大气压空气纳秒脉冲等离子体气动激励特性数值模拟与实验验证

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaSep．252013V01．34No．92081-2091ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cadoi：10．7527／SLOOO一6893．2013．0164大气压空气纳秒脉冲等离子体气动激励特性数值模拟与实验验证朱益飞，吴云*，崔巍，李应红，贾敏空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室，陕西西安710038摘要：从机理出发，建立了考虑15种粒子和42个反应的二维等离子物理一化学模型，采用3段变步

2、长方法，计算了纳秒时间尺度上等离子体放电特性与微秒、毫秒和秒时间尺度上流场的温度、压力与速度响应，并利用伏安特性、综合成像高速摄像机(ICCD)与粒子成像测速(PlV)实验对模型进行验证。结果表明：纳秒脉冲等离子体放电可以形成速率高达1．8×10”K／s的局部快速温升，热源最强位置在上极板后端点；局部能量快速注人可引发压力场强扰动，形成以上极板后端点位置为中心且呈不均匀分布的压缩波和紧随其后的膨胀波，强压力扰动波形成初始阶段以当地声速快速传播，但很快即衰减为弱扰动波；压力扰动后的局部高温诱导局部流场形成涡结构，涡内流体平均速度为0．3m／s。仿真和实验结果均显示，施加重频纳

3、秒脉冲激励时，局部诱导涡与宏观热对流效果相叠加，使流体响应呈先垂直向上、再稳定斜向右上射流的规律。关键词：等离子体气动激励；大气压介质阻挡放电；纳秒脉冲；空气；数值模拟中图分类号：V211；0539文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)09—2081—11表面介质阻挡放电(SDBD)产生的等离子体气动激励是一种新概念主动流动控制技术，是将等离子体用于改善空气动力特性的主要技术手段，已成为国际上空气动力学和气动热力学领域新兴的研究热点[1]。目前，大量研究工作集中于一种采用正弦电压波形、频率为数千赫兹的微秒放电等离子体气动激励，它可以形成近壁射流诱导下游边界层

4、加速，从而起到抑制流动分离的目的口]。近年来，采用纳秒脉冲高压驱动的纳秒脉冲等离子体气动激励受到了越来越多的关注并被应用于流动分离和激波控制[3。4]，其主要作用机制是依靠上电极端点区域的快速加热效应诱导局部压缩波(甚至是激波)的产生。粒子成像测速(PIV)、纹影和体积力测量实验均发现，纳秒脉冲气动激励的诱导速度并非平行而是垂直于介质板‘5

5、。纳秒脉冲放电过程迅速、反应复杂、区域狭小，而现有的等离子体诊断设备和流场测试设备受到时间、空间分辨率的双重限制，难以完整、精确地测定放电过程中电特性和流场特性参数的变化情况，因而，利用数值方法揭示纳秒脉冲等离子体气动激励机理显得尤为重

6、要。Kossyi等对Nz—O。混合气等离子体放电反应进行了全时域的研究，建立了包含46种粒子和395个化学反应的完整的零维化反动力学模型[6]，揭示了等离子体放电过程中的主要反应过程和化学基团变化规律，为后续的机理研究奠定了基础；Flitti和Pancheshnyi对N。一02混合气等离子体放电的快速加热机制进收稿日期：2013．01-17；退修日期：2013一01—31；录用日期：2013-03-12；网络出版时间：2013—03-2111：06网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929．V201303211106．003．htm基金项目：

7、国家自然科学基金(50906100，51007095)；高等学校全国优秀博士学位论文专项资金资助项目(201172)*通讯作者Tel：029·84787527E-mail：wuyunl223@126．com孑l用格武

8、ZhuYF，WuY，CuiW，etal．Numericalsimulationandexperimentalvalidationofpulsednansecondplasmaaerodynamicactua—tioninairunderatmosphericpressure．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34

9、(9)：2081-2091．朵盏飞，吴云，崔舞，等．大气压空气纳秒棘冲等离子体气动激动特性数值模拟与实验验证．航空学报，2013。34(9)：2081-2091．航空学报Sep．252013V01．34No．9行了研究[7]，发现约化电场强度较高时(>200Td，1Td=10-21V·m2)反应释放热量主要来源于电子激发、分子离解、电离和复合过程；Poggie和Bisek在Kossyi等的基础上，根据纳秒放电的特点对化学反应进行了简化，建立了纳秒脉冲等离子体放电一维模型，并利用该模型研究了压缩波的产生机制[83；文