《弱电离气体与高速流动现象研究初探》由会员分享，可在线阅读，更多相关《弱电离气体与高速流动现象研究初探（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、一一第十一届全国激波与激波管学术会议 = 二二_ 二= 一弱电离气体与高速流动现象研究初探钟萍中国空气动力研究与发展中心计算空气动力学研究所，I 四) J l ，绵阳，6 2 1 0 0 0t i l l S , 本文简要回顾了近年来国外开展弱电离气体改善流动与飞行控制特性研究的最新进展。总结分析了弱电离气体主动流动控制的原理和实现方法，如减阻效应和敏感参数研究、能量注 入方法研究等。最后，提出了建议。1 引言近年来，国外一些研究机构、大学和军方1 对弱电离气体( 等离子体) 、微波能量和激光能量在空气动力学中的应用产生了浓厚的兴趣，并大量投入人力、物力致力于该前沿( 边缘学科)领域的研究。我
2、们通过参阅大量的国外科技文献，特别是近3 5 年的研究成果，发现他们已经取得了一些阶段性的进展，目前的研究工作正在引向深入。弱电离气体( 等离子体) 对飞行器气动特性的影响实际上是一种主动流动控制方法。就减阻作用而言，其主要方法有：逆向喷流减阻、边界层控制减阻和局部能量点源减阻。国外已有人提出并正在研究一种全新的先进流动与飞行控制( A F F C ) 概念，其控制特征包括等离子体 空气动力学、姗D ( 磁流体动力学) 流动和飞行控制以及等离子体化学和燃烧控制等新技术。目前备受关注的特殊机理有：通过飞行器前的等离子体空气锥实现减阻、通过直接能量注入或M H D 过程实现激波位置的主动控制、局部
3、能量注入实现飞行器的快速操纵、M H D 过程的功率削减以及通过声学( 波) 施力控制转捩和边界层现象等。本文介绍了弱电离气体与高速流动现象，以及飞行控制性能的机理研究及具体应用系统研制方面的最新进展，旨在引起国内相关研究机构重视、关注该领域的发展动向和应用前景，为科技工作者提供信息支持。2 最新研究概况2 1 弱电离逆向射流与高超声速钝体流场干扰和分流减阻研究近年来，美国空军研究实验室的大气飞行器管理局所属的航空科学部及计算模拟中心等研究机构一直在开展高超声速流中等离子体逆向射流干扰和磁空气动力钝体现象研究，并在减阻机理分析和逆向射流分流现象及模型头罩辉光放电产生弱电离空气技术方面取得了些研
4、究进展。2 1 1 高超声速流中等离子体逆向射流干扰G a n i e v 等人于2 0 0 0 年前后开展的在钝体驻点区采用等离子体喷射的一组实验证实其产生的减阻量超乎人们的想象。虽然那些实验中没有使用磁场，逆流射流干扰、电磁力和非平衡热力学被认为是通过等离子体喷射实现气动减阻的最可能的关键机理。他们在最近的研究中所观察到的波阻减小的主要部分是逆流射流和弓形激波干扰的结果。来自气动干扰的减阻可通过逆流喷射将单激波转变为多激波结构来实现。问题的关键在于，流场包含了逆流射流，该逆流射流是从驻点区射出的并且在下游被马赫盘作为一种自由剪切层改变了流动的方向。一部分射流被吸入并在紧靠分界流表面的下面形
5、成一个环形回流区。回流区以上的其余部分射流成为自由剪切流。当自由剪切层再次附着在钝体上时，会使一系列的压缩波结合成一个再附着环形激波。逆流射流干扰通过三激波结构取代了钝体上的单一弓形激波。1 如：美国空军研究实验室、空军大学航空系、A E D C 、N A S A 兰利研究中心、波音公司、N o V cD a m e 大学、 普林斯顿大学、宇航与工程局、流体物理与控制中心，俄罗斯科学院高温研究所，T s A G I 、圣彼得堡国立大学 圳及莫斯科大学力学研究所、新西伯利亚理论与应用力学研究所等机构。4 1 8弱电离气体与高速流动现象研究初探等离子体喷射试验中，逆流电离空气由埋入模型的等离子体炬
6、产生并从驻点射出。用组压电力传感器或测力传感器测量气动力，布置见图1 。图2 给出了等离子体喷射纹影照片与计算结果比较，与室温逆流喷射相比，等离子体喷射有两个主要突出特点：一是在所有情况下激波均匀地向钝体收缩。根据理想气体模型计算基础，此现象很可能与由升高的等离子体温度引起的质量流率下降有关。喷管质量流率与驻点压力成正比，与驻点温度的平方根成反比，即m ( P 。瓦) 。另一个特点是，非定常激波运动的振幅明显减弱。在固定的驻点喷射压力下，等离子体喷射实际上使阻力增加，有等离子体喷射时测量的阻力比室温空气喷射时大约高1 0 。但如果考虑升高的等离子体温度引起喷射质量流率下降这因素，那么在相同的质
7、量流率条件下，等离子体喷射引起的减阻事实上要比室温空气喷射引起的相应减阻大。研究发现，阻力减小大多是逆流喷射和热能吸收间的粘性一无粘性干扰产生的。在等离子体条件和相同喷射质量流率情况下，基于平衡化学组分理论，等离子体喷射将产生比单一等离子体热效应大1 2 5 的减阻效果。实验和计算的一一对比显示，等离子体喷射的大部分减阻来自有利的激波和逆向射流干扰以及热量吸收。2 1 2 高速流中的射流锥分流研究射流锥分流和减阻是两个主要关心的问题，用射流锥实现减阻的最有效的方法就是要达到最大的射流穿透深度，并在超声速来流中形成细长的位移形状和多包线激波。射流的出口马赫数实际上是一个关键重要的参数，图3 说明
8、了这种观点。射流明显改变了弓形激波包线，自由剪切层在上游重新附着在半球圆锥的肩部，再附着过程又引起射流与钝体头部的重新组合并形成一个环形激波。声速射流与超声速射流在流场结构方面的主要区别是超声速射流引起的激波脱体距离位移大，比如出口马赫数2 8 4 的射流引起的激波脱体距离的位移是声速喷射的两倍。在最近开展的一系列等离子体喷射实验中，逆流射流干扰已经被证实是显著降低阻力的机理之一。根据等离子体喷射压力与驻点压力比值的变化，在射流锥干扰的动力学状态从振动变化到接近稳定运动过程中阻力存在一个突然的改变，见图4 a 和4 b 。通过实验和计算对比了从半球圆柱体上喷射的等离子体射流产生的激波分岐( 见
9、图5 a 、b ) 。在马赫6 风洞的整个试验条件范围内发现了逆流喷流和激波干扰引起的激波分岐现象，该现象定义了自由剪切层不稳定性和流场中马赫盘之间反馈谐振的动态范围。射流锥分流实验揭示了一个振动流体运动的临界状态。控制参数是来流与逆流射流间的驻点压力比。在较低的喷射压力下，绕射流锥的再循环区上自由剪切层与马赫盘之间的反馈回流使流动保持一种自持振动运动状态。当产生逆流喷流的驻点压力足够高时，超声速射流会分离被埋入的亚声速区而使反馈回流发生崩溃。临界分流点可用风洞和逆流喷流的驻点压力比来计算。就所进行的试验，临界点的压力比值从较高的风洞驻点压力时的O 8 0 变化到较低风洞驻点压力时的1 0 5
10、 。在马赫数5 8 下，采用冷逆流喷流的半球圆柱体的阻力减小在分流时将达到最小，然后迅速上升。分流附近的最大减阻有一个高达4 0 的振荡值。但是，在试验条件下，根据运行的驻点压力值，减阻量在3 0 一4 0 之间。阻力在临界点有一个初始上升，然后会随喷射压力的增加而连续下降( 图4 ) 。2 2用于流动控制的高速气流能量注入方法多年来，人们一直在研究并认识到了通过控制流动来影响高速飞行器的飞行特性或性能的可能性。各种可能的策略有：减阻、飞行器操纵、边界层分离控制、改善的光学清晰度、激波角和进气道性能控制、发动机性能优化和功率削减。一方面通过气体注入和表面部件控制可以实现其中一些过程，另外一些方
11、法则需要向空气流中直接注入能量。除了这些方法可行外，直接能量注入( 方法) 还另有优点：可电控制，从而为接近真实的控制方案提供快速调节和敏捷反应的可能性。4 1 9第十一届全国激波与激波管学术会议目前备受关注的特殊机理有：通过飞行器前的等离子体空气锥实现减阻，通过直接能量注入或M I I D ( 磁流体动力学) 过程实现激波位置的主动控制，局部能量注入实现飞行器的快速操纵，M H D 过程的功率削减以及通过声学( 波) 作用控制转捩和边界层现象。普林斯顿大学近几年研究了三种能量注入方案：激光一电子束控制微波驱动能量注入；电子束能量注入；兆赫兹频率的声能注入。重点放在能量注入的作用原理上( 见文
12、献 1 ) 。通过电磁辐射、电子束或声波辐射向高速气流注入能量的几种实用方法将为飞行器控制和性能增强开辟不同的薪途径。激光和电子柬控制的微波能量释放在借助等离子体锥实现减阻、飞行器操纵和通过控制发动机入口处激波位置来优化发动机进气道性能等领域表现出有价值的前景；用电子束维持高速气流中有效的传导性能使新的M H D 技术用在高速飞行器上，并用于发动机性能优化、能量削减和激波控制。利用大功率脉冲爆炸激光能够产生高频声波作用，从而能够控制包括转捩和分离的边界层现象。为了研究在飞行器上游能量注入的流体动力学效应，普林斯顿大学建立了一座具有同轴传播微波场的马赫数2 5 的小型风洞，见图6 所示。实验中，
13、在放电区的下游近5 2 英寸处流场中安放了一个半锥角1 5 度的楔形物，等离子体持续时间为1 毫秒。图7 示出了实验过程中的两幅照片，左边一幅是没有等离子体的，右边是等离子体打开时的。离开楔形物的激波角度从2 2 。变化到2 7 。的现象可以证实马赫数降低了。有等离子体时的激波在所拍摄的视场内接近边缘处出现了一定程度的弯曲，推测可能是因为气流只在中间部位受热。假设气流速度保持不变且受热区环绕飞行体，那么阻力减小量则近似地与马赫数平方的减小量成正比( 即，与密度的变化成正比) 。此实验中，马赫数下降至8 8 ，因此阻力下降到7 7 ，相当于减阻2 3 。2 3 弱电离气体( 等离子体) 诱导的高
14、超声速减阻敏感参数研究佛罗里达A M 大学非线性和非平衡航空中心现代流体物理实验室近年来开展了一些研究工作，如在压力破膜激波管中采用4 种等离子体物质( 氩、氪、氙和氖) 开展了弱电离等离子体中激波动力学研究。这些实验证实，弱电离气体可引起激波速度增加和激波波幅的相应减小，有利于减阻。等离子体诱导的阻力减少是湍流敏感参数，阻力减少对雷诺数也存在类似的依赖关系。在固定的密度和电离度情况下，等离子体物种对激波阻力的有利影响随原子重量的增加而增大。如果用湍流动力学理论说明以百分比表示的马赫数变化量( M ) 随雷诺数R e 的进展情况，那么至少可以定性解释 I 对原子重量的依赖关系。3 先进的流动和
15、飞行控制概念研究进展近年来俄罗斯科学院高温研究所( I V T A N ) 在利用非气动方法进行绕飞行器空气流动控制这一新领域方面开展了大量研究工作。应用前景包括总阻力减小、激波减弱、有助于高速燃烧的等离子体和M H D 、I V l - I D 流动控制和机载电力产生。3 1先进流动飞行控制( A F F C ) 特征( a ) 等离子体空气动力学俄弱电离气体工作组广泛进行了等离子体空气动力学研究的讨论。主要集中于两个方面的应用：激波衰减和因此产生的减阻。已经观察到激波通过辉光放电等离子体传播时会出现大量的反常特征：激波会变弱、分裂和加速。这种特性在原理上讲会导致以超声速速度飞行于大气中的飞
16、行体阻力减小。弹道实验的直接测量进一步证实了这种减阻效应。应用于流场改善的电子放电有效方法之一就是高非均匀丝状( 电子流) 放电，它能解释观察到的一些重要现象，如激波加速和明显的激波分裂。从应用的观点看，此技术的效率、容易程度和可靠性是最根本的。因此对应用来讲，等离子体气体动力学提供了一种非常重要的方法：专门在弓形激波上游的某个重要位置输入高密度的能量。已经和正在风洞实验中成功试验的等离子体发生器的类型：腐蚀等离子体枪和等离子体射 流；各种构型电极的A C 和D c 电流放电；H F 和姗放电。弱电离气体与高速流动现象研究初探电子流类型的放电与各种激波干扰的数值模拟研究已经揭示出许多重要细节：首先是形成了高速逆向射流；主激波前的二次强激波；穿越激波的有效动量和质量传输。 ( b ) 姗D 流动和飞行控制M H D 用于超高速流动力或飞行控制的应用性具有十分明确的
