实验结果表明:当等离子气动激励器基本设计参数相同时,布局形式的改变使得放电电压和放电电流参数值发生变化,但其谐振频率保持不变,诱导气流速度则相应的发生改变;实验中还发现,半圆、锯齿等离子体气动激励器放电时离子流对绝缘材料有很强的破坏作用。