等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究.pdf

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1、航空学报ActaAerOnaulicaetAstrOnauticaSinicaFeb．252015VoI．36No．2501．509lSSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究孙权1，崔巍2一，程邦勤1，金迪1，李军11．空军工程大学等离子体动力学重点实验室，西安7100382．清华大学航天航空学院，北京100084摘要：等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文连行了等离子体气动激

2、励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验，通过流场纹影显示和壁面静压测量，研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明：施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波，使分离区后移，分离区域增加，但激波强度减弱，流场总压增加；旅加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离，使分离区减小。流场总压减小。基于实验结果，认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应；微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。关键词：超声速；激波；边界层；等离子体；流动控制中图分类号：V232文献标识

3、码：A文章编号：1000一6893(2015)02—0501一09激波与边界层的相互作用，是当今流体力学、气体动力学和工程热物理学科发展前沿的重大应用基础理论课题，也是航空航天领域急需解决的几大问题之一。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速与高超声速流动之中，激波诱导边界层分离现象严重影响到飞行器以及进气道的气动性能，例如跨声速翼型表面的分离和超声速进气道边界层分离引起的不起动问题。近年来，激波与边界层相互作用流动控制应用研究得到了广泛的关注。利用流动控制技术实现对激波诱导边界层分离的实时和有效控制，在航空航天领域具有广阔的应用前景，能够显著提升飞行器／动力装置的气动性能。传统的控制主

4、要包括：边界层吹除、抽吸、表面施加涡流发生器。这些技术在一定程度上可以减弱边界层分离的程度。脉冲喷射控制边界层分离已经在许多低速气流边界层控制中应用，其中零质量流量脉冲喷射具有明显的优势，和其他传统控制方法相比，自身的不稳定性比稳定气流喷射更有效。传统的机械式或气动式控制方法存在机械结构较复杂、控制灵活性不好等缺点，等离子体流动控制方法具有结构简单、控制灵活以及激励频带宽等优势。等离子体流动控制是基于“等离子体气动激励”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‘1—5

5、。美国俄亥俄州立大学Samimy教授[6‘81课题收稿日期：2014．03．18；退

6、修日期：2014·04．14；录用日期：2014—04—16；网络出版时间：2014-04·2208：18网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000—689320140062．htmI基金项目：国家自然科学基金(51336011．51276197，51207169)*通讯作者T科．：029—84787S27E-ma{l：Cuiwefs@gm制．c。m引用椿武lsunQ．culW．chengBo．etaliExDerimenta

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10、Iasmaaerooy—namicactuation!J]AclaAerDnauticaetAsnonautlcasinica，2015，36(2>：501—509孙权，崔巍，程郑勘，等．等离子体气动激励控剖超声速边雾层分离的实验研究[J]．航空学报．2015．36(2)：501—509航空学报Feb．252015VoI．36No．2组比较系统地研究了局部等离子体丝状放电抑制边界层分离的现象，但是在作用机理的问题上始终没有给出统一的理论。主要结论包括：①抑制边界层分离的过程中电弧放电产生的热效应占主导地位，且在分离区上游施加激励抑制边界层分离的效果最好；②施加不同激励频率时，抑制边界层分离

11、的效果不同，当激励频率的斯托哈尔数与不稳定波自振荡的斯托哈尔数相同时，抑制边界层分离的效果最好。美国俄亥俄州立大学的Nishihara等[91进行了纳秒脉冲介质阻挡放电(DielectricBarrierDischarges，DBD)抑制激波诱导边界层分离的实验研究，结果表明在超声速气流中施加纳秒脉冲DBD激励能够诱导出冲击波，通过冲击波的扰动，改变原始激波的形态，使得人射激波以及反射激波的角度增加。美国德克萨斯州立大学