介质阻挡放电等离子体流动控制研究进展

介质阻挡放电(DBD) 等离子体流动控制技术适用于低速工况, 具有结构简单、动态响应快等优点, 受到了国内外学术界及工业界的高度重视. 近20 年来, 很多学者对DBD 等离子体流动控制进行了研究, 在机 理和应用上都取得了很多有意义的结论. 本文首先分析了介质阻挡放电及其气动激励基本原理; 然后分别对近 年来DBD 等离子体流动控制机理和应用研究进展进行了综述, 并总结提出3 个主要气动激励机理; 最后对该 领域今后的工作提出了几点建议.      

脉冲激光等离子体与正激波相互作用的PIV实验研究

脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值.纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态.为定量研究速度分布和旋涡结构,针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究.在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统,通过定量测量,探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响.结果表明:激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称,而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧;斜压导致热核在演化初期产生涡环,后期则由剪切主导;正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时,产生斜压涡量,当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时,热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级;激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环,在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.     

等离子体激励器控制圆柱绕流的实验研究

为了发展新型移动附面层控制技术,提升流动控制效率,采用粒子图像测速技术,开展了基于对称布局等离子体气动激励的圆柱绕流控制研究,获得了静止空气下,对称布局激励器诱导流场的演化过程,评估了来流条件下等离子体控制效果,通过等离子体诱导涡实现了虚拟移动附面层控制,分析了诱导涡随时间演化的过程,揭示了圆柱绕流等离子体控制机理.结果表明:(1)在静止空气下,对称布局激励器在刚启动瞬间,会在暴露电极两侧诱导产生一对旋转方向相反的启动涡;随着时间的推移,启动涡逐渐向远离壁面的方向运动;随后,激励器在暴露电极两侧产生了两股速度近似相等,方向相反的诱导射流,诱导射流在柯恩达效应的影响下,朝壁面方向发展.(2)当激励电压峰峰值为19.6 kV,激励频率3kHz时,施加等离子体气动激励后,圆柱脱落涡得到了较好抑制,圆柱阻力系数减小了21.8％;(3)在来流作用下,对称布局激励器在靠近来流一侧,诱导产生了较为稳定的涡结构.诱导涡通过旋转、运动,促进了壁面附近低能气流与主流之间的掺混,抑制了圆柱绕流流场分离,实现了"虚拟移动附面层控制"效果.与传统移动附面层控制技术相比,基于等离子体气动激励的新型移动附面层控制技术不需要复杂、笨重的机构,不会带来额外的阻力,具有潜在的应用前景.      

周期性激励控制翼型流动分离研究综述

主动流动控制技术是21世纪最具发展潜力的航空航天技术之一,未来可以作为飞行器设计的一个新自由度.将主动流动控制技术应用于翼型流动分离控制,在基础研究与应用研究方面具有重要意义.鉴于周期性激励的能量效率高、应用方便,本文对周期性激励控制翼型流动分离的研究进行综述, 介绍了评估参数,讨论了激励频率、强度、施加位置和雷诺数的影响.接着介绍了文献中提出的三个值得注意的方面: 一是能量效率评估标准,可以指导对激励器和控制策略的选择; 二是声学激励模态,在高频激励下发现扰动以声波为主, 可能使流动分离恶化;三是阻力异常现象, 在某种条件下发现有激励时形阻大于总阻的情况.最后梳理了下一步研究的重点方向.本文可为采用周期性激励进行流动分离控制提供参考.      

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.     

机翼尺度效应对等离子体分离流动控制特性的影响

等离子体流动控制技术是一种以等离子体气动激励为控制手段的主动流动控制技术. 为了进一步提高等离子体激励器可控机翼尺度, 以超临界机翼SC(2)-0714大迎角分离流为研究对象, 以对称布局介质阻挡放电等离子体为控制方式, 以测力、粒子图像测速仪为研究手段, 从等离子体激励器特性研究出发, 深入开展了机翼尺度效应对等离子体控制的影响研究, 提出了适用于分离流控制的能效比系数, 探索了分离流等离子体控制机理, 掌握了机翼尺度对分离流控制的影响规律. 结果表明: (1)随着机翼尺度的增大, 布置到机翼上的激励器电极长度会相应增加; 在本文的参数研究范围内, 激励器的平均消耗功率不会随电极长度的增加而线性增大; 当电极长度达到一定阈值时, 激励器的平均消耗功率趋于定值; (2)在固定雷诺数的情况下, 随着机翼尺度的增大, 等离子体的控制效果并未降低, 激励器能效比系数提高; (3)等离子体在主流区诱导的大尺度展向涡与在壁面附近产生的一系列拟序结构成为分离流控制的关键. 研究结果为实现真实飞机的等离子体分离流控制, 推动等离子体流动控制技术工程化应用提供了技术支撑.      

电磁加速等离子体喷涂技术的原理分析

对自行研制的电磁加速等离子体喷涂技术（Electromagnetically accelerated plasma spraying,EMAPS）从原理上进行了分析,建立了等离子体的运动方程,得到了脉冲电流作用下等离子体上任一点的磁感应强度的计算公式和等离子体及它所压缩周围空气的速度表达式;并分析了粉末粒子与冲击波的相互作用,得到了粉末粒子的喷涂速度与喷枪长度、粉末粒子直径以及电流强度之间的关系;同时还对喷枪的长度进行了设计。     

关于中间激波的回顾与展望

中间激波是传统理论认为在物理上不可能实现的一类激波，但是，近年来在数值模拟中发现了它的结构，因此，在国际上引发了中间激波研究的高潮．本文首先系统地回顾了中间微波的研究历史和发展，给出了传统的激波演化性理论，并通过引用演化性理论，否定了中间激波的稳定存在．然后，介绍了近年来在中间激波方面的工作及进展情况，最后阐述了我们的一些看法．     

高频热等离子体发生器数值模拟最近进展

高频感应耦合热等离子体发生器中的流动与传热和电磁场强烈耦合,它的数值模拟经历了从最简单的一维模型到比较完善的二维数值模拟的几个发展阶段.以前的基于一维非自洽电磁场解的模拟方法,最近已为包括自洽电磁场解的新方法所取代.新方法还能容易地推广到三维情形,从而为发生器的性能预估及参数优化提供有力的工具.本文概述了最近这一进展的产生背景及研究情况.      

柔性障碍物对甲烷空气爆炸波激励作用的实验研究

为研究柔性障碍物对甲烷空气爆炸波的激励效应,采用双向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene, BOPP）薄膜作为柔性障碍物将管道内甲烷空气预混气体与空气隔开,对比障碍物前后火焰、激波变化,分析膜状柔性障碍物激励效应的机理。实验结果表明:这种具有一定承压能力的柔性障碍物对甲烷爆炸波产生的激励效应不可忽视,在膜片破裂前产生多次激波反射过程,可诱导湍流火焰形成,促使膜前爆炸压力提高,膜片破裂后,火焰在伴流作用下传播速度突增,并加速逐渐逼近前驱冲击波,致使膜后爆炸压力大幅提高;激励效应可使膜片前后最大爆炸压力相差5倍,火焰速度相差7倍;另外在膜片位置2.5 m后增设一道膜片,可增强这种激励效应,而增加膜片的实质是使激波火焰相互作用的次数增加。     

评介“稀薄气体动力学”

从上世纪末期开始,由我国空气动力学工作者共同编著的《近代空气动力学丛书》陆续出版了。这是庄逢甘院士和张涵信院士等领导的丛书编委会组织空气动力学工作者发挥集体智慧编著的一套跨世纪的丛书。丛书较好地总结和反映了40多年来中国空气动力学工作者的研究成果和经验,是空气动力学界乃至整个力学界的一件值得关注的大事。我们欢迎丛书的出现,希望正如丛书编辑委员会主任委员庄逢甘院士在序言中所说的那样,这套丛书的出版不仅能促进中国航空航天事业在21世纪的发展,对世界航空航天事业也有所贡献。我们在这里提出评介的是丛书中沈青研究员的《稀薄气体动力学》一书。     

Renormalization group symmetry method and gas dynamics

A new scenario in the renormalization group symmetry method is introduced to solve an initial value problem for a system of partial differential equations. As a specific example, we give an exact solution for the adiabatic perfect gas dynamics, which describes a contracting and expanding localized mass of gas.     

稀薄气体动力学: 进展与应用

简要回顾了稀薄气体动力学的发展历程; 重点介绍了该领域最近二三十年的主要进展, 这突出表现在分子模拟方法(DSMC 方法、信息保存方法等) 的迅速发展与成功应用; 概述了航天工业、真空技术、微机电系统等尖端技术中的稀薄气流问题, 以及最近几届国际稀薄气体动力学会议的主题. 在此基础上指出了学科前沿问题, 以及几个与实际应用有关的重大问题, 如过渡流区高超声速三维非平衡流场的精细预测和实验验证、热层大气的时空演化规律与探测、以气体为介质的微机电系统设计与优化、真空环境下原子水平的材料制备工艺的定量设计.     

Initial-boundary value problems for gas dynamics

Archive for Rational Mechanics and Analysis -     

Submodel of rotational motions in gas dynamics

An invariant submodel of the equations of gas dynamics constructed on a one-dimensional subalgebra consisting of the sum of operators of rotation and translation in time is studied within the framework of the SUBMODELS program. The system of equations of the submodel is brought to symmetric form. Hyperbolicity conditions for the system are derived. Group analysis is performed and an invariant solution is considered. Isobaric flows are listed. For the simplest of them, characteristics and strong discontinuities are considered. Necessary conditions for existence of solutions without singularities on the axis are derived. Institute of Mechanics, Ural Scientific Center, Russian Academy of Sciences, Ufa 450000. Translated from Prikladnya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 39, No. 6, pp. 37–45, November–December, 1998.     

Theory of short waves in gas dynamics

An examination is made of the two-dimensional, almost stationary flow of an ideal gas with small but clear variations in its parameters. Such gas motion is described by a system of two quasilinear equations of mixed type for the radial and tangential velocity components [1, 2]. Partial solutions [3, 4], characterizing the variation in the gas parameters in the vicinity of the shock wave front (in the short-wave region), are known for this system of equations. The motion of the initial discontinuity of the short waves derived from the velocity components with respect to polar angle and their damping are studied in the report. A solution of the equations characterizing the arrangement of the initial discontinuity derived from the velocities is presented for one particular case of the class of exact solutions of the two parameter type [4]. Functions are obtained which express the nature of the variation in velocity of the front of the damped wave and its curvature.Translation from Zhurnal Prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fiziki, No. 3, pp. 55–58, May–June, 1973.     

Nonlinear dynamics of a resonant gas sensor

We develop a mathematical model for a resonant gas sensor made up of an microplate electrostatically actuated and attached to the end of a cantilever microbeam. The model considers the microbeam as a continuous medium, the plate as a rigid body, and the electrostatic force as a nonlinear function of the displacement and the voltage applied underneath the microplate. We derive closed-form solutions to the static and eigenvalue problems associated with the microsystem. The Galerkin method is used to discretize the distributed-parameter model and, thus, approximate it by a set of nonlinear ordinary-differential equations that describe the microsystem dynamics. By comparing the exact solution to that associated with the reduced-order model, we show that using the first mode shape alone is sufficient to approximate the static behavior. We employ the Finite Difference Method (FDM) to discretize the orbits of motion and solve the resulting nonlinear algebraic equations for the limit cycles. The stability of these cycles is determined by combining the FDM discretization with Floquet theory. We investigate the basin of attraction of bounded motion for two cases: unforced and damped, and forced and damped systems. In order to detect the lower limit of the forcing at which homoclinic points appear, we conduct a Melnikov analysis. We show the presence of a homoclinic point for a loading case and hence entanglement of the stable and unstable manifolds and non-smoothness of the boundary of the basin of attraction of bounded motion.     

Gas dynamics of a selectively excited gas

In order to describe the motion of a selectively excited gas, model kinetic equations are proposed in the present study, and they are used to construct the equations of gas dynamics. There is consideration of the one-dimensional problem of heat transmission between plates across a selectively excited gas. Discontinuities are found in the temperature on the boundaries of the phases. It is shown that a selectively excited gas may be used to transmit heat from a cold body to a hot one. Moscow. Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 5, pp. 151–158, September–October, 1988.