CN102797590B - 一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，它涉及一种用于抑制超燃冲压发动机进气道附面层分离，提高进气道性能的方法，以解决非设计马赫数下飞行时进气道进口处产生附面层分离的问题。方法：一、第一径向通道、第二径向通道、第三径向通道和水平通孔的内表面均镀有陶瓷膜；二、水平孔的输入端与等离子体发生装置上的出口连接；三、两个外侧电极设置在锥面的表面上，两个内侧电极镶嵌在锥面内；四、等离子体发生装置产生的等离子体在进口处喷射产生射流型的等离子体；五、等离子在外侧电极和内侧电极的电场作用下加速喷射，加速了附面层的气流流动，抑制了附面层的分离。本发明用于抑制超燃冲压发动机进气道内附面层的分离。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于抑制超燃冲压发动机进气道附面层分离，提高进气道性能的方法。
背景技术
高超声速进气道是超燃冲压发动机的重要部件，其性能的好坏直接影响发动机整体性能和运行可靠性。超燃冲压发动机在马赫数范围内运行，进气道性能变化剧烈：设计马赫数时进气道性能为最优；低于设计马赫数时，进气道锥面的附面层气流易发生分离，引起进气道的总压恢复系数下降和流量捕获系数降低；高于设计马赫数时会出现进气道内压缩段的附面层分离，引起总压恢复系数降低等。因此，如何抑制进气道附面层的分离，是设计超燃冲压发动机进气道的关键。
实现等离子体控制附面层，有效地产生等离子体并施加激励作用是关键。目前国内外用于流动控制的等离子体通常采用表面介质阻挡放电方式(DBD)，利用正弦电场激励产生等离子体，并将等离子体进行加速，来实现控制附面层的效果。DBD放电模式下，等离子体产生区与作用区在空间上是叠加在一起，受限于材料击穿和耐温边界，外加电场强度不能太高(小于30kV/cm)，离子浓度低(107-108/cm3)，属于弱电离放电，等离子体传输的动量有限，阻碍其在实际工程中的应用。为此，必须从根本上解决等离子体的工作模式，将等离子体的有效产生和高效作用分开来对待，进而提高等离子体控制附面层的性能，这也是等离子体流动控制领域急待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为提供一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，以解决非设计马赫数下飞行时进气道进口处产生附面层分离的问题。
本发明的方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、在发动机进气道的壁厚中加工一与发动机进气道的中心线平行的水平孔，在发动机进气道的进口处的锥面上由进口向出口方向依次加工三个与水平孔垂直且相通的径向通道，分别为第一径向通道、第二径向通道和第三径向通道，第一径向通道、第二径向通道、第三径向通道和水平通孔的内表面均镀有陶瓷膜；
步骤二、等离子体发生装置设置在水平孔内，且水平孔的输入端与等离子体发生装置上的出口连接；
步骤三、两个外侧电极设置在锥面的表面上，且其中一个外侧电极位于第一径向通道的前端、另一个外侧电极位于第二径向通道与第三径向通道之间，两个内侧电极镶嵌在锥面内，且其中一个内侧电极位于第三径向通道的后端、另一个内侧电极位于第一径向通道与第二径向通道之间，锥面的表面上喷涂有一层绝缘薄膜，外侧电极和内侧电极分别置于这层绝缘薄膜的两侧；
步骤四、等离子体发生装置在高电压高频率电源激励作用下产生的等离子体由第一径向通道、第二径向通道和第三径向通道注入到发动机进气道的进口处，并在进口处喷射产生射流型的等离子体，等离子体电源的电压为5000V～10000V，频率为30000Hz～50000Hz，产生等离子体的工作介质为氩气；
步骤五、产生的等离子射流在外侧电极和内侧电极的电场作用下加速，外侧电极与内侧电极之间的电压为1000V～5000V，加速的等离子体与发动机进气道内的中性气体分子碰撞，加速了附面层内的气流流动，实现附面层的分离包的吹脱，抑制了附面层的分离。
本发明的优点是：
一、本发明在进气道进口处增加了镀有陶瓷膜的径向通道，通过水平孔1-4将等离子体导入径向通道内；利用了等离子体在电场作用下的加速作用加速进气道进口处附面层内气体的流动，抑制了附面层的分离，减小了附面层的总压损失和流动损失，从而提高了超燃冲压发动机进气道的性能。二、等离子体产生装置远离进气道，其产生的等离子体经陶瓷管注入到进气道中参与作用。这实现了等离子体的产生与作用空域的分离，既有利于等离子体的产生，也有利于分离抑制作用区内电场的布置。三、本发明整个过程由计算机控制，响应迅速，适应来流为高超声速的环境。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式一的结构示意图，图2是本发明的具体实施方式一中的步骤二里的等离子体发生装置4的结构示意图(图中标记7为高电压高频率电源、标记6为高强度石英管、标记8为堵塞、标记5为不锈钢管)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、在发动机进气道1的壁厚中加工一与发动机进气道的中心线N-N平行的水平孔1-4，在发动机进气道1的进口处的锥面A上由进口向出口方向依次加工三个与水平孔1-4垂直且相通的径向通道，分别为第一径向通道1-1、第二径向通道1-2和第三径向通道1-3，第一径向通道1-1、第二径向通道1-2、第三径向通道1-3和水平通孔1-4的内表面均镀有陶瓷膜；
步骤二、等离子体发生装置4设置在水平孔1-4内，且水平孔1-4的输入端与等离子体发生装置4上的出口4-1连接；
步骤三、两个外侧电极2设置在锥面A的表面上，且其中一个外侧电极2位于第一径向通道1-1的前端、另一个外侧电极2位于第二径向通道1-2与第三径向通道1-3之间，两个内侧电极3镶嵌在锥面A内，且其中一个内侧电极3位于第三径向通道1-3的后端、另一个内侧电极3位于第一径向通道1-1与第二径向通道1-2之间，锥面A的表面上喷涂有一层绝缘薄膜，外侧电极2和内侧电极3分别置于这层绝缘薄膜的两侧；
步骤四、等离子体发生装置4在高电压高频率电源激励作用下产生的等离子体由第一径向通道1-1、第二径向通道1-2和第三径向通道1-3注入到发动机进气道1的进口M处，并在进口M处喷射产生射流型的等离子体，等离子体电源的电压为5000V～10000V，频率为30000Hz～50000Hz，产生等离子体的工作介质为氩气；
步骤五、产生的等离子射流在外侧电极2和内侧电极3的电场作用下加速，外侧电极2与内侧电极3之间的电压为1000V～5000V，外侧电极2和内侧电极3的电压根据进气道测控系统测量的进气道实际工作状态进行调整，加速的等离子体与发动机进气道1内的中性气体分子碰撞，加速了附面层内的气流流动，实现附面层的分离包的吹脱，抑制了附面层的分离。等离子体发生装置4为现有技术。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的第一径向通道1-1、第二径向通道1-2、第三径向通道1-3和水平通孔1-4的内表面的陶瓷膜厚度为0.1mm～0.2mm。陶瓷膜实现了等离子体与进气道金属结构体的绝缘作用，且陶瓷膜在等离子体的碰撞下能产生二次电子发射，有利于等离子体在通道中的稳定传播。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的第一径向通道1-1、第二径向通道1-2、第三径向通道1-3和水平通孔1-4的内表面的陶瓷膜厚度为0.15mm。陶瓷膜实现了等离子体与进气道金属结构体的绝缘作用，且陶瓷膜在等离子体的碰撞下能产生二次电子发射，有利于等离子体在通道中的稳定传播。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的等离子体电源的电压为8000V。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的等离子体电源的频率为48000Hz。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤五中的外侧电极2与内侧电极3之间的电压为2000V。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤五中的外侧电极2与内侧电极3之间的电压为3000V。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤五中的外侧电极2与内侧电极3之间的电压为4000V。其它步骤与具体实施方式一相同。
Claims (8)
1.一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、在发动机进气道(1)的壁厚中加工一与发动机进气道的中心线(N-N)平行的水平孔(1-4)，在发动机进气道(1)的进口处的锥面(A)上由进口向出口方向依次加工三个与水平孔(1-4)垂直且相通的径向通道，分别为第一径向通道(1-1)、第二径向通道(1-2)和第三径向通道(1-3)，第一径向通道(1-1)、第二径向通道(1-2)、第三径向通道(1-3)和水平通孔(1-4)的内表面均镀有陶瓷膜；
步骤二、等离子体发生装置(4)设置在水平孔(1-4)内，且水平孔(1-4)的输入端与等离子体发生装置(4)上的出口(4-1)连接；
步骤三、两个外侧电极(2)设置在锥面(A)的表面上，且其中一个外侧电极(2)位于第一径向通道(1-1)的前端、另一个外侧电极(2)位于第二径向通道(1-2)与第三径向通道(1-3)之间，两个内侧电极(3)镶嵌在锥面(A)内，且其中一个内侧电极(3)位于第三径向通道(1-3)的后端、另一个内侧电极(3)位于第一径向通道(1-1)与第二径向通道(1-2)之间，锥面(A)的表面上喷涂有一层绝缘薄膜，外侧电极(2)和内侧电极(3)分别置于这层绝缘薄膜的两侧；
步骤四、等离子体发生装置(4)在高电压高频率电源激励作用下产生的等离子体由第一径向通道(1-1)、第二径向通道(1-2)和第三径向通道(1-3)注入到发动机进气道(1)的进口(M)处，并在进口(M)处喷射产生射流型的等离子体，等离子体电源的电压为5000V～10000V，频率为30000Hz～50000Hz，产生等离子体的工作介质为氩气；
步骤五、产生的等离子射流在外侧电极(2)和内侧电极(3)的电场作用下加速，外侧电极(2)与内侧电极(3)之间的电压为1000V～5000V，加速的等离子体与发动机进气道(1)内的中性气体分子碰撞，加速了附面层内的气流流动，实现附面层的分离包的吹脱，抑制了附面层的分离。
2.根据权利要求1所述一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，其特征在于：步骤一中的第一径向通道(1-1)、第二径向通道(1-2)、第三径向通道(1-3)和水平通孔(1-4)的内表面的陶瓷膜厚度为0.1mm～0.2mm。
3.根据权利要求2所述一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，其特征在于：步骤一中的第一径向通道(1-1)、第二径向通道(1-2)、第三径向通道(1-3)和水平通孔(1-4)的内表面的陶瓷膜厚度为0.15mm。
4.根据权利要求1或2所述一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，其特征在于：步骤四中的等离子体电源的电压为8000V。
5.根据权利要求4所述一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，其特征在于：步骤四中的等离子体电源的频率为48000Hz。
6.根据权利要求1所述一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，其特征在于：步骤五中的外侧电极(2)与内侧电极(3)之间的电压为2000V。
7.根据权利要求1所述一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，其特征在于：步骤五中的外侧电极(2)与内侧电极(3)之间的电压为3000V。
8.根据权利要求1所述一种基于等离子体激励的进气道附面层分离抑制方法，其特征在于：步骤五中的外侧电极(2)与内侧电极(3)之间的电压为4000V。
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