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.      

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理,完善等离子体激励器数学模型,提升等离子体激励器扰动能力,采用粒子图像测速技术,在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究.实验时,将非对称布局激励器布置在平板模型上,随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内,从而避免环境气流对测试结果的影响.基于激励器诱导流场,分析了激励电压对诱导射流特性的影响,揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构,获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程,计算了卷起涡脱落频率,阐述了卷起涡与启动涡的区别,初步探索了卷起涡的耗散机制.结果表明:(1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性,激励电压是影响射流特性的重要参数.当电压较低时,诱导射流为层流射流;当电压较高时,诱导射流的雷诺数提高,射流剪切层不稳定,层流射流逐渐发展为湍流射流.(2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构;在固定电压下,这些涡结构存在恒定的卷起频率.(3)当激励电压较高时,流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形,引起了流场湍动能增大,从而加速了卷起涡的耗散.研究结果为全面认识激励器射流特性,进一步挖掘激励器卷吸掺混能力,提升激励器控制能力积累基础.     

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理, 完善等离子体激励器数学模型, 提升等离子体激励器扰动能力, 采用粒子图像测速技术, 在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究. 实验时, 将非对称布局激励器布置在平板模型上, 随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内, 从而避免环境气流对测试结果的影响. 基于激励器诱导流场, 分析了激励电压对诱导射流特性的影响, 揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构, 获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程, 计算了卷起涡脱落频率, 阐述了卷起涡与启动涡的区别, 初步探索了卷起涡的耗散机制. 结果表明: (1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性, 激励电压是影响射流特性的重要参数. 当电压较低时, 诱导射流为层流射流; 当电压较高时, 诱导射流的雷诺数提高, 射流剪切层不稳定, 层流射流逐渐发展为湍流射流. (2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构; 在固定电压下, 这些涡结构存在恒定的卷起频率. (3)当激励电压较高时, 流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形, 引起了流场湍动能增大, 从而加速了卷起涡的耗散. 研究结果为全面认识激励器射流特性, 进一步挖掘激励器卷吸掺混能力, 提升激励器控制能力积累基础.      

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.      

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.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON LIFT INCREMENT OF A PLASMA CIRCULATION CONTROL AIRFOIL

利用等离子体激励器发展了新型的环量增升技术,并对二维NACA0012翼型绕流实施控制。由于NACA0012翼型为尖后缘构型,环量增升装置由2个非对称型介质阻挡放电等离子体激励器构成。一个等离子体激励器贴附于翼型吸力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流沿来流方向指向下游;另一个等离子体激励器贴附于翼型压力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流与来流方向相反指向上游。在风洞中通过时间解析二维PIV系统对翼型绕流流场进行了测量,基于翼型弦长的雷诺数Re=20 000。结果表明在等离子体激励器的控制下,翼型压力面靠近后缘处可以形成一个定常回流区,从而起到虚拟气动外形的作用,因此翼型吸力面的流场得到加速,压力面的流场得到减速,使得翼型压力面的吸力以及压力面的压力都得到增加,进而增加了翼型的环量。风洞天平测力实验进一步验证了该环量增升技术的有效性。在整个攻角范围内,施加控制的翼型的升力系数相比没有控制的工况有明显的提高。     

等离子体环量控制翼型增升的实验研究

利用等离子体激励器发展了新型的环量增升技术,并对二维NACA0012翼型绕流实施控制.由于NACA0012翼型为尖后缘构型,环量增升装置由2个非对称型介质阻挡放电等离子体激励器构成.一个等离子体激励器贴附于翼型吸力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流沿来流方向指向下游;另一个等离子体激励器贴附于翼型压力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流与来流方向相反指向上游.在风洞中通过时间解析二维PIV系统对翼型绕流流场进行了测量,基于翼型弦长的雷诺数Re=20000.结果表明在等离子体激励器的控制下,翼型压力面靠近后缘处可以形成一个定常回流区,从而起到虚拟气动外形的作用,因此翼型吸力面的流场得到加速,压力面的流场得到减速,使得翼型压力面的吸力以及压力面的压力都得到增加,进而增加了翼型的环量.风洞天平测力实验进一步验证了该环量增升技术的有效性.在整个攻角范围内,施加控制的翼型的升力系数相比没有控制的工况有明显的提高.     

等离子体激励气动力学探索与展望

等离子体激励气动力学是研究等离子体激励与流动相互作用下, 绕流物体受力和流动特性以及管道内部流动规律的科学, 属于空气动力学、气体动力学与等离子体动力学交叉前沿领域. 等离子体激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度、物性变化, 对气流施加的一种可控扰动. 局域、非定常等离子体激励作用下, 气流运动状态会发生显著变化, 进而实现气动性能的提升. 国际上对介质阻挡放电等离子体激励、等离子体合成射流激励及其调控附面层、分离流动、含激波流动等开展了大量研究. 等离子体激励调控气流呈现显著的频率耦合效应, 等离子体冲击流动控制是提升调控效果的重要途径. 发展高效能等离子体激励方法, 通过等离子体激励与气流耦合, 激发和利用气流不稳定性, 揭示耦合机理、提升调控效果, 是等离子体激励气动力学未来的发展方向.      

热激励器对超声速圆管射流的控制机理

采用大涡模拟方法研究了热激励器对马赫1.3 超声速圆管射流涡结构的影响, 采用加入净热源的方法模拟了热激励器的热效应, 分析了不同激励模态(m =±1 和m =±4) 的降噪和增加射流掺混的效果. 研究发现: (1)射流在受到激励作用时, 产生了更大的径向和周向速度扰动, 这有利于流向涡的形成, m =±1 激励模态下流向涡的发展更快, 特别是在摆动面上会有更大的增长速度; (2) 气动噪声分布的频带很宽, 激励作用对抑制高频气动噪声有较强的作用; (3) 对于在喷管壁面处产生的固壁噪声, m =±4 模态下的激励作用一定程度上加强了固壁噪声.      

零质量射流技术控制垂直轴风力机流动分离的数值研究

设计了一种斜出口零质量射流激励器并将其应用于垂直轴风力机。对施加零质量射流激励器的直线翼垂直轴风力机进行了数值研究。为适应垂直轴风力机运行工况,提出了一种冲程长度随方位角变化的激励器控制策略,验证其减小激励能耗及改善流场结构的特点;分析了射流孔数量及冲程长度对控制叶片流动分离及提升风力机气动性能的影响规律,并在最佳控制参数下对风力机流场结构进行了分析。结果表明:当激励器布置于叶片后部,最大射流吹气系数为0.0506时,采用该种激励器控制策略下的双射流孔风力机,风能利用系数相比未施加流动控制、定常吹气、定冲程长度最大分别提升21.31%、3.98%、0.06%,且射流孔数越多,提升效果越差。该种流动控制技术可抑制大涡的形成及发展,改善叶片周围流场结构。     

等离子体EHD顺电加速效应影响因素实验研究

利用PIV系统,在静止空气中,定量测量了等离子体激励器的诱导速度场,分析了激励参数等因素对等离子体EHD顺电加速效应的影响。通过实验发现:在激励频率固定的情况下,诱导气流速度随着电压的升高逐渐增大;在激励电压固定的情况下,存在一个诱导气流速度最大的最优频率,并且不同的激励器对应不同的最优频率。另外,初步分析了激励器布局、绝缘材料以及通电时间对诱导气流速度的影响。     

NUMERICAL STUDY ON DYNAMIC STALL FLOW CONTROL FOR WIND TURBINE AIRFOIL USING PLASMA ACTUATOR 1)

针对动态失速引起的风力机翼型气动性能恶化的问题,本文基于动网格和滑移网格技术, 开展了大涡模拟数值计算研究,探索了非定常脉冲等离子体的动态流动控制机理. 结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速, 改善平均和瞬态气动力,减小力矩负峰值和迟滞环面积. 压力分布在等离子体施加范围内出现了负压"凸起",上翼面吸力峰值明显增大.脉冲频率和占空比这两个非定常控制参数对流动控制影响显著,无因次脉冲频率为1.5时等离子体控制效果较好,占空比为0.8时即可接近连续工作模式下的气动收益. 翼型深失速状态,等离子体促使流动分离位置明显向后缘移动, 抵抗了大尺度动态失速涡的发生,分离涡结构破碎耗散、重新附着, 涡流影响范围减小; 浅失速状态,等离子体激励具有较强的剪切层操纵能力, 诱导了翼型边界层提前转捩,促进了与主流的动量掺混. 等离子体气动激励诱导出前缘附近贴体翼面"涡簇",起到了虚拟气动外形的作用.不同尺度、频域的动态涡结构与等离子体气动激励的非线性、强耦合作用导致了气动力/力矩的谐波振荡.     

风力机翼型动态失速等离子体流动控制数值研究

针对动态失速引起的风力机翼型气动性能恶化的问题,本文基于动网格和滑移网格技术, 开展了大涡模拟数值计算研究,探索了非定常脉冲等离子体的动态流动控制机理. 结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速, 改善平均和瞬态气动力,减小力矩负峰值和迟滞环面积. 压力分布在等离子体施加范围内出现了负压"凸起",上翼面吸力峰值明显增大.脉冲频率和占空比这两个非定常控制参数对流动控制影响显著,无因次脉冲频率为1.5时等离子体控制效果较好,占空比为0.8时即可接近连续工作模式下的气动收益. 翼型深失速状态,等离子体促使流动分离位置明显向后缘移动, 抵抗了大尺度动态失速涡的发生,分离涡结构破碎耗散、重新附着, 涡流影响范围减小; 浅失速状态,等离子体激励具有较强的剪切层操纵能力, 诱导了翼型边界层提前转捩,促进了与主流的动量掺混. 等离子体气动激励诱导出前缘附近贴体翼面"涡簇",起到了虚拟气动外形的作用.不同尺度、频域的动态涡结构与等离子体气动激励的非线性、强耦合作用导致了气动力/力矩的谐波振荡.      

基于主动流动控制的射流矢量偏转技术

本文介绍了一种基于主动流动控制技术的射流矢量偏转新方法和控制思路。通过在主射流出口两侧加装斜置扩张固壁板来降低射流两侧与固壁边界间的流体压力,将射流偏转由"不敏感-难控"转变成"敏感-易控",再在固壁板布置自行研制的斜出口合成射流激励器对主射流进行比例偏转控制。实验结果表明,射流最大偏转角可达15°。此外还研究了激励位置角度、激励频率、激励电压不同工作参数对射流矢量偏转控制的影响,实现了主射流偏转角的比例控制。当合成射流与主射流动量比为1∶43时,主射流偏转角可达13°,合成射流激励器消耗的能量为1.5W,初步实现了以小的能量消耗获取高的控制效益。     

横向振荡圆柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

基于格子Boltzmann方法(LBM)对不可压横向振荡圆柱绕流问题进行了数值研究. 与传统的求解宏观的N-S方程的数值方法不同, LBM求解此类问题不需要采用动网格, 而且不需要对网格进行特殊处理, 从而节约了计算成本. 结果显示, 当振荡频率增加到相应的静止圆柱绕流的自然涡脱落频率附近时, 圆柱后最新形成的集中涡距离柱体越来越近, 直到达到一个极限位置. 随后, 集中涡突然转向圆柱体另一侧脱落. 当振荡频率接近于静止圆柱的自然涡脱落频率时, 发生频率同步的现象. 随着振荡频率远离自然涡脱落频率, 同步现象消失. 在几种次谐振荡和超谐振荡下, 尾流区的涡脱落频率仍为相应的静止圆柱绕流的自然涡脱落频率.      

等离子体诱导圆锥前体流场的PIV测量

在封闭光学玻璃箱体内,应用介质阻挡放电等离子体对20°顶角圆锥附近的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,在定常控制和脉冲循环控制下,比较分析了最大绕流速度及最大轴向涡量,研究了脉冲频率和电压对上述参数的影响。实验结果表明:存在一个交流电压阈值(Vp-p≈14.0 kV),当电压高于这个阈值后,相对于定常控制模式,脉冲循环控制下沿90°方位角径向线上分布的时间平均切向速度和轴向涡量迅速增加;在脉冲循环控制控制下,动量传递主要表现为分离涡的形成而不是气流的加速。     

ACTIVE SEPARATION CONTROL FOR THE FLYING-WING UAV USING SYNTHETIC JET

以小展弦比飞翼式无人机为对象,开展了基于零质量射流的主动流动控制数值模拟研究. 比较分析了应用零质量射流前后飞翼式无人机纵向气动特性的改善效果,并通过流场特征的分析探讨了流动控制技术产生气动增益的原因. 研究结果表明在模型中等迎角、大迎角范围,零质量射流技术可以显著增加升力系数,最大幅值达25%,并且拓宽了纵向力矩的线性范围. 机理分析表明,零质量射流扰动通过提高模型绕流场的边界层掺混,增强附面层内外的动量输运,使得附面层有足够的能量克服逆压梯度和黏性损耗,从而达到减缓流动分离甚至使分离流再附的目的.     

飞翼布局无人机流动分离控制及机理分析

以小展弦比飞翼式无人机为对象,开展了基于零质量射流的主动流动控制数值模拟研究. 比较分析了应用零质量射流前后飞翼式无人机纵向气动特性的改善效果,并通过流场特征的分析探讨了流动控制技术产生气动增益的原因. 研究结果表明在模型中等迎角、大迎角范围,零质量射流技术可以显著增加升力系数,最大幅值达25%,并且拓宽了纵向力矩的线性范围. 机理分析表明,零质量射流扰动通过提高模型绕流场的边界层掺混,增强附面层内外的动量输运,使得附面层有足够的能量克服逆压梯度和黏性损耗,从而达到减缓流动分离甚至使分离流再附的目的.      

纳米尺度圆柱绕流尾迹区流动形式模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,对微尺度低{Re}数下的圆柱绕流问题进行了研究,模拟结果表明:当{Re}<12时,圆柱下游形成对称、无分离的定常流;当{Re}>20时,圆柱下游形成周期性交替出现的对称涡;当12相似文献   

大迎角细长体绕流背涡结构与气动特性分析

结合实验成果，对大迎角细长体绕流结构及其气动特征进行了分析。利用势流理论，探讨了大迎角下非对称侧向力沿物体轴线的变化特征与分离背涡结构之间的关系，得出截面侧向力系数沿轴向呈现正弦型曲线的变化特征是由轴向旋涡不断脱落所形成的多涡系统诱导的结果。对于三涡以上的多涡系统中，对称的物面压强分布并非一定对应对称的涡结构。