CN109184951B - 隔离段横向支板磁控放电装置及其对隔离段流动控制方法 - Google Patents

隔离段横向支板磁控放电装置及其对隔离段流动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的隔离段横向支板磁控放电装置，包括横向支板、放电电极及永磁体；横向支板两侧固定在隔离段两端的侧板上，在横向支板的下表面及隔离段底板的上表面沿流向均布置有成对的放电电极；永磁体设置在隔离段底板内部，永磁体安装在隔离段底板内部的放电电极的下方。本发明装置的控制方法首先，通过数值模拟，预估进气道底板附近的低能流动区域的厚度，以该厚度为隔离段横向支板的前缘安装高度，在隔离段安装横向支板，横向支板两侧固定在隔离段两端的侧板上，然后在横向支板内部和底板内部沿流向布置成对的放电电极，在底板内部，放电电极的下方安装永磁体，最后，磁控装置在燃烧室点火以后开始工作。

Description

隔离段横向支板磁控放电装置及其对隔离段流动控制方法
技术领域
本发明属于超燃冲压发动机隔离段性能优化和等离子体流动控制技术领域，具体涉及一种隔离段横向支板磁控放电装置，本发明还涉及该种隔离段横向支板磁控放电装置提升超燃冲压发动机隔离段抗反压性能流动的控制方法。
背景技术
隔离段是超燃冲压发动机的重要组成部分，它位于高超声速进气道与燃烧室之间，主要功能是作为它们之间的气动和压力缓冲段，容纳燃烧室工作时在进气道内产生的预燃激波，将进气道出口的高速低压气流与燃烧室入口的低速高压环境匹配起来。当燃烧室反压上升时压力前传直至影响到内收缩段的流场将导致进气道的不启动，有边界层条件下燃烧室反压极易对进气道工作造成影响，因此，隔离段抗反压性能是该部件的关键性能，根据隔离段的在反压前传过程中的流动机理，对其进行有针对性的流动控制，提升隔离段抗反压性能，具有重要的理论和工程研究价值。
随着流动控制技术逐步成为研究热点，更多的主/被动的流动控制方法应用到隔离段的设计与性能优化上来，目的是通过较为简单的方式获得隔离段性能的提升。目前主要的控制技术一般是在隔离段中设置边界层抽吸槽和针对其安装位置、抽吸反压、抽吸构型进行优化，来控制隔离段内的激波/边界层干扰，对角区的低能流动进行抽吸能有效地稳定激波串位置，缩短激波串的前传距离，从而改善隔离段的抗反压性能，但抽吸也将带来一定的流量损失。斜坡漩涡生成器也被用于优化隔离段抗反压性能，该方式虽然在高来流马赫数下能有效的提高隔离段的抗反压能力，但是在低马赫数下可能会造成性能的恶化，而且斜坡漩涡发生器对隔离段内流动均匀性、总压恢复能力也将带来一定的影响。从目前的研究现状来看，应用于隔离段的流动控制手段还比较少，并且都存在一定的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隔离段横向支板磁控放电装置，能够利用等离子体在磁场中受到的洛伦兹力，在整个隔离段长度范围内对低能流动区域进行加速、补能，使其在隔离段出口区域与主流重新汇聚、掺混，形成高品质、高抗反压性能的隔离段出口流动。
本发明的另一个目的是提供一种隔离段横向支板磁控放电装置对隔离段流动控制方法，解决了现有隔离段流动控制方法中存在的流量损失、流场均匀度下降、总压恢复性能下降的问题。
本发明所采用的技术方案是：隔离段横向支板磁控放电装置，包括横向支板、放电电极及永磁体；横向支板两侧固定在隔离段两端的侧板上，在横向支板的下表面及隔离段底板的上表面沿流向均布置有成对的放电电极；永磁体设置在隔离段底板内部，永磁体安装在隔离段底板上表面的放电电极的下方。
本发明的特点还在于：
横向支板上表面与隔离段中来流方向平行，横向支板下表面的一端设有尖前缘，后转为与隔离段下表面平行，最后在横向支板的另一端同样以尖后缘与横向支板的上表面相交。
放电电极的端面与横向支板的下表面及隔离段底板的上表面贴合平齐。
永磁体所产生的磁场强度为0.8T到1.0T。
成对的放电电极之间的高压击穿电压15000V到20000V，低压维持电压5000V到6000V。
本发明所采用的另一个技术方案是：
采用上述的隔离段横向支板磁控放电装置，具体步骤如下：
步骤1，通过数值模拟，预估进气道底板附近的低能流动区域的厚度，以该厚度为隔离段内部横向支板的前缘安装高度，在隔离段安装横向支板，将横向支板两侧固定在隔离段两端的侧板上；
步骤2，在横向支板的下表面及隔离段底板的上表面沿流向均布置成对的放电电极，使放电电极的电极端面与横向支板下表面和隔离段底板的上表面贴合平齐，在隔离段底板内部设置的放电电极的下方安装永磁体，使磁感线能垂直且顺利穿透整个下部流道；
步骤3，隔离段横向支板磁控放电装置在燃烧室点火以后开始工作，使永磁体所产生的磁场强度0.8T到1.0T，成对的放电电极之间的高压击穿电压15000V到20000V，低压维持电压5000V到6000V，在下部流道不断产生等离子体。
本发明的特点还在于：
步骤1中，横向支板上表面与隔离段中来流方向平行，横向支板下表面的一端设有尖前缘，后转为与隔离段下表面平行，最后在横向支板的另一端同样以尖后缘与横向支板的上表面相交。
本发明的有益效果是：
(1)针对影响隔离段抗反压性能的关键因素——隔离段低能流动区域，设计横向支板放电装置，进行针对性流动控制，从流动机理出发进行结构设计，不仅控制效率高，而且对主流区影响很小，不会引入其他变量，结构设计也简单可行，易于实现。
(2)低能流动区域相对于主流区流速较低、厚度较薄，非常符合磁控放电流动控制的适用条件，有益于充分发挥其流动控制效能。
(3)在整个隔离段长度范围内对低能流动区域进行加速、补能，使其在隔离段出口区域与主流重新汇聚、掺混，形成高品质、高抗反压性能的隔离段出口流动，不仅不会带来任何流量损失，而且将在改善隔离段抗反压性能的前提下，同时提升总压恢复性能。
附图说明
图1是本发明中高超声速进气道与隔离段横向支板安装示意图；
图2是本发明中隔离段横向支板磁控放电装置的安装示意图。
图中，1.横向支板，2.放电电极，3.永磁体，4.隔离段，4-1.隔离段底板，4-2.隔离段出口，5.进气道。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种隔离段横向支板磁控放电装置，如图1-2所示，包括横向支板1、放电电极2及永磁体3；横向支板1两侧固定在隔离段4两端的侧板上，在横向支板1的下表面及隔离段底板4-1的上表面沿流向均布置有成对的放电电极2；永磁体3设置在隔离段底板4-1内部，永磁体3安装在隔离段底板4-1上表面的放电电极2的下方。
横向支板1上表面与隔离段4中来流方向平行，横向支板1下表面的一端设有尖前缘，后转为与隔离段4下表面平行，最后在横向支板1的另一端同样以尖后缘与横向支板1的上表面相交。
放电电极2的端面与横向支板1的下表面及隔离段底板4-1的上表面贴合平齐。
永磁体3所产生的磁场强度为0.8T到1.0T。
成对的放电电极2之间的高压击穿电压15000V到20000V，低压维持电压5000V到6000V。
本发明还提供了应用上述隔离段横向支板磁控放电装置提升超燃冲压发动机隔离段抗反压性能流动的控制方法，具体步骤如下：
步骤1，通过数值模拟，预估进气道5底板附近的低能流动区域的厚度，以该厚度为隔离段4内部横向支板1的前缘安装高度，以便横向支板1隔开的下部流道能捕获大部分来自于进气道5出口的低能流动，有针对性地进行放电产生等离子体与磁控加速；
如图1所示，在隔离段4安装横向支板1，将横向支板1两侧固定在隔离段4两端的侧板上，为了减少对主流区的影响，横向支板1上表面与来流方向平行，横向支板1的下表面保留一定长度的尖前缘，后转为与隔离段4下表面平行，最后在尾部同样以一定长度的尖后缘与横向支板1的水平上表面相交。这样设计的目的是为了使横向支板1下部流道的流动经过加速后，能顺利与横向支板1上部主流区流动重新汇合。
步骤2，如图2所示，在横向支板1的下表面及隔离段底板4-1的上表面沿流向均布置成对的放电电极2，使放电电极2的电极端面与横向支板1下表面和隔离段底板4-1的上表面贴合平齐，对流动不产生额外的干扰和影响，在隔离段底板4-1内部设置的放电电极2的下方安装永磁体3，使磁感线能垂直且顺利穿透整个下部流道；
步骤3，隔离段横向支板磁控放电装置在燃烧室点火以后开始工作，使永磁体3所产生的磁场强度为0.8T-1.0T，成对的放电电极2之间的高压击穿电压15000V到20000V，低压维持电压5000V到6000V，保证能持续作用于下部流道不断产生等离子体。来自于进气道5出口的低能流动区域进入横向支板1下部流道后，通过电弧放电电离不断持续产生等离子体，等离子体在磁场受到沿流向的洛伦兹力作用的不断加速，实质上是低能流动区域通过磁控加速方式补充能量以后，在横向支板的后缘位置与主流区重新汇合，最终在隔离段出口4-2提供抗反压能力好、总压恢复高的高品质流动。
本发明的优点是：
由于燃烧室高反压主要是通过隔离段的亚声速低能流动区域向前传播的，因此本发明采用隔离段横向支板磁控放电装置这一设计，类似于涡扇发动机的外涵道思路，将隔离段低能流动区域与主流区隔开，对其进行针对性流动控制，真正从高反压前传的流动机理角度出发提升隔离段抗反压性能。低能流动区域，具有流速低，厚度相对主流区薄等特点，非常适合采用高压电弧放电产生等离子体与低压维持等离子体持续存在的流动控制方式，利用等离子体在磁场中受到的洛伦兹力，在整个隔离段长度范围内对低能流动区域进行加速、补能，使其在隔离段出口区域与主流重新汇聚、掺混，形成高品质、高抗反压性能的隔离段出口流动。这种流动控制方式，不仅不会带来任何流量损失，而且将在改善隔离段抗反压性能的前提下，同时提升总压恢复性能。

Claims (7)

1.隔离段横向支板磁控放电装置，其特征在于，包括横向支板(1)、放电电极(2)及永磁体(3)；所述横向支板(1)两侧固定在隔离段(4)两端的侧板上，在所述横向支板(1)的下表面及隔离段底板(4-1)的上表面沿流向均布置有成对的放电电极(2)；所述永磁体(3)设置在隔离段底板(4-1)内部，所述永磁体(3)安装在隔离段底板(4-1)上表面的放电电极(2)的下方。
2.如权利要求1所述的隔离段横向支板磁控放电装置，其特征在于，所述横向支板(1)上表面与隔离段(4)中来流方向平行，横向支板(1)下表面的一端设有尖前缘，后转为与隔离段(4)下表面平行，最后在横向支板(1)的另一端同样以尖后缘与横向支板(1)的上表面相交。
3.如权利要求1所述的隔离段横向支板磁控放电装置，其特征在于，所述放电电极(2)的端面与横向支板(1)的下表面及隔离段底板(4-1)的上表面贴合平齐。
4.如权利要求1所述的隔离段横向支板磁控放电装置，其特征在于，所述永磁体(3)所产生的磁场强度为0.8T到1.0T。
5.如权利要求1所述的隔离段横向支板磁控放电装置，其特征在于，成对的所述放电电极(2)之间的高压击穿电压15000 V到20000V，低压维持电压5000V到6000V。
6.隔离段横向支板磁控放电装置对隔离段流动的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的隔离段横向支板磁控放电装置，具体步骤如下：
步骤1，通过数值模拟，预估进气道(5)底板附近的低能流动区域的厚度，以该厚度为隔离段(4)内部横向支板(1)的前缘安装高度，在隔离段(4)安装横向支板(1)，将横向支板(1)两侧固定在隔离段(4)两端的侧板上；
步骤2，在所述横向支板(1)的下表面及隔离段底板(4-1)的上表面沿流向均布置成对的放电电极(2)，使放电电极(2)的电极端面与横向支板(1)下表面和隔离段底板(4-1)的上表面贴合平齐，在隔离段底板(4-1)上表面设置的放电电极(2)的下方安装永磁体(3)，使磁感线能垂直且顺利穿透整个由横向支板(1)隔开的下部流道；
步骤3，隔离段横向支板磁控放电装置在燃烧室点火以后开始工作，使永磁体(3)所产生的磁场强度为0.8T到1.0T，成对的放电电极(2)之间的高压击穿电压15000 V到20000V，低压维持电压5000V到6000V，在下部流道不断产生等离子体。
7.如权利要求6所述的隔离段横向支板磁控放电装置对隔离段流动的控制方法，其特征在于，步骤1中，所述横向支板(1)上表面与隔离段(4)中来流方向平行，横向支板(1)下表面的一端设有尖前缘，后转为与隔离段(4)下表面平行，最后在横向支板(1)的另一端同样以尖后缘与横向支板(1)的上表面相交。
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