CN109618481B - 低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器 - Google Patents

Abstract

本发明是低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器，包括激励器放电腔(4)、激励器缓冲腔(2)、阴极放电电极(6)、阳极放电电极(5)和耐热硅胶。激励器放电腔(4)放置于激励器缓冲腔(2)内，耐热硅胶将阴极放电电极(6)和阳极放电电极(5)固定和密封在激励器放电腔(4)的底部。在放电电极作用下，激励器放电腔(4)内的气体变为高速气体，高速气体通过高速射流孔(3)射出到激励器缓冲腔(2)内，高速气体减速变为低速气体，低速气体通过低速射流孔(1)射出到外界，最终在激励器缓冲腔(2)射出Re不大于10^6的低速气体。本发明结构简单，稳定性好，效率高，体积小。

Description

低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器

技术领域

本发明涉及低雷诺数翼面流动的主动流动控制领域，是一种低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器。

背景技术

典型翼面的流动控制是航空领域的关键问题，其主要目的是解决流动分离引起的飞行器失速，推迟流动分离并且提高临界攻角是其核心任务。未来战场中，由无人机UAV,(unmanned aerial vehicle)主导的趋势日益突显。并且随着特种作战和城市任务持续缩小UAV尺寸的需求，微型飞行器MAV,(micro aerial vehicle)应运而生。

与传统飞行器相比，UAV或MAV一般尺寸较小或迷你，且飞行速度较低，多表现为低雷诺数飞行特性。因而在常规军事飞机大攻角下非常容易出现的流动分离失速现象，会更容易地发生在UAV和MAV上，极大威胁飞行器安全，严重制约其性能。对于低雷诺数飞行器，研究指出小展弦比翼面更有优势，因为其可以产生涡升力、抑制失速、具备高临界攻角。在此基础上，还可以通过流动控制进一步减少阻力、延缓失速、提高飞行器机动性。

主动流动控制领域中，根据不同类型和功能的激励器，可以划分成多个种类，一是常见的射流控制，使用零质量通量ZNMF(zero Net Mass Flux)，合成射流激励器或其它射流激励器。二是使用移动表面类型的边界层流动控制方法。三是等离子体激励器的流动控制方法，近年来由于其固定式、稳健性和快速反应的性质，成为热点研究方向。

等离子体激励器研究中，目前有三种流行等离子体流动控制激励器形式；

1、阻挡介质放电激励器，在1960年，苏联就率先开展了利用DBD放电控制翼型分离的实验研究，在长达30几年的时间内，关DBD气动激励器在流动控制方面的应用研究一直未有较大的进步。直到1998年，美国罗斯教授通过实验证明DBD放电具有流动控制面积大、消耗功率小等多个优点。这一研究迅速引起了流动控制技术相关人员的高度重视，相继开展了较多深入的探索和研究。DBD等离子体气动激励器目前面临的最大的问题是诱导速度低，动量输入能力较弱，在高速流动控制中极其受限，控制能力不强。

2、表面电弧放电激励器主要是指在主流流过的壁面布置放电电极，直接对主流气体放电，提高主流局部气体的温度。局部气流温度的剧烈升高导致壁面处出现热壅塞，继而出现热鼓包。热鼓包使流经的边界层气流经历一个弱压缩过程，从而达到控制激波形状和流动分离的目的。这种激励器的流动控制能力较强，能量注入较多，多用在激波形状控制、激波边界层干扰控制、超声速流动分离控制等应用场。另一方面，由于产生的高温等离子体不断被气流吹向下游，造成放电不稳定，当地电弧放电激励器的电极烧蚀严重，且形成的电弧易被来流吹灭，电能消耗大。

3、等离子体合成射流激励器(PSJA)是受主动控制的合成射流技术启发形成的一种新方法。该技术方法由美国科学家于2003年创新性地提出，相较其余两种等离子体激励器形式，具有放电稳定、射流速度大、控制能力强、电极寿命长、工作频率可调等优点，成为目前在主动流动控制技术领域的重点关注对象。目前，国内外对等离子体合成射流激励器的效率、射流孔形状对控制效果的影响、放电频率等做了大量研究。其激励器全为高速射流激励器，在低雷诺数条件下无法使用，严重制约离子体合成射流激励器在微飞行器的应用。

对比上述两种激励器，此类激励器最具潜力在多种飞行器翼面上加以应用。但现有等离子体合成射流激励器射流速度较高，在低雷诺数条件下难以使用，制约了等离子体合成射流激励器在低雷诺数翼面流动控制领域中的应用。

因此，低雷诺数飞行流动控制领域，亟需一种适用于低雷诺条件下的等离子体合成射流激励器，该激励器应具有传统等离子体合成射流激励器放电稳定、控制能力强、电极寿命长、工作频率可调等优点，并且其出流气体Re应不大于10^6，以解决目前等离子体合成射流激励器在低雷诺数条件下应用的难题。

发明内容

本发明为解决等离子体合成射流激励器在低雷诺数条件下应用的难题，提供了一种低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器及其控制方法，本发明提出了以下技术方案：

一种低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器，包括激励器放电腔4、激励器缓冲腔2、阴极放电电极6、阳极放电电极5和耐热硅胶，激励器放电腔4放置于激励器缓冲腔2内；

激励器放电腔4为空心圆柱体，激励器缓冲腔2为空心柱体或者横截面为多边形几何截面的空心柱体，激励器放电腔4与激励器缓冲腔2的间隔板上设有四个环形阵列分布的高速射流孔3，激励器缓冲腔2上壁设有三个环形阵列分布的低速射流孔1或者缝开口。

优选地，所述激励器放电腔4的底部分别插入阴极放电电极6和阳极放电电极5，采用耐热硅胶将阴极放电电极6和阳极放电电极5固定和密封，所述激励器放电腔4的体壁和耐热硅胶均为绝缘材质。

一种低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器工作方法，包括以下步骤：

步骤一：激励器放电腔4内的气体在阴极放电电极6和阳极放电电极5放电作用下加热，使得激励器放电腔4内的气体变为高压气体；

步骤二：所述高压气体通过高速射流孔3射出到激励器缓冲腔2内，高速射流得到减速变为低速气体；

步骤三：所述低速气体通过低速射流孔1射出到外界；

步骤四：一次放电结束后，外界气体通过低速射流孔1和高速射流孔3进入激励器使得激励器内部气体参数恢复至放电前，一个工作循环结束。

优选地，通过改变激励器缓冲腔2的形状、尺寸和内部导流结构，以及低速射流孔1的形状和尺寸调节射出到外界的低速气体的气体速度和射流方向。

优选地，低速射流孔1射出孔口特征尺度下Re不大于10^6的低速射流。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明结构简单，稳定性好，效率高，使用小体积放电腔保证了效率。为达到低速出流，未使用依靠沿程及局部损失减速，而是使用激励器缓冲腔2，激励器放电腔4中高速气体与之混合，达到降速目的，此做法也保证了效率。

2、体积小，控制范围大，控制能力强，可工作频率高。激励器整体占用空间小，可安装在小型装置上。由于激励器缓冲腔2结构提高了控制面积。此激励器可使用高频电源，放电频率也可进行调节。圆柱形的激励器放电腔4与激励器缓冲腔2配合，产生低流速气体，降低气体流速的同时保证了主动控制的高频性，射流流量可以通过改变放电电压及孔径大小调整。

3、本发明可应用范围大。保留了等离子体合成射流激励器控制频率高的优点，将传统等离子体合成射流激励器速度高特点进行了改进，使其速度降低60％以上，可适用于低雷诺数条件，根据具体应用条件可以改变电参数及几何参数调节速度，使得其可应用范围大大增加。本发明最终在激励器缓冲腔2出流的射流孔得到Re不大于10^6的射流出口速度的低速气体。

附图说明

图1是低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器剖视图。

图2是低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器的系统原理图。

图3是图1中A-A位置剖视图。

图4是低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器缓冲腔2的俯视图。

图5是低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器内部速度场CFD模拟云图。

图中：1-低速射流孔，2-激励器缓冲腔，3-高速射流孔，4-激励器放电腔，5-阳极放电电极，6-阴极放电电极。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1所示，一种低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器，包括激励器放电腔4、激励器缓冲腔2、阴极放电电极6、阳极放电电极5和耐热硅胶，激励器放电腔4放置于激励器缓冲腔2内；

激励器放电腔4为空心圆柱体，激励器缓冲腔2为空心柱体或者横截面为多边形几何截面的空心柱体，激励器放电腔4与激励器缓冲腔2的间隔板上设有阵列分布的高速射流孔3，激励器缓冲腔2上壁设有低速射流孔1或者缝开口。

激励器放电腔4体壁和耐热硅胶均为绝缘材质，激励器放电腔4内接入所述放电电极，放电过程在该放腔体内完成，激励器放电腔4上壁开有出流孔，其数量和直径可根据具体应用环境设置，利用该射流孔产生高速射流。

设置与所述激励器放电腔4相连的缓冲腔，用于调节和控制放电腔射流得到的高速气体，最终在缓冲腔出流的射流孔得到Re不大于10^6的射流出口速度。所设置缓冲腔可以增大实际控制面积，还可以增加调节分配出流的结构或部件。

激励器缓冲腔2上半部增加了直径以增加激励器控制的面积，并可根据具体应用环境设置其几何结构。如图3和图4所示，所述激励器放电腔4与激励器缓冲腔2间隔板上有四个环形阵列遍布的的通孔，其数量和直径可根据具体应用环境设置，激励器放电腔4通过通孔释放高速气体到激励器缓冲腔2进行混合达到降速效果。所述激励器缓冲腔2上壁有三个环形阵列通孔，其数量和直径可根据具体应用环境设置，激励器缓冲腔2通过通孔释放低速气体到外界达到主动流动控制效果。

具体实施例二：

根据图2所示，所述低雷诺数等离子体合成射流激励器的工作原理是：放电腔气体在阴极放电电极6和阳极放电电极5的放电作用下加热，使得放电腔内气体变为高压状态，高速气体从高速射流孔3射出到激励器缓冲腔2，在激励器缓冲腔2中高速气体得到减速变为低速气体，然后气体从低速射流孔1射出，激励器缓冲腔2形状和尺寸和内部导流结构以及低速射流孔1形状和尺寸等结构特征决定射流到外界的气体速度，射流到外界的气流与外界气体进行动量交换，达到主动控制效果。激励器缓冲腔2除空心柱体外，还可以是横截面为多边形几何截面的柱体，其中，所述横截面为多边形几何截面的柱体是指矩形柱、五边形柱体、六边形柱体或八边形柱体等。

所述低雷诺数合成射流激励器的阴极放电电极6和阳极放电电极5由可调频电源供电未在图中显示，一次放电结束，外界气体由低速射流孔1和高速射流孔3进入激励器使得激励器内部气体参数恢复至放电前，一个工作循环结束。如图5所示，可看出低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器内部速度场CFD模拟云图。

在缓冲腔有孔或缝，用于生成低速射流或吸气，射流流量可以通过改变放电电压及孔径大小调整，放电及喷气结束后激励器进入恢复阶段，激励器在恢复阶段吸入外界气体和缓冲腔气体中和，以完成一个放电周期。

一种低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器工作方法，包括以下步骤：

步骤一：激励器放电腔4内的气体在阴极放电电极6和阳极放电电极5放电作用下加热，使得激励器放电腔4内的气体变为高压气体；

步骤二：所述高压气体通过高速射流孔3射出到激励器缓冲腔2内，高速射流得到减速变为低速气体；

步骤三：所述低速气体通过低速射流孔1射出到外界；

步骤四：一次放电结束后，外界气体通过低速射流孔1和高速射流孔3进入激励器使得激励器内部气体参数恢复至放电前，一个工作循环结束。

以上所述仅是低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器的优选实施方式，低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器，其特征是：包括激励器放电腔(4)、激励器缓冲腔(2)、阴极放电电极(6)、阳极放电电极(5)和耐热硅胶，激励器放电腔(4)放置于激励器缓冲腔(2)内；

激励器放电腔(4)为空心圆柱体，激励器缓冲腔(2)为空心柱体或者横截面为多边形几何截面的空心柱体，激励器放电腔(4)与激励器缓冲腔(2)的间隔板上设有四个环形阵列分布的高速射流孔(3)，激励器缓冲腔(2)上壁设有三个环形阵列分布的低速射流孔(1)或者缝开口；

所述激励器放电腔(4)的底部分别插入阴极放电电极(6)和阳极放电电极(5)，采用耐热硅胶将阴极放电电极(6)和阳极放电电极(5)固定和密封，所述激励器放电腔(4)的体壁和耐热硅胶均为绝缘材质。

2.一种如权利要求1所述的低雷诺数条件的等离子体合成射流激励器工作方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一：激励器放电腔(4)内的气体在阴极放电电极(6)和阳极放电电极(5)放电作用下加热，使得激励器放电腔(4)内的气体变为高压气体；

步骤二：所述高压气体通过高速射流孔(3)射出到激励器缓冲腔(2)内，高速射流得到减速变为低速气体；

步骤三：所述低速气体通过低速射流孔(1)射出到外界；

步骤四：一次放电结束后，外界气体通过低速射流孔(1)和高速射流孔(3)进入激励器使得激励器内部气体参数恢复至放电前，一个工作循环结束。

3.根据权利要求2所述的工作方法，其特征是：通过改变激励器缓冲腔(2)的形状、尺寸和内部导流结构，以及低速射流孔(1)的形状和尺寸调节射出到外界的低速气体的气体速度和射流方向。

4.根据权利要求2所述的工作方法，其特征是：低速射流孔(1)射出孔口特征尺度下Re不大于10^6的低速射流。

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