等离子体流动控制机理及其应用研究

论文摘要

交错电极介质阻挡放电等离子体流动控制是通过等离子体对其周围气流施加扰动来改善气动部件动力特性的一种技术手段,在飞行器减阻增升、发动机扩稳增效等方面具有潜在的广阔应用前景,对于提升飞行器的气动性能具有重要意义,目前已成为国际上空气动力学领域新兴的研究热点。近期国内外在等离子激励对外部流动边界层分离控制方面开展许多探索性工作,并展现出外流等离子体流动控制概念向内流控制渗透的雏形。本文首先开展了等离子体激励效果的诊断、数值模拟和等离子体流动控制的机理研究,然后由钝体绕流等离子体流动控制实验(外流)过渡到压气机叶栅等离子体流动控制实验(内流),并进一步开展了旋转机械(压气机)等离子体激励扩稳实验。在外流实验中,关注等离子体激励对速度和湍流度的影响,获得了比较详细的流场数据;在叶栅和压气机实验台上开展的内流实验,则重点关注等离子体激励对抑制内部流动分离、减小流动损失和拓宽稳定运行区域的作用效果。本文主要研究内容和结果如下:1.通过纹影干涉法得到了等离子体引起干涉条纹的变化,由此计算获得了尖端电极介质阻挡放电产生的等离子体的密度。2.通过改变电极布置方式、降低气压和注入其它气体的方法探讨了增强等离子体激励强度的方法。3.通过数值模拟研究了等离子体激励对平板附面层特性的影响。4.将激光诱导荧光系统应用于介质阻挡放电等离子体的研究,在实验中观测到了放电产生的痕量一氧化氮,分析说明该系统应用于等离子体流动控制研究的优势。5.通过实验和数值模拟分析验证了等离子体激励流动控制的“撞击效应”、“温升效应”和“化学反应效应”。6.利用激光多普勒测速仪开展的流场测量表明等离子体激励可以明显改变电极附近的流场,有增速消涡的作用,从而增强边界层抵抗逆压梯度的能力;通过对实验数据的分析,总结了等离子体附近速度与湍流度的分布规律。7.利用粒子图像测速仪,考察了由布置在圆柱尾缘的两对等离子体激励器形成的尾缘射流对尾迹区流态的影响,以及布置在丘型物顶部的激励器对流动分离的抑制。8.通过在压气机叶栅吸力面和端壁不同位置施加等离子体激励的实验,分别利用热线风速仪、三孔探针和微型五孔探针测试等离子体激励抑制吸力面流动分离、减小叶栅流动损失以及对二次流的作用效果。实验结果表明等离子体激励有助于减小叶栅流动损失,来流速度很低时能够抑制叶栅吸力面流动分离。9.通过等离子体激励扩大低速单转子压气机的稳定工作范围的实验,研究在机匣的不同位置施加等离子体激励,对压气机近失速流量系数和压升系数的影响,并探讨其作用机理。实验结果表明压气机转速为1080r/min时,等离子体激励使压气机近失速流量系数减小了5.07%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 前言
• §1.1 研究背景和意义
• §1.2 介质阻挡放电等离子体流动控制原理、组成及其优
• §1.3 国内外DBD等离子体流动控制的研究现状
• §1.3.1 国外DBD等离子体流动控制的研究现状
• §1.3.1.1 气动实验研究
• §1.3.1.2 机理研究
• §1.3.1.3 数值模拟研究
• §1.3.2 国内DBD等离子体流动控制的研究现状
• §1.4 本文主要研究目的和内容
• 第二章 等离子体激励效果的诊断与强化手段
• §2.1 引言
• §2.2 纹影干涉法测量等离子体密度的实验
• §2.2.1 实验装置
• §2.2.2 实验结果和分析
• §2.3 测力实验
• §2.3.1 电子天平实验
• §2.3.2 单摆实验
• §2.4 增强等离子体激励强度的实验研究
• §2.4.1 实验布局
• §2.4.2 实验结果及分析
• §2.4.2.1 等离子体荧光光谱成分分析
• §2.4.2.2 气压的影响
• §2.4.2.3 改变气体成分的影响
• §2.4.2.4 真空容器充注氦气实验
• §2.5 本章小结
• 第三章 平板附面层等离子体激励的数值模拟
• §3.1 引言
• §3.2 数值模型介绍
• §3.2.1 体积力的求法
• §3.2.2 电势的处理
• §3.2.3 外部电场电势的求法
• §3.2.4 电荷密度的求法
• §3.2.5 电荷密度、体积力计算结果
• §3.3 数值模型的验证
• §3.4 层流模型与湍流模型
• §3.5 不同来流速度时的数值模拟
• §3.6 等离子体激励对平板附面层的影响
• §3.7 本章小结
• 第四章 等离子体流动控制的机理分析及验证
• §4.1 引言
• §4.2 撞击效应的验证
• §4.3 温升效应的验证
• §4.3.1 实验布局
• §4.3.2 实验结果和讨论
• §4.3.3 计算结果与分析
• §4.3.3.1 能量方程边界条件
• §4.3.3.2 空气物性与温度的关系
• §4.3.3.3 温度分布以及物性参数分布
• §4.3.3.4 速度分布
• §4.4 化学反应效应的验证
• §4.4.1 激光诱导荧光实验系统
• §4.4.2 实验结果与讨论
• §4.5 本章小结
• 第五章 基于等离子体激励的外流强剪切流动控制效果测试与分析
• §5.1 引言
• §5.2 测试方法
• §5.3 实验误差分析
• §5.4 静止流场中施加等离子体激励的实验
• §5.5 平板附面层等离子体激励的实验
• §5.6 等离子体激励控制圆柱绕流的实验
• §5.7 等离子体激励抑制丘形物流动分离的实验
• §5.8 本章小节
• 第六章 基于等离子体激励的内流强剪切流动控制效果测试与分析
• §6.1 引言
• §6.2 等离子体激励抑制压气机叶栅吸力面流动分离的实验
• §6.2.1 实验设备和测试技术
• §6.2.1.1 实验风洞
• §6.2.1.2 测量系统
• §6.2.1.3 实验误差分析
• §6.2.1.4 实验件介绍
• §6.2.2 实验结果与分析
• §6.2.2.1 低负荷压气机叶栅实验结果与分析
• §6.2.2.1.1 不同来流速度下等离子体激励效果分析
• §6.2.2.1.2 不同攻角下等离子体激励效果分析
• §6.2.2.1.3 不同激励电压下等离子体激励效果分析
• §6.2.2.1.4 等离子体激励抑制流动分离效果分析
• §6.2.2.2 高负荷压气机叶栅实验结果与分析
• §6.3 等离子体激励对压气机叶栅二次流影响的实验
• §6.3.1 实验设备和测试技术
• §6.3.1.1 实验风洞
• §6.3.1.2 测量系统
• §6.3.1.3 实验误差分析
• §6.3.1.4 实验件介绍
• §6.3.2 实验结果与分析
• §6.3.2.1 叶栅流通能力
• §6.3.2.2 叶栅总压损失系数
• §6.3.2.3 叶栅径向流动
• §6.4 等离子体激励扩大压气机稳定性的探索实验
• §6.4.1 测量系统与实验件
• §6.4.2 实验结果与分析
• §6.4.2.1 施加激励前后的对比实验
• §6.4.2.2 激励强度对扩稳效果的影响
• §6.4.2.3 激励位置对扩稳效果的影响
• §6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• §7.1 主要研究工作和创新点
• §7.2 研究工作展望
• 主要符号说明
• 图目录
• 表目录
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢