CN106507575B - 一种用于高空飞行器的等离子体合成射流激励器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高空飞行器的等离子体合成射流激励器。包括激励器本体、放电腔体、阴极放电电极、阳极放电电极、多缝式射流出口。工作时，连接在激励器腔体两侧的放电电极击穿空气放电，放电腔体内的气体被瞬间加热，并从激励器本体上表面的射流出口流出，形成高速射流。本发明特别针对高空高速飞行器，利用低气压下击穿电压迅速下降的放电特性，将等离子体合成射流激励器电极间距延长，并且电极之间仍然保持火花放电，扩大了激励器的流动控制范围。同时，射流出口采用多条与放电电弧平行的直缝布置，有利于对更宽范围的气体注入动量和能量。本发明特别适合高空高速飞行器内大范围的流动控制，具有良好的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及等离子流动控制领域。
背景技术
美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室于2003年提出一种等离子体合成射流激励器作为一种新型的流动控制技术。该激励器由内置阴极与阳极的绝缘腔体以及在腔体上表面的出流小孔组成。该等离子体合成射流激励器的工作原理为：阳极与阴极分别与高压脉冲电源的正负极相连。当电源运行，在近似密闭腔体中的空气由于电极放电导致腔体内压力、温度迅速升高，高压高温气体流经出流小孔形成射流。该项技术作为主动流动控制技术，无需额外的气源，具有响应快、无机械活动部件、工作频带宽、质量轻、针对性强并且具有功率消耗低、控制能力强、参数可控且放电稳定可靠的优点，成为了目前最引人关注的一种主动流动控制激励器形式。
等离子体合成射流技术广泛应用于航空航天领域，通过对低能流体，特别是边界层内的气流注入动量与能量，从而起到有效改善流场品质，提升飞行器性能的效果。目前的等离子体合成射流激励器电极间距大都按照在一个标准大气压下工作进行设计，通常为2-5mm。这一设计可以保证激励器在标准大气压下可靠工作，但实际飞行器通常工作在高空低气压环境下。随着环境气压的下降，电极间击穿电压快速下降，同时伴随着放电能量的急剧减小。这将导致激励器的加热效应减弱、初始射流速度降低，继而导致激励器实际动量输出能力和流动控制能力均达不到工作要求。特别值得注意的是，随着放电击穿电压的降低，电极间电流密度也会迅速降低，这将有可能使放电形式由火花放电向低压辉光放电转化。而辉光放电无法短时间内迅速加热腔体内的气体并喷射出高速气流，完全达不到等离子合成射流的需求，丧失了这种控制方法本身的优势。因此常规按照标准大气压设计的等离子合成射流激励器无法在高空低气压下有效工作，必须按照巡航状态下的大气条件重新设计激励器。
另一方面，在传统的边界层射流控制方法中，射流的出口形式对于射流的气路组织以及流动控制效果也有非常显著的影响。而目前公开发表关于这种新型的利用等离子体进行流动控制方法的文献资料中，其通常都是采用单一圆孔或者单一直缝的形式，这将使得射流的控制范围非常有限，只有在射流出口附近很小的区域可以获得较好的控制效果，因此有必要借鉴传统的边界层射流控制方法，设计出更加高效的射流出口形式。
发明内容
为解决上述问题，本发明以实际飞行器在高空飞行状态下环境压力较低的背景下，提出了一种增强流动控制效果的等离子体合成射流激励器方案。
为达到上述目的，本发明等离子体合成射流激励器可采用如下技术方案：
一种用于高空飞行器的等离子体合成射流激励器，包括激励器本体、阴极放电电极、阳极放电电极，所述激励器本体内设有贯穿该激励器本体两端的通孔，激励器本体的上表面还设有若干与通孔连通的若干放气槽；所述阴极放电电极插入并固定在通孔一端，而阳极放电电极插入并固定在通孔另一端；阴极放电电极、阳极放电电极以及通孔围成放电腔体；所述若干放气槽排列成一排，且放电腔体的长度不小于所述若干放气槽排列成一排后的总长度。
相对于现有技术，本发明等离子体合成射流激励器的有益效果为：将放气槽设置为若干个并且排成一排，能够使放气槽出口的压缩波和射流形态均表现为半椭圆形，具有较大的流场平直均匀区，因此可以有效提高流动的均匀性和动量交换能力；射流出口采用多缝式并且与放电电弧平行布置，更加有利于对气体加热和射流出流，有助利于射流与低速流体的掺混和动量交换，进一步增强控制效果；同时，放气槽的数量和整体长度的增加，将显著拓宽流动控制范围；放电腔体也同时加长至不小于若干放气槽排列成一排后的总长度，这可以有效提高击穿电压和放电能量，并且可以保证在低气压条件下激励器发生稳定可靠的火花放电。本发明尤其针对飞行器通常工作在高空低气压环境下，随着环境气压的下降，电极间击穿电压快速下降，同时伴随着放电能量的急剧减小的情况下仍然能够达到上述效果，从而解决了现有技术中飞行器在高空低气压环境下所产生的问题。
为达到上述目的，本发明等离子体合成射流激励器还可采用如下技术方案：
一种用于高空飞行器的等离子体合成射流激励器，包括激励器本体、阴极放电电极、阳极放电电极，且阴极放电电极和阳极放电电极外接脉冲电源，其特征在于：所述激励器本体内设有贯穿该激励器本体两端的通孔，激励器本体的上表面还设有若干与通孔连通的若干放气槽；所述阴极放电电极插入并固定在通孔一端，而阳极放电电极插入并固定在通孔另一端；阴极放电电极、阳极放电电极以及通孔围成放电腔体；所述若干放气槽排列成且仅排列成唯一的一排，所述阴极放电电极和阳极放电电极之间的放电间距不小于26mm。
相对于现有技术，本发明等离子体合成射流激励器的有益效果为，将放气槽设置为若干个并且仅排列成唯一的一排，能够使放气槽整体出口的压缩波和射流形态均表现为半椭圆形，具有较大的流场平直均匀区，可以有效提高流动的均匀性和动量交换能力；射流出口采用多缝式并且与放电电弧平行布置，更加有利于气体加热和射流出流，有助于射流与低速流体的掺混和动量交换，增强控制效果；同时，对应着放气槽的数量和整体长度的增加至不小于26mm，将显著拓宽流动控制范围；将放电腔体同时加长至不小于若干放气槽排列成一排后的总长度，这可以有效的提高击穿电压和放电能量，并且保证在低气压条件下激励器发生可靠的火花放电。
而该等离子体合成射流激励器的使用方法为，连接在放电腔体两侧的阴极放电电极、阳极放电电极击穿空气放电，使放电腔体中产生火花放电。放电腔体中的高温高压气体从放气槽流出，形成高速射流。
附图说明
图1是本发明的等离子体合成射流激励器内部结构示意图。
图2是本发明的等离子体合成射流激励器俯视图。
图3是本发明的流场结构示意图。
图4是本发明的射流速度特性图。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，为本发明一种用于高空飞行器等离子体合成射流激励器，包括激励器本体1、阴极放电电极3、阳极放电电极4，阴极放电电极3、阳极放电电极4外接高压脉冲电源(未图示)。所述激励器本体1内设有贯穿该激励器本体两端的通孔2。阴极放电电极3与阳极放电电极4的制作材料为钨铜合金。激励器本体1的上表面还设有与通孔连通的若干放气槽5。所述阴极放电电极3插入并固定在通孔2一端，而阳极放电电极4插入并固定在通孔2另一端。阴极放电电极3和阳极放电电极4与通孔2之间采用耐高温硅胶密封，以确保激励器本体1的气密性及可靠连接。阴极放电电极4、阳极放电电极5以及通孔2围成放电腔体。所述若干放气槽5排列成一排，且放电腔体的长度不小于所述若干放气槽5排列成一排后的总长度。放电腔体长度的扩大可以有效的提高击穿电压和放电能量，并且保证在低气压条件下激励器发生可靠的火花放电，而且阴极放电电极3、阳极放电电极4间距增大之后，阴极放电电极3、阳极放电电极4之间的空腔体积增加，被加热的气体质量增加，使得射流持续的时间更长，对于流动控制来说具有重大意义。
所述放气槽5采用直缝形槽，该直缝形槽是与电弧平行设置，且放气槽的缝的长宽比大于10，相邻放气槽间距离不小于2mm。采用多直缝出口，出口的压缩波和射流形态均表现为半椭圆形，具有较大的流场平直均匀区(如图3所示)，因此在扩大流动控制范围的同时，可以有效提高流动的均匀性和动量交换能力。同时，射流出口采用多缝式与放电电弧平行布置，更加有利于气体加热和射流出流，有利于射流与低速流体的掺混和动量交换，增强控制效果。而进一步的，在本实施方式中，所述若干放气槽排列成唯一的一排，才能够最有效的达到出口分布所形成的压缩波和射流形态均表现为半椭圆形的状态。
在本实施方式中，所述阴极放电电极3和阳极放电电极4之间的放电间距不小于26mm。并且，优选的，放电腔体的长度等于所述若干放气槽5排列成一排后的总长度。所述放气槽一共为四个，放气槽长度为5mm。通孔2的直径为2.4mm。
在该等离子体合成射流激励器使用时，所述高压脉冲电源供电电压连续可调，频率可调，其最大供电电压应不小于5KV，最大调制频率应不小于500Hz，保证电极之间是火花放电不是辉光放电。
一个针对上述实施例等离子体合成射流激励器的验证试验结果为：
采用上述实施的等离子体合成射流激励器方案进行低压实验，其流场结构如如图3所示。采用高速纹影设备测量射流流场，由于射流时间演化非常快，在毫秒的量级，因此高速摄影仪的时间间隔设置为10μs(每秒拍摄10万张图像)。从图3中可以看出射流前锋面在中心非常平整，说明射流速度很均匀。从纹影图中还可以对射流速度进行定量测量，约定将每10μs的射流平均速度作为后一时刻的瞬时速度考虑。实验中将激励器上表面长度55mm作为标尺，测量精度精确到1个像素，单像素对应实际长度0.112mm，故测量存在11.2m/s的测量误差。图4给出了多缝式激励器从放电开始到放电60μs之后的速度演化图。在放电开始后10μs，1号出口射流锋面速度达到761m/s(4号出口与1号出口对称，故4号出口射流锋面速度同样可达到761m/s)，2号出口射流锋面速度为620m/s(3号出口与2号出口对称，故3号出口射流锋面速度同样可达到620m/s)，远远高出常规的等离子合成射流激励器的速度100m/s～250m/s(如记载于论文：Sarah H.Popkin，“Experimental Estimation of SparkJetEfficiency”，AIAA Journal；以及Pierrick HARDY，“Plasma Synthetic Jet for flowcontrol”,AIAA-2010-5103；以及F.Laurendeau,“PIV and Electric Characterizationof a Plasma Synthetic Jet Actuator”,AIAA-2015-2465中的数据)，说明本发明的激励器具有较大的初始射流速度，具有极强的动量输入能力。
Claims (10)
1.一种用于高空飞行器的等离子体合成射流激励器，包括激励器本体、阴极放电电极、阳极放电电极，其特征在于：所述激励器本体内设有贯穿该激励器本体两端的通孔，激励器本体的上表面还设有若干与通孔连通的若干放气槽；所述阴极放电电极插入并固定在通孔一端，而阳极放电电极插入并固定在通孔另一端；阴极放电电极、阳极放电电极以及通孔围成放电腔体；所述若干放气槽排列成一排，且放电腔体的长度不小于所述若干放气槽排列成一排后的总长度；所述放气槽采用直缝形槽；若干放气槽的出口共同形成射流出口，该射流出口采用多缝式并且与放电电弧平行布置。
2.根据权利要求1所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于：放气槽的缝的长宽比大于10，相邻放气槽间距离不小于2mm。
3.根据权利要求2所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于：所述放气槽一共为四个，放气槽长度为5mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于：放电腔体的长度等于所述若干放气槽排列成一排后的总长度。
5.根据权利要求4所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于：阴极放电电极和阳极放电电极外接脉冲电源；所述脉冲电源供电电压连续可调，频率可调，脉冲电源最大供电电压不小于5KV，最大调制频率不小于500Hz。
6.根据权利要求1所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于：阴极放电电极与阳极放电电极采用钨铜合金制作。
7.一种用于高空飞行器的等离子体合成射流激励器，其特征在于：包括激励器本体、阴极放电电极、阳极放电电极，且阴极放电电极和阳极放电电极外接脉冲电源，其特征在于：所述激励器本体内设有贯穿该激励器本体两端的通孔，激励器本体的上表面还设有若干与通孔连通的若干放气槽；所述阴极放电电极插入并固定在通孔一端，而阳极放电电极插入并固定在通孔另一端；阴极放电电极、阳极放电电极以及通孔围成放电腔体；所述若干放气槽排列成且仅排列成唯一的一排，所述阴极放电电极和阳极放电电极之间的放电间距不小于26mm，所述放气槽采用直缝形槽；若干放气槽的出口共同形成射流出口，该射流出口采用多缝式并且与放电电弧平行布置。
8.根据权利要求7所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于：所述脉冲电源供电电压连续可调，频率可调，脉冲电源最大供电电压不小于5KV，最大调制频率不小于500Hz。
9.根据权利要求7所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于：放电间距的长度等于所述若干放气槽排列成一排后的总长度。
10.一种如权利要求1至9中任一项等离子体合成射流激励器的使用方法，其特征在于：连接在放电腔体两侧的阴极放电电极、阳极放电电极击穿空气放电，使放电腔体中产生火花放电；放电腔体中的高温高压气体从放气槽流出，形成高速射流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |