CN109296473A - 一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，具体为：步骤1，首先通过数值模拟找到该高超声速进气道在加速启动过程中大规模分离区的稳定自持位置；步骤2，找到了分离区的稳定自持位置以后，在进气道上壁面安置好永磁体和成对的放电电极，安置位置要满足使得永磁体与成对的放电电极电弧放电生成形成的等离子体在磁场的洛伦兹力作用下形成的回流区产生的分离激波入射到大规模分离区的迎风面从下到上1/3到2/3的位置处；当分离激波入射到大规模分离区的迎风面时，进气道进入启动状态。本方法解决了现有辅助启动控制技术中存在的变几何结构复杂、抽吸和放气流量损失大、加速提高来流马赫数困难的问题。

Description

一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法
技术领域
本发明属于高超声速进气道启动和等离子体流动控制技术领域，具体涉及一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法。
背景技术
超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器的理想动力装置，具有巨大的军事应用价值和前景。它利用自身独特的高超声速进气道对来流进行压缩。而高超声速进气道只有在启动状态，才能正常为燃烧室提供稳定、足量、增压比和总压恢复系数都达到设计要求的压缩气流，超燃冲压发动机才能按照设计要求正常工作。处于启动状态意味着高超声速进气道内部建立了正常的激波/压缩波系，形成了超声速通流，进气道内的流动状态不再影响进气道的流量捕获能力，进气道处于稳定工作状态。相反，不启动状态的内部流场并未形成超声速通流，激波/压缩波系也极不稳定，这是一种严重偏离设计的工作状态，因此，在进行进气道设计时必须首先考虑的是启动性能，难以正常启动的进气道，其他性能都无从谈起。因此，高超声速进气道的启动问题，目前是高超声速进气道研究领域的重点和难点。
研究表明，无论进气道的构型如何，处于不启动状态的共同特征，是内收缩段入口附近会出现大规模的流动分离。这种大规模流动分离区的存在，一方面在内收缩段入口通过分离激波使流动提前转向，形成大量分离溢流，造成进气道捕获流量下降；另一方面严重影响了内收缩段内的流场结构，形成了大范围的亚声速流动，使内收缩段内的静压维持在较高的水平。
对于进气道启动而言，普遍认为来流马赫数和内收缩比是两个最主要的影响因素，且存在两个重要临界自启动的收缩比，即等熵压缩极限和Kantrowitz限制。式1.1给出了等熵压缩极限关系式，其中Ai为收缩管道的入口面积，A*为喉部面积，Ma∞为入口来流马赫数，比热容比指的是定压比热Cp与定容比热Cv之比，通常用符号γ表示，即γ＝Cp/Cv，是描述气体热力学性质的一个重要参数，γ是理想气体的比热容比，γ＝1.4。它表示收缩管道喉部出现壅塞这一临界状态马赫数与收缩比的关系，它的物理意义是在某一马赫数下进气道喉部不发生壅塞能达到的最大收缩比，同时也是在某一收缩比下进气道喉部不发生壅塞必须达到的最小马赫数。式1.2给出了Kantrowitz极限关系式，它表示进气道入口存在一道正激波这一临界启动状态马赫数与收缩比的关系，它的物理意义是在某一马赫数下入口正激波一定能被吞入的最大收缩比，同时也是在某一收缩比下入口正激波一定能被吞入的最小马赫数。
启动高超声速进气道，一般都围绕这两个因素展开，一是通过增加来流马赫数，二是通过各种手段减小实际内收缩比。具体的方法有通过火箭加速高超声速飞行器使之获得使进气道启动的初速度，以及变几何、抽吸、放气等。其中通过加速辅助启动不仅受到母机和火箭的作用能力和时间限制，而且将迟滞吸气式超燃冲压发动机的启动时间，降低其工作效率；抽吸和放气将带来一定的流量损失；变几何需要设计复杂的壁面作动机构，增加额外的结构重量。需要特别指出的是，在真实粘性流动条件下，进气道处于低马赫数不启动状态时入口附近都存在大规模流动分离区，在某些特定构型的进气道中，大规模流动分离区随着来流马赫数的增加不断变大，并一直稳定存在，这些构型的进气道通过加速是无法启动的。综上所述，上述的每一种辅助启动控制方法，都存在较大的缺陷和局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，解决了现有辅助启动控制技术中存在的变几何结构复杂、抽吸和放气流量损失大、加速提高来流马赫数困难的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，具体步骤如下：
步骤1，首先通过数值模拟找到该高超声速进气道在加速启动过程中大规模分离区的稳定自持位置；
步骤2，找到了分离区的稳定自持位置以后，在进气道上壁面安置好永磁体和成对的放电电极，安置位置要满足使得永磁体与成对的放电电极电弧放电生成形成的等离子体在磁场的洛伦兹力作用下形成的回流区产生的激波b入射到大规模分离区的迎风面从下到上1/3到2/3的位置处；当激波b入射到大规模分离区的迎风面时，将大大削弱激波a的强度，使其降低到大规模分离区维持自身存在的临界值以下，大规模分离区失稳、后退、消失，进气道进入启动状态。
本发明的特点还在于：
步骤2中，永磁体所产生的磁场强度为0.8T到1.0T。
步骤2中，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。
步骤2中，永磁体位于放电电极的正上方。
步骤2中，放电电极的端面与进气道上壁面平齐。
步骤2中，永磁体的磁感线方向垂直于进气道上壁面。
本发明的有益效果是：用等离子体高压脉冲激励放电辅助进气道启动具有独特的优势，
(1)进气道启动的突变性质与脉冲放电激励特性刚好吻合，放电仅需作用毫秒量级即可关闭，启动进气道成功后放电即可退出，接近瞬间作用，使进气道进入启动状态，能量需求小，响应迅速，一次启动不成功可重复进行，且无需稳定持续放电。
(2)无需改变内收缩比即可在低马赫数实现启动，无需增加任何变几何机构和结构重量，也没有任何流量损失，可大大增加高超声速飞行器的飞行距离，提高超燃冲压发动机推力，可为进气道提供宽马赫数的工作能力。
(3)脱离了改变来流马赫数和内收缩比两个无量纲参数来辅助启动的局限，真正从流场结构的角度，找到了实现启动的关键，即破坏大规模分离区的自持稳定。在不改变来流马赫数和内收缩比的前提下，通过在特定壁面区域进行脉冲放电，产生等离子体，等离子体在磁场作用中受到逆来流方向的洛伦兹力，短暂形成虚拟气动壁面，从而改变内收缩段压缩分布规律，来促使大规模分离区瞬间失稳，从而启动进气道。
附图说明
图1是高超声速进气道不启动状态典型的流场结构示意图；
图2是本发明一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法的辅助启动原理示意图；
图3是本发明一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法中使用的永磁体与放电电极安装位置的局部放大图；
图4是本发明一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法中使用的永磁体与放电电极电弧放电生成等离子体的示意图。
图中，1.激波a，2.激波b，3.永磁体，4.放电电极，5.等离子体。
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。
本发明提供了一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，如图1-4所示，具体步骤如下：
步骤1，首先通过数值模拟找到该高超声速进气道在加速启动过程中大规模分离区的稳定自持位置，即随着马赫数的继续增加，该分离区通过自身的分离激波在上壁面的激波a1维持自身稳定存在，没有后退消失的迹象，反而不断加强，分离区的存在和自我维持，就是该进气道在当前马赫数下不启动的关键原因，实际上，在该马赫数下，几何喉部的流通能力按照Kantrowiz限制公式已经完全满足了启动的要求；
步骤2，找到了分离区的稳定自持位置以后，辅助启动的目的就转化为通过使分离区失去稳定，被高速来流吹走，使进气道形成超声速通流。如图2所示，在进气道上壁面安置好永磁体3和成对的放电电极4，永磁体3位于放电电极4的正上方，安置位置要满足使得永磁体3与成对的放电电极4电弧放电生成形成的等离子体5在磁场的洛伦兹力作用下形成的回流区产生的激波b2入射到大规模分离区的迎风面从下到上1/3到2/3的位置处；如图2所示，当激波b2入射到大规模分离区的迎风面时，将大大削弱激波a1的强度，使其降低到大规模分离区维持自身存在的临界值以下，大规模分离区失稳、后退、消失，进气道进入启动状态；
其中，激波a1为大规模分离区的分离激波在上壁面的反射激波，激波b2为由永磁体3与成对的放电电极4电弧放电生成形成的等离子体5在磁场的洛伦兹力作用下形成的回流区产生的分离激波。
如图3-4所示，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4之间高压击穿电压15000V到20000V，低压维持电压5000V到6000V，放电电极4的端面保持与进气道上壁面平齐，使整个上壁面为光滑壁面，不增加额外的流动影响因素。永磁体3的磁感线方向垂直于进气道上壁面，使得电弧放电形成的等离子体5能在磁场作用下形成小型的回流区，从而产生辅助启动控制所需的激波b2。

Claims (6)

1.一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，首先通过数值模拟找到该高超声速进气道在加速启动过程中大规模分离区的稳定自持位置；
步骤2，找到了分离区的稳定自持位置以后，在进气道上壁面安置好永磁体和成对的放电电极，安置位置要满足使得永磁体与成对的放电电极电弧放电生成形成的等离子体在磁场的洛伦兹力作用下形成的回流区产生的激波b入射到大规模分离区的迎风面从下到上1/3到2/3的位置处；当激波b入射到大规模分离区的迎风面时，将大大削弱激波a的强度，使其降低到大规模分离区维持自身存在的临界值以下，大规模分离区失稳、后退、消失，进气道进入启动状态。
2.如权利要求1所述的一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，其特征在于，步骤2中，所述永磁体所产生的磁场强度为0.8T到1.0T。
3.如权利要求1所述的一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，其特征在于，步骤2中，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。
4.如权利要求1所述的一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，其特征在于，步骤2中，所述永磁体位于放电电极的正上方。
5.如权利要求1所述的一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，其特征在于，步骤2中，所述放电电极的端面与进气道上壁面平齐。
6.如权利要求1所述的一种磁控脉冲放电高超进气道辅助启动流动控制方法，其特征在于，步骤2中，所述永磁体的磁感线方向垂直于进气道上壁面。
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