等离子体湍流减阻机理的耦合计算及实验研究

The mechanism study of Dielectric barrier discharges (DBD) plasma effect on the turbulence drag reduction is carried out by the numerical simulation and experimental test. The breakdown process of plasma actuator based on the fluid model and turbulence simulation by the large-eddy simulation(LES) will be coupled together. For the flat boundary layer with the incoming velocity of Re=10000-100000, the plasma effects on the turbulent coherent structure, "ejection" and "sweeping" process, the production of turbulent energy and Reynolds stress are analyzed. Moreover the plasma parameters such as distribution of the charged particles, electrical force and joule heating, as well as the flow field parameters including the flow velocity, vorticity, vortex structure etc., are compared. Thus the mechanism of turbulent drag reduction would be proposed. Then to different velocity and turbulence intensity for the incoming flow, the actuation voltage, electrode arrangement is changed, the law of plasma effect on the coherent structures and the Reynolds stress would be exposed, which could lay the foundation for the application of the technology.

采用数值模拟与实验测量相结合的方法，进行DBD等离子体湍流减阻机理研究。基于介质击穿过程的流体模型和湍流LES模拟方法，研究二者的耦合计算方法。针对Re=10000-100000的平板湍流边界层，研究等离子体激励对湍流边界层条带和涡结构形态、"喷射"和"下扫"猝发过程、湍动能和雷诺应力等参数的影响，分析等离子体参数（带电粒子、电场强度、电场力及焦耳热的空间分布）对流场参数（局部流动速度、涡量、涡结构等）的作用机制，较全面揭示等离子体湍流减阻机理。针对不同速度和湍流度的来流条件，考察不同激励参数下（电压、电极布置方式等）近壁区湍流拟序结构、喷射和下扫、湍动能、雷诺应力等参数的变化规律，得到流场变化与激励参数间的响应关系和机制，为该技术的应用奠定基础。

项目以等离子体控制附面层流动和湍流减阻为研究对象，进行DBD等离子体流动控制机理研究。基于介质击穿过程的流体模型和湍流LES模拟方法，研究二者的耦合计算方法。针对不同流动条件下的平板湍流附面层和凸包分离流动，研究等离子体激励对条带和涡结构形态、湍动能和雷诺应力等参数的影响，分析其作用机制，较全面揭示等离子体对湍流附面层流动的影响机理。通过体积力向流体注入动量产生的射流，相同来流条件下，电压越大，射流核心区的速度也越大，且高速区更为集中，而较小的激励电压使得射流更容易受周围流体的掺混作用以及壁面摩擦而耗散和衰减；来流越大，射流速度越大，但其相对主流的速度增量则越小，即对周围流体的作用也相对减小。采用非定常激励产生的正负涡量对周围流体周期性的卷吸-推移作用，可有效提高射流与周围流体的能量掺混；激励频率较低时，射流强度的衰减更快，宽度更宽，高速核心区更加远离壁面区域，而且激励区的湍流脉动更为显著，提高激励频率可以减小局部湍动能。沿展向分布的体积力可以在下游产生交替出现的高低速条带区，对应的摩擦阻力增加和减小区域交替出现，但总阻力减小不大；存在一最佳激励频率，使得有效作用区域的减阻效果最大；采用倾斜逆来流方向安装电极，可有效降低平板总阻力；当角度大于20°时，出现了较为明显的减阻效应，且角度越大，效果越明显；当角度为70°时，可到达13%减阻效果；而后最大减阻量随角度增加变化减小；增大等离子体作用区贴近壁面沿平行壁面方向的作用范围，减阻效果增强；而采用多排激励器串列布置的方式可大幅增强其减阻效果，间距较小时，两排等离子体激励区的作用效果产生融合，减阻呈单峰值特性，其峰值最大；而间距增加后，当上游激励产生的减阻作用衰减后，下游等离子体区可有效的产生二次减阻效应；在一定距离范围内，总的减阻量随激励器排数的增多而增大，本项目中最大阻力减小可达50%。