等离子体合成射流激励的产生与演化机制研究

Plasma synthetic jet actuation is a noval active aerodynamic actuation with several technical advantages such as strong actuation intensity, wide actuation band ,free of moving parts and so on, which could significantly improve the characteristics of aircraft and aeroengine. At present, the creation and characteristics of plasma synthetic jet have been preliminarily studied internationally, but the creation of actuation and the influencing mechanism of some key parameters are still not clear. In this project, the production and evolution mechanism of plasma synthetic jet is investigated. The evolving laws of rotational temperature, vibrational temperature, electron temperature, electron density, velocity field and density field of plasma synthetic jet will be revealed through time resolved emission spectrum diagnosis, flow field particle image velocimetry and nano-based planar laser scattering tests, numerical simulation. The changing rules of plasma characteristics and synthetic jet characteristics along with actuation parameters will be concluded through adapting the amplitude and frequency of actuation voltage. Also the energy transform mechanism and the mechanism which dominates the jet velocity and frequency will be revealed with the analyses of plasma heat-up and synthetic jet ejection procedures. The work mentioned above is propitious to enhance the action ability of plasma flow control, which would technically support developing aircrafts of the next generation.

等离子体合成射流激励是一种新型的主动流动控制激励方法，具有激励强度大、激励频带宽、没有运动部件等技术优势，可显著提升飞机和发动机气动性能。目前，国际上已经初步揭示了等离子体合成射流激励的产生原理和特性，但是对激励产生和演化过程中的关键参数变化规律及其机制尚不清楚。本项目在初步实验的基础上，进行等离子体合成射流激励的产生与演化机制研究：通过时间分辨的等离子体发射光谱测试诊断、流场PIV和NPLS测试，以及数值仿真等手段，揭示等离子体的转动与振动温度、电子温度与密度，合成射流的速度场和密度场等参数随时间的演化规律；调整激励电压幅值、频率等参数，获得等离子体特性、合成射流特性随激励参数的变化规律，并综合分析等离子体加热和合成射流喷射的物理过程，揭示激励的能量转化机制和主导射流强度、重复频率的物理机制。研究成果有利于提高等离子体流动控制的作用能力，为下一代飞行器的发展提供技术支持。

等离子体合成射流激励是一种新型的主动流动控制激励方法，具有激励强度大、激励频带宽、没有运动部件等技术优势，可显著提升飞机和发动机气动性能。目前，国际上已经初步揭示了等离子体合成射流激励的产生原理和特性，但是对激励产生和演化过程中的关键参数变化规律及其机制尚不清楚。本项目提出研究等离子体加热和合成射流喷射的物理过程，揭示激励的能量转化机制和主导射流强度、重复频率的物理机制。研究成果有利于提高等离子体流动控制的作用能力，为下一代飞行器的发展提供技术支持。. 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。完善了等离子体合成射流激励实验系统，通过时间分辨的高速纹影测试获得了等离子体合成射流的速度场和密度场，揭示了等离子体合成射流的产生和演化规律。腔体内电弧放电首先在射流出口附近诱导出一组压缩波系，压缩波系属于以音速传播的弱扰动，随后腔内气体受热膨胀并向外喷出，形成高速等离子体合成射流；以实验获得的功率密度作为能量方程源项，建立了数值仿真模型，系统开展了激励器结构参数与激励参数对射流特性的影响规律研究；通过数值仿真，揭示了加热功率、电弧加热区域、激励频率等参数对等离子体合成射流激励特性的影响规律；建立了等离子体合成射流的放电效率模型，放电效率由电弧电阻和电路寄生电阻的相对大小决定。电路寄生电阻不变的前提下，电弧电阻越大，放电效率越高。电弧电阻会随着电极间距的增加而增大，但增长的速度越来越缓慢。但当放电能量保持不变时，不同电容容值和电压组合下的电弧电阻则基本不变。当电容不变时，随着放电电压的增加，电弧电阻则会逐渐减小；建立了等离子体合成射流的热力循环模型，等离子体合成射流的热力循环转化效率主要由能量沉积前后的温度比以及加热过程的多变指数所决定。温度比越高，等离子体合成射流的热力循环转化效率就越高。电弧加热过程为介于定压加热过程与定容加热过程之间的多变加热过程。电弧加热时间尺度越大，多变指数越大，加热过程就越接近于定压加热过程，等离子体合成射流的热力循环转化效率就越低。. 发表研究论文31篇，其中：SCI收录15篇，EI收录15篇；培养博士研究生1名，硕士研究生2名；获授权国防发明专利1项，申请国防发明专利1项；参加国际学术会议2人次、国内学术会议3人次。