临近空间纳秒脉冲SDBD等离子体流动控制机理研究

The lift-enhancement-drag-reduction technology is strongly required by near space vehicles.Nanosecond-pulse Surface Dielectric Barrier Discharge (SDBD) is considered to be promising for flow control application. The study on the mechanisms of SDBD plasma is limited due to the characteristic of interdisciplinary, the disadvantages of phenomenological simulations and the disabilities of experiments. Especially for the near space condition above 20km, the mechanisms study has not be conducted. In this project, the plasma fluid model loosely-coupled with aerodynamics model simulation code is built independently and used. The nanosecond-pulse SDBD process will be simulated by solving coupled the plasma fluid models and Poisson's equation. Then the obtained body force and heat energy power caused by the discharge are coupled with Navier-Stokes equations to study the effect of plasma on neutral fluid. At the same time some low-pressure discharge and flow control experiments will be conducted. Using the above methods, the generation and development of plasma due to nanosecond-pulse SDBD will be analyzed; the energy-coupling mechanisms between plasma and neutral fluid will be investigated and the control mechanisms of plasma energy on neutral fluid will be researched in near space. At last, a heat power phenomenological model will be given which can be used widely in engineering studies. The obtained results are useful to the design of nanosecond-pulse SDBD actuator and development of nanosecond-pulse power supply.

临近空间飞行器对增升减阻技术有强烈需求。纳秒脉冲表面介质阻挡放电（SDBD）是等离子体流动控制技术的重要发展方向之一，多学科交叉、唯像学模拟的不足、实验手段有限导致相关机理研究严重滞后，尤其是20km以上临近空间高度的机理研究还是空白。本项目利用自主开发的等离子体流体模型与空气动力学模型松耦合计算程序，通过耦合求解等离子体流体模型和电场泊松方程对纳秒脉冲SDBD进行模拟，将得到的等离子体体积力、热功率耦合进Navier-Stokes方程进行计算以模拟等离子体对空气的控制作用，同时进行低气压放电与流动控制实验，以此分析临近空间纳秒脉冲SDBD等离子体的产生与发展机理，探索等离子体与中性流体的能量耦合机理，研究等离子体能量对中性流体的控制机理，最后根据研究结果建立热功率唯像学模型以使其在工程研究中发挥更大作用。研究成果对于纳秒脉冲SDBD激励器设计、纳秒脉冲电源研制具有指导作用。

针对临近空间飞行器对增升减阻技术的强烈需求，围绕纳秒脉冲等离子体这一近年来得到高度重视的新型等离子体开展研究。首先开展了不同高度下的放电过程数值模拟，并与实验结果进行比较，表明随着高度增加，放电更加弥散，点火电势逐渐降低，放电更容易在电极两侧发生；纳秒脉冲等离子体向环境空气主要传输热能，其中以电子加热为主，体积力作用可忽略不计；等离子体中负离子比正离子传递动量的效率更高。其次开展了激励器参数实验研究，激励器阻挡材料介电常数略小，高压电极较窄、地电极较宽，最佳电极间距为1mm；较大的上升沿和脉宽容易导致电流窄脉冲，脉冲重复频率的影响不明显；随着高度增大，放电功率迅速增大，大部分消耗于产生更多等离子体。第三，开展了唯像学建模研究，构建了基于温度增量的热功率唯像学模型和能够适用于不同高度的体积力唯像学模型。第四，开展了等离子体诱导流场相似准则研究，体积力相似包含三种形式，其本质为单位长度反作用力相似，放热相似为无量纲扰动压力相似。第五，在相似准则研究基础上，提出一种是用地面常规风洞模拟高空等离子体流动控制的实验方法并申请了国家专利。第六，开发了居于国际领先水平的低气压密闭静止空气中等离子体诱导流场PIV实验技术，通过实验发现随着高度变化等离子体诱导射流表现出切向射流流场、切向－法向复合流场和涡形流场三种结构，低气压下等离子体对环境空气具有压缩作用。第七，开展了等离子体诱导旋涡研究，讨论了纳秒脉冲等离子体产生诱导漩涡的过程，发现非均匀等离子体激励器具有明显三维效果，很容易产生旋涡。最后，开展了纳秒脉冲等离子体抑制翼型流动分离的仿真研究，发现其控制机理在于等离子体产生的冲击波可以瞬间破坏分离区域原有旋涡结构，并诱导产生新的旋涡。