超声速气流非平衡电离磁流体加速机理研究

Simulative ability of wind tunnel and experiment level play a significant role in the research and development of hypersonic propulsion system. For long test time reproduction hypersonic wind tunnel which is Ma8 or more, the traditional heating method is faced with problem that results from high temperature test gas which urgent to develop new techniques. In this project, present a discharge mode of high voltage pulse or high voltage pulse combined with radio frequency, and use micro discharge array to increase surface to volume radio, to realize uniform nonequilibrium ionization in supersonic airflow, then add direct-current voltage to sustain large current in conductive flow, and under the effect of Magnetohydrodynamic (MHD) acceleration, to realize energy injection to supersonic flow. According to the key science problem of multi-field coupling mechanism of MHD acceleration with nonequilibrium ionization in supersonic flow, carry out experimental studies of supersonic flow nonequilibrium uniform ionization and MHD acceleration, explore the technical condition for uniform nonequilibrium ionization and acquire the discharge characteristic and space-time evolution regularities of electron number density distribution under different temperature, pressure, magnetic field, as well as the influence rule of operating parameters on MHD acceleration effect; and on this basis, multi-field coupling model of MHD considering nonequilibrium ionization process is presented, and the heat, electricity, magnetism and flow mechanisms in MHD acceleration channel are analyzed. Achieve of this project can provide theory and technology support for innovative design and operation of reproductive hypersonic wind tunnel.

风洞模拟能力与试验水平对高超声速推进系统的研制与发展起着举足轻重的作用，对于Ma8以上长试验时间复现高超声速风洞，传统加热方式面临试验气体总温高带来的问题，亟待发展新的技术途径。本项目提出采用高压脉冲或脉冲与射频组合放电方式，并采用微放电阵列来增加表面-体积比，实现超声速气流非平衡均匀电离，通过叠加直流电压实现导电流体中大电流维持，在磁流体加速的作用下，实现超声速气流中能量注入。针对超声速气流非平衡电离磁流体加速多场耦合机理关键科学问题，开展超声速气流非平衡均匀电离及磁流体加速实验研究，探索非平衡均匀放电的技术条件，获得不同温度、压力、磁场条件下的放电特性及电子数密度分布时空演化规律，获得运行参数对磁流体加速效果的影响规律；在此基础上，建立考虑非平衡电离过程的磁流体加速多场耦合模型，分析磁流体加速通道内的热、电、磁、流动机理。项目成果将为复现高超声速风洞的创新设计与运行提供理论和技术支撑。

风洞模拟能力与试验水平对高超声速推进系统的研制与发展起着举足轻重的作用，对于Ma8以上长试验时间复现高超声速风洞，传统加热方式面临试验气体总温高带来的问题，亟待发展新的技术途径。开展了超声速气流非平衡电离实验研究。在Ma 2气流条件下开展了针-板纳秒脉冲放电实验，在上升时间为50 ns条件下，各放电通道均表现为弥散形态，而随着上升时间的增加各通道放电形态差异愈加显著；分析了不同总温条件下四针-板放电电流成分，温度升高时位移电流变化不大，而传导电流大小由室温时的3.6 A增加至200℃时的12.5 A，放电形态由弥散向辉光转变。分析了脉冲电压、上升时间、脉冲频率和脉冲宽度等对于放电均匀性及功率能量分布的影响规律。对多针放电电导率进行计算，气体平均电导率最大达到0.6S/m。建立了基于低磁雷诺数的磁流体动力学模型，开展了磁流体加速机理研究。增大电导率，焦耳热作用占据主导地位，出口气流速度降低；在磁感应强度较小时，施加电压对气流参数的影响更显著，随着磁感应强度的增大，通道内电磁作用显著增强，焦耳热则有一定减少，在B=6 T时减少了32%，气流得到显著加速；探索了马赫数8以上高超声速磁流体加速风洞运行的技术条件；增大电导率有利于气流总温的提升，马赫数则存在极大值；增大磁感应强度会导致总温降低，但有利于马赫数的增加。通过调配流场及电磁参数，在T0=3500 K，P0=2 MPa，σ=20 S/m，B=10 T条件下实现了马赫数9飞行条件的模拟。开展了超声速条件下“脉冲-直流”放电的磁流体加速初步实验，实现了直流维持与脉冲电离激励作用下的均匀且稳定的导电气流，在辉光放电条件下，增大直流电压至800V, 单次放电的沉积能量可达11.3975mJ，气流电导率最大可以达到5S/m。开展了超声速条件下“脉冲-直流”磁流体加速实验，利用电磁铁产生0.8T的磁场对超声速“脉冲-直流”放电气体进行注入能量研究，在磁场作用下，沉积能量最大增加11.7%。磁流体加速技术在先进高超声速风洞的创新设计及运行方面具有良好的应用前景。