等离子体与放气组合调控进气道激波/边界层干扰的方法

本发明涉及主被动流动控制，具体涉及一种等离子体与放气组合调控进气道激波/边界层干扰的方法。

背景技术：

1、激波/边界层干扰现象普遍存在于进气道流场中，唇口激波与前体边界层相互作用形成干扰区，反射激波与唇口边界层干扰也会形成干扰区。流场内部存在的激波/边界层干扰现象对进气道总压恢复系数、捕获流量系数及流场均匀度等皆有影响。当干扰程度过大时，分离回流区域往往会堵塞内通道，进而导致进气道的不起动。如何有效预估高超声速进气道内激波/边界层干扰流场尺度，对分析进气道起动性能具有重要意义。

2、在高超声速进气道中，斜激波/边界层干扰通常可分为两类，一类是发生于进气道各级压缩面上的拐角斜激波/边界层干扰，另一类是发生于进气通道内的入射激波/边界层干扰，如进气道口部的唇罩激波/边界层干扰、通道内的反射激波/边界层干扰等。但需要注意的是，在高马赫数二元平面压缩进气道超额定工况，多道压缩波入射进入内流道，这些激波将会和内流道边界层产生多个激波/边界层干扰区域。

3、为了调控激波/边界层干扰问题，各种流动控制手段应运而生。目前在进气道内的流动控制手段主要集中在边界层放气、涡流发生器控制、等离子体激励等手段。边界层放气是进气道内较为有效的激波/边界层干扰控制手段，工程应用也较为广泛，其能够有效减小分离区尺度。而等离子体流动控制技术拥有无需机械活动部件、响应速度快等优势，也受到了高超/超声速流动控制领域的广泛应用。等离子体激励，尤其是表面电弧放电激励所产生的冲击波，对调控激波/边界层干扰也有着自身优势。

技术实现思路

1、针对进气道常见的激波/边界层干扰问题以及引起的流动分离现象，本发明提出一种进气系统，该系统包括上壁面、左侧壁、右侧壁、主体；其中

2、主体上表面分为一至五级斜面、一级和二级曲面以及平面部分，主体上表面自前向后依次为一级斜面1、二级斜面2、三级斜面3、四级斜面4、第一曲面11、五级斜面5、第二曲面12、平面部分；一至五级斜面1-5均为宽度相等、长度各异的长方形，各自的长度根据需要确定，且分别与水平方向呈一定角度，这五个角度使得一至五级斜面呈坡状，两个曲面均为圆弧，圆弧分别与其前后邻接斜面相切，保持顺滑连接，其中第一曲面剖面为下弦弧线，第二曲面剖面为上弦弧线；在三级斜面上向下设置有长方体形凹槽，凹槽顶部的四条边分别与三级斜面的四条边平行，在凹槽中装配等离子体激励器；在三级斜面处从流场上游至流场下游共设有两组等离子体激励器；另外在第一曲面11和五级斜面5上，分布有多个抽除缝，每个抽吸缝部分下方都存在一个空挡，用于自进气道内向外排出抽吸出的低能流气体，抽除缝的延伸方向均与来流方向垂直，且抽除缝延伸方向相互平行；每个抽除缝都具有相同尺寸；

3、上壁面上表面为长矩形，其前端尖，除了尖端外，其他部分截面呈长矩形；上壁面上表面延伸方向始终与来流方向平行，下表面分为四节；第一节下表面与上表面之间呈一定夹角；第二节是圆弧，弧线分别与第一节下表面和第三节下表面相切；第三节下表面与上表面之间呈一定夹角；第四节下表面与来流方向保持一致；上壁面与侧壁之间保持固定；

4、侧壁整大致为竖立的长方体薄片，但侧壁外侧前端为斜面，斜面与侧壁内侧竖直面呈一定夹角，因此侧壁具有楔形头部；侧壁分别与上壁面、主体保持固定；在侧壁靠近楔形头部处设有两个侧开口，用于抽吸缝的气流泄出，两个侧开口与主体抽吸缝下方空挡相互配合，并相互独立；

5、左侧壁、右侧壁完全对称设计；

6、在两个侧壁上设置观察窗，观察窗大致位于侧壁靠近楔形头部处，两个侧开口的上方，观察窗上安装透明光学玻璃，保证光学玻璃与侧壁表面之间的平滑过渡。

7、在本发明的一个具体实施例中，

8、进气系统模型长为800mm，高为82mm；

9、主体长800mm，宽50mm；

10、一至五级斜面1-5分别与水平方向呈+5.71°、+13.07°、+18°、+15°、-14°，两个曲面均为半径为200mm的圆弧；

11、在第一曲面11和五级斜面5上，分布有9个2mm*46mm的抽除缝，其中第一曲面11分布有7个，五级斜面5上分布有2个，第一曲面11分布的7个抽除缝相互之间保持相同间距；

12、上壁面长572.58mm，第一节下表面与上表面之间呈夹角3°；第二节是半径为200mm，弧长39mm的圆弧；第三节下表面与上表面之间呈夹角14.17°,前三节总长为121.50mm；第四节下表面长为451.08；为与侧壁固定，上壁面侧壁打孔，用于通过固定装置将上壁面与侧壁固定连接；

13、侧壁长632mm，宽15mm，高82.29mm；侧壁外侧前端的斜面与侧壁内侧竖直面呈12.5°夹角；侧壁上部设有螺纹孔，用于装配上壁面，侧壁下部设有螺纹孔，用于装配主体。

14、在本发明的另一个具体实施例中，观察窗设计有阶梯凹槽，用于装配104mm*15mm*35mm满足光学试验要求的k9光学玻璃。

15、还提出一种等离子体与放气组合调控进气道激波/边界层干扰装置，其基于上述进气系统，其在三级斜面凹槽底部设置螺纹孔，用于将等离子体激励器固定于其中；并且

16、激励器包括矩形薄板状耐高温绝缘材料，和内嵌于其中的放电激励，在激励器短边对称轴上布置1组或多组放电激励，1组或多组放电激励关于两条激励器长边中垂线对称布置；

17、激励器短边对称轴上均匀布置多对圆柱阶梯孔，用于装配电极以及高压电线，该阶梯孔沿激励器表面垂直向内打孔加工，靠近激励器表面的小圆柱体，孔径小，用于装配电极；远离激励器表面的大圆柱体，孔径大，用于装配高压电线；电极上表面与平板模型上表面齐平，激励器固定安装在进气道凹槽内；

18、第一组放电电极的阳极与电源的正极相连，最后一组放电电极的阴极与电源负极相连；该放电电路由击穿电路和储能电路两部分组成；击穿电路包括高压脉冲电源、第一二极管、多组串联连接的等离子体激励器电极对；在击穿电路中，高压脉冲电源经由第一二极管与激励器阵列直接串联连接，用于击穿电极间隙，建立放电通道；高压脉冲电源输出端经由第一二极管、与第一组放电电极的阳极相连，最后一组放电电极的阴极经高压导线接地，其他放电电极按照本领域技术人员熟知的方式依次串行连接，高压脉冲电源负端接地；储能电路包括大功率直流源、电阻、第二二极管、储能电容；在储能电路中，大功率直流源与电阻串联后与储能电容并联，大功率直流源负端接地，正端与电阻一端连接，电阻另一端连接第二二极管正端，第二二极管负端连接到第一二极管负端。

19、在本发明的一个实施例中，

20、在激励器短边对称轴上布置1-3组放电激励，每组放电激励的两个电极之间放电间距为3mm-10mm，相邻组放电激励的展向间距为10mm-40mm；优先选择两电极间放电间距为5mm，相邻激励器电极对展向间距20mm以上；

21、靠近激励器表面的小圆柱体直径为0.5mm-2mm，用于装配钨电极；远离激励器表面的大圆柱体直径为4mm-6mm；激励器下表面设置螺纹孔用于与进气道凹槽相互装配；

22、放电电压设置为0-20kv，放电频率设置为0-50hz，上升沿100ns-1000ns，下降沿100ns-1000ns，脉宽100ns-1000ns，直流电源放电电压为1-2kv，电阻值为500ω-1kω，电容值为4μf-6μf。

23、在本发明的又一个具体实施例中，

24、等离子体激励器选用氧化铝陶瓷材料，在激励器短边对称轴上布置两组激励，两组激励相距20mm，每组放电激励的两个电极之间放电间距为5mm，相邻组放电激励的展向间距为20mm；靠近激励器表面为直径1mm圆柱孔，装配直径1mm的钨电极；远离激励器表面为直径4mm的圆柱孔，装配4mm的高压电线；高压电线与电极连接，之后通过耐高温绝缘密封胶将通孔密封，同时保证电极上表面与平板模型上表面齐平；

25、放电电压设置为20kv，放电频率设置为50hz，上升沿100ns，下降沿100ns，脉宽1000ns，直流电源放电电压为2kv，电阻值为500ω，电容值为6μf；

26、此外，还提供一种等离子体与放气组合调控进气道激波/边界层干扰的方法，其基于上述等离子体与放气组合调控进气道激波/边界层干扰装置，具体实施过程如下：

27、在马赫3的实验来流工况下，首先进行无等离子体激励的基准流场风洞实验，以明确基准流场中的波系情况和分离区位置；

28、在马赫3的实验来流条件下，进气系统正常启动，在进气道的唇口形成以正激波为主导的波系结构，在进气道内形成一定的流动分离区，部分流动分离区域位于边界层放气区域，流动分离现象得到缓解；根据流场中的波系结构，能够分析其波系结构情况；

29、实验基准流场中，波系以正激波为主导，属于较为典型的正激波诱导的流动分离，在分离激波c3之后是一个超声速区，该超声速区的末端是一道近正激波c1，斜激波c3与引发分离的正激波c1相交于t点，形成了类似于vi类edney激波干扰流场结构，激波c4满足斜激波方程强解，但其激波强度较弱；在c4下游的流动，通常为亚声速或者马赫数接近于1的超声速流动，虽然能够观察到激波结构，但此区域的压缩近似是等熵压缩，流动光滑过渡到亚声速；而斜激波c2是由进气道前缘楔角变化产生的典型斜激波结构，其激波强度也较弱，此时斜激波c2、c3与引发分离的正激波c1相交于t点；

30、基于激励布局思路一，在分离激波上游开展展向阵列布局的等离子体激励，等离子体表面电弧激励主要通过冲击斜激波c2以及分离激波c1，由于强有力的冲击作用效果，斜激波c2与分离激波c3基本消失，并使得激波相交点t的位置上移，改变了流场中的波系结构，减弱了正激波的影响范围，从而改善了进气系统的流动分离情况。

31、另外，还提供一种等离子体与放气组合调控进气道激波/边界层干扰的方法，其基于上述等离子体与放气组合调控进气道激波/边界层干扰装置，具体实施过程如下：

32、在马赫3的实验来流工况下，首先进行无等离子体激励的基准流场风洞实验，以明确基准流场中的波系情况和分离区位置；

33、在马赫3的实验来流条件下，进气系统正常启动，在进气道的唇口形成以正激波为主导的波系结构，在进气道内形成一定的流动分离区，部分流动分离区域位于边界层放气区域，流动分离现象得到缓解；根据流场中的波系结构，能够分析其波系结构情况；

34、实验基准流场中，波系以正激波为主导，属于较为典型的正激波诱导的流动分离，在分离激波c3之后是一个超声速区，该超声速区的末端是一道近正激波c1，斜激波c3与引发分离的正激波c1相交于t点，形成了类似于vi类edney激波干扰流场结构，激波c4满足斜激波方程强解，但其激波强度较弱；在c4下游的流动，通常为亚声速或者马赫数接近于1的超声速流动，虽然能够观察到激波结构，但此区域的压缩近似是等熵压缩，流动光滑过渡到亚声速；而斜激波c2是由进气道前缘楔角变化产生的典型斜激波结构，其激波强度也较弱，此时斜激波c2、c3与引发分离的正激波c1相交于t点；

35、基于激励布局思路二，在分离激波脚开展展向阵列布局的等离子体激励，等离子体表面电弧激励主要通过冲击分离激波c3以及斜激波c4，分离激波c3基本消失，斜激波c4强度降低。

36、并且，本发明还提供一种等离子体与放气组合调控进气道激波/边界层干扰的方法，其基于上述等离子体与放气组合调控进气道激波/边界层干扰装置，具体实施过程如下：

37、在马赫3的实验来流工况下，首先进行无等离子体激励的基准流场风洞实验，以明确基准流场中的波系情况和分离区位置；

38、在马赫3的实验来流条件下，进气系统正常启动，在进气道的唇口形成以正激波为主导的波系结构，在进气道内形成一定的流动分离区，部分流动分离区域位于边界层放气区域，流动分离现象得到缓解；根据流场中的波系结构，能够分析其波系结构情况；

39、实验基准流场中，波系以正激波为主导，属于较为典型的正激波诱导的流动分离，在分离激波c3之后是一个超声速区，该超声速区的末端是一道近正激波c1，斜激波c3与引发分离的正激波c1相交于t点，形成了类似于vi类edney激波干扰流场结构，激波c4满足斜激波方程强解，但其激波强度较弱；在c4下游的流动，通常为亚声速或者马赫数接近于1的超声速流动，虽然能够观察到激波结构，但此区域的压缩近似是等熵压缩，流动光滑过渡到亚声速；而斜激波c2是由进气道前缘楔角变化产生的典型斜激波结构，其激波强度也较弱，此时斜激波c2、c3与引发分离的正激波c1相交于t点；

40、基于激励布局思路一，在分离激波上游开展展向阵列布局的等离子体激励，等离子体表面电弧激励主要通过冲击斜激波c2以及分离激波c1，由于强有力的冲击作用效果，斜激波c2与分离激波c3基本消失，并使得激波相交点t的位置上移，改变了流场中的波系结构，减弱了正激波的影响范围，从而改善了进气系统的流动分离情况；

41、基于激励布局思路二，在分离激波脚开展展向阵列布局的等离子体激励，等离子体表面电弧激励主要通过冲击分离激波c3以及斜激波c4，分离激波c3基本消失，斜激波c4强度降低。

42、本发明将等离子体激励与边界层放气技术组合使用，开展主被动流动控制手段相结合的控制方式，调控进气道内激波/边界层干扰问题。在进气道系统内流动分离区域布置边界层放气装置，用于放出流场中的低能流体，缓解流动分离现象；另外，在入射激波或分离激波脚前设置等离子体激励区域，利用等离子体激励产生的冲击波，冲击进气道波系，改变其波系结构或削弱激波强度，从而削弱进气道内的逆压梯度作用，进一步减小流动分离，最终实现进一步提升/改善进气道性能的目的。

43、本发明将边界层放气与等离子体激励的相结合，以主被动流动控制作为手段，调控进气系统激波/边界层干扰问题。在这种方式下，进气道的流动分离现象得到有效缓解，激波强度也明显降低，这对于进一步提升/改善进气道性能具有重要意义。