等离子体合成射流激波/边界层干扰主动流动控制机理研究

Active control of shock-boundary layer interaction (SBLI) can remarkably enhance the aerodynamic performance of supersonic/hypersonic aircrafts and aeroengines, but the practical application and the control effect are limited by the performance of the active flow control actuators. Plasma synthetic jet has the advantages of zero mass flux of synthetic jet and surface plasma actuation, which is promising in the field of SBLI control. At present, some research has been made on SBLI control worldwide, and relevant results have been acquired. However, the mechanism of plasma synthetic jet on SBLI control is still not clear. In this project, according to the preliminary results, the mechanism of the SBLI control will be studied. Through flowfield vision, discharge measurement and optics diagnosis, the characteristics of the plasma synthetic jet flowfield and the plasma are analyzed, plasma synthetic jet engineering computational model is established. With the numerical simulation and wind tunnel experiments, the interaction of the plasma synthetic jet with the supersonic crossflow is investigated, the physical mechanism of the SBLI control by the plasma synthetic jet is discussed and the control effect is optimized. The work mentioned above is expected to provide a new solutions for supersonic/hypersonic SBLI active control.

激波/边界层干扰主动流动控制可以显著提升超/高超声速飞行器及其动力装置的气动性能，但实际应用和控制效果受到主动流动控制激励器性能的制约。等离子体合成射流兼具有合成射流零质量通量和表面放电等离子体气动激励的优点，在激波/边界层干扰控制方面具有广阔的应用前景。目前国际上采用等离子体合成射流已取得了一定的激波/边界层干扰控制效果，但对具体控制机理尚不清楚。本项目在已有研究基础之上，开展等离子体合成射流激波/边界层干扰控制作用机理研究：通过流动显示、放电测量和光学诊断等手段，分析等离子体合成射流流场特性和放电等离子体特性随时间的演化规律，建立等离子体合成射流工程计算模型。结合数值模拟和风洞实验，分析等离子体合成射流与超声速主流的耦合作用机制；综合分析，获得等离子体合成射流激波/边界层干扰控制机理并实现控制效果优化。本项目研究可为超/高超声速飞行器激波/边界层干扰主动流动控制提供新的技术途径。

针对等离子体合成射流机理及其在激波/边界层干扰控制应用中存在的科学问题，本文综合运用数值模拟、实验和理论分析方法，以提高等离子体合成射流激励器工作特性和实现高速流场有效控制为目标，开展了等离子体合成射流激励器工作特性和激波边界层干扰控制特性与机理研究。.基于气体放电的热效应作用机理，并结合局部热力学平衡等离子体物理假设，建立了等离子体合成射流唯象能量沉积模型，分析了等离子体合成射流完整周期内的流场变化过程和速度特性，提出了饱和频率这一激励器工作特性重要参数。实验验证了等离子体合成射流激励器快速的流场响应能力，获得了激励器工作特性随驱动参数和结构参数的变化规律，实现了最大约480m/s和520m/s的等离子体合成射流和前驱激波速度。.开展了等离子体合成射流与超声速横向主流相互作用过程研究，获得了干扰流场的时空发展过程，揭示了壁面射流与前驱激波在干扰流场发展中的作用机制。在Ma2的超声速主流中，等离子体高能合成射流可以产生稳态射流条件下当量射流压比为4的斜激波角度，产生射流通量比为1.1的射流穿透度。.完成了基于等离子体合成射流的Ma3条件下激波/边界层干扰控制研究，实现了激波受控前后压差最大减小约79%的控制效果。在控制过程中，射流干扰激波前后的压强变化可以减小受控激波前后压差，从而起到激波控制的波控效果。近壁面高温射流对边界层的的动量注入和对主流的热阻塞作用，具有改变激波角度、降低激波强度的涡控和温控效果。基于实验结果提出了等离子体合成射流激波/边界层干扰控制的波控、涡控和温控的多重作用机理，揭示了激波/边界层干扰控制效果的参数影响规律。