CN110131072B - 组合式等离子体流动控制装置及其调控进气道激波/附面层干扰流动分离的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种组合式等离子体流动控制电路系统，包括进气道简化模型(3)，激波发生器(4)，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)，脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)，圆柱形垂直通孔(5)，脉冲电源(6)。还提供一种组合式等离子体激励调控进气道激波/附面层干扰流动分离的方法。通过组合式等离子体激励控制装置，一方面利用流向阵列式高频小能量脉冲电弧等离子体冲击波激励，实现对进气道入射激波的持续扰动，从而削弱激波强度；一方面利用表面介质阻挡放电等离子体冲击波激励诱导展向旋涡结构，促进边界层转捩，从而提高抑制流动分离的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体主动流动控制技术，具体涉及一种调控进气道激波/附面层干扰流动分离的方法及相应的组合式等离子体激励器。
背景技术
涡轮冲压组合动力是近空间高速飞行器发展的核心技术。新一代涡轮冲压组合动力工作速度范围宽广(0-4.5Ma)，涡轮与冲压工作模态往复切换，给宽速域、低损失、弱畸变进气道气动设计带来很大挑战。进气道在非设计状态条件下容易产生复杂的三维激波/附面层干扰问题，由激波强逆压梯度诱导的流动分离，会导致进气道总压损失与流场畸变，总压损失直接影响发动机推力，流场畸变则会向下游传播，严重时导致燃烧室局部发生边区燃烧。所以，有效调控进气道激波/附面层干扰流动分离是发展涡轮冲压组合动力的重大需求。目前，响应快、强度大、频带宽的等离子体流动控制技术，是激波/附面层干扰流动控制领域的重要发展方向。等离子体激励同时具有热效应、冲击效应、物性改变和频率耦合等多种控制机理，是调控激波/附面层干扰流动分离的有效途径。
抑制由激波/附面层干扰诱导的流动分离，一方面可以通过削弱进气道入射激波强度，减小激波前后的强逆压梯度，进而调控激波后的分离泡大小；一方面可以在进气道上游边界层施加扰动，促进上游边界层掺混，使边界层发展为完全湍流，提高边界层抑制流动分离的能力。目前，流向阵列式高频小能量脉冲电弧等离子体冲击波激励可有效减弱激波强度，通过流向阵列式激励的接力作用，可将原来的一道强斜激波转变为流向弱压缩波阵面，使激波强度大大减弱；而表面介质阻挡放电等离子体冲击波激励可以诱导展向旋涡结构，促使分离剪切层失稳以及附面层掺混，通过周期性旋涡的形成、脱落实现对边界层的促湍。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种组合式等离子体流动控制装置，其特征在于，包括进气道简化模型3，激波发生器4，脉冲电弧放电等离子体激励器1，表面介质阻挡放电等离子体激励器2，圆柱形垂直通孔5；其中
进气道简化模型3为中空长方体形壳体，内部开有长方体通孔，用来模拟二维进气道构形，气流从左入口进，从右出口出，进气道简化模型3采用绝缘材料制成；
激波发生器4为三棱柱体斜坡，通过螺栓固定于进气道简化模型3上壁面的内表面，用来模拟产生在来流条件下进气道进口产生的入射斜激波；激波发生器4采用绝缘材料制成；
激波发生器4前方的进气道上壁面加工有圆柱形垂直通孔5，具体个数根据需要确定，用于安装脉冲电弧放电等离子体激励器1；圆柱形垂直通孔5沿流向阵列排布，流向间距相等；
脉冲电弧放电等离子体激励器1的形状为圆柱形，主体采用绝缘介质材料制作，直径略小于圆柱形垂直通孔5直径以便于放入，脉冲电弧放电等离子体激励器1的正、负两个放电电极贯穿绝缘介质圆柱并置于其中，正、负两个放电电极在绝缘介质圆柱中对称放置且彼此平行，正、负两个放电电极下端与绝缘介质圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极上端穿出绝缘介质圆柱下表面并与导线相连；
整个脉冲电弧放电等离子体激励器1固定于圆柱形垂直通孔5中，脉冲电弧放电等离子体激励器1下表面与进气道上壁面齐平，脉冲电弧放电等离子体激励器1上表面与进气道外表面齐平，沿流向共有N组脉冲电弧放电等离子体激励器1，分别为第一、第二、...第N脉冲电弧放电等离子体激励器1-1，1-2，...1-N，相邻脉冲电弧放电等离子体激励器1之间流向间距相等；
表面介质阻挡放电等离子体激励器2包括裸露电极、覆盖电极和绝缘介质三部分；表面介质阻挡放电等离子体激励器2固定于进气道下壁面前缘，沿流向布置的具体位置和个数M根据需要确定，展向长度与进气道下表面展向宽度一致；相邻表面介质阻挡放电等离子体激励器2之间的流向间距相等。
在本发明的一个实施例中，
激波发生器4的坡度范围为20～30度；
脉冲电弧放电等离子体激励器1正、负两电极间距为3mm～6mm；脉冲电弧放电等离子体激励器1流向间距为10mm～20mm；脉冲电弧放电等离子体激励器1的电极材料采用耐高温金属；放电电极直径为0.5mm～3mm；
相邻表面介质阻挡放电等离子体激励器2之间的流向间距为10mm～20mm。
在本发明的一个具体实施例中，
激波发生器4的坡度为24度；
脉冲电弧放电等离子体激励器1正、负两电极间距为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器1流向间距为15mm；脉冲电弧放电等离子体激励器1的电极材料采用铜、铁或钨；放电电极直径为1mm；表面介质阻挡放电等离子体激励器2绝缘介质为聚酰亚胺；
相邻表面介质阻挡放电等离子体激励器2之间的流向间距为15mm；
进气道简化模型3和激波发生器4均采用绝缘的丙烯酸塑料亚克力材料；
脉冲电弧放电等离子体激励器1的绝缘介质材料采用绝缘特氟龙材料。
在本发明的一个具体实施例中，N＝M＝3。
还提供一种组合式等离子体流动控制电路系统，其特征在于，包括进气道简化模型3，激波发生器4，脉冲电弧放电等离子体激励器1，表面介质阻挡放电等离子体激励器2，圆柱形垂直通孔5，脉冲电源6；其中
进气道简化模型3为中空长方体形壳体，内部开有长方体通孔，用来模拟二维进气道构形，气流从左入口进，从右出口出，进气道简化模型3采用绝缘材料制成；
激波发生器4为三棱柱体斜坡，通过螺栓固定于进气道简化模型3上壁面的内表面，用来模拟产生在来流条件下进气道进口产生的入射斜激波；激波发生器4采用绝缘材料制成，坡度范围为20～30度；
激波发生器4前方的进气道上壁面加工有圆柱形垂直通孔5，具体个数根据需要确定，用于安装脉冲电弧放电等离子体激励器1；圆柱形垂直通孔5沿流向阵列排布，流向间距相等；
脉冲电弧放电等离子体激励器1的形状为圆柱形，主体采用绝缘介质材料制作，直径略小于圆柱形垂直通孔5直径以便于放入，脉冲电弧放电等离子体激励器1的正、负两个放电电极贯穿绝缘介质圆柱并置于其中，正、负两个放电电极在绝缘介质圆柱中对称放置且彼此平行，正、负两个放电电极下端与绝缘介质圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极上端穿出绝缘介质圆柱下表面并与导线相连；
整个脉冲电弧放电等离子体激励器1固定于圆柱形垂直通孔5中，脉冲电弧放电等离子体激励器1下表面与进气道上壁面齐平，脉冲电弧放电等离子体激励器1上表面与进气道外表面齐平，沿流向共有N组脉冲电弧放电等离子体激励器1，分别为第一、第二、...第N脉冲电弧放电等离子体激励器1-1，1-2，...1-N，相邻脉冲电弧放电等离子体激励器1之间流向间距相等；
表面介质阻挡放电等离子体激励器2包括裸露电极、覆盖电极和绝缘介质三部分；表面介质阻挡放电等离子体激励器2固定于进气道下壁面前缘，沿流向布置的具体位置和个数M根据需要确定，展向长度与进气道下表面展向宽度一致；相邻表面介质阻挡放电等离子体激励器2之间的流向间距相等；
脉冲电弧放电电路连接如下：第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的正电极1-1-1与脉冲电源6的正极相连，第N脉冲电弧放电等离子体激励器1-N的负电极1-N-2与脉冲电源6的负极相连，其余放电电极按如下顺序用导线相连，串联进入放电回路中：第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的负电极1-1-2与第二脉冲电弧放电等离子体激励器1-2的正电极1-2-1相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器1-2的负电极1-2-2与第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-3的正电极1-3-1相连，以此类推；如此将N个脉冲电弧放电等离子体激励器1都串联进入整个放电回路中；
表面介质阻挡放电电路连接如下：第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的裸露电极2-1-1，第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的裸露电极2-2-1，第M表面介质阻挡放电等离子激励器2-M的裸露电极2-M-1与脉冲电源6的正极相连，第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的覆盖电极2-1-2，第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的覆盖电极2-2-2，...，第M表面介质阻挡放电等离子激励器2-M的覆盖电极2-M-2与脉冲电源6的负极相连，如此将M个表面介质阻挡放电等离子激励器2都并联进入整个放电回路中；
脉冲电源6采用高频纳秒脉冲电源，驱动整个电路工作；脉冲电源6的工作电压和频率可调，电压范围为1kV～20kV；频率范围为1Hz～20kHz。
在本发明的一个实施例中，
激波发生器4的坡度范围为20～30度；
脉冲电弧放电等离子体激励器1正、负两电极间距为3mm～6mm；脉冲电弧放电等离子体激励器1流向间距为10mm～20mm；脉冲电弧放电等离子体激励器1的电极材料采用耐高温金属；放电电极直径为0.5mm～3mm；
相邻表面介质阻挡放电等离子体激励器2之间的流向间距为10mm～20mm。
在本发明的一个具体实施例中，
激波发生器4的坡度为24度；
脉冲电弧放电等离子体激励器1正、负两电极间距为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器1流向间距为15mm；脉冲电弧放电等离子体激励器1的电极材料采用铜、铁或钨；放电电极直径为1mm；表面介质阻挡放电等离子体激励器2绝缘介质为聚酰亚胺；
相邻表面介质阻挡放电等离子体激励器2之间的流向间距为15mm；
进气道简化模型3和激波发生器4均采用绝缘的丙烯酸塑料亚克力材料；
脉冲电弧放电等离子体激励器1的绝缘介质材料采用绝缘特氟龙材料；
通过绝缘胶带将导线与脉冲电弧放电等离子体激励器1的放电电极封缠，防止爬电。
在本发明的一个具体实施例中，N＝M＝3。
此外，还提供一种组合式等离子体激励调控进气道激波/附面层干扰流动分离的方法，包括：
步骤1：脉冲电源6施加高频脉冲电压，脉冲电弧放电等离子体激励器1与表面介质阻挡放电激励器2分别与脉冲电源6构成回路；具体为：
脉冲电弧放电电路连接如下：第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的正电极1-1-1与脉冲电源6的正极相连，第N脉冲电弧放电等离子体激励器1-N的负电极1-N-2与脉冲电源6的负极相连，其余放电电极按如下顺序用导线相连，串联进入放电回路中：第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的负电极1-1-2与第二脉冲电弧放电等离子体激励器1-2的正电极1-2-1相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器1-2的负电极1-2-2与第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-3的正电极1-3-1相连，依次类似，如此将N个脉冲电弧放电等离子体激励器1都串联进入整个放电回路中；
表面介质阻挡放电电路连接如下：第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的裸露电极2-1-1，第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的裸露电极2-2-1，...，第M表面介质阻挡放电等离子激励器2-M的裸露电极2-M-1与脉冲电源6的正极相连，第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的覆盖电极2-1-2，第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的覆盖电极2-2-2，...，第M表面介质阻挡放电等离子激励器2-M的覆盖电极2-M-2与脉冲电源6的负极相连，如此将M个表面介质阻挡放电等离子激励器2都并联进入整个放电回路中；
步骤2：在电势差作用下，脉冲电弧放电回路中，第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的正电极1-1-1与第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的负电极1-1-2之间的等离子体放电通道最先建立，在进气道上表面形成脉冲电弧放电，紧接着，回路中的第二脉冲电弧放电元件按脉冲电弧放电等离子体激励器1-2、...，第M脉冲电弧放电等离子体激励器1-M的顺序被依次击穿，最终形成M个脉冲电弧放电通道，产生M道前驱冲击波，形成流向阵列式冲击效应；表面介质阻挡放电回路中，表面介质阻挡放电等离子激励器2相互并联，第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的正负电极2-1-1与2-1-2、第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的正负电极2-2-1与2-2-2、...，第M表面介质阻挡放电等离子激励器2-M的正负电极2-M-1与2-M-2间同时形成强电场，电场将电极间的空气电离产生等离子体，同时诱导出展向旋涡结构；
步骤3：在超声速来流条件下，脉冲电弧放电产生的流向阵列式前驱冲击波向进气道下游传播，在激波发生器4前缘处与入射斜激波发生相互作用，实现对入射激波的持续扰动作用，削弱激波强度，降低激波前后的逆压梯度；表面介质阻挡放电诱导的展向涡结构，促进附面层层不断掺混，在向下游传播的过程中实现对边界层的转捩，增强了抑制流动分离的能力。
通过组合式等离子体激励控制装置，一方面利用流向阵列式高频小能量脉冲电弧等离子体冲击波激励，实现对进气道入射激波的持续扰动，从而削弱激波强度；一方面利用表面介质阻挡放电等离子体冲击波激励诱导展向旋涡结构，促进边界层转捩，从而提高抑制流动分离的能力。
附图说明
图1为脉冲电弧放电等离子体激励器与表面介质阻挡放电等离子体激励器示意图，其中图1(a)示出脉冲电弧放电等离子体激励器结构，图1(b)示出脉冲电弧放电等离子体激励器结构剖面，图1(c)示出表面介质阻挡放电等离子体激励器结构；
图2为组合式等离子体激励调控进气道激波/附面层干扰流动分离的示意图；
图3为组合式等离子体激励电路连接示意图；
附图标记：1.脉冲电弧等离子体激励器；2.表面介质阻挡等离子体激励器；3.进气道简化模型；4.激波发生器；5.进气道上壁面加工的圆柱形垂直通孔(以下简称“圆柱形垂直通孔”)；6.高频纳秒脉冲电源(以下简称“脉冲电源”)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，至始至终相同的标号表示相同的元件。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
本发明提供一种组合式等离子体激励流动控制装置，包括进气道简化模型3，激波发生器4，脉冲电弧放电等离子体激励器1，表面介质阻挡放电等离子体激励器2，圆柱形垂直通孔5，脉冲电源6。如图2所示，进气道简化模型3为中空长方体形壳体，内部开有长方体通孔，用来模拟二维进气道构形，气流从左入口进，从右出口出。激波发生器4为三棱柱体斜坡，通过螺栓固定于进气道简化模型3上壁面的内表面，用来模拟产生在来流条件下进气道进口产生的入射斜激波。激波发生器4的构造、安装及作用原理为本领域技术人员熟知，不再累述。激波发生器4前方的进气道上壁面加工有圆柱形垂直通孔5(穿透型)，具体个数根据需要确定，用于安装脉冲电弧放电等离子体激励器1。在本发明的一个实施例中，圆柱形垂直通孔5个数为3个，沿流向阵列排布，流向间距相等。如图1(a)所示，脉冲电弧放电等离子体激励器1的形状为圆柱形，主体可采用绝缘特氟龙材料制作，直径略小于圆柱形垂直通孔5直径以便于放入，如图1(b)所示，脉冲电弧放电等离子体激励器1的正、负两个放电电极贯穿特氟龙圆柱并置于其中，正、负两个放电电极在特氟龙圆柱中对称放置且彼此平行，正、负两个放电电极下端与特氟龙圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极上端穿出特氟龙圆柱下表面并与导线相连，通过绝缘胶带将导线与放电电极封缠，防止爬电。
如图2所示，整个脉冲电弧放电等离子体激励器1固定于圆柱形垂直通孔5中，脉冲电弧放电等离子体激励器1下表面与进气道上壁面齐平，脉冲电弧放电等离子体激励器1上表面与进气道外表面齐平，沿流向共有三组脉冲电弧放电等离子体激励器1，分别为第一、第二、第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-1，1-2，1-3，流向间距为10mm～20mm，优选为15mm。
如图2所示，表面介质阻挡放电等离子体激励器2(吴云，李应红。等离子体流动控制研究进展与展望。航空学报，2015，36(2)：381-405)包括裸露电极、覆盖电极和绝缘介质三部分，电极材料为铜箔，绝缘介质由三层聚酰亚胺压制而成。表面介质阻挡放电等离子体激励器2固定于进气道下壁面前缘，具体位置和个数根据需要确定，展向长度与进气道下表面展向宽度一致。在本发明的一个实施例中，沿流向共固定三组表面介质阻挡放电等离子体激励器2，分别为第一、第二、第三表面介质阻挡放电等离子激励器2-1，2-2，2-3，流向间距为10mm～20mm，优选为15mm。脉冲电源6采用高频纳秒脉冲电源(张小宁，李晓焕。一种参数可调的负高压脉冲电源装置及参数化调节方法，CN201810322511)，驱动整个电路工作。
如图3所示，脉冲电弧放电电路连接如下：第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的正电极1-1-1与脉冲电源6的正极相连，第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-3的负电极1-3-2与脉冲电源6的负极相连，其余4个放电电极按如下顺序用导线相连，串联进入放电回路中：第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的负电极1-1-2与第二脉冲电弧放电等离子体激励器1-2的正电极1-2-1相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器1-2的负电极1-2-2与第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-3的正电极1-3-1相连，如此将3个脉冲电弧放电等离子体激励器1都串联进入整个放电回路中。
如图3所示，表面介质阻挡放电电路连接如下：第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的裸露电极2-1-1，第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的裸露电极2-2-1，第三表面介质阻挡放电等离子激励器2-3的裸露电极2-3-1与脉冲电源6的正极相连，第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的覆盖电极2-1-2，第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的覆盖电极2-2-2，第三表面介质阻挡放电等离子激励器2-3的覆盖电极2-3-2与脉冲电源6的负极相连，如此将3个表面介质阻挡放电等离子激励器2都并联进入整个放电回路中。
在本发明的一个实施例中，激波发生器4的坡度范围为20～30度，优选为24度。
在本发明的一个实施例中，脉冲电弧放电等离子体激励器1正、负两电极间距为3mm～6mm，优选为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器1流向间距为10mm～20mm，优选为15mm。
在本发明的一个实施例中，脉冲电弧放电等离子体激励器1的电极材料采用耐高温的铜、铁、钨金属，优选为钨金属；放电电极直径为0.5mm～3mm，优选为1mm。表面介质阻挡放电等离子体激励器2绝缘介质为聚酰亚胺，能使电极间放电均匀弥散，使激励器得以长时间稳定工作。
在本发明的一个实施例中，进气道简化模型3和激波发生器4均采用绝缘的丙烯酸塑料亚克力材料。
在本发明的一个实施例中，脉冲电源6的工作电压和频率可调，电压范围为1kV～20kV，优选20kV；频率范围为1Hz～20kHz，优选为10kHz。
还提供一种组合式等离子体激励调控进气道激波/附面层干扰流动分离的方法，包括：
步骤1：脉冲电源6施加高频脉冲电压，脉冲电弧放电等离子体激励器1与表面介质阻挡放电激励器2分别与脉冲电源6构成回路；具体为：
脉冲电弧放电电路连接如下：第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的正电极1-1-1与脉冲电源6的正极相连，第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-3的负电极1-3-2与脉冲电源6的负极相连，其余4个放电电极按如下顺序用导线相连，串联进入放电回路中：第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的负电极1-1-2与第二脉冲电弧放电等离子体激励器1-2的正电极1-2-1相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器1-2的负电极1-2-2与第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-3的正电极1-3-1相连，如此将3个脉冲电弧放电等离子体激励器1都串联进入整个放电回路中。
表面介质阻挡放电电路连接如下：第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的裸露电极2-1-1，第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的裸露电极2-2-1，第三表面介质阻挡放电等离子激励器2-3的裸露电极2-3-1与脉冲电源6的正极相连，第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的覆盖电极2-1-2，第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的覆盖电极2-2-2，第三表面介质阻挡放电等离子激励器2-3的覆盖电极2-3-2与脉冲电源6的负极相连，如此将3个表面介质阻挡放电等离子激励器2都并联进入整个放电回路中。
步骤2：在电势差作用下，脉冲电弧放电回路中，第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的正电极1-1-1与第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的负电极1-1-2之间的等离子体放电通道最先建立，在进气道上表面形成脉冲电弧放电，紧接着，回路中的第二脉冲电弧放电元件按脉冲电弧放电等离子体激励器1-2、第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-3的顺序被依次击穿，最终形成3个脉冲电弧放电通道，产生3道前驱冲击波，形成流向阵列式冲击效应；表面介质阻挡放电回路中，表面介质阻挡放电等离子激励器2相互并联，第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的正负电极2-1-1与2-1-2、第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的正负电极2-2-1与2-2-2以及第三表面介质阻挡放电等离子激励器2-3的正负电极2-3-1与2-3-2间同时形成强电场，电场将电极间的空气电离产生等离子体，同时诱导出展向旋涡结构；
步骤3：在超声速来流条件下，脉冲电弧放电产生的流向阵列式前驱冲击波向进气道下游传播，在激波发生器4前缘处与入射斜激波发生相互作用，实现对入射激波的持续扰动作用，削弱激波强度，降低激波前后的逆压梯度；表面介质阻挡放电诱导的展向涡结构，促进附面层层不断掺混，在向下游传播的过程中实现对边界层的转捩，增强了抑制流动分离的能力。
具体实施例
进气道简化模型3上壁面安装有激波发生器4，产生入射斜激波，激波发生器角度为24°。入射斜激波入射到进气道下壁面，在激波前后的强逆压梯度的影响下，进气道下壁面来流边界层发生流动分离，产生大尺度分离泡。
激波发生器4前端安装有3×1的流向阵列脉冲电弧放电等离子体激励器1，激波发生器4距离第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1为25mm，三排脉冲电弧放电等离子体激励器1流向间距为15mm。脉冲电弧放电等离子体激励器圆柱直径为8mm，脉冲电弧放电正负电极间距为5mm，直径为1mm。
进气道下壁面沿流向安装有三组表面介质阻挡放电等离子体激励器2，流向间距为15mm，第一表面介质阻挡放电等离子体激励器2-1距下游分离泡距离为100mm。电极厚度0.06mm，绝缘介质厚0.18mm。
脉冲电源6给电路回路施加脉冲电压，电压20kV，激励频率10kHz，脉冲宽度1000ns。
第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的正电极1-1-1和第一脉冲电弧放电等离子体激励器1-1的负电极1-1-2在电压的激励下在平板1上表面形成电弧放电，依次类推，直至第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-3的正电极1-3-1和第三脉冲电弧放电等离子体激励器1-3的负电极1-3-2也产生电弧放电，各级放电元件被按顺序击穿，形成3个电弧放电通道，并产生前驱激波。
第一表面介质阻挡放电等离子激励器2-1的正负电极2-1-1与2-1-2、第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2的正负电极2-2-1与2-2-2以及第三表面介质阻挡放电等离子激励器2-3的正负电极2-3-1与2-3-2在电压的激励下同时形成介质阻挡放电，强电场将正负电极间的空气电离产生等离子体，诱导出壁面射流和展向旋涡结构。
阵列式脉冲电弧放电等离子体激励减弱入射激波强度、表面介质阻挡放电等离子激励促进附面层转捩，两者的协同作用，一方面减小逆压梯度，一方面提高抑制流动分离能力，通过等离子体激励的组合，有效调控进气道激波/附面层干扰分离泡的大小。
本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术任一来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (9)
1.一种组合式等离子体流动控制装置，其特征在于，包括进气道简化模型(3)，激波发生器(4)，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)，脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)，圆柱形垂直通孔(5)；其中
进气道简化模型(3)为中空长方体形壳体，内部开有长方体通孔，用来模拟二维进气道构形，气流从左入口进，从右出口出，进气道简化模型(3)采用绝缘材料制成；
激波发生器(4)为三棱柱体斜坡，通过螺栓固定于进气道简化模型(3)上壁面的内表面，用来模拟产生在来流条件下进气道进口产生的入射斜激波；激波发生器(4)采用绝缘材料制成；
激波发生器(4)前方的进气道上壁面加工有圆柱形垂直通孔(5)，具体个数根据需要确定，用于安装脉冲电弧放电等离子体激励器(1)；圆柱形垂直通孔(5)沿流向阵列排布，流向间距相等；
脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的形状为圆柱形，主体采用绝缘介质材料制作，直径略小于圆柱形垂直通孔(5)直径以便于放入，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的正、负两个放电电极贯穿绝缘介质圆柱并置于其中，正、负两个放电电极在绝缘介质圆柱中对称放置且彼此平行，正、负两个放电电极下端与绝缘介质圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极上端穿出绝缘介质圆柱下表面并与导线相连；
整个脉冲电弧放电等离子体激励器(1)固定于圆柱形垂直通孔(5)中，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)下表面与进气道上壁面齐平，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)上表面与进气道外表面齐平，沿流向共有N组脉冲电弧放电等离子体激励器(1)，分别为第一、第二、…第N脉冲电弧放电等离子体激励器(1-1，1-2，…1-N)，相邻脉冲电弧放电等离子体激励器(1)之间流向间距相等；
脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)包括裸露电极、覆盖电极和绝缘介质三部分；脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)固定于进气道下壁面前缘，沿流向布置的具体位置和个数M根据需要确定，展向长度与进气道下表面展向宽度一致；相邻脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)之间的流向间距相等。
2.如权利要求1所述的组合式等离子体流动控制装置，其特征在于
激波发生器(4)的坡度范围为20～30度；
脉冲电弧放电等离子体激励器(1)正、负两电极间距为3mm～6mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(1)流向间距为10mm～20mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的电极材料采用耐高温金属；放电电极直径为0.5mm～3mm；
相邻脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)之间的流向间距为10mm～20mm。
3.如权利要求2所述的组合式等离子体流动控制装置，其特征在于
激波发生器(4)的坡度为24度；
脉冲电弧放电等离子体激励器(1)正、负两电极间距为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(1)流向间距为15mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的电极材料采用铜、铁或钨；放电电极直径为1mm；表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)绝缘介质为聚酰亚胺；
相邻脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)之间的流向间距为15mm；
进气道简化模型(3)和激波发生器(4)均采用绝缘的丙烯酸塑料亚克力材料；
脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的绝缘介质材料采用绝缘特氟龙材料。
4.如权利要求1所述的组合式等离子体流动控制装置，其特征在于，N＝M＝3。
5.一种组合式等离子体流动控制电路系统，其特征在于，包括进气道简化模型(3)，激波发生器(4)，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)，脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)，圆柱形垂直通孔(5)，脉冲电源(6)；其中
进气道简化模型(3)为中空长方体形壳体，内部开有长方体通孔，用来模拟二维进气道构形，气流从左入口进，从右出口出，进气道简化模型(3)采用绝缘材料制成；
激波发生器(4)为三棱柱体斜坡，通过螺栓固定于进气道简化模型(3)上壁面的内表面，用来模拟产生在来流条件下进气道进口产生的入射斜激波；激波发生器(4)采用绝缘材料制成，坡度范围为20～30度；
激波发生器(4)前方的进气道上壁面加工有圆柱形垂直通孔(5)，具体个数根据需要确定，用于安装脉冲电弧放电等离子体激励器(1)；圆柱形垂直通孔(5)沿流向阵列排布，流向间距相等；
脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的形状为圆柱形，主体采用绝缘介质材料制作，直径略小于圆柱形垂直通孔(5)直径以便于放入，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的正、负两个放电电极贯穿绝缘介质圆柱并置于其中，正、负两个放电电极在绝缘介质圆柱中对称放置且彼此平行，正、负两个放电电极下端与绝缘介质圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极上端穿出绝缘介质圆柱下表面并与导线相连；
整个脉冲电弧放电等离子体激励器(1)固定于圆柱形垂直通孔(5)中，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)下表面与进气道上壁面齐平，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)上表面与进气道外表面齐平，沿流向共有N组脉冲电弧放电等离子体激励器(1)，分别为第一、第二、…第N脉冲电弧放电等离子体激励器(1-1，1-2，…1-N)，相邻脉冲电弧放电等离子体激励器(1)之间流向间距相等；
脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)包括裸露电极、覆盖电极和绝缘介质三部分；脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)固定于进气道下壁面前缘，沿流向布置的具体位置和个数M根据需要确定，展向长度与进气道下表面展向宽度一致；相邻脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)之间的流向间距相等；
脉冲电弧放电电路连接如下：第一脉冲电弧放电等离子体激励器(1-1)的正电极(1-1-1)与脉冲电源(6)的正极相连，第N脉冲电弧放电等离子体激励器(1-N)的负电极(1-N-2)与脉冲电源(6)的负极相连，其余放电电极按如下顺序用导线相连，串联进入放电回路中：第一脉冲电弧放电等离子体激励器(1-1)的负电极(1-1-2)与第二脉冲电弧放电等离子体激励器(1-2)的正电极(1-2-1)相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器(1-2)的负电极(1-2-2)与第三脉冲电弧放电等离子体激励器(1-3)的正电极(1-3-1)相连，以此类推；如此将N个脉冲电弧放电等离子体激励器(1)都串联进入整个放电回路中；
表面介质阻挡放电电路连接如下：第一表面介质阻挡放电等离子激励器(2-1)的裸露电极(2-1-1)，第二表面介质阻挡放电等离子激励器(2-2)的裸露电极(2-2-1)，第M表面介质阻挡放电等离子激励器(2-M)的裸露电极(2-M-1)与脉冲电源(6)的正极相连，第一表面介质阻挡放电等离子激励器(2-1)的覆盖电极(2-1-2)，第二表面介质阻挡放电等离子激励器(2-2)的覆盖电极(2-2-2)，…，第M表面介质阻挡放电等离子激励器(2-M)的覆盖电极(2-M-2)与脉冲电源(6)的负极相连，如此将M个表面介质阻挡放电等离子激励器(2)都并联进入整个放电回路中；
脉冲电源(6)采用高频纳秒脉冲电源，驱动整个电路工作；脉冲电源(6)的工作电压和频率可调，电压范围为1kV～20kV；频率范围为1Hz～20kHz。
6.如权利要求5所述的组合式等离子体流动控制电路系统，其特征在于
激波发生器(4)的坡度范围为20～30度；
脉冲电弧放电等离子体激励器(1)正、负两电极间距为3mm～6mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(1)流向间距为10mm～20mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的电极材料采用耐高温金属；放电电极直径为0.5mm～3mm；
相邻脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)之间的流向间距为10mm～20mm。
7.如权利要求5所述的组合式等离子体流动控制电路系统，其特征在于
激波发生器(4)的坡度为24度；
脉冲电弧放电等离子体激励器(1)正、负两电极间距为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(1)流向间距为15mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的电极材料采用铜、铁或钨；放电电极直径为1mm；表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)绝缘介质为聚酰亚胺；
相邻脉表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)之间的流向间距为15mm；
进气道简化模型(3)和激波发生器(4)均采用绝缘的丙烯酸塑料亚克力材料；
脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的绝缘介质材料采用绝缘特氟龙材料；
通过绝缘胶带将导线与脉冲电弧放电等离子体激励器(1)的放电电极封缠，防止爬电。
8.如权利要求5所述的组合式等离子体流动控制电路系统，其特征在于，N＝M＝3。
9.一种组合式等离子体激励调控进气道激波/附面层干扰流动分离的方法，其特征在于，包括：
步骤1：脉冲电源(6)施加高频脉冲电压，脉冲电弧放电等离子体激励器(1)与表面介质阻挡放电等离子体激励器(2)分别与脉冲电源(6)构成回路；具体为：
脉冲电弧放电电路连接如下：第一脉冲电弧放电等离子体激励器(1-1)的正电极(1-1-1)与脉冲电源(6)的正极相连，第N脉冲电弧放电等离子体激励器(1-N)的负电极(1-N-2)与脉冲电源(6)的负极相连，其余放电电极按如下顺序用导线相连，串联进入放电回路中：第一脉冲电弧放电等离子体激励器(1-1)的负电极(1-1-2)与第二脉冲电弧放电等离子体激励器(1-2)的正电极(1-2-1)相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器(1-2)的负电极(1-2-2)与第三脉冲电弧放电等离子体激励器(1-3)的正电极(1-3-1)相连，依次类似，如此将N个脉冲电弧放电等离子体激励器(1)都串联进入整个放电回路中；
表面介质阻挡放电电路连接如下：第一表面介质阻挡放电等离子激励器(2-1)的裸露电极(2-1-1)，第二表面介质阻挡放电等离子激励器(2-2)的裸露电极(2-2-1)，…，第M表面介质阻挡放电等离子激励器(2-M)的裸露电极(2-M-1)与脉冲电源(6)的正极相连，第一表面介质阻挡放电等离子激励器(2-1)的覆盖电极(2-1-2)，第二表面介质阻挡放电等离子激励器2-2)的覆盖电极(2-2-2)，…，第M表面介质阻挡放电等离子激励器(2-M)的覆盖电极(2-M-2)与脉冲电源(6)的负极相连，如此将M个表面介质阻挡放电等离子激励器(2)都并联进入整个放电回路中；
步骤2：在电势差作用下，脉冲电弧放电回路中，第一脉冲电弧放电等离子体激励器(1-1)的正电极(1-1-1)与第一脉冲电弧放电等离子体激励器(1-1)的负电极(1-1-2)之间的等离子体放电通道最先建立，在进气道上表面形成脉冲电弧放电，紧接着，回路中的第二脉冲电弧放电元件按脉冲电弧放电等离子体激励器(1-2)、…，第M脉冲电弧放电等离子体激励器(1-M)的顺序被依次击穿，最终形成M个脉冲电弧放电通道，产生M道前驱冲击波，形成流向阵列式冲击效应；表面介质阻挡放电回路中，表面介质阻挡放电等离子激励器(2)相互并联，第一表面介质阻挡放电等离子激励器(2-1)的正负电极(2-1-1与2-1-2)、第二表面介质阻挡放电等离子激励器(2-2)的正负电极(2-2-1与2-2-2)、…，第M表面介质阻挡放电等离子激励器(2-M)的正负电极(2-M-1与2-M-2)间同时形成强电场，电场将电极间的空气电离产生等离子体，同时诱导出展向旋涡结构；
步骤3：在超声速来流条件下，脉冲电弧放电产生的流向阵列式前驱冲击波向进气道下游传播，在激波发生器(4)前缘处与入射斜激波发生相互作用，实现对入射激波的持续扰动作用，削弱激波强度，降低激波前后的逆压梯度；表面介质阻挡放电诱导的展向旋涡结构，促进附面层层不断掺混，在向下游传播的过程中实现对边界层的转捩，增强了抑制流动分离的能力。
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