射频放电等离子体/超声速激波耦合作用的机制研究

Plasma flow control, based on plasma aerodynamic actuation, is a novel active flow control technology, which could remarkably enhance the aerodynamic performance of aircrafts and earoengines. Plasma aerodynamic actuation created by RF discharge has the advantages such as high heating efficiency, stable discharge, easy to adjust power and so on, which is promising in the field of supersonic shockwave control. At present, some research has been made on shockwave control worldwide, and relevant results have been acquired. However, the mechanism of RF discharge plasma/supersonic shockwave interaction is still not clear. In this project, according to preliminary experiment results, the mechanism investigation on the interaction between RF discharge plasma and supersonic shockwave will be studied. Through time resolved emission spectrum, high speed schlieren, nano-based planar laser scattering, particle image velocimetry and other testing approaches, the evolution rules of some key parameters with RF discharge/shockwave interacion such as rotational and vibrational temperature of molecule, electronic temperature, electron density, the temperature, pressure and density of flow field can be revealed. With the multi-physics numerical simulation and wind tunnel experiments, the influence of actuation parameters on the shockwave control effect will be concluded. The physical mechanism of actuation intensity improvement and control ability enhancement will also be discussed. The work mentioned above is expected to provide new technical solutions on shockwave control for hyper/supersonic aircraft.

等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新概念主动流动控制技术，可以显著提升飞行器、动力装置的气动性能。射频放电等离子体气动激励具有加热效率高、放电稳定、功率调节方便等优点，在超声速激波控制方面具有广阔的应用前景。目前，国际上采用射频放电已经取得了一定的激波控制效果，但是对射频放电等离子体/超声速激波耦合作用的机制尚不清楚。本项目在已初步实验的基础上，进行射频放电等离子体/超声速激波耦合作用的机制研究：通过等离子体发射光谱诊断，流场的高速纹影、NPLS等测试手段，揭示超声速条件射频放电等离子体的转动与振动温度、电子温度与密度，等离子体气动激励的速度场和密度场等参数随时间的演化规律；结合多场耦合数值仿真和风洞实验，获得激励参数对超声速激波控制效果的影响规律；综合分析，提出提高激励强度和控制激波能力的物理机制。本项目研究可为超/高超声速飞行器激波控制等提供新的技术途径。

射频放电等离子体气动激励具有加热效率高、放电稳定等优点，在超声速激波控制方面具有广阔的应用前景。本项目进行了射频放电等离子体/超声速激波耦合作用的机制研究。通过射频放电等离子体激励特性研究，揭示了工作气压、电极间距和占空比对放电特性、发射光谱特性、温度特性的影响规律；获得了典型气压下等离子体的振动温度、电子温度、电子密度等特性；在超声速来流条件下，射频表面放电的电流峰峰值减小、电压峰峰值增大，放电粒子种类、放电形态均发生变化，放电可在流场中诱导出压缩波。.进行了射频等离子体源与激励器的阻抗匹配研究，提高了激励强度和控制激波的能力。在来流马赫数2条件下，采用射频放电等离子体激励实现了对压缩拐角斜激波起始位置和强度的有效控制，激波强度减弱22.2%。研究了激励器结构形式、激励位置和斜坡倾角对控制效果的影响，研究表明：表面放电激励器的能量更集中，激波控制效果更好；激励位置距斜坡前缘10mm时激波底部结构衰减程度最大，控制效果最显著；斜坡倾角为10°和20°时，压缩拐角斜激波的控制效果均可稳定维持。.采用风洞实验和仿真相结合的方法，揭示了射频放电等离子体激励控制激波的机理。通过射频放电等离子体激励快速加热激励器表面附近的边界层，加剧了流体微团的横向脉动，提高了气体紊流度，使下游边界层增厚，相当于在压缩拐角表面覆盖了一层低密度的光滑壁面，减弱了其对气流的压缩性，进而使壁面附近的斜激波结构逐渐分散、激波强度减小。本项目研究采用射频放电等离子体气动激励产生了稳定、持续的激波控制效果，可为超/高超声速飞行器激波控制提供新的技术途径。.通过本项目研究，共发表论文29篇，其中被SCI收录21篇、EI收录8篇；参加国际会议3人次、国内会议10人次；获授权国防发明专利2项，申请国家/国防发明专利3项；获军队科技进步一等奖1项；培养毕业博士研究生2名、硕士研究生5名。