等离子激励流动耦合计算方法及其控制附面层分离机制研究

根据等离子体物理学、电磁学、流体力学等理论，并参考已有的相关研究成果，分析介质阻挡放电（DBD）等离子体激励器介质击穿放电时的电离、复合、附着等过程，确定等离子体主要粒子组分和化学反应机制，构建可以描述介质击穿时粒子的产生、运动、发展过程及各组分的质量生成、动量传递、能量传递的粒子运动控制方程；研究上述模型与流体运动方程的耦合计算方法，并与PIV测试、等离子光谱诊断等手段结合，开展等离子体对附面层分离影响的数值模拟及实验研究，分析等离子体对附面层流动的速度、压力、温度等参数影响，考察二者之间动量及能量的耦合传递过程，探讨等离子体控制附面层流动分离的机制，为利用等离子体控制附面层流动分离、减阻等应用奠定基础。

探讨了DBD等离子体控制附面层分离流动的机理；提出了可较全面考虑等离子体注入气流能量影响的叶栅流动损失收益评估方法及以耗散函数衡量叶栅局部损失来源的研究思路；进行了DBD等离子体介质阻挡放电与流动的耦合数值模拟，研究了带电粒子空间分布情况及其对流体运动作用机理。主要得出以下结论：诱导流动及二维流动分离研究表明，电场力做功增加了等离子体作用区流体动压并显著提高了流体静压，从而增强了流体抗逆压梯度能力，且有利于在流场中构造局部顺压梯度或减小逆压梯度。流场中出现流动分离时，施加在分离点前的电场力可有效减小附面层厚度且减慢其增长速度，避免或延缓流动分离；施加在分离区内的电场力可减小回流速度。以上趋势随电压增加而愈加明显。等离子体控制叶栅流动分离研究表明，叶栅损失主要产生于前缘区附近、叶片和端壁表面、尾迹区及分离区与主流相邻区等强剪切作用区；分离区仅为低能流体聚集区，而非损失直接来源区；等离子体作用减弱了叶栅内低能流体与主流剪切强度或减小强剪切作用区范围，有效降低了耗散及损失。等离子体作用区上游气流受其诱导作用而加速降压，叶片表面逆压力梯度降低；作用区内，电场力作功导致的静压增加及“诱导”气流对壁面的冲击作用，使得吸力面壁面压力急剧上升，而后逐渐减小，形成“二次降压”效果，气流加速流动，抗分离能力提高；作用区后，等离子体效应构造了更长扩压区，使压比和负荷得以增加。受端壁及叶片表面摩擦共同作用，等离子体对10%叶高以下流动影响较小；相同电压下10%叶高以上等离子体对叶栅损失、叶片负荷等参数的影响相近。电极安装在近尾缘时，等离子体“注入能量”直接作用于低能气流，控制分离流动效果较好。DBD等离子体介质击穿物理化学过程与流动耦合数值模拟表明，采用高阶精度格式与网格自适应相结合的方法，可较为准确捕捉等离子体激励器附近各种粒子及电场强度空间分布特征。在裸露电极上方，气流受下游诱导作用及电场力作用而加速流动，摩擦力显著增大，且摩擦力所消耗能量大于电场力对气流所做功，气体总压减小；在绝缘介质上表面，随着电场力做功对气体注入能量不断增加，气体总压增加，在达到最大后，由于电场力减小，当摩擦力大于电场力时，总压减小；电压越大，其作用效果越明显，最大诱导速度U与电压φ基本满足关系式U=0.001145φ3.5。由于加热密度较大的区域较小，总热量输入较少，等离子体温升效应对诱导速度场基本没有影响。