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.

直缝式等离子体合成射流激励器特性的实验研究

为了研究一种新型的直缝式等离子体合成射流激励器,采用高速纹影技术和电参数测量的方法,对激励器的瞬态流场特性和放电特性进行了研究。实验结果表明:在相同出口面积的情况下,直缝式等离子体合成射流激励器的初始射流速度是直孔式激励器的1.4倍。直缝式激励器速度衰减更快,喷气时间更短,和外部气流的动量交换更加迅速。实验中首次对直缝激励器的三维流场进行描述及分析,发现其前驱激波及射流形态具有更好的平面度,存在较大的均匀区。直缝式等离子体合成射流激励器在提高工作频率、扩大流动控制区间等方面具有一定优势。

等离子体合成射流激励器阵列破除翼前缘三维冰特性

无人机结冰将严重影响其安全性,机翼前缘更容易结冰及积冰,对无人机气动性能影响更为严重,而机翼前缘结冰形状具有三维特性,亟须发展有效破除机翼前缘三维冰的低能耗、快响应除冰技术。分别根据NACA0012、NACA0018及NACA00243种翼型前缘曲率制作了3种不同弧度的冰型,基于等离子体合成射流激励器响应快、能耗低、射流强度高等优点,开展了单个及阵列布置激励器破除三维形态冰特性研究,分析了45°和90°两种不同方向出口对破冰特性的影响,阐明了等离子体合成射流激励器的破除冰机理及规律。结果表明:放电总能量为16.66 J时,在单个激励器作用下,对于翼前缘类似NACA0012的曲率半径较小的冰,射流冲击应力易在前缘驻点处集中,在翼前缘驻点线处能产生长达20 cm的贯穿裂纹,从而实现有效破除冰;对于曲率半径较大的冰,破冰半径约5 cm。保持放电总能量16.66 J不变,激励器采用沿驻点线的“一字型”阵列布置时对3种弧度的冰都能产生贯穿裂纹实现破除冰,表明激励器阵列能有效拓展破除冰面积,具备低能耗、大面积破除冰能力。研究成果可为无人机低能耗、大面积破除冰提供理论及实践参考。

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。

等离子体激励器的静特性与高速特性仿真研究

将实验测得的电弧放电能量分布规律拟合为理想热源,采用数值仿真方法对一种高频等离子体射流激励器进行参数化研究,探索了激励器出口角度对激励器静特性的影响,并获得了在超声速来流(Ma0=2.0)情况下射流激励器的高速特性。结果显示:当射流出口流通面积相同时射流出口角度越小,激励器沿流向的动量注入能力越强,并且这一规律在高速射流条件的情况下仍然适用。相比静止条件,在超声速来流条件下,射流的动量注入能力更强,影响域更大。

斜孔式等离子体合成射流激励器静特性的实验

设计了斜孔式等离子体合成射流激励器,采用电参数测量和高速纹影技术研究了其放电特性及瞬态流场特性。实验表明:相较直孔式等离子体合成射流激励器,斜孔式等离子体合成射流激励器的射流流动表现出明显的附壁效应和非对称性,这有利于提高射流对流动分离的控制能力。同时,实验中还观察到了浮力对等离子体高温射流流场演化的影响,特别是在射流演化的末期,其诱导的垂向速度分量显著地改变了射流的最终运动方向。

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。

低气压条件下多缝式等离子体合成射流激励器特性实验

设计了一种低气压条件下工作的大间距多缝式等离子体合成射流激励器,旨在应用于高空飞行器的内部流动控制。实验中利用气体放电电压在低气压条件下迅速降低的特性,将激励器放电电极间距设计为26mm,使激励器腔体和出气口均得到显著拉长,并通过电参数测量、高速纹影观察分别研究了其放电特性及瞬态流场特性。实验结果表明:激励器的初始射流锋面速度达到了761m/s,故在高速流动控制中具有较大的应用潜力。此外,激励器射流导致的压缩波和射流边界均接近半椭圆形,具有较大的流场均匀区,因此其流动干扰能力和动量交换能力较常规孔式射流要更强。

等离子体合成射流的理论模型与重频激励特性

等离子体合成射流(PSJ)具有激励强度大、响应速度快等优点,在超声速流动控制领域应用前景广阔。鉴于此,基于传热学和气体动力学的相关理论,建立了考虑喉道内部气流惯性、腔体内外热交换以及吸气恢复阶段的PSJ全周期理论模型,实现了射流速度峰值时刻、吸气过程和振荡过程等关键特性的预测。基于该模型,分析了等离子体合成射流激励器的重复频率工作特点,研究了能量沉积、激励频率和射流孔径对于重频激励特性的影响。重频条件下,激励器存在过渡和稳定两种典型状态。过渡状态下,腔内平均温度不断升高、射流速度峰值逐渐增大。稳定状态下,腔内气体参数呈周期性变化。随着能量沉积和激励频率的增加,激励器腔体内壁温度、射流速度峰值和时均冲力均增加。受腔体材料耐温极限的制约,激励器存在安全工作的参数区间(SOA)。随着孔径的增加,SOA增大,但稳定工作状态下的射流速度峰值和射流持续时间减小。

等离子体合成射流能量效率及工作特性研究

基于等离子体激励器工作过程中气体放电的焦耳加热作用,并结合局部热力学平衡等离子体物理假设,开展了等离子体合成射流三维唯象数值研究,获得了完整工作周期内等离子体合成射流流场发展演变过程.研究结果表明,单次能量沉积建立的自维持周期性射流中存在有实现激励器腔体"充分"回填的最大脉冲工作频率——饱和频率.大的能量沉积、小的激励器出口直径和相同腔体体积下大的径高比都可以产生速度更高的射流,而射流速度的提高会伴随有饱和频率的降低.一个饱和周期内,最多约有16%的初始腔内气体喷出,吸气复原仅能实现初始腔体质量90%左右的回填.一个大气压条件下,容性电源供能的等离子体合成射流激励器电能向气体热能和射流动能的转化效率分别约为5%和1.6%.

电弧放电激励器破除冰特性及裂纹扩展规律

结冰将严重影响飞行器气动性能,如何实现低能耗、高效率、快响应破除冰是当前飞机尤其是无人机亟待解决的问题。基于电弧放电激励器射流强度高、能耗低、响应快等特点开展破除冰研究。通过实验及理论分析,分析了单个激励器对不同长宽比冰型的破除冰特性,获得了单个激励器有效破除冰半径约5 cm,建立了放电能量与破冰厚度之间的关系。从能量控制角度,研究了固定放电能量情况下,激励器阵列破除冰特性及裂纹扩展规律,通过合理设置激励器间距,在相同能耗情况下,能够实现比单个激励器更大的破除冰面积。研究成果可为飞行器低能耗、大面积破除冰提供理论及实践参考。