正弦交流介质阻挡放电等离子体激励器诱导流场研究的进展与展望

正弦交流介质阻挡放电等离子体流动控制技术是基于等离子体激励的主动流动控制技术,具有响应时间短、结构简单、能耗低、不需要额外气源装置等优点,在飞行器增升减阻、抑振降噪、助燃防冰等方面具有广阔的应用前景.针对“激励器消耗的大部分能量尚未被挖掘利用、诱导流场的完整演化过程尚未完全掌握、诱导流场的演化机制尚不明确”这三方面问题,本文首先从激励器诱导流场的空间结构、时空演化过程、演化机制三个方面回顾总结了激励器诱导流场的研究进展.在诱导流场空间结构方面,发现了高电压激励下诱导射流的湍流特性,辨析了壁面拟序结构与无量纲激励参数之间的关联机制;从激励器诱导声能方面挖掘出了激励器潜在的能量,发现了“等离子体诱导超声波与诱导声流”的新现象,提出了声激励机制;在时空演化过程方面,阐明了激励器诱导流场从薄型壁射流发展为“拱形”射流、再演变为启动涡,最终形成准定常射流的完整演化过程;在演化机制方面,结合声学特性提出了以“升推”为主的诱导流场演化机制.其次,围绕激励器诱导流场,进一步凝练出下一步研究重点,为突破等离子体流动控制技术瓶颈,打通“概念创新—技术突破—演示验证”的创新链路,实现工程应用提供支撑.

圆锥脉冲等离子体诱导流场特性分析

对等离子体诱导流场特性进行研究,有利于解决双稳态非对称分离涡带来的连续比例控制困难的问题。在封闭光学玻璃箱体内,应用介质阻挡放电等离子体对20°顶角圆锥附近静止大气进行了定常和脉冲循环控制,对等离子体诱导的圆锥截面绕流速度场进行了二维PIV测量,对定常控制和脉冲循环控制下最大绕流速度及最大轴向涡量进行了比较分析。实验结果表明:相对于定常控制模式,脉冲循环控制下沿垂直于圆锥截面对称面径线分布的时间平均切向速度和轴向涡量范围较广;在脉冲循环控制下,动量传递的主要表现在离散涡的形成而不是气流的加速。

表面介质阻挡放电等离子体诱导流场相似准则及应用

利用相似变换法,由空气动力学动量方程和能量方程推导得出了表面介质阻挡放电等离子体流动控制实验研究时的体积力和放热相似准则。等离子体体积力相似本质上为一种雷诺数相似,根据实验条件的不同其有不同的表现形式：对于静止空气,体积力相似为基于诱导射流最大速度和射流半高宽的射流雷诺数相似;有来流时,可以采用基于激励器单位长度作用力、来流速度和动力粘性系数的单位长度作用力相似,也可以用诱导射流最大速度与来流速度的比值对静止空气诱导射流雷诺数进行修正,得到速度修正射流雷诺数相似。放热相似为无量纲扰动压力相似。应用速度修正射流雷诺数相似准则开展了20 km高空S1223翼型流动控制实验,可得当来流攻角为正且雷诺数较小时,即使来流攻角比较大,升力系数增大10%-55%,等离子体对翼型上、下表面的流场均有控制作用;当来流雷诺数较大时,增升作用不明显。

非定常等离子体诱导流场实验研究

为了解非定常等离子体作用机理,利用粒子图像激光测速技术开展了静止空气中的非定常等离子体诱导射流实验,研究了非定常诱导旋涡的产生与发展过程,以及占空比与频率对诱导流场的影响。实验结果表明:非定常模式下,诱导暴露电极右侧产生圆形诱导旋涡;随着诱导旋涡向右上方逆时针卷吸,流场产生一系列"9"状逆时针旋涡,且随着旋涡的叠加逐渐形成射流。随着占空比的增大,诱导射流速度及诱导流场高速区面积增大,高速区与壁面夹角减小。频率对诱导流场的影响存在一个最优值,当占空比一定、频率为30 Hz时,诱导射流速度最大,诱导流场高速区集中,高速区与壁面夹角最小。

油气田开发过程中的流场诱导腐蚀

在油气田开发过程中,油管和采油系统流道截面突变、弯管等特殊部位(如从油管到四通、弯管、阀门、节流阀等部位)腐蚀较严重。对于油管来说,经常出现油管本体还是完好无损而油管接头被腐蚀穿孔的现象,分析认为,流场诱导腐蚀是其主要原因。分析了流场诱导腐蚀的机理及特点,借助现代计算流体力学,模拟API圆螺纹油管接头流道结构中的流场分布,发现API圆螺纹油管接箍中部“J”形区存在较明显的流场诱导腐蚀现象,并提出了减轻螺纹部位腐蚀的技术措施,包括加内止推台阶、在“J”形区添加工程塑料环、采用API偏梯形螺纹等。

流场诱导API圆螺纹油管接箍失效分析及结构优化

油管柱失效的主要形式是油管螺纹连接失效。目前对油管螺纹连接失效的研究主要集中在载荷作用下的螺纹受力和变形分析,对螺纹连接处流场突变导致失效的研究较少。利用流体动力学计算方法,对API圆螺纹油管接箍流场内部的流体建立控制方程,采用FLUENT软件进行流场模拟,对接箍连接的"J"形区的压力、速度分布情况进行了分析,并提出了改进措施,对流道进行优化。"J"形区的流场模拟计算发现,流体因高速流动产生涡流和压力突变,进一步影响流体性质并冲击接箍内壁。API油管接箍结构优化后,避免了压力和速度的突变,有利于流体流通,为油管的优化设计提供了理论依据。

不同压力下介质阻挡放电等离子体诱导流场演化的实验研究

采用粒子图像测速技术,获得了不同环境压力下介质阻挡放电等离子体诱导流场启动涡随时间的演化规律和诱导流场分布的变化规律.实验表明:不同环境压力下,诱导流场都会出现启动涡,压力较高,启动涡逐渐向右即向植入电极一侧扩散并最终消失,扩散速度随时间递减,压力较小,诱导漩涡不会随放电时间的增大而消失;环境压力减小,等离子体诱导流场的启动时间减小,诱导流场的法向分量增强、横向分量减弱,诱导流线形状的变化规律是:L→U→V,L型流线没有诱导漩涡,U型流线有两个诱导旋涡,分别分布在U型凹槽和右侧,V型流线有一个诱导漩涡,分布在V中间.

温升效应对介质阻挡放电诱导速度和涡量的影响

表面介质阻挡放电等离子体同时存在力、热两种效应传递能量,为研究热效应对等离子体激励诱导流场的影响,通过求解带有体积力源项和热量源项的Navier-Stokes方程,建立了综合考虑动量效应和温升效应的介质阻挡放电物理模型,并对比分析了有、无温升效应时的速度场和涡量场。计算结果表明:同一时刻考虑温升效应时的诱导速度大于未考虑时的诱导速度,并且随激励时间的增长更为显著;在50 ms时考虑温升效应的诱导速度高出未考虑时诱导速度的9.5%;非定常激励下,温升效应对等离子体激励诱导涡量的大小产生显著影响,与无温升效应相比,等离子体激励作用期间的正涡涡量增大10%,负涡涡量增大5%,等离子体激励未作用期间温升效应加速了涡的耗散。

磁加速等离子体激励器激励特性

为了增强等离子体激励器的扰动能力、提升等离子体气动激励的控制效果,采用高压探针、烟流显示和PIV流场测试等多种研究手段,开展了磁场加速等离子体激励器特性研究,获得了激励器不同时刻的放电图像,分析了磁场强度对激励器电学特性与诱导流场特性的影响规律.结果表明,(1)放电等离子体的定向运动速度与磁场强度成正比,磁加速等离子体的最大移动速度达到了6 m/s;(2)通过对不同剖面的诱导流场进行研究发现,磁场加速等离子体激励器能够在近壁区产生一系列涡结构.此外,该诱导流场具有显著的三维特征与非定常特性.研究结果为开展基于磁加速等离子体气动激励的流动控制奠定了基础.

槽道湍流的法向与展向电磁力壁面减阻

法向与展向电磁力可以有效调制湍流近壁流动及减少壁面摩擦阻力。为进一步揭示该方法的减阻机理,利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟(DNS),对槽道湍流的法向与展向电磁力控制和减阻问题进行了研究。结果表明,对于确定的流向波长λx+,存在最佳的电磁力强度St,使阻力降最大,最佳St与λx+成反比。法向与展向电磁力对湍流的控制过程实质上是一种由电磁力诱导的调制波对壁湍流的调制过程。在优化参数控制下,当法向与展向电磁力诱导的流场被用来调制固有的近壁湍流流场时,固有流场和诱导流场同时受到调制。在这种调制波作用下,调制流场逐渐主宰壁面边界层,这导致了壁面阻力的下降,平均减阻率最高可达8%。

应用等离子体实现主动流动控制的实验研究

进行了应用等离子体在静止空气中诱导流场的实验研究。利用自行研制的等离子体发生器在1个大气压下产生了均匀、稳定、可控的射频辉光等离子体。采用电流体(EHD)技术以及粒子捕获机制,合理布置电极阵列加速等离子体,在静止空气中成功地诱导流场。

确定空间分布的展向Lorentz力作用下槽道湍流的壁面减阻

文章采用直接数值模拟方法,对具有确定空间分布的展向Lorentz力作用下槽道湍流的壁面减阻效果和减阻机理进行了研究,讨论了电磁力强度A和流向波数kx对湍流流场的展向速度、条带、流向涡、Reynolds应力分布和壁面减阻率的影响。结果表明,湍流固有流场和电磁力诱导流场之间相互调制,存在最优参数A、kx,使得诱导流场主宰壁面边界层,减阻效果最好。

涠洲11-4油田含CO_2气井油管柱腐蚀分析

海上钻完井安全可靠性要求高,尤其是含CO2气井油管柱的工作环境恶劣,油管柱容易受到腐蚀,仅按照API/ISO、GB/SY标准设计并不能完全保证油管柱在服役过程中的完整性。以涠洲11-4油田某含CO2气井为研究对象,在油管柱腐蚀形貌分析的基础上进行了管柱材料物理化学性能分析,进而借助现代计算流体力学方法,模拟计算了井下安全阀附近油管柱内的流场分布。结果表明,在流动通道变化明显区域,受CO2分压、高温和腐蚀性组分的协同作用,油管柱将会出现严重的流场诱导腐蚀现象,流道结构与腐蚀之间存在协同效应。本文研究有利于识别井下油管严重腐蚀部位,可以为优化设计油管柱结构提供参考。

受限高分子链的静态与动态性质

受限条件下高分子链的静态与动态性质是高分子物理学研究的重要组成部分,也是生物物理学关注的焦点问题之一。相对于自由高分子链,受限高分子链往往随受限程度和受限区域的不同而表现出一系列独特的规律性。本文首先回顾了自由空间中高分子链的基本性质,然后重点介绍了在不同受限程度下高分子链的静态性质和动力学行为,对比了不同受限区域下这些性质的差异性,并且系统总结了流场诱导下高分子链过孔的经典理论及其详细推导过程。最后,展望了受限高分子链今后的发展方向。

基于空间变化展向电磁力的槽道湍流壁面减阻特性研究

槽道湍流空间变化的展向Lorentz力可以有效干扰湍流拟序结构,抑制壁湍流的产生,达到良好的减阻效果。该文以槽道流形成的充分发展的湍流边界层为基本研究对象,利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟(DNS),对槽道湍流空间变化的展向Lorentz力控制和减阻问题进行了研究。传统方法往往直接对湍流进行研究,但由于湍流结构的复杂性,减阻机理不能完全解释清楚。为解决上述问题,提出了Lorentz力对湍流的控制过程实质上是诱导流场与固有流场相互作用。首先分析了诱导流场展向速度分布特点,然后介绍了固有流场典型特征,进而把调制流场和诱导流场、固有流场进行对比,发现调制流场是通过诱导流场与固有流场相互作用实现的。研究结果表明,在优化参数控制下,诱导流场逐渐主宰壁面边界层,这导致了壁面阻力的下降,平均减阻率最高可达39%。