基于高超声速流能量综合利用的三电极等离子体合成射流激励器工作机理研究

Active flow control is one of the leading areas and focal points of research in fluid dynamics community. Advanced active flow control technology can provide enhanced propulsive efficiency and at the same time enable safe and maneuverable high speed flight. As one of the key points for the development of active flow control technology, the design and the performance of the actuators will directly affect the applications of active flow control. For the application in supersonic flow control, a new plasma synthetic jet actuator system which are based on ramjet synthetic jet actuator and tri-electrode plasma synthetic jet actuator is proposed, the energy of the actuator system is supplied by the kinetic energy of the supersonic flow. To study the characteristics, the flow field and the control parameters influence disciplinarian of the three electrodes plasma actuator, a computational model is established based on theory analysis and experiment results and the structure parameters, driven parameter of the actuator are optimized. To provide a novel "zero energy consumption" active flow control technology for supersonic vehicle control, an optimized ram-pressurized actuator is designed and the form mechanism of the plasma synthetic jet which is synthesized by kinetic energy of the main-flow and the gas discharge is studied, and the integration utilization of energy efficiency of the plasma synthetic jet system is analyzed.

主动流动控制技术是流体力学研究的前沿和热点，先进的主动流动控制技术对于保证飞行器的飞行安全性、改善飞行器可操纵性和提高飞行器推进效率具有重要意义。作为主动流动控制技术发展核心问题之一的激励器，其设计水平和工作性能将直接决定主动流动控制技术的应用方向和应用效果。本项目针对高超声速飞行器主动流动控制需求，以动压式合成射流激励器和三电极等离子体合成射流激励器为基础，提出了基于高超声速流能量综合利用的"零能耗"等离子体合成射流系统方案。以试验为主，结合理论分析和数值模拟，开展三电极等离子体合成射流激励器结构优化设计和来流条件下的气体放电特性及能量转换特性研究，在此基础上，开展集气腔射流增压下等离子体合成射流激励器工作机理研究，分析高超声速流能量综合利用效率，为高超声速飞行器提供一种全新的"零能耗"合成射流主动流动控制技术。

本项目着眼于高超声速飞行器主动流动控制应用需求，针对“基于高超声速流能量综合利用的三电极等离子体合成射流激励器”这一创新构想，从三电极等离子体合成射流激励器数值计算模型、激励器参数影响规律及优化设计、超声速来流激励器放电和主流干扰特性、集气腔增压条件激励器工作特性、高超声速流能量综合利用系统设计及评估等五个方面开展了深入研究。.基于气体放电的焦耳加热效应，从唯象学的角度出发，建立了激励器的数值计算模型，并通过与实验测量的射流速度和持续时间进行对比验证了计算结果的准确性，通过激励器完整工作周期流场演化数值仿真揭示了“饱和工作频率”这一关键参数。基于高速阴影流场显示和放电参数测量系统研究了激励器腔体体积、电容大小、电极间距和激励器出口直径对三电极等离子体高能合成射流流场的影响，获得了不同工作参数条件下的射流流场特征。开展了马赫2超声速来流条件下激励器腔体内高压放电空气击穿特性及能量转化特性研究，获得了气体放电的电压-电流特性及电极间距、放电频率对放电发展过程的影响规律，分析了三电极等离子体合成射流与超声速横向主流的相互作用过程。建立了集气增压条件下等离子体合成射流激励器增压效果分析准则和模型，研制了集气腔射流增压条件下三电极等离子体合成射流激励器原理样机，开展了增压条件下激励器工作特性实验研究。开展了高超声速飞行器动能增压和气动加热的数值仿真及理论计算，进行了高超声速流动能增压式合成射流的实验验证，完成了基于高超声速流气动热及热电转换的电源系统方案研究，开展了能量综合利用效果评估。.以项目为支撑，共发表学术论文60余篇，申请发明专利14项，出版学术专著1部，获省部级科技奖2项。项目成果在高超声速飞行器降热减阻、气-气掺混增强、直接力控制等方面获得应用，相关技术被北京临近空间飞行器系统工程研究所、中国科学院工程热物理研究、国防科技大学、西安航天动力研究所等单位应用20余次。