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等离子体流动控制与辅助燃烧

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2019年07月22日  点击数:1629

利用等离子体控制飞行器表面流场、改善动力系统点火与燃烧性能已经有比较长的历史,即使对于近年来的研究热点-表面介质阻挡放电等离子体流动控制而言,从其提出到现在也已过去20多年,但一直难以获得突破性进展,这与等离子体、流动、燃烧三者的复杂性有密切关系,具有明显的多场耦合、多学科交叉特点,给仿真、实验带来很大的挑战。随着航空航天技术的发展,等离子体流动控制、点火助燃也将迎来新的发展机遇,作者对十余年来的工作进行总结,希望能够抛砖引玉,促进我国在相关领域的发展。


本书分为等离子体流动控制、点火助燃两个方面。首先,采用双流体模型、三流体模型以及带磁场的流体模型对表面介质阻挡放电进行了数值模拟,从等离子体流动控制的源头,也就是等离子体本身出发,分析并解释了等离子体控制流动的一些机理:验证了Enloe等人提出的等离子体体积力“推-拉”机制,并将其进一步区分为时间和空间两个维度的“推-拉”机制;证明了Roth教授提出的“离子捕获”机制,并在此基础上提出对于高压交流激励的等离子体来说,其最终产生单向体积力的原因在于“正离子被捕获,而电场不对称”;不过当有负离子产生时,情况就有所不同,负离子在整个放电周期内发生很大变化,并不符合“捕获”机制,此时产生单向体积力的机制还有待进一步讨论,负离子的动量传递效率比正离子高得多,这一点提示我们在设计激励波形时需要重点考虑负离子;磁场对放电过程并没有造成明显的有利影响;纳秒脉冲放电时会产生“虚拟阳极”。进一步分析了激励器结构参数、电源参数对放电的影响,获得了一些有价值的结论。

等离子体流动控制与辅助燃烧

总的来说,采用流体力学模型计算表面介质阻挡放电具有较高的理论价值,值得大家进一步发展、应用。在此基础上,将等离子体体积力进行时间平均后作为空气动力学控制方程的源项进一步计算,分析空气对等离子体的响应,表明纳秒脉冲放电等离子体在地面时表现为“点爆炸”,而在临近空间则表现为“面爆炸”,等离子体激励器必须安装在接近或位于翼型流动的起始分离区。上述这种先进行等离子体放电计算,再将等离子体体积力作为源项进行空气动力学计算的方法,被称为松耦合模拟方法。


其次,介绍了等离子体流动控制唯像学模拟的常用模型。唯像学模拟的优势在于计算成本低,它不考虑放电过程,只假设或者采用某种近似方法获得等离子体产生的体积力、热功率,然后同样将其作为空气动力学控制方程的源项进行计算,其关注对象为空气对等离子体的响应,主要研究流动控制的空气动力学机理。在本书中,首先介绍了用于交流激励表面介质阻挡放电等离子体体积力模拟的两种模型:电荷密度均匀分布模型、基于德拜长度的电荷密度模型,后者是当前唯像学仿真的主要方法,我们使用该方法研究了等离子体对临近空间螺旋桨表面流场的控制作用,探讨了等离子体的作用机理。然后介绍了用于模拟电弧放电热效应的爆炸丝传热模型,验证发现等离子体仅能将约10%的热能传递给周围空气。第三,介绍了用于纳秒脉冲激励表面介质阻挡放电的两类唯像学模型:温度/压力均匀分布模型、高斯温度分布模型,验证结果表明采用点源+面源的温度/压力模型进行模拟比较合适,高斯温度分布模型则比较简单,准确性也比较好,在我们的研究中也得到了较为广泛的应用。最后,简单介绍了集总参数模型,该模型应用很少,大家可以不考虑。


第三部分介绍了我们开展的一些等离子体流动控制实验研究工作。由于等离子体产生的诱导射流速度较低,控制高速、高雷诺数流动的能力严重不足,我们将研究对象确定为临近空间飞行器。临近空间是指距离地面20-100千米的空域,该空域的空气密度非常低,因此对于平流层飞艇、高高空无人机这类大型飞行器来说,其仍属于低雷诺数飞行器范畴,等离子体具有非常好的控制效果。大家知道,气体压力是影响放电的关键因素,而临近空间与地面的空气压力有很大差别,那么在地面环境中研究临近空间等离子体流动控制首先必须解决的一个问题就是等离子体的相似准则,我们分别从空气动力学的动量方程、能量方程出发,采取一些必要的简化假设后,通过理论推导方法获得了等离子体体积力、热功率的相似准则。当然,由于进行了简化,这些相似准则还需要进一步修正来加以完善。


利用这些相似准则,我们提出了在地面风洞中开展临近空间飞行器翼型、螺旋桨等离子体流动控制的实验方法,其核心在于寻找一个模拟等离子体激励器,该激励器在特定激励条件下与临近空间真实激励器产生的诱导射流满足相似参数相等;其难点在于如何测量临近空间真实激励器产生的诱导射流,为此,我们开展了大量探索性实验,最终选择“示踪粒子沉积在真空舱壁面,气体高速冲击携带”的方法实现了示踪粒子的播撒,完成了诱导射流的激光粒子图像测速。利用该技术,我们获得了1.0 kPa下(空气密度接近32千米高空大气)的等离子体诱导射流,同时也发现随着气压变化,等离子体诱导射流结构发生了明显变化,比如高压交流激励时具有壁面切向射流、复合流场、涡形流场三类。在获得临近空间等离子体诱导射流特征后,开展了临近空间低雷诺数翼型、螺旋桨的等离子体流动控制实验,结果表明当翼型攻角大于6°时,升力系数增大27%~43%;螺旋桨推力增大6.5%~11%。等离子体流动控制技术在临近空间低速飞行器上具有很好的应用前景。

等离子体流动控制与辅助燃烧

最后,介绍了我们在等离子体点火与辅助燃烧方面做的一些仿真研究工作。一是采用唯像学方法研究了等离子体对超燃冲压发动机中燃料喷流、凹腔流场的控制效果,发现在燃烧流场中,等离子体向下游燃料射流传递热量,进而改变了整个流场温度分布;等离子体虽然显著提高了燃烧效率,但同时增大了燃烧室总压损失,还需要进一步优化激励参数,以获得较高的燃烧效率与尽可能高的总压恢复系数;等离子体能预热凹腔,使得凹腔阻力和质量交换率增大,并且增加激励器数目、采用脉冲控制方式会提高控制效果。二是采用松耦合方法唯像学模型相结合的方法研究了等离子体辅助爆震发动机点火起爆,目的是缩短起爆距离;松耦合方法用于研究等离子体活性基团的助燃作用,唯像学模型用于研究等离子体点火性能;与等离子体流动控制松耦合模拟方法类似,这里的松耦合模拟方法同样先采用流体力学模型计算混合气中等离子体放电过程,获得相关组分的时空分布特性,然后将其作为爆震发动机燃烧控制方程的初始条件进行计算,从而获得不同活性基团对起爆、燃烧过程的影响;唯像学模型是对等离子体热效应的数学建模,与等离子体流动控制的唯像学模型基本相同;这项研究中,重难点在于多组分、多步反应的等离子体放电过程计算,方程组刚性较强,需要慎重选择反应种类以及计算格式;计算结果表明等离子体可以缩短起爆距离11.6%,还有待进一步改进。


本书是由车学科、聂万胜、周思引、程钰锋、冯伟、李国强共同完成。车学科博士在2007年首先开始等离子体流动控制技术研究,条件所限,主要开展仿真研究,开发了多个表面介质阻挡放电以及氢气/氧气混合气多组分介质阻挡放电计算程序,并带领研究生攻克了临近空间等离子体流动控制的多项实验技术,目前已经授权相关国防、国家专利9项。聂万胜教授是我们团队的学术带头人,原总装“双百计划”科技领军人才培养对象,国防973项目技术首席,总装教学名师,航天运载技术专业组专家,长期围绕航空宇航推进与先进流动控制方向开展教学与科研工作。程钰锋和冯伟分别是之后培养的唯一一名博士和第一名硕士,前者获得航天工程大学优秀博士论文,后者获得全军优秀硕士论文(2013年),此后李国强和周思引分别在2015、2016年获得全军优秀硕士论文,为本书出版做出大量工作的陈庆亚则在2017年获得全军优秀硕士论文,这些优秀毕业生都是我们团队的骄傲!


本书的研究工作得到了国家自然科学基金、863、高超声速冲压发动机技术重点实验室开放基金等项目的支持,田学敏、陈庆亚、姜家文、张立志等研究生也付出了大量心血,中国科学院电工所邵涛博士对本书的出版给予了大力支持,电工所章程博士和山东大学张远涛博士审阅了本书并提出了许多重要的修改意见,最后本书的出版得到了“2110”工程的资助,在此一并给予衷心的感谢!


原文来源:www.iwuchen.com

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