基于新型等离子体激励器的流动分离控制优化及机理的实验研究

The flow separation control technology plays a significant role in improving the aerodynamic performance of the flight vehicles. As an active control technology based on the new concept of " plasma aerodynamic actuation", plasma actuators have become one of the highlights in the international research frontier due to their unique advantages such as fast response speed and no parasitic stress. How to improve the flow separation control performance of plasma actuators under different coming flow conditions and explore the related underlying mechanisms are the main problems in current research..Based on the novel sawtooth plasma actuator developed by our group, this project with aim to further optimize its flow separation control performance. By adopting a variety of flow measurement technologies including particle image velocimeters and conducting systematic comparative studies, we will focus on the effect of unsteady excitation frequency, duty cycle, discharge mode, and excitation voltage on the lift and lift-to-drag ratio of NACA0015 airfoil at high Reynolds numbers (500000-1200000). The expected results will provide some theoretical basis and data support for the further development and applications of plasma actuators.

流动分离控制技术对于提高飞行器气动性能有着极其重要的作用。作为一种基于“等离子体气动激励”这一全新概念而提出的主动控制技术，等离子体激励器因其响应速度快、无寄生阻力等独特优势业已成为国际前沿研究热点之一。如何在较低功耗条件下提高等离子体激励器进行流动分离控制的性能和探究相关的控制机理是当前研究中存在的主要问题。.本项目基于课题组研发的新型锯齿形等离子体激励器，进一步对其流动分离控制性能进行优化。通过利用包括粒子图像测速仪在内的多种流动测量技术并进行系统性的对比研究，我们将重点关注非定常激励频率、占空比、放电模式和激励电压等参数在高雷诺数(500000-1200000)下对NACA0015翼型升力和升阻比的影响规律。研究的主要目的是获知不同来流条件下的最佳控制工况并对相关的控制机理进行深度阐释。项目的预期成果将为等离子体激励器的进一步研发和应用提供一定的理论依据和数据支撑。

新型流动分离控制技术对于未来飞行器气动性能的提升有着不可替代的作用。基于等离子体激励器的“等离子体气动激励”这一全新主动控制技术，因其响应速度快、鲁棒性强、耗能可控等独特优势已成为国际前沿研究领域之一。本项目在降低等离子体功耗的前提下主要开展了以下三个方面的实验研究。（1）系统记录了锯齿形等离子体激励器在定常和非定常两种激励方式下诱导产生的三维流动结构及其进行翼型流动分离控制的性能；（2）通过改变锯齿形等离子体激励器的控制参数，对比其在不同来流条件下所能获得的最好控制效果；（3）探究了最佳控制工况下翼型周围流动结构的变化。通过系统化地实验研究，本项目（1）建立了锯齿形等离子体激励器所诱导的三维流动特性数据库，明确了占空比、调制频率、电压、电极相对位移-放电形态（电弧路径）-等离子体诱导流动特性（速度和涡量）三者之间的关系；（2）证明了在中、低雷诺数（Re = 500000-1200000）下，非定常激励相比定常激励能够取得较好的控制效果；（3）在非定常激励工况下，占空比的作用会随着雷诺数的增加而逐渐增强，最佳的调制频率数值也会逐渐增大；（4）在上述雷诺数下，锯齿形等离子体激励器能够有效延迟翼型的失速角1-5度，最大升力提升5%-32%。（5）非定常激励的锯齿形等离子体激励器能够有效的实现动量掺混，从而使翼型分离的剪切层演变为附着在翼型吸力面且周期性脱落的漩涡。失速角延迟和升力提升的程度与周期性漩涡脱落的位置有关，该位置越靠近机翼尾缘，激励器的控制效果就越好。上述结果也较好解决了项目申请书中所提出的关键科学问题。相关研究成果已在Physics of Fluids、Aerospace Science and Technology和 Renewable Energy 等重要学术期刊发表SCI论文3篇，同时发表国际学术会议EI论文3篇。项目组成员参加第12届全国实验流体力学学术会议、2021+1力学大会和第12届全国流体力学学术会议等国内会议3次。参与本项目的3名硕士研究生均已顺利毕业。