论文中英文摘要
作者姓名:吴云
论文题目:等离子体气动激励及其扩大压气机稳定性的原理研究
作者简介:吴云,男,1983年2月出生,2003年9月师从于空军工程大学李应红教授,于2008年4月获博士学位.
中 文 摘 要
等离子体气动激励是利用等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电引起温度,压力变化的特性,对流场施加的快速,宽频气动激励.基于等离子体气动激励的等离子体流动控制技术,可显著改善飞行器/动力装置的气动特性,已成为国际上空气动力学和气动热力学领域的研究前沿.2004年,美国国防部将等离子体流动控制列为面向空军未来发展的重点资助领域;2005年,美国空军将等离子体动力学(等离子体流动控制的基础)列为未来几十年保持技术领先地位的六大基础领域之一;2006年,我国《国家中长期科学发展规划纲要》将等离子体动力学列为航空航天重大力学问题.
高稳定性风扇/压气机是未来高性能涡扇发动机发展的重点和难点问题,采用等离子体气动激励扩大风扇/压气机的稳定性,发展新的气动设计原理和方法,具有重要的理论意义和工程应用价值.抑制流动分离是提高风扇/压气机气动稳定性的基本技术途径,但是,目前等离子体气动激励抑制流动分离的流场速度范围还远远不能满足风扇/压气机(及飞机机翼)流动控制的要求,如何提高等离子体气动激励抑制流动分离的能力,成为制约等离子体流动控制技术发展的关键科学问题.
针对扩大风扇/压气机稳定性的重大需求和上述关键科学问题,本文在空军工程大学承担的等离子体流动控制"973"项目和"863"项目的资助下,开展等离子体气动激励机理,提高等离子体气动激励抑制流动分离能力的原理研究,并在此基础上,开展等离子体气动激励扩大压气机稳定性的原理和方法研究.主要内容和创新点如下:
1,诱导近壁面气流加速的等离子体气动激励机理研究
国际上广泛认为,等离子体气动激励抑制流动分离的原理是诱导近壁面气流加速,进而增强气流抵抗逆压梯度的能力.但是,有关机理研究还不够系统深入.主要问题之一是针对典型的表面介质阻挡放电等离子体气动激励,缺乏对电子密度和温度这两个关键物理参数的测试诊断方法,限制了对诱导气流速度影响规律和制约因素的认识.为此,本文以电子密度和温度的测试诊断为重点,深入开展了表面介质阻挡放电等离子体气动激励的机理研究.
主要创新是建立了大气环境表面介质阻挡放电等离子体气动激励的电子密度和温度估算模型,并应用于揭示诱导气流速度的影响规律和制约因素.
电子密度在一定程度上表征了参与动量传递的离子密度,是决定诱导气流速度大小的主要参数;电子温度是表征电子能量分布的重要参数,目前国际上还不能测试诊断这两个关键物理参数.根据发光粒子和的化学动力学模型,建立了通过不同振动能级的相对浓度与的振动能级分布估算电子密度的模型,通过和的相对浓度估算电子温度的模型.该模型的建立,使得可以通过发射光谱测试来估算电子密度和温度,为等离子体气动激励及其抑制流动分离的数值仿真和机理分析提供了重要依据.
以估算得到的电子密度作为输入参数,仿真得到的诱导气流速度与实验结果基本一致,在一定程度上验证了估算模型的正确性.应用估算模型,获得了诱导气流速度的制约因素,以及气压对电子密度和温度的影响规律.在气压一定的情况下,随激励电压和激励器参数(电极的宽度和厚度,绝缘材料的介电常数和厚度)的改变,电子密度基本不变,电场强度是制约诱导气流速度增大的主要因素.随着气压的降低,在45Torr时放电模态发生了丝状放电向辉光放电的转捩,电子密度先减小后增大,电子温度在气压低于45Torr后显著增大.
2,等离子体冲击气动激励及其抑制流动分离的原理研究
由于等离子体气动激励诱导的气流速度很难显著提升,必须采用新的技术途径来提高等离子体气动激励抑制流动分离的能力.李应红教授提出了"等离子体冲击流动改性"的学术观点,但只是提出了基本原理,等离子体冲击气动激励的机理尚未开展研究,提高抑制流动分离能力的有效性有待验证.为此,对等离子体冲击气动激励机理,以及等离子体冲击气动激励提高抑制流动分离能力的有效性进行了深入研究.
主要创新是揭示了纳秒脉冲放电等离子体冲击气动激励的机理,并仿真和实验验证了冲击气动激励提高抑制流动分离能力的有效性.
通过理论,实验和仿真研究,提出了纳秒脉冲放电产生冲击波的机制:纳秒脉冲放电的折合电场强度大(峰值约为500Td),峰值功率大(几十kW),放电产生了大量的高能电子,引发了氮分子电子激发态的熄灭,氮分子和氧分子离解,分子离子和电子复合等物理化学过程,导致电极附近局部的空气被快速加热,压力急剧升高,进而产生冲击波.计算得到了冲击波的波速,波后压力和温度.仿真和实验揭示了冲击波诱导的气动激励特性,冲击波在距离壁面0.5mm内具有很高的强度,诱导出旋涡,在20μs内迅速衰减为垂直壁面向上的弱气动扰动,随后诱导的气流速度几乎为0.等离子体冲击气动激励机理的研究,为解决提高抑制流动分离能力的瓶颈问题提供了理论指导和技术途径.

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