基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断技术研究

One challenge in hypersonic rarefied flow field is, how to accurately and reliably obtain the flow detailed structures and their evolution. In this project, a diagnostic technique for hypersonic flow temporal and spatial evolution using pulsed electrical discharge is proposed. Major work include mechanisms of generation and development of pulsed discharge plasma in rarefied gas, coupling between discharge plasma and hypersonic flow structures, and excitation of uniformed pulsed discharge streamer in long air gap. By combination of mathematical modeling, particle simulation and light enhanced high speed photography, flow diagnosis with high spatial and super high time resolution is expected. The proposed technique will provide experimental observation for hypersonic rarefied complex flow, and support for hypersonic near-space vehicle aerodynamics.

高超稀薄流动领域面临的挑战之一是，如何准确可靠的获取流场的精细结构及其连续时间演化过程。本文提出基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断技术，研究脉冲放电在稀薄气体中的产生机理和演化过程、放电等离子体与高超流场复杂结构的耦合机制、及产生长间隙均匀脉冲放电流注的方法，通过结合数学建模、粒子仿真模拟及光增强同步高速拍照等方法，实现流场诊断的高空间分辨率和极高时间分辨率。为高超稀薄复杂流动现象和机理提供实验观察手段，为高超声速临近空间飞行器发展提供气动技术支持。

本项目研制了国内首套大放电间距的辉光放电流场显示系统。首先通过有限元仿真分析，得出使用高频交流电源有利于降低起辉电压并得到更均匀辉光等离子体的结论；然后完成了系统设计和真空环境下的调试；并在马赫数10、试验总压0.1MPa、试验总温1300K、试验静压3Pa的条件下，通过高频辉光放电技术，获得了HB-2标模的清晰试验流场图像。.此外，在常规辉光放电流场显示的基础上，本项目还探索了使用针-针电极进行脉冲放电，进而显示高超声速稀薄流场边界层的技术。利用研制的样机在高超声速低密度风洞中进行了初步实验验证，针针电极的距离为30mm，流场速度为6马赫，在不同电源频率下，得到了不同通道个数的流场显示图片，初步验证了方案的可行性。.