不同时间尺度NS-DBD热效应及其流动控制机理研究

Nanosecond pulsed dielectric barrier discharge (NS-DBD) actuation is one of the most efficient approaches of modern flow control, but the control mechanism is still under investigation. The purpose of this project is to study the thermal mechanism and flow control by NS-DBD plasma actuation on different time scales, three contents are as followed: (1) Study of thermal mechanism and flow control by NS-DBD plasma actuation on different time scales. High speed flow diagnostic system will be used to demonstrate the physical progress the microcosmic compression wave developing into macroscopic thermal disturbance and to reveal the evolution of the physical parameters in NS-DBD actuation progress. (2) Study on the interaction characteristics of NS-DBD actuation thermal effect with the surrounding flow field, especially on the interaction with density, temperature and pressure. By adjusting the electrical and geometrical parameters and changing the orientation of the actuator, improvement in control efficiency of the NS-DBD is pursued. (3) The flow control of the asymmetric separation flow field over a conical forebody using NS-DBD actuation should be studied. In order to enhance the controllable velocity, an optimization criterion in the actuator design should be determined. The achievements of the project can contribute to enhancing the technical reserves on flow control over an advance fighter at high angle of attack.

纳秒脉冲介质阻挡放电（NS-DBD）等离子体激励是一种新型高效的流动控制手段，但其控制机理尚不清楚。本项目拟开展不同时间尺度NS-DBD热效应及其流动控制机理研究，包括：(1)研究不同时间尺度NS-DBD激励的热效应及其机理，采用高速流动诊断系统探究其从瞬时微观效应的压缩波发展到宏观的热扰动的物理过程，揭示NS-DBD激励过程中物理参数的演化规律；（2）研究不同时间尺度下NS-DBD激励热效应与流场的相互作用特性，探索其与流场密度、温度和压力等的相互作用机理。通过对激励器电学参数，结构参数、几何参数和布局形式对流场控制的规律性研究，寻找提升NS-DBD激励对流场影响效能的方法；（3）进行NS-DBD激励对大迎角下细长体背风面非对称分离涡的流动控制研究，探索激励器的设计准则，以在更高风速下实现对大迎角细长体侧向力的线性控制。本项目的研究成果将为未来高性能战斗机大迎角飞行控制提供技术储备。

NS-SDBD等离子体在高速、高雷诺数下的流动控制领域具有非常大的潜力。纳秒脉冲等离子体激励在不同时间尺度下可以诱导出不同的空气动力学效应，厘清该气动诱导过程对于阐明其流动控制应用机理至关重要。本项目致力于探究纳秒脉冲等离子体激励产生的瞬时微观压缩波到宏观流场扰动的演变过程。并以大迎角下细长圆锥前体分离涡与飞翼布局复杂流场的控制为研究对象，探究纳秒脉冲等离子体不同时间尺度热效应对流场的影响规律，阐明其流动控制机制。..主要研究内容包括：（1）建立了抗干扰高精度NS-SDBD等离子体测试平台，通过地线分隔、空间屏蔽技术解决了高压电磁干扰问题，实现了流场精细测量与显示；（2）建立了纳秒脉冲等离子体激励多时间尺度、多物理场耦合的研究平台，形成了不同时间尺度下纳秒脉冲等离子体热激励多时间尺度、多物理场耦合的研究方法；（3）实现了细长前体非对称流场的有效控制与侧向力/力矩的精细控制，给出了提高有效控制风速的等离子体激励器的设计准则；（4）实现了对飞翼布局飞行器的等离子体有效流动控制，给出了不同迎角下的等离子体的流动控制规律。 ..重要的结论如下：（1）NS-SDBD等离子体激励依靠其瞬时高压脉冲产生的热效应影响流动，该热效应在微秒、毫秒、秒时间尺度下分别表现为组合压缩波，热扰动和启动涡过程。NS-SDBD的诱导具有方向性，集中于掩埋电极一侧。（2）通过NS-SDBD等离子体激励可以实现细长圆锥前体侧向力/力矩的有效控制。比较不同布局的激励控制结果可知，对分离涡的激励控制需在方位角正负80°和90°之间，一旦流动进入到分离状态，以小扰动为影响形式的NS-SDBD等离子体激励将无法有效控制非对称旋涡流场。（3）对于飞翼布局飞行器，小迎角下流动分离首先出现在机翼前缘外侧，随着迎角增加，分离点逐渐向前缘内侧上游移动，在不考虑激励器控制效能的前提下，全展长纳秒脉冲等离子体激励的流动控制效果最好。 ..本项目的研究成果提供的不同时间尺度下纳秒脉冲等离子体热激励研究方法与相应的细长前体、飞翼布局飞行器流动控制方法，可以为等离子体流动控制机理、防结冰与除冰机理等众多流体力学前沿问题的研究提供机理阐述。