逆向等离子体合成射流抑制低速流动分离的研究

等离子体合成射流是一种能抑制流动分离的高能激励.通过实验和数值仿真的方法调查了等离子合成射流对低速翼型流动分离的抑制.激励器的电极内置在翼型内部,射流孔位于前缘点.流场烟雾粒子浓度分布和数值模拟的结果均表明逆向等离子体合成射流能推移低速翼型的流动分离点,并提升翼型的升力特性.逆向等离子体合成射流推移分离点距离和提升翼型升力特性的能力随迎角的增大而增强.当迎角为16°时,等离子体激励推移翼型流动分离点的距离约占弦长的16.5%,提升翼型升力系数约17.3%.结果表明低速流动中,逆向等离子体合成射流产生的热射流与主流相互作用会形成条带状热结构.条带状热结构具有先导掺混作用,能增强主流与分离剪切层内流体的掺混.而射流主体具有掺混和诱导作用,能诱导分离剪切层的动态重新附壁.条带状热结构、射流主体与主流的相互作用是逆向等离子合成射流抑制低速翼型流动分离,提高翼型升力特性的主要机制.在不同的阶段,条带状热结构的作用和射流主体的作用不同.这种差异性导致它们的耦合性也发生了变化,并使得翼型的升力特性出现了五种典型阶段.此外,实验结果还表明放电参数恒定时,串联阵列式激励器的流动控制效果强于单个激励器.

等离子体技术制备具有亚微米颗粒结构的球化W-Cu伪合金微粉

采用复杂多级方法研究并证实制备具有亚微米/纳米级内部结构的球形W-Cu复合微粉的可能性。首先,采用等离子体化学合成法制备具有核壳结构的W-Cu纳米粉末(W核及Cu壳)。然后,将W-Cu纳米粉末与蔗糖的水悬浮液进行喷雾干燥,形成25~63μm的微粒,收率为50%。最后,用热等离子体射流处理由纳米粉末组成的微粒,形成致密的球形W-Cu颗粒。成品粉末的球化度为90%~95%,体积密度为8.1 g/cm^(3),流动性约为12 s/50 g,杂质中O、C和H的含量(质量分数)分别为0.7%、0.02%~0.2%和0.03%~0.05%。

纳秒脉冲等离子体合成射流的气动激励特性

等离子体合成射流是一种快速、宽频的气动激励方式,由于激励强度高、射流速度大,在超音速流动控制方面具有广阔的应用前景。等离子体合成射流气动激励特性的研究将为揭示等离子体合成射流的产生和演化机制提供必要的基础。为此,研究ns脉冲等离子体合成射流气动激励特性,在常规大气环境进行了发射光谱测试,通过对380.5nm附近的谱线进行拟合得到N2(C3Πu)的转动温度,利用氮分子二正系列的371.1nm和380.5nm两条谱线强度之比计算了振动温度。将腔体内的激励简化为定容加热的过程,理论计算了射流的喷射压力和喷射速度;建立了ns脉冲等离子体合成射流的仿真模型,计算了射流速度随时间的演化特性,结果表明,t=20μs时射流速度最大,达到了206m/s,t=70μs时气流开始回流到腔体中进入下一个循环。证明等离子体合成射流可产生快速的,高强度的气动激励。

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。

两电极等离子体合成射流性能及出口构型影响仿真研究

通过将火花放电的物理效应等效为气体焦耳加热的过程,在能量方程中引入能量源项,进行了单次能量沉积下两电极等离子体合成射流的唯象模拟。提出将等离子体合成射流对外界流场的动能和热能注入分别作为表征射流"冲击效应"和"热效应"的参数。研究表明在单次放电条件下射流建立的自维持振荡过程中,射流动能和热能主要集中于主射流阶段且射流的"冲击效应"相比"热效应"衰减更快,在一个大气压下两电极激励器总的能量转化效率约为2.3%。分析了出口构型对射流的影响,研究表明收缩孔结构可以有效提高射流速度,但将导致射流动量和饱和频率的降低。

面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源研制

为了产生高能等离子体合成射流,设计了一台面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源,输出电压为10kV,重复频率为100Hz,可承受高达250A的放电电流。详细介绍了微秒脉冲源的工作原理,比较了不同放电电容对脉冲变压器原边电流及输出电压的影响。进一步将所设计的微秒脉冲源成功应用于等离子体合成射流实验中,研究了不同间距对等离子体合成射流的影响,比较了有无放电电容条件下的能量消耗率。实验结果表明:不同放电电容在相同激励器间距的条件下,击穿电压基本相同;击穿电压随激励器间距增大而增大。有放电电容能产生较大的放电电流,且电流值随电容值的增大而增大。有放电电容条件下的能量消耗率比无放电电容要高,易于产生高能的等离子体合成射流。

面向等离子体高能合成射流应用的重频脉冲源研制

等离子体合成射流是高速流场控制的一种重要手段,而高重频、大能量的等离子体合成射流可以产生更好的流动控制效果。为此研制了一台可实现高重频等离子体高能合成射流的脉冲电源,输出参数为:电压幅值0~10k V,重复频率0~1 000 Hz可调,脉宽15μs,放电电流峰值320 A,放电能量超过150 m J。首先,对脉冲源的拓扑结构进行了设计,对其工作原理进行了说明。其次研究了放电电容对于输出波形的影响,并在高重频条件下进行了放电特性和能量特性分析。最后,利用纹影系统观察了射流流场的发展过程。实验结果表明:高重频条件下输出电压稳定性良好;随着放电电容的增大,放电持续时间延长,放电电流增大,放电能量增加;此外,纹影系统观测表明合成射流速度可达150 m/s。该电源可应用于流动控制领域。

并联放电等离子体合成射流激励器工作特性

等离子体合成射流激励器凭借射流速度高、工作频带宽、响应迅速等优势在高速流场主动流动控制领域具有良好的应用前景。为了克服单个激励器控制能力弱、控制范围窄的缺点,开展了并联放电等离子体合成射流激励器的研究,搭建了最多支持三路并联放电的微秒脉冲电源。测试结果表明,电源在空载及负载条件下可以实现1000 Hz稳定放电。随着放电电容的增大,放电电能的提高,等离子体电弧的温度升高,激励器腔体内气体被加热得更剧烈,产生的射流速度增大。随着工作频率的提高,激励器的击穿电压降低,放电电能减小,射流速度减小。通过对触发信号的调制,可以实现每个激励器的独立控制,使得并联式激励器具有更强的流动控制灵活性。试验结果显示,激励器工作相位与触发相位具有较好的对应关系。

等离子体反应合成全卤代

用聚四氟乙烯电弧蒸发和氯仿蒸气辉光放电方法合成了一系列全卤代芳香化合物，分离和表征了其中的全氟代芘（Ｃ１６Ｆ１０）和全氯代芘（Ｃ１６Ｃｌ１０），讨论了等离子体反应特征和产物形成机理．研究表明：等离子反应产物的形成不受起始物种、结构、形态和反应介质、放电方式的显著影响。

腔体增压等离子体合成射流激励器工作特性

为改善等离子体合成射流激励器在稀薄空气环境中的控制效果,增强其临近空间环境适应性,开展了腔体增压条件下激励器工作特性的研究。建立了腔体增压效果理论分析模型,计算结果表明:采用高压气源供气可以较好地提升激励器腔体气压,并且腔体气压对高压气源气压具有较好的跟随性,从而为射流强度调节提供了一种新的方式。搭建了腔体增压等离子体合成射流激励器实验系统,开展了腔体增压压力和射流流场特性测量,实验测量结果与计算结果吻合良好,误差小于2.6%。高速纹影观测显示:在腔体增压作用下,激励器控制力得到显著改善,射流锋面峰值速度由256 m/s提升至507 m/s。

等离子体合成射流对超声速混合层的混合增强

采用实验加仿真方法研究了等离子体合成射流对超声速混合层的影响.使用基于纳米粒子的平面激光散射技术(nanoparticle-based planar laser scattering,NPLS)、粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)以及纹影手段获取了单次脉冲对混合层的影响.采用二维数值仿真对布置在不同位置的高频激励器的混合效果以及激励器的性能进行了研究.通过对比有扰动和无扰动的NPLS、PIV以及纹影实验结果,发现等离子体合成射流对超声速混合层有明显的扰动,射流喷出时会产生较强的斜激波.对数值仿真结果的分析表明,等离子体合成射流可以有效地增强混合层的厚度.对比激励器布置在不同位置工况下的混合层厚度,可以看出在激励器隔板末端对混合层的扰动效果最好,混合层对在隔板末端的激励器扰动响应也是最快的.对等离子体合成射流激励器的性能分析表明,在隔板末端的激励器输出的能量最多.通过分析等离子体合成射流的作用过程,可以看出激励器在隔板上下表面布置的作用形式是通过作用来流进而影响混合层,在隔板尾端布置的等离子体合成射流激励器直接作用在混合层上,实现混合增强.

溶胶等离子喷射合成法制备α-Al_2O_3纳米材料

利用氢氧化铝溶胶的化学特性和等离子焰的特殊性能 ,提出了溶胶等离子喷射合成法制备纳米氧化铝 ,顺利解决了制约等离子喷射合成纳米材料效率的前驱体溶解度问题 ,理论收集速度为 2 7.5 4g/min。通过有机溶剂分散溶胶、二次焙烧等方法对团聚进行了控制 ,制得的粉末平均粒径为 2 0nm ,成分为α -Al2 O3 。

等离子体以及溶液反应法合成金属磁性纳米颗粒

当磁性材料尺寸进入纳米级时,颗粒尺寸与磁性材料的特征物理长度相当,如磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸、交换作用长度以及电子平均自由路程等,磁性纳米材料就会呈现出与块状材料不同的磁学性质。氧化物磁性纳米颗粒的合成比较容易,这方面的研究比较成熟。金属磁性纳米颗粒的合成则要困难很多,所以金属磁性纳米颗粒的合成以及磁学性质一直是一个研究热点。对等离子体法和溶液反应法合成磁性金属纳米颗粒的研究,并对工作进行了简洁介绍。

激励器结构对三电极等离子体高能合成射流流场及其冲量特性的影响

等离子体激励器以其结构简单、响应速度快、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。相比于传统两电极激励器,三电极等离子体高能合成射流激励器具有更高的能量效率,形成射流冲量更大,有望成为新型快响应直接力产生装置。为揭示激励器结构对射流流场和冲量特性的影响规律,进而优化激励器结构参数,利用电参数测量装置、高速阴影系统及自主设计的单丝扭摆式微冲量测量系统对不同射流孔径、腔体体积和电极间距的三电极激励器放电特性、射流流场及其冲量进行了实验研究。为对比激励器在不同工况条件下的工作特性,定义无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量I*,并分析了激励器结构参数对ε和I*的影响。结果表明对于给定无量纲能量沉积ε,激励器存在最优射流孔径;激励器无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量I*随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加;射流强度及其流场影响区域随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加。对比不同腔体体积和电极间距工况条件下I*随ε的变化可知,为设计具有较好射流冲量水平的激励器,在相同无量纲能量沉积ε条件下,应尽量增大激励器无量纲射流冲量I*。当设计激励器无量纲能量沉积ε小于初始工况时,应增大初始工况激励器腔体体积使无量纲能量沉积ε降低至设计值;当设计激励器无量纲能量沉积ε大于初始工况时,应增大初始工况激励器电极间距使无量纲能量沉积ε增加至设计值,使设计激励器具有较好的射流冲量水平。

三电极等离子体合成射流激励器工作特性参数影响实验

采用放电测量和光学诊断技术对三电极等离子体合成射流激励器放电特性及流场特性进行了实验研究分析了放电电容、激励器腔体体积和射流出口直径对三电极等离子体合成射流流场分布及速度特性的影响.实验结果表明三电极等离子体合成射流激励器放电过程包含触发、放电增强、放电衰减和电弧熄灭4个阶段表现出典型的欠阻尼放电特征等离子体合成射流流场包含射流主流、"前驱激波"和复杂的反射波系.放电电容、腔体体积和射流出口直径均存在一阈值当电容和出口直径小于阈值、腔体体积大于阈值时"前驱激波"以当地声速(约345 m/s)恒速传播否则"前驱激波"则以大于345 m/s的速度传播且与射流速度呈现相同的变化趋势即随着放电电容和出口直径的增加而增大随着腔体体积的增加而减小.

放电电阻对等离子合成射流激励器特性的影响

设计了一种射流出口为竖直圆孔的等离子体合成射流激励器(PSJA),旨在研究在不同放电电阻时激励器的特性。实验中通过电参数测量、高速纹影观察获得了放电电阻为300、200、100Ω的激励器放电特性及瞬态流场特性。结果表明:放电过程由于限流电阻的存在,可分为两个阶段,即急剧放电阶段和缓慢放电阶段。这一模式在满足较高初始能量注入的同时可以持续为激励器提供能量,有效提高了稳定性。同时,观察到较小的放电电阻,可以获得较大的射流速度,流动控制能力更强。但减小放电电阻,会导致放电电流增大,射流速度不稳定,工作稳定性变差。在实际应用中,需要综合考虑并确定最终的电阻值,确保两个放电阶段能量的合理分配。

Al-Fe_2O_3体系等离子反应合成金属颗粒增韧复合陶瓷涂层的研究

利用Al-Fe2O3体系放热反应,采用等离子反应合成技术,制备出了金属颗粒增韧的FeAl2O4-Al2O3-Fe复合陶瓷涂层,并研究分析了复合涂层的组织及其性能。结果表明:等离子反应合成得到了以层状基体相FeAl2O4与硬质相Al2O3为骨架,球状Fe相弥散分布于基体相上的复合涂层;所制得的金属/陶瓷复合涂层的韧性得到明显提高,其韧性优于在同样基材上等离子喷涂的陶瓷涂层;特别是复合涂层具有较高的耐磨性能。

等离子体制备合成气的数学模型

等离子体制备合成气是一项新技术,本项目对煤气化过程用数学模型描述两相化学反应流,通过数学模型可对两相流方程进行数值计算.文中提供的Gear方法FORTRAN程序是针对化学动力学方程中Stiff问题的数值计算程序,为下一步大量数值计算打下基础.

激波/边界层干扰对等离子体合成射流的响应特性

利用高速纹影系统和数值模拟方法研究了激波/边界层干扰对逆流喷射的等离子体合成射流的响应特性,并揭示了流动控制机理.实验在来流马赫数Ma=3.1的风洞中进行,测试模型采用钝头体和压缩斜坡的组合模型,等离子体合成射流激励器安装在钝头体头部.纹影系统捕捉了放电频率为f=1 kHz和f=3 kHz的激励对附体激波形态和分离激波运动的控制效果.等离子体合成射流使压缩斜坡激波/边界层干扰区域的起始点向下游移动,分离泡尺寸减小,附体激波强度减弱,发生弯曲,再附点移向上游,与此同时分离激波向附体激波逼近.与f=3 kHz激励相比,f=1 kHz激励的射流流量更大,对激波/边界层干扰的影响范围更广、控制效果更好.通过数值模拟,揭示了射流与来流相互作用对下游流场的作用机理:射流与来流相互作用诱导出大尺度旋涡,大尺度旋涡耗散发展增强了近壁面流场的湍流度;压缩斜坡上游近壁面的流场性质发生变化,进而导致了压缩斜坡激波/边界层干扰区域流动的变化.