补气式等离子体射流激励器工作机理与性能优化研究

This project has proposed an air supplementing type plasma synthetic jet (ASPSJ) actuator. A one-way check valve improves the jet flow performance. The ASPSJ can avoid the energy drop of typical plasma synthetic jet which refills air only by jet orifice that lead to flow control failure in long working hours. First, the mathematical and CFD (Computational Fluid Dynamics) model of ASPSJ operation cycle is established to study the air compensation demand for improving the jet flow speed in different conditions. Based on the analytical and simulation analysis, we design or select the one-way check valve to make ASPSJ actuators for tests. Then, this project studies the effect of the air supplementing on the ASPSJ discharge characteristics, and analyses the relationship between the jet flow characteristics and the gas discharge energy and its deposition efficiency, the heating gas pressure in the cavity after the air supplementing. So the mechanism that air compensation improves the jet flow performance can be clarified and the analytical method can be verified and improved. Statistical analysis method is used to find the key parameters which influence the match between the air compensation valve and the plasma actuation, and then we study the match between the characteristic parameters of the one way check valve and above key parameters. Last, the flow state on the surface of airfoil model under the ASPJ actuation can be obtained through low speed wind tunnel test, so as to find the ASPJ flow control mechanism. This project will lay a foundation for the ASPSJ design and flow control application.

提出的补气式腔内气体火花放电等离子体射流激励器，采用单向阀补气来增强射流性能,解决了仅靠射流出口吸气复原，长时间工作时，射流能量降低以致流动控制能力极大削弱的问题。首先，建立补气式激励器工作过程的数学模型和数值仿真模型，获得提高激励器射流速度对补气量的初步要求，并据此选择或设计单向阀，制作激励器。其次，研究典型工况下补气对放电特性的影响规律，分析补气后放电释放能量及其转化效率、腔内气体加热膨胀压力与射流特性的关系，阐明补气提高等离子体合成射流性能的内在物理机制，并修正理论模型；通过统计分析方法，获得影响补气单向阀与等离子体激励匹配的关键参数，进而研究补气单向阀特征参数与这些关键参数的匹配关系。最后，通过低速风洞流场测试试验，获得补气式激励器工作过程中机翼模型表面流动状态，明确补气式射流激励器进行流动控制的内在机制。通过本项目的研究，将为补气式激励器设计及其流动控制应用奠定理论和技术基础。

提出的补气式腔内气体火花放电等离子体射流激励器，采用单向阀补气来增强射流性能,解决了仅靠射流出口吸气复原，长时间工作时，射流能量降低以致流动控制能力极大削弱的问题。首先，通过增加单向阀补气面积，建立了补气式激励器工作过程的数学模型。其次，针对市售单向阀的漏气问题，改进其结构，分别测量了激励器射流峰值速度、腔体内部压力，及其放电电压和电流，探究了单向阀补气改善射流性能的工作机理。修正了补气式激励器的理论模型，对比理论计算和实验结果，验证了工作机理的正确性。通过正交实验法，获得影响补气单向阀与等离子体激励匹配的关键参数。最后，通过低速风洞试验，明确补气式射流激励器进行流动控制的内在机制。结果表明，在常规单向阀的内部增加锥形缓冲结构，减弱了放电时腔体内部压力对阀芯的冲击，提高射流峰值速度达到18.7%，但其有效工作频段仍与腔体内部压力及其固有频率相关。补气工作机理是通过单向阀在吸气复原阶段扩大进气口面积，缩短吸气复原时间，改善吸气复原效果，增大能量沉积阶段的放电能量，提高腔内压力，从而提升射流速度。等离子体合成射流能减小翼型上表面边界层位移厚度，缩小流动分离区域面积，提高翼型发生流动分离的临界攻角，且补气激励时控制效果更佳。当Re = 6.6×10^4（基于弦长）时，补气激励相较于无激励和常规激励工况，发生流动分离的临界攻角分别提高了5°和2°，边界层位移厚度分别减小达56.5%和35.4%。其作用机理是，高速等离子体合成射流喷出后，与来流边界层作用，产生小尺度的对涡结构（基于Q准则判据），将边界层外的高能流掺混到边界层内，减小了边界层位移厚度，提高了其抵抗逆压梯度的能力，从而延迟流动分离的产生。在补气激励时，射流能量增加，作用于来流边界层的能量更高，对边界层位移厚度和流动分离的控制效果更显著。研究结果显示了补气式等离子体合成射流激励器应用于流动控制的优越性。研究成果为补气式激励器设计及其流动控制应用奠定理论和技术基础。