纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSInicaMar．252014VoI．35No．3657．665ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa，edu．cnhkxb(罾buaa．edu．cn纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟倪芳原，史志伟。，杜海南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016摘要：利用数值模拟，研究了纳秒脉冲介质阻挡放电(N孓DBD)等离子体激励器在圆柱高速流动控制中的应用。首先。研究了单电极NS—DBD等离子体激励器在静L卜

2、空气中放电后的流场特性。研究表明在介质阻挡放电形成的等离子体区域，有局部能量快速注入，放电结束5肛s后在上极板后端点位置形成了一个局部温度高达900K的热点，由此引发很强的压力扰动，形成以上极板后端点位置为中心，扩散速度约为声速的半圆形压缩波。在此基础上，通过数值模拟研究了N孓DBD等离子体激励器布置在直径为6mm的圆柱上，来流马赫数为M矗。一4．6时，对圆柱脱体激波的控制作用。研究表明介质阻挡放电形成的半圆形压缩波对于脱体激波有很强的干扰作用，激波距离增加了15．7％，激波强度也有相应的减弱，导致阻力减少了13％。关键词：纳秒脉

3、冲；介质阻挡放电；激波；流动控制；数值模拟中图分类号：V19；0539文献标识码：A文章编号：1000一6893(2014)03一0657一09流动控制技术是通过对流场力、质量、热量、电磁等物理量施加扰动来改变流场特性，从而改变流场中物体的受力状态或运动状态。等离子体流动控制是一种新的流动控制技术，近年来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]，美国、俄罗斯、英国、法国、德国、阿根廷等国家的研究机构在国家或军队的资助下进行了广泛的研究。目前，大量研究工作集中在频率为数千赫兹的毫秒或是微秒放电等离子体气动激励上。它

4、可以形成近壁射流，在速度较低的情况下，对于延迟分离、增加升力、减小阻力有一定的控制效果[2。3]。早期等离子体流动控制研究中多采用正弦式高压电源，但正弦式高压源激励的表面等离子体影响区域很小、作用效果很弱、实用价值有限。近年来，随着脉冲电源技术的发展，纳秒脉冲高压驱动的纳秒脉冲等离子体气动激励被应用于飞行器转捩分离控制[4。5]、激波控制[6。83以及降低表面摩擦阻力等。纳秒脉冲介质阻挡放电(Nanosecond—pulseDielectricBarrierDischarge，N孓DBD)反应过程迅速，现有的实验技术使得实验很难捕

5、捉到放电过程中的瞬时电场特性和流场特性。因而等离子体气动激励机理分析以及等离子体激励器与特定流场的耦合作用及其控制机理一直是难点。利用数值模拟方法，可以得到纳秒脉冲放电过程中的等离子体动态情况，以及放电过程中和放电结束后的微观流场情况，这有利于更好了解纳秒脉冲等离子体用于流动控制的作用机理。Unfer[91和Chc[1叩等通过联立泊松方程和粒子漂移扩散连续收稿日期：2013—04—27；退修日期：2013．09—09；录用日期：2013—11—05；网络出版时闻：2013—11—2711：21网络出版地址：www．cnki．net

6、／kcms／detail／111929．V．201311271121005．htmI*通讯作者Tel：025．84896464E-mail：szwam@nuaa．educn斟用格武

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17、速流动控制的数值模拟[以．航空学报，2014，35(3)：657·665．航空学报Mar．252014V01．35NO．3方程各自建立了描述二维纳秒脉冲等离子体放电模型，并利用各自简化后的热源模型计算了微秒时间尺度内流场的响应。Bisek等[61则忽略放电过程，通过直接构筑唯象模型，采用数值描述热源分布计算了微秒时间尺度内流场的响应。上述研究主要集中在放电机理或是流动机理的研究上，等离子体输运过程中化学反应机理过于简化，没有充分体现纳秒脉冲快速放电的特性。为更好地研究和揭示NS—DBD的机理与演化规律，本文对大气压下静止空气电离单

18、电极NS_DBD诱导流场的特性进行二维数值模拟。模型中考虑空气放电时15种粒子的20个化学反应，将电子、离子和中性粒子的连续方程与泊松方程、Navier_Stokes方程耦合求解，得到了电子、焦耳传热能量离子分布以及流体响应结果。并与实验对照，验证