超声速来流下脉冲电弧等离子体激励特性及其优化研究

The plasma aerodynamic actuation generated by pulsed arc plasma has many advantages such as high intensity and wide frequency band, which make it quite promising in supersonic flow control. Previous investigations on arc plasma aerodynamic actuation are mainly focused on the flow control mechanism and effect. The study of the influence rules and mechanism between actuation parameters and characteristics is still preliminary, and many problems remain unsolved during the optimized design of low energy consumption, large area arc plasma actuation. The limitation of research on actuation characteristics and its optimization has become a critical bottleneck for the mechanism understanding, effect enhancement and technical application of plasma flow control. On the basis of existing results, the characterization and optimization of pulsed arc plasma actuation are proposed. With the combination of comprehensive test, numerical simulation and theoretical analysis of the discharge plasma and plasma induced flow, the influence rules and mechanism of discharge time scale (ms, μs, ns), actuator geometry (shape, size and gap distance of electrodes), as well as velocity on energy consumption and actuation intensity will be systematically discussed. Based on the search of best discharge parameter and actuator geometry, the basic principle and method of optimization for step-by-step multi-channel discharge can be explored. The actuation scheme for large area, high intensity and low energy consumption will be verified with the background of oblique shockwave control. Results acquired in this project will crucially support the development of supersonic arc plasma flow control.

脉冲电弧等离子体激励具有强度大、频带宽等优点，在超声速流动控制领域具有广阔的应用前景。国际上已有研究主要集中于电弧等离子体激励对流动的作用机理与控制效果，超声速来流下电弧等离子体激励特性的参数影响规律与机理研究还很初步，低功耗、大面积激励的优化设计也面临很多困难，激励特性及其优化的研究滞后已成为制约流动控制机理深化、效果提升和技术应用的重要瓶颈。在已有研究的基础上，申请开展超声速来流下脉冲电弧等离子体激励特性及其优化研究，通过放电等离子体与诱导流动特性的综合测试、仿真与理论分析，系统研究放电时间尺度（毫秒、微秒和纳秒）、激励器结构（电极形状、尺寸和间距）、来流速度对激励功耗、强度等特性的影响规律与机理，探索基于最佳激励参数与激励器结构的分步放电式多通道激励系统优化原理与方法，并以激波控制为载体对大面积、高强度、低功耗激励方案进行验证，为超声速电弧等离子体流动控制技术的发展提供重要支撑。

本项目针对超声速激波控制面临的控制区域有限、稳定性不足的问题，开展了超声速来流下脉冲电弧等离子体激励特性及其优化研究，通过放电等离子体与诱导流动特性的综合测试、仿真与理论分析，系统研究放电时间尺度、激励器结构、来流速度对激励强度的影响规律与机理，探索基于最佳激励参数与激励器结构的分步放电式多通道激励系统优化原理与方法，并以激波控制为载体对大面积、高强度、低功耗激励方案进行验证，为超声速电弧等离子体流动控制技术的发展提供重要支撑。.根据项目任务书中承诺的研究目标，开展了深入、细致的研究工作。获得了脉冲电弧放电等离子体激励的电特性、光谱特性与诱导冲击波特性。总结了激励频率、气压、来流速度对冲击波强度与速度的影响规律。.通过对放电击穿特性、阻抗特性的深入研究，提出了阻抗调控的方法，延缓了负载向负阻抗的转化，实现了输入高压依次加载到放电电极，突破了单电源多路放电技术。多路放电过程分为通道形成与火花放电两个阶段，第一阶段电极间隙依次击穿形成放电通道，第二阶段放电电容通过形成的火花放电通道释放能量。在不改变输入电压的情况下，通过提高电路驱动放电通道数目使等离子体区域电阻增加，放电效率提高。.采用多通道脉冲电弧放电等离子体激励，大幅度提高了激波控制效果，分离激波受到扰动的时间显著提高。通过实验与数值仿真相结合，获得了放电功率密度、激励位置、激励组数等参数对控制效果的影响规律，提出了优化激励方案。.发表研究论文14篇，其中SCI收录10篇，EI收录4篇；获授权国防发明专利1项，申请国防发明专利1项；获军队科技进步一等奖1项；参加国际学术会议3人次、国内学术会议4人次；培养博士研究生2名，硕士研究生1名。