纳秒脉冲等离子体气动激励抑制分离流动的机理研究

等离子体气动激励在抑制分离流动等方面具有重要作用。近年来兴起的纳秒脉冲等离子体气动激励，与十几年来广泛研究的微秒脉冲等离子体气动激励相比，在抑制分离流动的流场速度上有显著优势（从0.2马赫左右提高到0.85马赫）。但是，国际上对纳秒脉冲等离子体气动激励产生原理、纳秒脉冲等离子体气动激励抑制分离流动的机理尚不清晰。本项目在初步实验的基础上，通过实验和数值仿真手段，进行纳秒脉冲等离子体气动激励原理及抑制分离流动的机理研究，主要包括：纳秒脉冲等离子体气动激励特性的综合测试诊断与唯象学仿真；纳秒脉冲等离子体气动激励抑制分离流动的风洞实验和唯象学仿真研究。预期将在解决纳秒脉冲等离子体气动激励产生原理、抑制分离流动的机理等关键科学问题方面取得创新性成果。

分离流动是影响飞行器性能的重要因素之一，有效抑制分离流动对于增升减阻和提高机动性等具有重要意义。近年来兴起的纳秒脉冲等离子体气动激励，与十几年来广泛研究的微秒脉冲等离子体气动激励相比，在抑制分离流动的流场速度上有显著优势。本项目提出通过实验和仿真，研究纳秒脉冲等离子体气动激励原理及抑制分离流动的机理。. 根据项目任务书中承诺的研究目标，在风洞实验、建模仿真和理论分析方面，开展了深入的研究工作。建立了纳秒脉冲等离子体气动激励的综合测试诊断系统，完成了电、发射光谱、体积力以及诱导流动特性的综合测试诊断，获得了激励电压、频率、环境气压等参数对激励特性的影响规律；研究表明，纳秒脉冲放电的折合电场强度大于80-100Td，高能电子增多，氮分子电子激发态的熄灭、分子离子与电子的复合、分子离解导致放电初始阶段的快速加热，快速加热在瞬间产生很大的温度升和气压升，进而产生冲击波，冲击波在空气中传播，将带动介质粒子运动，形成冲击气动激励；将纳秒脉冲等离子体冲击气动激励对流场的作用简化为局部的压力和温度扰动，建立了纳秒脉冲放电的仿真模型，进行了抑制NACA0015翼型流动分离的非定常仿真；选用NACA0015翼型进行了风洞实验，得到了激励电压、激励位置、脉冲频率等参数对流动控制效果的影响规律；在攻角为22°、来流速度为100m/s，施加激励后，翼型的升力增大了约17.4%，阻力减小约22.4%，翼型的临界失速攻角由22°增大到25°，验证了纳秒脉冲等离子体冲击气动激励抑制流动分离的能力。综合仿真和实验结果，揭示了纳秒脉冲等离子体气动激励抑制流动分离的机理，其内涵是，采用纳秒脉冲放电，产生瞬时的温度升和压力升，将能量集中在瞬间释放，提高了激励强度，在流场中产生强脉冲扰动甚至是冲击波扰动，进而提高诱导旋涡、促进附面层与主流掺混的能力。. 撰写国外专著Aeronautics and Astronautics中的1章，为International Journal of Flow Control撰写中国等离子体流动控制研究进展综述；在Plasma Sources Science and Technology等期刊发表论文19篇、录用1篇，在ASME Turbo Expo 2012等会议发表论文7篇，其中SCI收录12篇、EI收录6篇、ISTP收录1篇；申请国防发明专利1项。