超声速非平衡电离磁流体流动控制试验和数值模拟.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaMar．252017VOI38No3SSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb《垦》buaa．edu．cn超声速非平衡电离磁流体流动控制试验和数值模拟李益文1’2一，樊昊2，张百灵2，王宇天2，段成铎2，高岭2，庄重2，何国强11．西北工业大学航天学院燃烧、流动和热结构重点实验室，西安7100722．空军工程大学等离子体动力学实验室，西安710038摘要：为了开展磁流体(MHD)流动控制原理研究，建立了磁流体技术试验系统，采用电容耦合射频一直流组合放电对Mn一3

2、．5气流进行电离，在磁场作用下产生顺／逆气流方向的洛伦兹力控制流场，采用试验段静压变化来监测磁流体流动控制效果，通过一维模型计算磁流体流动控制过程中流场变化情况，分析磁流体流动控制效果；通过添加电磁源项的Navier_stokes方程耦合电势泊松方程建立了二维磁流体动力模型，对磁流体流动控制进行数值模拟研究。主要结论如下：在磁场约束下，电容耦合射频一直流组合放电能够在Mn一3．5流场中产生大体积均匀电流，电导率约O．015S／m；在焦耳热和洛伦兹力作用下，磁流体加速时静压升高了130Pa，减速时静压升高了200Pa；磁流体流动控制过程中，仅有不足10％的能量在磁流体通道内发生了作用；数值模拟结

3、果显示，在试验条件下，加速时静压升高了128Pa，减速时静压升高了208Pa，与试验结果基本吻合。关键词：等离子体；磁流体流动控制；超声速；非平衡电离；电导率中图分类号：V211．73文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)03—12036810超燃冲压发动机在非设计马赫数下工作时会出现推力下降和外部阻力增大等问题，严重时甚至引起进气道不起动、发动机喘振和熄火[1。3]。为了使超燃冲压发动机能够在更宽的马赫数范围内保持良好的推进性能，在非设计工况下需要对其进气道流场进行调控。磁流体流动控制作为一种主动控制手段，在超燃冲压发动机进气道流场控制方面具有良好的应用前景[4。8]。磁流体

4、流动控制基本原理是通过空问内的导电流体与外部磁场相互作用，产生顺／逆气流方向的洛伦兹体积力(以下简称洛伦兹力)，对流场进行加／减速，改变流场气动特性，实现对流场的整体控制。相比于传统的变几何控制方式，具有响应迅速、无复杂机械结构、不存在热防护和密封等特点，可能实现固定几何进气道宽范围调控，带来良好的推进效益。俄罗斯学者BObashev等[91u基于激波管开展了平衡电离磁流体流动控制试验研究，采用稀有气体氙作为工质气体，试验段流场速度为2100m／s，气体平衡电离产生的等离子体电导率达600S／m。在磁感应强度B一一1．3T时，对比顺／逆气流方向洛伦兹力作用下斜激波的激波角发现，洛伦兹力的作用改

5、变了人口气流的马赫数，同时由于霍尔效应的影响，上下流场不对称分布。尽管Bobashev等进行的试验已经在原理上证明了磁流体流动控制的可行性，但是无法应用收稿日期：2016—04—26；退修日期：2016—05—26；录用日期：2016—06—12；网络出版时间：2016—07．0110：19网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／delail／11．1929．V．201607011019002html基金项目：国家自然科学基金(51306207、11372352)；中国博士后科学基金(2016M590972)；陕西省自然科学基础研究计划(2015JM5184)*通讯作者E—mai

6、：I

7、ee—yiwen@163．com引用格武；李益文。樊吴．张百灵，等i超声速菲平衡电离磁流体流动控钠试验和数值模拟!如航空学报。2017，38(3)：120368．Llyw，FANH，ZHANGBL，eta

8、TestandnumerIca

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15、onrJjiActaAeronauticaetAstronauticas讷lca，2817，38(3)：120368120368．1航空学报于真实飞行环境中的冲压发动机进气道流动控制，因为Bobashev等采

16、用的平衡电离需要气体温度很高(T+>3OooK)才能实现。对于高超声速进气道，当飞行马赫数达到12以上才有可能出现平衡电离，即使加碱金属电离种子也需要飞行马赫数达到8以上才能出现平衡电离等离子体D2

17、。因此针对冲压发动机进气道的磁流体流动控制研究应采用非平衡电离产生等离子体。美国俄亥俄州立大学Nishihara等[13‘1阳针对非平衡电离磁流体流动控制开展了试验与数值模拟研究，采用纳秒脉冲一直流组