等离子体激励器在航空航天工程中的应用前景

文章基于等离子体的Joule加热、静电力、Hall效应以及Lorentz加速度等固有特性,对等离子体在航空航天领域（不包括电推进和飞行器再入热防护方面）中的应用进行总结及评估.等离子体激励器在亚声速流到高超声速流的整个空气动力学领域及稀薄流领域,得到了广泛的应用.真正引人瞩目的是,与所控制的流场相比,应用中所加入的电磁力或能量仅仅与其扰动水平相当.因此,有效的流动控制往往就限制在像流动分离、流体动力学不稳定性、动态失速和涡破碎等动力学分岔问题中.有效的控制应用通常是利用有黏-无黏流相互作用的放大效应、外部磁场或微波能量的加入等来增强其控制效果.最后文章根据这些评估,对未来学科前沿提出了几点基础创新研究方向的建议.      

波纹通道内过渡领域流动特性的数值研究

本文基于离散速度方向模型,数值研究了过渡领域内气体在正弦波纹通道中的流动特性。首先,对模型的控制方程进行了坐标转换,提出了分子在曲边边界上的反射处理方法,将原模型计算范围拓展到了不规则区域。基于此,采用结构化网格和二阶迎风格式对正弦波纹通道内处于过渡领域的气体流动进行了数值研究。结果表明,与连续介质领域和滑移领域不同,过渡领域内通道截面最大速度在Kn=1附近出现极小值;随着Kn数的增加,壁面滑移速度随之增加,而摩擦常数随之降低;此外,通道的渐扩过程滑移速度以及摩擦常数均降低,渐缩过程与此相反。     

大气压等离子体实验演示仪

以大气压放电等离子体在生物医学、环境保护、新能源以及飞行器流动控制等新兴领域的应用为背景,开发了面向国内高校等离子体物理实验教学的实验演示仪器.该仪器包括等离子体激励器、疯狂的火焰和等离子体音箱3个部分.     

流动隐身衣的均匀化设计与减阻特性

流动隐身衣因为可以显著降低指定目标的表面阻力而备受关注.然而大多数传统流动隐身衣的设计参数为非均匀各向异性,非均匀这一限制增加了制备流动隐身衣的难度.为突破这种限制,本文采用等效介质理论与积分中值定理,将流动隐身衣所需的设计参数均匀化.通过数值模拟验证了简化后的均匀流动隐身衣具有与非均匀流动隐身衣一样的隐身效果,并且同样适用于多种流场.这种简化方法不仅可以将非均匀流动隐身衣简化为均匀流动隐身衣,更重要的是可以适用于其他领域,如光学、声学、电磁学与热学等不同领域的超材料均匀化设计,为降低超材料制备难度提供了新方法.此外,基于均匀流动隐身衣对不同流场的适用性,首次设计了一种流动伪装装置,该装置可以将原始物体所产生的流场伪装成由任意物体引起的期望流场,为实现流动伪装提供了解决方案.最后,定量对比分析了流动隐身衣的隐身与减阻性能随着雷诺数增加的变化,结果表明在非蠕动流时流动隐身衣仍然具有良好的隐身性能与较高的减阻效率.     

高超声速湍流流动磁流体动力学控制机理

基于低磁雷诺数假设建立完全气体湍流流场、磁场耦合模型.数值计算方法上,通过AUSMPW+格式和LUSGS隐式处理方法求解磁流体动力学湍流流动方程,其中湍流模型采用Spalart-Allmaras模型.分析了不同外加磁场条件下平板及压缩拐角湍流边界层流动控制效果.研究表明:湍流边界层磁流体动力学流动控制效果与洛伦兹力大小正相关;外加磁场作用下,洛伦兹力的方向和流动方向相反,此时洛伦兹力起到减速的作用,减少了近壁面流体的动量,降低了边界层抵抗分离的能力;逆流向洛伦兹力减小了壁面的剪切应力,从而降低湍流流场壁面摩擦阻力系数,洛伦兹力对流体做负功,边界层内温度增加;磁相互作用位置对磁流体动力学分离区控制效果存在较大影响,工程应用中需配置合理的磁场布局方案.     

离体射流的位置对翼型气动特性的影响

为了改善风力机叶片流动分离现象,本文在雷诺数为1×106、来流攻角21°时研究了离体射流微小圆柱的分布位置对NACA0018翼型气动性能的影响.首先分别在翼型前缘前和上表面附近,研究离体射流微小圆柱的射流动量对翼型气动性能的影响,发现两种位置下翼型的气动性能都有所改善,其中上表面附近控制时效果更好;接着研究控制装置在上...     

核磁共振中的量子控制

近年来, 随着量子信息科学的发展, 对由量子力学原理描述的微观世界的主动调控已成为重要的前沿研究领域. 为构造实际的量子信息处理器, 一个关键的挑战是: 如何对处于噪声环境下的量子体系实现一系列高精度的任意操作, 以完成目标量子信息处理任务. 为此, 人们将经典系统控制论的思想方法延伸到量子体系的领域, 提出了大量的量子控制方法以及相关的数值技术(如量子优化控制、量子反馈控制等), 并取得了丰富的研究成果. 核磁共振自旋体系具备成熟的系统理论和操控技术, 为量子控制方法的实用性研究提供了优秀的实验测试平台. 因此, 基于核磁共振的量子控制成为量子控制领域的重要方向. 本文简要介绍了量子控制的基本概念和方法; 从系统控制论的角度对核磁共振自旋体系的基本原理和重要控制任务做了阐述; 介绍了近些年来在该领域发展的相关控制方法及其应用; 对基于核磁共振体系的量子控制的进一步的研究做了几点展望.     

侧风条件下短舱流动分离等离子体流动控制研究

利用数值仿真开展了侧风条件下短舱流动分离等离子体流动控制研究,首先研究了不同侧风条件下短舱流动分离特性,揭示了侧风角度以及速度大小对流动分离的影响规律.随着侧风角度的增加,进气唇口处分离区域不断扩大且进气截面的总压损失更加严重;随着侧风速度的变大,分离区域变化并不明显,进气截面总压损失系数降低.进一步将等离子体激励布置...     

微流动的同伦分析法解析求解

建立了滑移流区二阶滑移流动的控制方程,引入相似变换将微尺度二阶滑移流动的控制方程变换为非线性常微分方程.采用同伦分析法解析求解了该方程,获得了微尺度滑移流动的速度分布,发现在不同Knudsen数下,充分发展段无量纲速度分布有同一交点.通过与文献结果对比验证了本文求解结果的正确性.为深入研究微尺度滑移流动的物理本质提供了数学支持.     

水平井体积压裂缝网表征及流动耦合模型

针对岩石脆性系数高且发育天然裂缝的储层,提出表征水平井体积压裂形成裂缝网络的三种基本模式,并将渗流过程划分为油藏流动和缝网内部流动.在此基础上,利用势叠加原理导出油藏流动控制方程,利用有限差分方法建立缝网内部有限导流等式;其次,采用星三角变换法处理人工缝与天然缝的交汇流动;最后,耦合两部分流动矩阵方程得到水平井体积压裂缝网渗流数学模型.该模型表明:当水平井改造段长度一定时,压裂段数与段内分簇数是决定产能的最主要因素,其次是人工裂缝半长和人工缝导流能力,而天然裂缝密度和导流能力对产量影响较小.实例应用表明,实际产油量与模型计算值一致,误差较小.     

翼型前缘分离流动在等离子体激励器控制下的响应

将等离子体对中性气体的作用模型化为彻体力矢量,采用DES(Detached Eddy Simulation)和DDES(Delayed-Detached Eddy Simulation)方法,求解带彻体力源项的Navier-Stokes方程,研究NACA0015翼型16°迎角下,前缘分离流动在等离子体激励器控制下的响应过程.激励器工作后,DDES计算结果显示,分离流动经历一个渐近的再附过程;DES计算因发生网格诱导分离,得到了非定常的响应过程.     

发动机短舱三维流动分离纳秒脉冲等离子体激励控制研究

侧风条件下发动机短舱唇口处流动分离具有明显的三维分离特性,相比于二维流动分离,控制难度更大.本文通过实验和数值,探究了纳秒脉冲等离子体激励对短舱三维流动分离的控制效果及作用机理.实验研究表明,纳秒脉冲等离子体激励可有效抑制进气道唇口三维流动分离,降低进气道出口流场畸变程度;数值仿真研究表明,纳秒脉冲等离子体激励通过向流...     

缝洞型介质流动模拟的多尺度分解法

缝洞型介质通常具有非均质性强、结构多尺度的特征.传统数值方法在解决此类多尺度流动问题时,难以兼顾计算精度与计算效率,无法实际应用.对此,本文提出了多孔介质流体流动的多尺度分解法,并应用于缝洞介质流动模拟,能够大幅减小计算的复杂度,同时,可以通过控制均化程度控制计算精度.该方法将求解空间分为若干个子空间的正交直和,从而获得一个近线性的计算复杂度;以分层计算的方式实现了快速计算,另外这种方法是一种无网格方法,具有较好的地层适应性.同时,采用离散缝洞模型简化缝洞结构,进一步提高了计算效率.详细阐述了基于多尺度分解法的多孔介质流体流动数值计算格式的建立,重点介绍了如何在不同的层次上计算基函数.数值结果表明,本文提出的计算方法不仅能够准确捕捉多孔介质中的精细流动特征,而且具有很高的计算效率,是一种有效的流动模拟方法.     

三电极共面介质阻挡放电的放电特性及诱导气流实验研究

等离子体流动控制激励器由于其响应速度快、激励频带宽、能量损耗低、可靠性强的优势,在航空航天领域的主动流动控制等方面得到了广泛应用.文章提出了一种新型的等离子体气动激励器——三电极共面介质阻挡放电激励器,研究了该激励器电极结构对放电特性和诱导气流速度的影响,并与传统共面介质阻挡放电和沿面介质阻挡放电激励器进行了比较.结果表明:（1）随着激励电压的提高,高压电极和地电极之间先出现了丝状放电并逐渐延伸到第三电极;（2）随着第三电极与高压电极之间的距离增大,诱导气流速率从2.4 m/s下降到0 m/s,而第三电极宽度的变动对诱导气流速度影响可忽略不计;（3）相同外部条件下,该激励器诱导的气流速度小于沿面介质阻挡放电激励器,但高于共面介质阻挡放电激励器.      

交错电极介质阻挡放电等离子体弦向特性的研究

在绝缘材料两侧交错布置电极的方式是航空领域所使用的等离子体激励器与众不同之处,因此航空等离子体激励器生成的等离子体具有沿弦向变化特点。利用光谱仪、红外热像仪、激光诱导荧光系统(LIF)对交错电极介质阻挡放电等离子体弦向特性进行了实验研究,并对介质阻挡放电等离子体流动控制机理作了初步的探讨。实验中发现等离子体发光强度和温度沿弦向的分布基本符合高斯分布;发射等离子体光谱强度随着电压升高而增大;等离子体弦向温度随激励电压的增大而增加;通过LIF系统直接检测到放电产生的NO。通过数值模拟得到电极附近的电势和电场强度分布进而对实验现象作了初步的解释,并在以上实验的基础上,将等离子体流动控制机理归纳为撞击效应、温升效应和化学反应效应。     

“微纳尺度流动”专题简介

正微纳尺度流动是流体力学及交叉学科领域的重要前沿问题和研究热点.美国哈佛大学Whitesides院士2006年在Nature上发表了题为"The origins and the future of microfluidics"的综述论文,指出微流动既是一门科学也是一门技术,将给未来带来革命性的新能力!近年来,微纳尺度流动     

不同喷流对激波/边界层干扰控制特性对比

采用数值模拟的方法对比研究了定常、方波脉冲、正弦脉冲这3种喷流对Ma=2流动激波/边界层干扰的控制效果, 分析了不同喷流方式对受控流动流场结构、压力分布的影响. 结果表明, 不同喷流方式都能够实现对受控流动的有效控制, 可以增大激波距离, 减弱激波强度, 减小激波发生器壁面压力. 在控制效果方面, 定常喷流效果最佳, 方波脉冲喷流效果次之, 但定常喷流所需要的质量流量也最大, 方波脉冲质量流量次之. 3种喷流的控制效果与所需质量流量的关系表明, 控制收益的增加随着质量流率的增大而减小.      

一种涡轮叶栅内部流动控制方法

本文介绍了一种涡轮叶栅内部流动的控制方法,利用数值模拟手段对应用该方法后的涡轮叶栅内部流动进行了分析.研究结果表明;采用尾缘附近喷气的控制方法,能有效地控制涡轮叶片表面边界层分离,从而增大叶栅负荷,并降低气动损失.     

流动注射化学发光法在分析化学中的研究与应用

近年来,流动注射化学发光法作为一种灵敏度高、分析速度快、分析成本低、线性范围宽、仪器设备简单的分析方法,发展迅速,应用广泛.作为一种痕量分析方法,它已经渗透到分析化学的各个领域.首先阐述了流动注射化学发光法的原理和特点,并详细介绍了不同种类化学发光的体系;接着综述了近几年国内外该方法在分析化学领域中药物分析、环境和生命科学监测方而的研究进展,并从测定样品、反应介质、发光体系、线性范围和检出限等诸方面总结和概括了流动注射化学发光法的应用情况;最后针对流动注射化学发光法存在的一些问题提了建议,并对该方法在药物分析、免疫分析、矿物分析、环境监测、临床医药、生命科学等方面广阔的应用前景做了展望.     

轴流压气机等离子体流动控制

作者在国际上较早开展了轴流压气机等离子体流动控制研究工作,经过近十年的研究积累,对轴流压气机等离子体流动控制建立了较为深刻的认识。本文首先简要展示了轴流压气机等离子体流动控制的部分研究进展:以压气机叶栅为研究对象,分析了等离子体激励对叶顶泄漏流抑制的规律和机制;通过数值仿真和实验,研究了等离子体激励对高负荷轴流压气机失速的流动控制规律和机制;以高速压气机叶栅为研究对象,探索了吸力面和端壁等离子体激励对高速压气机三维角区分离的流动控制规律;然后介绍了等离子体激励式压气机的概念;最后给出了对未来研究工作的展望。