AC/NS-DBD对细长体分离涡的控制及其机理研究

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具有良好的过失速机动能力是未来战斗机发展的重要方向。到目前为止,飞行器大迎角下其细长头部非对称分离涡的产生及控制机理仍是流体力学领域一个关键问题。连续交流(Alternating Current, AC-)和纳秒脉冲(Nanosecond pulse,NS-)介质阻挡放电等离子体(DielectricBarrierDischarge,-DBD)是近年来发展较为迅速的等离子体流动控制技术,激励器具有体积小、易敷设,频带宽,功耗低的特点。本文对连续交流(AC-DBD)与纳秒脉冲(NS-DBD)两种不同类型介质阻挡放电等离子体的激励特性进行了研究。在定常非对称分离涡流动形态下,利用优化后的等离子体激励器对细长体分离涡流场进行控制。目的是实现对其侧向力和力矩的线性控制,并进一步对等离子体激励与分离涡流场的相互作用,以及分离涡流动随周期性等离子体激励的变化规律等问题进行研究。  本研究主要内容包括:⑴对AC-DBD与NS-DBD两种类型等离子体激励的辉光、温度、诱导速度场、压力场和密度场等特性进行了研究,给出了上述两种不同激励机理下,等离子体激励器的电学与几何参数优化准则。结果表明:AC-DBD等离子体激励器在工作时,会在激励器上方产生一个从暴露电极指向覆盖电极的体积力场,使得该区域内的空气动量增加并且加速形成一股由暴露电极指向覆盖电极的射流。该动量的注入使得周围的流场产生了速度和压力的变化,从而实现流动控制的目的。NS-DBD等离子体激励器每一次放电会形成在覆盖电极和暴露电极交界处为轴心,沿激励器长度方向的近似圆柱状的压缩波。多个连续脉冲产生的热量聚集后,在热效应和压缩波的共同作用下会诱导激励器周围空气产生很低的诱导速度。纳秒脉冲放电等离子体激励器对外界气流进行的扰动是压缩波、热效应和微弱诱导气流等共同作用的结果。⑵利用AC-DBD等离子体激励对圆锥前体侧向力进行定常、非定常控制实验,并通过模型表面测压和空间流场测量的方式对控制结果进行了分析。结果表明:交流放电等离子体激励器可以在靠近细长体尖端处通过动量注入的方式提供一个确定、可控的扰动。通过该扰动可以对圆锥前体大迎角下的流动状态进行主动控制。顺吹型激励器可以增加激励器工作一侧流动的动量并推迟分离,进而使该侧分离涡靠近物面,侧向力指向激励器工作的一侧。逆吹型激励器的作用与顺吹型激励器相反。通过非定常控制在25°?45°迎角范围内,圆锥侧力随着占空比的变化在两个极值之间线性变化。分离涡在较低频率范围内可以对激励器的控制产生实时响应,在较高频率下只表现出平均控制结果。⑶利用AC-DBD对后掠角82.5°的三角翼加0.6倍当地半展长背鳍的模型在大迎角下进行了流动控制实验。结果表明:使用交流放电等离子体激励器对带背鳍三角翼分离流场在30。迎角时有一定程度的控制作用。⑷通过使用纳秒脉冲等离子体激励器实现在来流速度72m/s(Ma-0.2)的情况下对细长体分离流动和非对称侧力的有效控制。并通过非定常控制方式实现了62m/s风速下的侧力线性控制。纳秒脉冲等离子体激励器的作用与顺吹型交流放电等离子体激励器作用类似,都使得工作激励器同侧的流动推迟分离,使同侧分离涡靠近物面,侧向力指向激励器工作的一侧。
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