CN110243567B - 等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离电路系统，包括进气道简化模型(3)，激波发生器(4)，等离子体合成射流激励器(1)，脉冲电弧放电等离子体激励器(2)，脉冲电源(5)，圆柱形垂直通孔(6)。还提供一种相应的等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的方法。本发明通过等离子体激励有效调控角区分离的尺度，进而控制主流分离泡的大小，从而改善进气道工作的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体主动流动控制技术，具体涉及一种控制三维激波/附面层干扰角区分离方法及相应的等离子体激励装置。
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。涡轮冲压组合动力的工作速度范围宽广(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。激波/附面层干扰诱导的流动分离会导致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等问题。真实进气道条件下，三维激波/附面层干扰还会导致显著的角区流动分离，角区流动与主流高度耦合，严重影响着主流流动分离，且调控难度很大。目前，涡流发生器与附面层吸除技术在角区流动分离控制上取得了一定的流动控制效果，但是固定位置的涡流发生器难以适应宽广的进气道工作状态，迫切需要发展新的流动控制途径。
等离子体激励具有响应快(0.1ms)、频带宽(10Hz-100kHz)、结构简单等显著技术优势，是目前国内外激波/附面层干扰流动控制领域的研究热点。将等离子体技术应用到三维激波/附面层干扰角区分离是本技术领域发展的一个新方向。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的装置，其特征在于，包括进气道简化模型3，激波发生器4，等离子体合成射流激励器1，脉冲电弧放电等离子体激励器2，圆柱形垂直通孔 6；其中
进气道简化模型3为中空长方体形壳体，内部开有长方形通孔，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，固定安装于进气道简化模型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 的坡度范围为20～30度，激波发生器4采用绝缘材料制成；
进气道简化模型3的侧壁面和下壁面都打有圆柱形垂直通孔6，用于安装等离子体合成射流激励器1和脉冲电弧放电等离子体激励器2，圆柱形垂直通孔6 的数量为2N，N为非零自然数；其中，在角区激波前缘有N个通孔，其中下壁面N/2个，侧壁面N/2个，下壁面N/2个和侧壁面N/2个圆柱形垂直通孔6均沿流向排列，流向间距相等；下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔6的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的N/2个圆柱形垂直通孔6分别安装第一、第二、…第N/2等离子体合成射流激励器1-1、1-2、…1-N/2，侧壁面的N/2个圆柱形垂直通孔6分别安装第N/2+1、第N/2+2、…第N等离子体合成射流激励器1-N/2+1、 1-N/2+2、…1-N；在角区激波上游有N个通孔，其中下壁面N/2个，侧壁面N/2 个，与上述情况相同，下壁面N/2个和侧壁面N/2个圆柱形垂直通孔6均沿流向排列，流向间距相等；下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔6的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的N/2个圆柱形垂直通孔6分别安装第一、第二、…第N/2 脉冲电弧放电等离子体激励器2-1、2-2、…2-N/2，侧壁面的N/2个圆柱形垂直通孔6分别安装第N/2+1、第N/2+2、…第N脉冲电弧放电等离子体激励器2- N/2+1、2-N/2+2、…2-N；
等离子体合成射流激励器1安装于角区激波前缘，由腔体、喷口、放电电极三部分组成，腔体构型为圆腔形，体积范围为50mm3～100mm3；腔体外部直径略小于圆柱形垂直通孔6直径以便于放入；安装时上表面与进气道壁面平齐；放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为1mm～3mm；长度为2mm～5mm；放电电极上端位于腔体内部，下端穿出腔体与导线相连；喷口构型也为圆腔型，喷口直径范围为1mm～3mm；深度为0.5mm～2mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器2的形状为圆柱形，圆柱形直径略小于圆柱形垂直通孔6直径以便于放入；脉冲电弧放电等离子体激励器2的正、负两个放电电极上下贯穿圆柱并置于其中，正、负两个放电电极在圆柱中对称放置且彼此平行，正、负两个放电电极上端与圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极下端穿出圆柱下表面并与导线相连；放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为 1mm～3mm，长度根据需要确定，能够贯穿特富圆柱即可；脉冲电弧放电等离子体激励器2固定于圆柱形垂直通孔6中，其上表面与进气道内壁面齐平，下表面与进气道外壁面平齐；
等离子体合成射流激励器1两电极间距为3mm～6mm；等离子体合成射流激励器1流向间距为10mm～20mm；等离子体合成射流激励器1中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器2两电极间距为3mm～6mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2流向间距为10mm～20mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm；
第二等离子体合成射流激励器1-2与第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1 之间的流向间距为10mm～20mm；
等离子体合成射流激励器1和脉冲电弧放电等离子体激励器2的放电电极材料均采用耐高温金属。
在本发明的一个实施例中，
等离子体合成射流激励器1腔体的体积为100mm3；放电电极直径为1mm；长度为4mm；通过绝缘胶带将导线与放电电极封缠，防止爬电；喷口直径为1mm；深度为2mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器2采用绝缘特氟龙材料制作，通过绝缘胶带将导线与放电电极封缠，防止爬电；放电电极直径为1mm；
激波发生器4的坡度范围为24度；
等离子体合成射流激励器1两电极间距为5mm；等离子体合成射流激励器1流向间距为15mm；等离子体合成射流激励器1中轴线与相邻壁面之间间距为 5mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器2两电极间距为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2流向间距为15mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2中轴线与相邻壁面之间间距为5mm；
第二等离子体合成射流激励器1-2与第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1 之间的流向间距为10mm；
等离子体合成射流激励器1和脉冲电弧放电等离子体激励器2的放电电极材料均采用铜、铁或钨。
在本发明的一个具体实施例中，圆柱形垂直通孔6个数为8个，在角区激波前缘有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2个；在角区激波上游有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2个。
还提供一种等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离电路系统，其特征在于，包括进气道简化模型3，激波发生器4，等离子体合成射流激励器1，脉冲电弧放电等离子体激励器2，脉冲电源5，圆柱形垂直通孔6；其中
进气道简化模型3为中空长方体形壳体，内部开有长方形通孔，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，固定安装于进气道简化模型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；
进气道简化模型3的侧壁面和下壁面都打有圆柱形垂直通孔6，用于安装等离子体合成射流激励器1和脉冲电弧放电等离子体激励器2，圆柱形垂直通孔6 的数量为8个；其中，在角区激波前缘有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2 个，下壁面2个和侧壁面2个圆柱形垂直通孔6均沿流向排列，流向间距相等；下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔6的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的2 个圆柱形垂直通孔6分别安装第一、第二等离子体合成射流激励器1-1、1-2，侧壁面的2个圆柱形垂直通孔6分别安装第3、第4等离子体合成射流激励器1-3、 1-4；在角区激波上游有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2个，与上述情况相同，下壁面2个和侧壁面2个圆柱形垂直通孔6均沿流向排列，流向间距相等；下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔6的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的2个圆柱形垂直通孔6分别安装第一、第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-1、 2-2，侧壁面的2个圆柱形垂直通孔6分别安装第三、第四脉冲电弧放电等离子体激励器2-3、2-4；
等离子体合成射流激励器1安装于角区激波前缘，由腔体、喷口、放电电极三部分组成，腔体构型为圆腔形，体积范围为50mm3～100mm3；腔体外部直径略小于圆柱形垂直通孔6直径以便于放入；安装时上表面与进气道壁面平齐；放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为1mm～3mm；长度为2mm～5mm；放电电极上端位于腔体内部，下端穿出腔体与导线相连；喷口构型也为圆腔型，喷口直径范围为1mm～3mm；深度为0.5mm～2mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器2的形状为圆柱形，圆柱形直径略小于圆柱形垂直通孔6直径以便于放入；脉冲电弧放电等离子体激励器2的正、负两个放电电极上下贯穿圆柱并置于其中，正、负两个放电电极在圆柱中对称放置且彼此平行，正、负两个放电电极上端与圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极下端穿出圆柱下表面并与导线相连；放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为 1mm～3mm，长度根据需要确定，能够贯穿特富圆柱即可；脉冲电弧放电等离子体激励器2固定于圆柱形垂直通孔6中，其上表面与进气道内壁面齐平，下表面与进气道外壁面平齐；
等离子体合成射流激励器1与脉冲电弧放电等离子体激励器2之间并联连接，分别与脉冲电源5构成第一回路和第二回路；第一回路中的等离子体合成射流激励器1依次串联连接，第二回路中的脉冲电弧放电等离子体激励器2也依次串联连接；第一等离子体合成射流激励器1-1的正电极1-1-1、第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1的正电极2-1-1与电源的正极相连，第四等离子体合成射流激励器1-4的负电极1-4-2、第四脉冲电弧放电等离子体激励器2-4的负电极2-4-2与电源的负极相连；在第一回路中，第一等离子体合成射流激励器1-1 的负电极1-1-2与第二等离子体合成射流激励器1-2的正电极1-2-1相连，第二等离子体合成射流激励器1-2的负电极1-2-2与第三等离子体合成射流激励器 1-3的正电极1-3-1相连，依次类推，将4个等离子体合成射流放电通道串联进入第一回路中；在第二回路中，第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1的负电极 2-1-2与第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2的正电极2-2-1相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2的负电极2-2-2与第三脉冲电弧放电等离子体激励器 2-3的正电极2-3-1相连，依次类推，将4个脉冲电弧放电通道串联进入第二回路中；
等离子体合成射流激励器1两电极间距为3mm～6mm；等离子体合成射流激励器1流向间距为10mm～20mm；等离子体合成射流激励器1中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器2两电极间距为3mm～6mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2流向间距为10mm～20mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm；
第二等离子体合成射流激励器1-2与第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1 之间的流向间距为10mm～20mm；
等离子体合成射流激励器1和脉冲电弧放电等离子体激励器2的放电电极材料均采用耐高温金属；
脉冲电源5的工作电压和频率可调，电压范围为1kV～20kV；频率范围为 1Hz～20kHz。
在本发明的一个具体实施例中，等离子体合成射流激励器1腔体的体积为100mm3；放电电极直径为1mm；长度为4mm；通过绝缘胶带将导线与放电电极封缠，防止爬电；喷口直径为1mm；深度为2mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器2采用绝缘特氟龙材料制作，通过绝缘胶带将导线与放电电极封缠，防止爬电；放电电极直径为1mm；
激波发生器4的坡度范围为24度；
等离子体合成射流激励器1两电极间距为5mm；等离子体合成射流激励器 1流向间距为15mm；等离子体合成射流激励器1中轴线与相邻壁面之间间距为 5mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器2两电极间距为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2流向间距为15mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2中轴线与相邻壁面之间间距为5mm；
第二等离子体合成射流激励器1-2与第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1 之间的流向间距为10mm；
等离子体合成射流激励器1和脉冲电弧放电等离子体激励器2的放电电极材料均采用铜、铁或钨；
脉冲电源5的电压为20kV；频率为5kHz。
此外，还提供一种等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的方法，包括下列步骤：
步骤1：脉冲电源5施加高频脉冲电压，等离子体合成射流激励器1与脉冲电弧放电等离子体激励器2分别与脉冲电源5构成第一回路和第二回路，具体为：
等离子体合成射流电路连接如下：第一等离子体合成射流激励器1-1的正电极1-1-1与脉冲电源5的正极相连，第四等离子体合成射流激励器1-4的负电极 1-4-2与脉冲电源5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：第一等离子体合成射流激励器1-1的负电极1-1-2与第二等离子体合成射流激励器1-2的正电极1-2-1相连，第二等离子体合成射流激励器 1-2的负电极1-2-2与第三等离子体合成射流激励器1-3的正电极1-3-1相连，依次类推，如此将4个等离子体合成射流激励器1都串联进入整个放电回路中；
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2-1的正电极2-1-1与脉冲电源5的正极相连，第四脉冲电弧放电等离子体激励器2-4的负电极2-4-2与脉冲电源5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2-1的负电极2-1-2与第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2的正电极2-2-1相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2的负电极2-2-2与第三脉冲电弧放电等离子体激励器2-3的正电极2-3-1相连，依次类推，如此将4个脉冲电弧放电等离子体激励器2都串联进入整个放电回路中；
步骤2：在电势差作用下，等离子体合成射流激励器回路中，第一等离子体合成射流激励器1-1的正电极1-1-1与负电极1-1-2之间的放电通道最先建立，加热等离子体合成射流激励器腔体内气体，产生等离子体射流，紧接着，回路中的等离子体合成射流原件按等第二离子体合成射流激励器1-2、第三等离子体合成射流激励器1-3、第四等离子体合成射流激励器1-4的顺序被依次击穿，最终形成4股等离子体合成射流；脉冲电弧放电等离子体激励器回路中，第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1的正电极2-1-1与负电极2-1-2之间的放电通道最先建立，在安装位置表面形成脉冲电弧放电，产生虚拟型面，紧接着，回路中的脉冲电弧等离子体原件按第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2、第三脉冲电弧放电等离子体激励器2-3、第四脉冲电弧放电等离子体激励器2-4的顺序被依次击穿，最终建立4个放电通道，形成虚拟型面；
步骤3：等离子体合成射流促进角区附面层与主流的掺混，减弱角区分离和角区分离对主流区的影响，进而拓展主流区分离泡的展向长度；脉冲电弧放电形成的虚拟型面产生新的弱角区激波，诱导原有角区激波前移，使得两侧角区激波在下壁面的交点位于主流区分离泡上游，同时减弱角区分离和主流分离泡的展向与流向长度；两者的共同作用有效调控角区分离的尺度，从而改善进气道工作的稳定性。
本发明针对三维激波/附面层干扰角区分离的流动特点，提出两种不同的激励方法及其机理，一是在角区激波前缘施加等离子体合成射流冲击激励，促进角区附面层与主流的掺混，减弱角区分离和角区分离对主流区的影响，进而拓展主流区分离泡的展向长度，但是分离泡的流向长度基本不变；二是在角区激波上游施加脉冲电弧放电等离子体冲击激励，形成虚拟型面，产生新的弱的角区激波，诱导原有角区激波前移，使得两侧角区激波在下壁面的交点位于主流区分离泡上游，可同时减弱角区分离、主流分离泡展向与流向长度。本发明通过等离子体激励有效调控角区分离的尺度，进而控制主流分离泡的大小，从而改善进气道工作的稳定性。
附图说明
图1为等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的示意图剖面；
图2为等离子体合成射流激励器与脉冲电弧放电等离子体激励器示意图，其中图2(a)示出等离子体合成射流激励器结构剖面，图2(b)示出脉冲电弧放电等离子体激励器结构，图2(c)示出脉冲电弧放电等离子体激励器结构剖面；
图3为等离子体激励电路连接示意图。
附图标记：1.等离子体合成射流激励器 2.脉冲电弧放电等离子体激励器 3. 进气道简化模型 4.激波发生器 5.脉冲电源(以下简称“脉冲电源”) 6.进气道侧壁面与下壁面加工的圆柱形垂直通孔(以下简称“圆柱形垂直通孔”)
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。
如图1至3所示，本发明采用一种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，等离子体合成射流激励器1，脉冲电弧放电等离子体激励器2，脉冲电源5，圆柱形垂直通孔6。如图1所示，进气道简化模型 3为中空长方体形壳体，内部开有长方形通孔，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。进气道简化模型3的侧壁面和下壁面都打有圆柱形垂直通孔6(穿透型)，用于安装等离子体合成射流激励器1和脉冲电弧放电等离子体激励器2，圆柱形垂直通孔6为偶数个，具体个数根据需要确定。在本发明一个具体实施例中，圆柱形垂直通孔6个数为8个，在角区激波前缘有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2个，下壁面2个和侧壁面2个圆柱形垂直通孔6均沿流向排列，流向间距相等。下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔6的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的2个圆柱形垂直通孔6分别安装第一、第二等离子体合成射流激励器1-1、1-2，侧壁面的2个圆柱形垂直通孔6分别安装第三、第四等离子体合成射流激励器1-3、1-4；在角区激波上游(图中位于角区激波前缘的左边) 有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2个，与上述情况相同，下壁面2个和侧壁面2个圆柱形垂直通孔6均沿流向排列，流向间距相等。下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔6的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的2个圆柱形垂直通孔6分别安装第一、第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-1、2-2，侧壁面的2 个圆柱形垂直通孔6分别安装第三、第四脉冲电弧放电等离子体激励器2-3、2-4。
等离子体合成射流激励器1安装于角区激波前缘。如图2(a)所示，主要由腔体、喷口、放电电极三部分组成(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)，腔体构型为圆腔形，材料为绝缘特氟龙，体积一般较小，范围为50mm3～100mm3，优选为100mm3。腔体外部直径略小于圆柱形垂直通孔6直径以便于放入。安装时上表面与进气道壁面平齐。放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为1mm～3mm，优选为1mm；长度为 2mm～5mm，优选为4mm；放电电极上端位于腔体内部，下端穿出腔体与导线相连，通过绝缘胶带将导线与电极封缠，防止爬电。喷口构型也为圆腔型，喷口直径范围为1mm～3mm，优选为1mm；深度为0.5mm～2mm，优选为2mm。等离子体合成射流激励器1的工作原理为利用放电释放的能量迅速加热腔体内部气体，气体受热升温升压，在内外压差的作用下，腔内气体从射流口喷出。
如图2(b)所示，脉冲电弧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)的形状为圆柱形，可采用绝缘特氟龙材料制作，圆柱形直径略小于圆柱形垂直通孔6直径以便于放入。如图2(c)所示，脉冲电弧放电等离子体激励器2的正、负两个放电电极上下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、负两个放电电极上端与特氟龙圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极下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。放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为 1mm～3mm，优选1mm，长度根据需要确定，能够贯穿特富圆柱即可。如图1 所示，脉冲电弧放电等离子体激励器2固定于圆柱形垂直通孔6中，其上表面与进气道内壁面齐平，下表面与进气道外壁面平齐。脉冲电弧放电等离子体激励器2的工作原理为利用放电释放的热量形成虚拟型面，从而产生新的弱压缩波。
如图3所示，等离子体合成射流激励器1与脉冲电弧放电等离子体激励器2 之间并联连接，分别与脉冲电源5构成第一回路和第二回路。第一回路中的等离子体合成射流激励器1依次串联连接，第二回路中的脉冲电弧放电等离子体激励器2也依次串联连接。第一等离子体合成射流激励器1-1的正电极1-1-1、第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1的正电极2-1-1与电源的正极相连，第四等离子体合成射流激励器1-4的负电极1-4-2、第四脉冲电弧放电等离子体激励器2-4的负电极2-4-2与电源的负极相连。在第一回路中，第一等离子体合成射流激励器1-1的负电极1-1-2与第二等离子体合成射流激励器1-2的正电极1-2-1相连，第二等离子体合成射流激励器1-2的负电极1-2-2与第三等离子体合成射流激励器1-3的正电极1-3-1相连，依次类推，将4个等离子体合成射流放电通道串联进入第一回路中；在第二回路中，第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1 的负电极2-1-2与第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2的正电极2-2-1相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2的负电极2-2-2与第三脉冲电弧放电等离子体激励器2-3的正电极2-3-1相连，依次类推，将4个脉冲电弧放电通道串联进入第二回路中。
在本发明的一个具体实施例中，激波发生器4的坡度范围为20～30度，优选为24度。
等离子体合成射流激励器1两电极间距为3mm～6mm，优选为5mm；等离子体合成射流激励器1流向间距为10mm～20mm，优选为15mm；等离子体合成射流激励器1中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm，优选为5mm。
脉冲电弧放电等离子体激励器2两电极间距为3mm～6mm，优选为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2流向间距为10mm～20mm，优选为15mm；脉冲电弧放电等离子体激励器2中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm，优选为 5mm。
第二等离子体合成射流激励器1-2与第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1 之间的流向间距为10mm～20mm，优选为10mm。
等离子体合成射流激励器1和脉冲电弧放电等离子体激励器2的放电电极材料均可采用耐高温的铜、铁、钨金属，优选为钨金属。
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。
脉冲电源5(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)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5kHz。
本发明还提供一种等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的方法，包括下列步骤：
步骤1：脉冲电源5施加高频脉冲电压，等离子体合成射流激励器1与脉冲电弧放电等离子体激励器2分别与脉冲电源5构成第一回路和第二回路，具体为：
等离子体合成射流电路连接如下：第一等离子体合成射流激励器1-1的正电极1-1-1与脉冲电源5的正极相连，第四等离子体合成射流激励器1-4的负电极 1-4-2与脉冲电源5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：第一等离子体合成射流激励器1-1的负电极1-1-2与第二等离子体合成射流激励器1-2的正电极1-2-1相连，第二等离子体合成射流激励器 1-2的负电极1-2-2与第三等离子体合成射流激励器1-3的正电极1-3-1相连，依次类推，如此将4个等离子体合成射流激励器1都串联进入整个放电回路中。
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2-1的正电极2-1-1与脉冲电源5的正极相连，第四脉冲电弧放电等离子体激励器2-4的负电极2-4-2与脉冲电源5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2-1的负电极2-1-2与第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2的正电极2-2-1相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2的负电极2-2-2与第三脉冲电弧放电等离子体激励器2-3的正电极2-3-1相连，依次类推，如此将4个脉冲电弧放电等离子体激励器2都串联进入整个放电回路中。
步骤2：在电势差作用下，等离子体合成射流激励器回路中，第一等离子体合成射流激励器1-1的正电极1-1-1与负电极1-1-2之间的放电通道最先建立，加热等离子体合成射流激励器腔体内气体，产生等离子体射流，紧接着，回路中的等离子体合成射流原件按等第二离子体合成射流激励器1-2、第三等离子体合成射流激励器1-3、第四等离子体合成射流激励器1-4的顺序被依次击穿，最终形成4股等离子体合成射流；脉冲电弧放电等离子体激励器回路中，第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1的正电极2-1-1与负电极2-1-2之间的放电通道最先建立，在安装位置表面形成脉冲电弧放电，产生虚拟型面，紧接着，回路中的脉冲电弧等离子体原件按第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2、第三脉冲电弧放电等离子体激励器2-3、第四脉冲电弧放电等离子体激励器2-4的顺序被依次击穿，最终建立4个放电通道，形成虚拟型面；
步骤3：等离子体合成射流促进角区附面层与主流的掺混，减弱角区分离和角区分离对主流区的影响，进而拓展主流区分离泡的展向长度；脉冲电弧放电形成的虚拟型面产生新的弱角区激波，诱导原有角区激波前移，使得两侧角区激波在下壁面的交点位于主流区分离泡上游，同时减弱角区分离和主流分离泡的展向与流向长度。两者的共同作用有效调控角区分离的尺度，从而改善进气道工作的稳定性。
具体实施例：
进气道简化模型3上壁面的内表面安装有激波发生器4，产生入射斜激波，激波发生器4角度为24°。入射斜激波入射到进气道简化模型3的下壁面，在激波前后的强逆压梯度的影响下，进气道简化模型3的下壁面和侧壁面来流边界层同时发生流动分离，在角区相互作用形成角区激波和角区分离泡。
角区激波前缘安装有2×2的等离子体合成射流激励器1，第一等离子体合成射流激励器1-1距离角区激波10mm，第一等离子体合成射流激励器1-1和第二等离子体合成射流激励器1-2流向间距为15mm。等离子体合成射流激励器1腔体直径为8mm，放电电极间距为5mm，直径1mm，喷口直径为1mm，深度2mm。
角区激波上游安装有2×2的脉冲电弧放电等离子体激励器2，第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1距离角区激波35mm，第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1和第二脉冲电弧放电等离子体激励器2-2流向间距为15mm。脉冲电弧放电等离子体激励器2圆柱直径为8mm，放电电极间距为5mm，直径1mm。
脉冲电源5给第一和第二回路施加脉冲电压，电压20kV，激励频率5kHz，脉冲宽度1000ns。
等离子体合成射流激励器1-1的正电极1-1-1和负电极1-1-2在高电压的作用下在腔体内放电，依次类推，直至等离子体合成射流激励器1-4正电极1-4-1和负电极1-4-2也在腔体内放电，各级放电元件被依次击穿，同时喷射出4股等离子体合成射流。
第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1的正电极2-1-1和负电极2-1-2在高电压的作用下在第一脉冲电弧放电等离子体激励器2-1上表面形成电弧放电，依次类推，直至第四脉冲电弧放电等离子体激励器2-4的正电极2-4-1和负电极2-4-2 也产生电弧放电，各级放电元件被依次击穿，形成4道虚拟型面，并产生4道弱的压缩波。
角区激波前缘的等离子体合成射流激励促进角区的流动掺混、角区激波上游的脉冲电弧放电等离子体激励诱导角区激波前移，两者的协同作用，减弱了角区的流动分离，进一步促使主流分离泡展向与流向长度的变短，有效控制了三维激波/附面层干扰角区分离的大小，从而提高进气道工作的稳定性。
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 (6)
1.等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的装置，其特征在于，包括进气道简化模型(3)，激波发生器(4)，等离子体合成射流激励器(1)，脉冲电弧放电等离子体激励器(2)，圆柱形垂直通孔(6)；其中
进气道简化模型(3)为中空长方体形壳体，内部开有长方形通孔，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，固定安装于进气道简化模型(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)的坡度范围为20～30度，激波发生器(4)采用绝缘材料制成；
进气道简化模型(3)的侧壁面和下壁面都打有圆柱形垂直通孔(6)，用于安装等离子体合成射流激励器(1)和脉冲电弧放电等离子体激励器(2)，圆柱形垂直通孔(6)的数量为2N，N为非零自然数；其中，在角区激波前缘有N个通孔，其中下壁面N/2个，侧壁面N/2个，下壁面N/2个和侧壁面N/2个圆柱形垂直通孔(6)均沿流向排列，流向间距相等；下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔(6)的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的N/2个圆柱形垂直通孔(6)分别安装第一、第二、…第N/2等离子体合成射流激励器(1-1、1-2、…1-N/2)，侧壁面的N/2个圆柱形垂直通孔(6)分别安装第N/2+1、第N/2+2、…第N等离子体合成射流激励器(1-N/2+1、1-N/2+2、…1-N)；在角区激波上游有N个通孔，其中下壁面N/2个，侧壁面N/2个，下壁面N/2个和侧壁面N/2个圆柱形垂直通孔(6)均沿流向排列，流向间距相等；下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔(6)的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的N/2个圆柱形垂直通孔(6)分别安装第一、第二、…第N/2脉冲电弧放电等离子体激励器(2-1、2-2、…2-N/2)，侧壁面的N/2个圆柱形垂直通孔(6)分别安装第N/2+1、第N/2+2、…第N脉冲电弧放电等离子体激励器(2-N/2+1、2-N/2+2、…2-N)；
等离子体合成射流激励器(1)安装于角区激波前缘，由腔体、喷口、放电电极三部分组成，腔体构型为圆腔形，体积范围为50mm3～100mm3；腔体外部直径略小于圆柱形垂直通孔(6)直径以便于放入；安装时上表面与进气道壁面平齐；放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为1mm～3mm；长度为2mm～5mm；放电电极上端位于腔体内部，下端穿出腔体与导线相连；喷口构型也为圆腔型，喷口直径范围为1mm～3mm；深度为0.5mm～2mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器(2)的形状为圆柱形，圆柱形直径略小于圆柱形垂直通孔(6)直径以便于放入；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)的正、负两个放电电极上下贯穿圆柱并置于其中，正、负两个放电电极在圆柱中对称放置且彼此平行，正、负两个放电电极上端与圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极下端穿出圆柱下表面并与导线相连；放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为1mm～3mm，长度根据需要确定，能够贯穿特氟龙圆柱即可；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)固定于圆柱形垂直通孔(6)中，其上表面与进气道内壁面齐平，下表面与进气道外壁面平齐；
等离子体合成射流激励器(1)两电极间距为3mm～6mm；等离子体合成射流激励器(1)流向间距为10mm～20mm；等离子体合成射流激励器(1)中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器(2)两电极间距为3mm～6mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)流向间距为10mm～20mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm；
等离子体合成射流激励器(1)和脉冲电弧放电等离子体激励器(2)的放电电极材料均采用耐高温金属。
2.如权利要求1所述的等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的装置，其特征在于
等离子体合成射流激励器(1)腔体的体积为100mm3；放电电极直径为1mm；长度为4mm；通过绝缘胶带将导线与放电电极封缠，防止爬电；喷口直径为1mm；深度为2mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器(2)采用绝缘特氟龙材料制作，通过绝缘胶带将导线与放电电极封缠，防止爬电；放电电极直径为1mm；
激波发生器(4)的坡度为24度；
等离子体合成射流激励器(1)两电极间距为5mm；等离子体合成射流激励器(1)流向间距为15mm；等离子体合成射流激励器(1)中轴线与相邻壁面之间间距为5mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器(2)两电极间距为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)流向间距为15mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)中轴线与相邻壁面之间间距为5mm；
等离子体合成射流激励器(1)和脉冲电弧放电等离子体激励器(2)的放电电极材料均采用铜、铁或钨。
3.如权利要求1或2所述的等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的装置，其特征在于，圆柱形垂直通孔(6)个数为8个，在角区激波前缘有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2个；在角区激波上游有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2个。
4.等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离电路系统，其特征在于，包括进气道简化模型(3)，激波发生器(4)，等离子体合成射流激励器(1)，脉冲电弧放电等离子体激励器(2)，脉冲电源(5)，圆柱形垂直通孔(6)；其中
进气道简化模型(3)为中空长方体形壳体，内部开有长方形通孔，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，固定安装于进气道简化模型(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；
进气道简化模型(3)的侧壁面和下壁面都打有圆柱形垂直通孔(6)，用于安装等离子体合成射流激励器(1)和脉冲电弧放电等离子体激励器(2)，圆柱形垂直通孔(6)的数量为8个；其中，在角区激波前缘有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2个，下壁面2个和侧壁面2个圆柱形垂直通孔(6)均沿流向排列，流向间距相等；下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔(6)的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的2个圆柱形垂直通孔(6)分别安装第一、第二等离子体合成射流激励器(1-1、1-2)，侧壁面的2个圆柱形垂直通孔(6)分别安装第3、第4等离子体合成射流激励器(1-3、1-4)；在角区激波上游有4个通孔，其中下壁面2个，侧壁面2个，下壁面2个和侧壁面2个圆柱形垂直通孔(6)均沿流向排列，流向间距相等；下壁面和侧壁面圆柱形垂直通孔(6)的位置沿两壁面交线对称，其中下壁面的2个圆柱形垂直通孔(6)分别安装第一、第二脉冲电弧放电等离子体激励器(2-1、2-2)，侧壁面的2个圆柱形垂直通孔(6)分别安装第三、第四脉冲电弧放电等离子体激励器(2-3、2-4)；
等离子体合成射流激励器(1)安装于角区激波前缘，由腔体、喷口、放电电极三部分组成，腔体构型为圆腔形，体积范围为50mm3～100mm3；腔体外部直径略小于圆柱形垂直通孔(6)直径以便于放入；安装时上表面与进气道壁面平齐；放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为1mm～3mm；长度为2mm～5mm；放电电极上端位于腔体内部，下端穿出腔体与导线相连；喷口构型也为圆腔型，喷口直径范围为1mm～3mm；深度为0.5mm～2mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器(2)的形状为圆柱形，圆柱形直径略小于圆柱形垂直通孔(6)直径以便于放入；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)的正、负两个放电电极上下贯穿圆柱并置于其中，正、负两个放电电极在圆柱中对称放置且彼此平行，正、负两个放电电极上端与圆柱上表面齐平，正、负两个放电电极下端穿出圆柱下表面并与导线相连；放电电极形状为圆柱形针状结构，直径为1mm～3mm，长度根据需要确定，能够贯穿特氟龙圆柱即可；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)固定于圆柱形垂直通孔(6)中，其上表面与进气道内壁面齐平，下表面与进气道外壁面平齐；
等离子体合成射流激励器(1)与脉冲电弧放电等离子体激励器(2)之间并联连接，分别与脉冲电源(5)构成第一回路和第二回路；第一回路中的等离子体合成射流激励器(1)依次串联连接，第二回路中的脉冲电弧放电等离子体激励器(2)也依次串联连接；第一等离子体合成射流激励器(1-1)的正电极(1-1-1)、第一脉冲电弧放电等离子体激励器(2-1)的正电极(2-1-1)与电源的正极相连，第四等离子体合成射流激励器(1-4)的负电极(1-4-2)、第四脉冲电弧放电等离子体激励器(2-4)的负电极(2-4-2)与电源的负极相连；在第一回路中，第一等离子体合成射流激励器(1-1)的负电极(1-1-2)与第二等离子体合成射流激励器(1-2)的正电极(1-2-1)相连，第二等离子体合成射流激励器(1-2)的负电极(1-2-2)与第三等离子体合成射流激励器(1-3)的正电极(1-3-1)相连，依次类推，将4个等离子体合成射流放电通道串联进入第一回路中；在第二回路中，第一脉冲电弧放电等离子体激励器(2-1)的负电极(2-1-2)与第二脉冲电弧放电等离子体激励器(2-2)的正电极(2-2-1)相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器(2-2)的负电极(2-2-2)与第三脉冲电弧放电等离子体激励器(2-3)的正电极(2-3-1)相连，依次类推，将4个脉冲电弧放电通道串联进入第二回路中；
等离子体合成射流激励器(1)两电极间距为3mm～6mm；等离子体合成射流激励器(1)流向间距为10mm～20mm；等离子体合成射流激励器(1)中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器(2)两电极间距为3mm～6mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)流向间距为10mm～20mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)中轴线与相邻壁面之间间距为5mm～10mm；
第二等离子体合成射流激励器(1-2)与第一脉冲电弧放电等离子体激励器(2-1)之间的流向间距为10mm～20mm；
等离子体合成射流激励器(1)和脉冲电弧放电等离子体激励器(2)的放电电极材料均采用耐高温金属；
脉冲电源(5)的工作电压和频率可调，电压范围为1kV～20kV；频率范围为1Hz～20kHz。
5.如权利要求4所述的等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离电路系统，其特征在于
等离子体合成射流激励器(1)腔体的体积为100mm3；放电电极直径为1mm；长度为4mm；通过绝缘胶带将导线与放电电极封缠，防止爬电；喷口直径为1mm；深度为2mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器(2)采用绝缘特氟龙材料制作，通过绝缘胶带将导线与放电电极封缠，防止爬电；放电电极直径为1mm；
激波发生器(4)的坡度为24度；
等离子体合成射流激励器(1)两电极间距为5mm；等离子体合成射流激励器(1)流向间距为15mm；等离子体合成射流激励器(1)中轴线与相邻壁面之间间距为5mm；
脉冲电弧放电等离子体激励器(2)两电极间距为5mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)流向间距为15mm；脉冲电弧放电等离子体激励器(2)中轴线与相邻壁面之间间距为5mm；
第二等离子体合成射流激励器(1-2)与第一脉冲电弧放电等离子体激励器(2-1)之间的流向间距为10mm；
等离子体合成射流激励器(1)和脉冲电弧放电等离子体激励器(2)的放电电极材料均采用铜、铁或钨；
脉冲电源(5)的电压为20kV；频率为5kHz。
6.基于权利要求4或5中任何一项所述的电路系统的一种等离子体激励控制三维激波/附面层干扰角区分离的方法，包括下列步骤：
步骤1：脉冲电源(5)施加高频脉冲电压，等离子体合成射流激励器(1)与脉冲电弧放电等离子体激励器(2)分别与脉冲电源(5)构成第一回路和第二回路，具体为：
等离子体合成射流电路连接如下：第一等离子体合成射流激励器(1-1)的正电极(1-1-1)与脉冲电源(5)的正极相连，第四等离子体合成射流激励器(1-4)的负电极(1-4-2)与脉冲电源(5)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：第一等离子体合成射流激励器(1-1)的负电极(1-1-2)与第二等离子体合成射流激励器(1-2)的正电极(1-2-1)相连，第二等离子体合成射流激励器(1-2)的负电极(1-2-2)与第三等离子体合成射流激励器(1-3)的正电极(1-3-1)相连，依次类推，如此将4个等离子体合成射流激励器(1)都串联进入整个放电回路中；
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(2-1)的正电极(2-1-1)与脉冲电源(5)的正极相连，第四脉冲电弧放电等离子体激励器(2-4)的负电极(2-4-2)与脉冲电源(5)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(2-1)的负电极(2-1-2)与第二脉冲电弧放电等离子体激励器(2-2)的正电极(2-2-1)相连，第二脉冲电弧放电等离子体激励器(2-2)的负电极(2-2-2)与第三脉冲电弧放电等离子体激励器(2-3)的正电极(2-3-1)相连，依次类推，如此将4个脉冲电弧放电等离子体激励器(2)都串联进入整个放电回路中；
步骤2：在电势差作用下，等离子体合成射流激励器回路中，第一等离子体合成射流激励器(1-1)的正电极(1-1-1)与负电极(1-1-2)之间的放电通道最先建立，加热等离子体合成射流激励器腔体内气体，产生等离子体射流，紧接着，回路中的等离子体合成射流原件按等第二离子体合成射流激励器(1-2)、第三等离子体合成射流激励器(1-3)、第四等离子体合成射流激励器(1-4)的顺序被依次击穿，最终形成4股等离子体合成射流；脉冲电弧放电等离子体激励器回路中，第一脉冲电弧放电等离子体激励器(2-1)的正电极(2-1-1)与负电极(2-1-2)之间的放电通道最先建立，在安装位置表面形成脉冲电弧放电，产生虚拟型面，紧接着，回路中的脉冲电弧等离子体原件按第二脉冲电弧放电等离子体激励器(2-2)、第三脉冲电弧放电等离子体激励器(2-3)、第四脉冲电弧放电等离子体激励器(2-4)的顺序被依次击穿，最终建立4个放电通道，形成虚拟型面；
步骤3：等离子体合成射流促进角区附面层与主流的掺混，减弱角区分离和角区分离对主流区的影响，进而拓展主流区分离泡的展向长度；脉冲电弧放电形成的虚拟型面产生新的弱角区激波，诱导原有角区激波前移，使得两侧角区激波在下壁面的交点位于主流区分离泡上游，同时减弱角区分离和主流分离泡的展向与流向长度；两者的共同作用有效调控角区分离的尺度，从而改善进气道工作的稳定性。
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