细长前体涡流场等离子体主动控制及其机理研究

具有良好的过失速机动能力是未来战斗机发展的重要方向，然而到目前为止，战斗机失速后其细长头部非对称分离涡的产生及控制机理仍是流体力学领域一个尚未解决的关键问题。本项目拟通过测压、测力、表面流谱以及空间流场观测等实验技术，在定常非对称分离涡流动形态下，对细长前体分离涡流场进行不同形式的等离子体主动流动控制，以期达到对飞行器大迎角飞行状态下，对其侧向力和力矩的线性控制以及对其纵向力与力矩的有效控制的目的，并进一步对等离子体诱导气流与分离涡流场的相互作用；分离涡流动随主动控制的周期性变化规律；流动周期性与飞行器气动力变化之间的关系等问题进行研究，探索大迎角下等离子体主动流动控制机理。本研究对旋涡与等离子体相互作用的科学规律的认识具有重要意义，同时对提高飞行器在大迎角下的横、纵向稳定性与操作性有着重要的应用前景。

本项目通过对交流周期（Alternating Current, AC）和纳秒脉冲（Nanosecond Pulsed, NS）两种等离子体发生器进行研究，通过介质阻挡放电（dielectric barrier discharge, DBD）的方式，成功研制了AC-DBD和NS-DBD高效等离子体激励器。通过对AC-和NS-DBD等离子体激励器的电场、温度场、诱导速度场和密度梯度场进行研究，掌握了两种等离子体激励的气动控制机理。在了解圆锥前体非对称旋涡流场的流动规律基础上，应用AC-和NS-DBD等离子体激励器对其进行了主动流动控制，总结了不用迎角、风速和激励方式下的控制规律。主要研究成果如下：.1. 迎角0° - 35°范围内，风速范围30 - 80 m/s下对半顶角为10°的圆锥模型进行流态实验。通过表面压力测量获得了沿轴向9个测压截面的压力分布曲线，沿轴向积分进而得到当地和全局侧向力系数。通过变化迎角、风速和滚转角，进一步推测了其对模型侧向力和压力分布的影响；通过分析测压截面处的压力分布，完成了对分离流场流态的推测。.2. 利用二维PIV对具有占空循环功能的AC-DBD和NS-DBD等离子体激励下的诱导速度场进行观测，通过计算验证压力分布项的影响；应用纹影对NS-DBD激励下的密度梯度场观测，得到其对流动的影响机理；通过对激励器材料、电学参数、温度和辉光的优化，设计出了高效的等离子体激励器。.3. 利用AC-DBD激励结合占空循环控制技术，实现对圆锥前体非对称分离涡流场的比例控制；利用NS-DBD激励器，实现了最高风速72 m/s下对非对称流场的有效控制。通过PIV和表面压力测量技术观测，分析了两种激励机制对圆锥前体压力分布、侧向力和流场流态的影响；结合占空循环控制技术，进一步探究了占空频率与旋涡运动规律之间的关系。