等离子体控制翼型流动分离实验

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1、2010年8月沈阳航空工业学院学报Aug．2010第27卷第4期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringV01．27No．4文章编号：1007—1385(2010)04—0018—05等离子体控制翼型流动分离实验方弘毅1李光里1杨波2(1．沈阳航空航天大学动力与能源工程学院，辽宁沈阳110136；2．大连海事大学环境工程研究所，辽宁大连116026)摘要：为了提高等离子体的流动控制能力，在常规大气环境，来流风速分别为20m／s、30m／s、40m／s条件下进行了介质阻挡放电抑制NACA0015翼

2、型流动分离实验研究。结果表明：等离子体能有效的抑制分离，实现增升减阻，但随着来流风速增加，有效控制的起始和终止攻角均变大，攻角区域却逐渐变小；可以通过在翼型分离点附近布置等离子体激励器，在允许的范围内尽量提高输入功率，使控制效果达到最佳。关键词：航空航天推进系统；流动控制；介质阻挡放电；等离子体；流动分离中图分类号：V211文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1007—1385．2010．04．005目前，利用等离子体进行流动控制已经受到日益广泛的关注。其在改善飞行器和动力装置气动特性方面具有广阔的应用前景，如实现翼型的增升减阻、抑制压气机

3、和涡轮叶片流动分离、控制叶栅间隙流动等，目前已经成为空气动力学领域新兴的研究热点⋯。2002年简氏防务周刊对其评论为：将期待一场航空和商业飞行器的革命。2005年，美国空军科研局将等离子体动力学列为未来几十年内保持技术领先地位的六大基础研究课题之一【2I。介质阻挡放电等离子体流动控制技术作为一种新型的主动流动控制技术，抛弃了传统被动控制的复杂部件，具有尺寸小、重量轻、可靠性高、成本低、宽频带陕速响应、无需移动部件等优点【3J。国际上，采用纳秒脉冲电源的介质阻挡放电可控速度已达0．8马赫左右HJ。国内，空军工程大学率先展开了这方面的实验与数值模拟研究，取得了

4、可喜的成绩口娟J。可以预见，随着等离子体技术的日臻完善，这种先进的流动控制技术必将得到蓬勃发展。本文主要对等离子体诱导流体定向运动的原理[9一叫做详细阐述，并在大气环境中进行了不同风速条件下等离子体对流动控制作用的实验研究。收稿日期：2010—05—20基金项目：国家自然科学基金项目(项目编号：60801010)作者简介：方弘毅(1985一)，男，陕西安康人，硕士研究生。研究方向：航空发动机气动热力学及应用。E—mail：fwwhest@126．eom。1基本理论介质阻挡放电因其在一个大气压的环境下可生成高密度的等离子体，近十年来备受青睐。其结构如图I所示

5、。裸露电极等离子体L一＼＼图I介质阻挡放电等离子体激励器当供给电压比较低时，电极间的气体会有一些电离和游离扩散，但因含量太少，不足以使气体出现等离子体反应。随着供给电压的逐渐提高，反应区域中的电子也随之增加，这些电子在电场中加速与中性粒子发生碰撞。当能量达到或超过气体的电离能时，在每次电离碰撞中电子就会成倍地增加形成电子雪崩。在大气压条件下，由于粒子间的碰撞频率较高，一个正在变大的电子雪崩在很短的距离就可以产生相当规模的电荷密度。当电子雪崩在气体间隙形成并产生定向移动时，离子由于运动速度慢而被滞留在后面，故会在放电空间形成积累。空间电荷的产生会使空间电场产

6、生畸变，从而使电极间空气间隙的电场强度等于或超过周围气体的击穿场强，故在较短的时间内气体电离急剧增加，最终导致丝状放电的发生，形成明亮的等离子体通道。由于介质层的存第4期方弘毅等：等离子体控制翼型流动分离实验19在限制了电流的自由增长，因此也阻止了极间火花或弧光放电的产生，使这种丝状放电得以大量独立的发生。介质阻挡放电可以诱导流体定向流动，在实验中已得到验证。其原因田纳西大学J．Reece．Roth做了研究和解释，但不够简明扼要。简单说来：因为电极的不对称性造成电场线的弯曲，在电极的边缘处，电场强度最大，离此区域越远时，电场强度就越小。在外加电场的作用下，

7、离子和电子分别朝不同的方向运动。由于电子的质量非常小，其速度远大于离子的速度，所以动量传递作用非常小。其主要功能是与中性粒子发生电离碰撞，产生更多的离子和电子，而与周围流体之间的动量传递则是由离子与中性粒子的碰撞来完成的。当电子向掩埋电极运动时，由于电极表面介质的影响，限制了电子进入掩埋电极，却只能附着在介质表面上。当正弦交流电进入下半周期后，电场方向发生变化，附着的电子又会重新进入电场被加速，再次发生碰撞电离，随后进入裸露电极。由于下半周期的附着电子数目较上半周期开始时由电场电离的电子多的多，故气体电离程度更高，离子数目更多，传递动量也就更大。因此，整个

8、周期的总体动量传递效果是朝着掩埋电极的。而且，由于电源频率高，电场