近空间环境等离子体合成射流激励特性及其优化研究

Plasma synthetic jet actuation is one of the hot spots in plasma flow control, which is promising on improving aerodynamic and flight control performance of near space aircrafts for the advantages of high actuation intensity, wide frequency band, fast response and so on. The previous research work worldwide mainly focused on the characteristic of plasma synthetic jet in quiescent air and its control authority in some typical supersonic flows. The actuation characteristics in near space environment and its optimization are rarely investigated, which restrict the further understanding of the actuation mechanism and the enhancement of flow control effect. On the basis of primary research, the key science problems such as the actuation characteristic of plasma synthetic jet under near space environment and the optimization of it are expected to be studied. With temporal and spatial resolving test of discharge plasma and flow field, as well as the multi-physics coupling modeling and simulation, the character evolution and changing rules of plasma synthetic jet under low pressure and temperature, high speed flow conditions are expected to be revealed. On the background of shockwave control for near space aircrafts, the influence of discharge voltage and actuator structure on flow control effect can be acquired, the principle and methods of actuation optimization in the near space environment will be proposed. The investigation results are supposed to better support the mechanism understanding of plasma synthetic jet actuation and improve the control effect of shockwave in the near space environment.

等离子体合成射流激励是等离子体流动控制领域的前沿热点，具有激励强度大、频带宽、响应快等技术优势，对于提升近空间高速飞行器气动与飞控性能具有重要作用。国际上已有的研究工作主要针对静止大气条件下的等离子体合成射流激励特性及典型的超音速流动控制效果，对近空间环境激励特性及其优化的研究很少，限制了对激励机理的认识和流动控制效果的提升。本项目在已有研究基础上，针对近空间环境等离子体合成射流激励特性及其优化方法的关键科学问题，通过放电等离子体、流动特性的时空分辨综合测试，并发展多物理场耦合仿真模型和方法，揭示近空间低气压、低温和高速环境下等离子体合成射流激励特性的演化过程与变化规律；以近空间飞行器激波控制为背景，获得激励电压、激励器参数对流动控制效果的影响规律，提出近空间环境等离子体合成射流激励的优化原理与方法。研究成果将为深化等离子体合成射流激励机理认识，提高近空间环境激波控制效果提供支撑。

本项目针对近空间环境等离子体合成射流激励特性及其优化的关键科学问题，通过放电等离子体、流动特性的时空分辨综合测试，并建立仿真模型和方法，揭示近空间低气压、低温和高速环境下等离子体合成射流激励特性的演化过程与变化规律；以近空间飞行器激波控制为背景，获得激励电压、激励器参数对流动控制效果的影响规律，提出近空间环境等离子体合成射流激励的优化原理与方法，为深化等离子体合成射流激励机理认识，提高近空间环境激波控制效果提供支撑。.根据项目任务书中承诺的研究目标，开展了深入、细致的研究工作。揭示了气压环境对等离子体合成射流激励特性的影响规律，当气压从7-100kPa变化时，每次射流注入的放电总能量随气压降低而减小。射流在产生之前先在射流头部形成一道压缩波，射流随后出现。随着气压的降低，冲击波的波速和射流速度都增大，但是持续时间变短，流量变小，影响区域也变小。在超音速流场中射流与主流相互作用，初始射流是由热点演化而来，并且伴随着冲击波和压缩波，同时还存在着一些小的脱落涡；在剪切力的作用下射流头部产生了k-H涡，由于三维K-H不稳定性，导致出现了一序列的发卡涡。最后，射流逐渐变为微小的紊乱的涡向下游传播。.根据放电的电压-电流波形计算每一时刻的瞬时功率大小，由此得到等离子体的加热功率密度，将其作为能量方程源项代入流体方程，建立了低气压超音速来流条件下的等离子体合成射流仿真模型，结果表明等离子体合成射流喷射进入主流区域后可在流场中诱导出一道明显的斜激波，射流诱导产生的斜激波与尖劈斜激波相互叠加，最终使激波起点向前移动，同时激波角度减小。.提出了以近空间激波控制为背景的等离子体合成射流激励优化方法，一方面通过电路优化提高等离子体合成射流激励强度，另一方面提出了等离子体合成射流激励器控制激波的优化布局。.发表研究论文31篇，其中：SCI收录23篇，EI收录8篇；编写英文专著章节1章，培养博士研究生1名，硕士研究生1名；获授权国防发明专利1项，申请国防发明专利1项；参加国际学术会议3人次、国内学术会议10人次。