CN112781071B - 一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的方法 - Google Patents

Abstract

一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的装置，包括上侧平板、下侧平板、激励块和高压直流电源。上侧平板右侧有面向下的凹腔，上侧平板前缘具有第一斜角；下侧平板前缘具有第二斜角，下侧平板打有多个两级圆柱形通孔，用于固定等离子体激励器，上级通孔用于固定放电电极，下级通孔用于固定连接放电电极的导线；采用N个放电电源分别为N排展向激励器供电；同步控制器输出端分别控制N个放电电源的工作。还提供一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的方法。本发明的装置及其方法，通过改变电弧等离子体激励器的结构、布局、激励频率和激励能量，能够调控超声速凹腔剪切的流动状态。

Description

一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的方法

本发明涉及航空航天领域的流动控制领域，具体涉及一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的方法。

背景技术

凹腔是一种典型的超燃冲压发动机燃料混合增强和火焰稳定技术，超声速气流流过凹腔，会在凹腔内形成一个回流区，回流区的增大可以提高燃烧室的火焰稳定能力。凹腔由前缘、后缘和底壁构成，主要结构尺寸为：长度L，深度D，长深比L/D以及后壁倾角。凹腔的长深比L/D决定凹腔的流动类型，具体可以分为：L/D＜10为开式凹腔，L/D＞13为闭式凹腔，L/D＝10-13为过渡型凹腔。凹腔内的低速回流和高速主流之间形成剪切层，剪切层向下游发展时偏向主流，因此在凹腔前缘有压缩波系；凹腔的后向台阶有膨胀波和再附激波产生。根据剪切层的发展模态，可以将超声速凹腔流动分为三种类型，分别为：开式凹腔、闭式凹腔和过渡凹腔。开式凹腔中剪切层附着于凹腔的后端面，因此在凹腔内形成了一个单一的回流区，在分离和再附点有弱激波；闭式凹腔前缘形成的剪切层再附于凹腔底部，不能横跨整个凹腔，凹腔内形成两个大的回流区；过渡型则处于中间状态。开式凹腔是目前超燃冲压发动机主要采用的燃料混合增强器和火馅稳定器。

超声速来流经凹腔产生强非稳态剪切层，剪切层不稳定性易引起开式凹腔出现自激振荡，凹腔内和周围气流的压力、密度和速度出现周期性脉动。凹腔内的自激振荡会导致结构疲劳损坏，且凹腔构型不具备动态可调性，在非设计飞行工况下性能有限。因此，如何拓展其助燃、稳燃能力是一新兴的研究方向。多种主动和被动措施被引入到凹腔流场内，以抑制凹腔流动的自激振荡，扩大凹腔内部回流区，提高其助燃能力。被动措施通常是在凹腔上游安装涡发生器或扰流器，主动措施主要包括各种机械、声波干扰或流体喷注等方法。传统的剪切层控制方法存在响应慢、激励强度小、激励位置和激励频率不可调等不足。因此发展响应快、强度大和可调控的流动控制方法是超声速凹腔剪切层流动控制的迫切需求。电弧放电激励流动控制是通过等离子体放电施加扰动，从而控制流场，具有激励强度大、激励频带宽、响应迅速、结构简单等优势，在超声速凹腔流动控制方面具有很大的潜力。

发明内容

针对凹腔流动控制的迫切需求和电弧放电激励等离子体激励在流动控制领域的巨大优势，本发明提出一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的装置及其方法，通过改变电弧等离子体激励器的结构、布局、激励频率和激励能量，来调控超声速凹腔剪切的流动状态。

附图说明

图1为本发明等离子体激励块装配图；

图2激励器阵列下侧平板的安装俯视图；

图3为本发明阵列式脉冲电弧等离子体激励器电路连接示意图。

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。

本发明采用一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的装置，由上下两块壁板组成，具体包括：上侧平板、下侧平板、激励块和高压直流电源。如图1所示，上侧平板由绝缘亚克力材料制成，不易变形，且不易爬电，上侧平板右侧有面向下的凹腔，沿流向为凹腔长度方向、沿展向为凹腔宽度方向(凹腔沿展向是贯穿的)，凹腔底壁距离上侧平板后缘(图1中右侧)保持一定间距，凹腔长度记为L，深度记为D；上侧平板前缘(图1中左侧)为15°的斜角，该斜角顶点位于上侧平板底面上，自上侧平板底面沿逆时针方向展开。下侧平板由绝缘亚克力材料组成，下侧壁板前缘为15°的斜角，该斜角顶点位于下侧平板上表面，自下侧平板上表面沿顺时针方向展开。如图2所示，下侧平板打有两级圆柱形通孔，用于固定等离子体激励器，上级通孔用于固定放电电极，上级通孔的直径等于或略大于放电电极的直径，便于上级通孔内壁与放电电极之间形成紧配合；下级通孔用于固定连接放电电极的导线，一般略大于高压导线的直径；激励块的位置在流向上位于凹腔上游，在本发明的一个实施例中，在下侧平板上共打有M×N个阵列型圆柱形通孔，沿展向M个，M为偶数，沿流向N个，在本发明的一个实施例中，共设置18个通孔。展向上紧邻的两个放电电极为一对放电电极，构成一个激励器。激励器采用电弧放电等离子体激励器，其主要参数为电极形状、材料和电极间距，一般采用耐高温的铜、铁、钨针等材料作为电极，电极流向和展向间距均为1～5mm，电极采用无缝齐平式安装，其上端与下侧平板上表面齐平，以减小安装引起的流场扰动。高压直流电源采用6kV的稳压直流电源，通过连续放电诱导产生激波。

M×N个放电电极按照先展向、后流向的顺序，通过串联的方式连接，并且，展向第一排第一列放电电极1-1通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与高压直流电源高压端相连，展向第N排第M列放电电极N-M与通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与高压直流电源低压端相连。

在本发明的一个具体实施例中，当M＝6，N＝3时，沿流向共形成三对放电电极，展向有三排放电电极，共形成九对放电电极，也就是形成了九对激励器。每个放电电极标号为x-y，其中x、y分别表示该放电电极所处在流向和展向的位置，采用三个高压直流电源分别为三组展向激励器供电，以第一组展向激励器连接为例进行说明：第一放电电极1-1通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与第一高压直流电源高压端相连，第二放电电极1-2与第三放电电极1-3各自通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线直接相连，第四放电电极1-4与第五放电电极1-5各自通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线相连，依此法依次将五对电极相连，第六放电电极1-6通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与第一高压直流电源低压端相连。第二、三组展向激励器采用相同方式分别与第二、三高压直流电源连接，不再累述。

在本发明的一个具体实施例中，等离子体流动控制的装置如图1所示。上侧平板长度为350mm，厚度为20mm，前缘为15°的斜角，上侧平板设置有一个长L＝80mm，深度D＝10mm的开式凹腔，凹腔前缘距离平板前缘200mm。下侧平板长度为350mm，厚度为20mm，前缘为15°斜角，下侧平板的流向位置与上侧平板相同。

在本发明的一个具体实施例中，设计了3×3的激励阵列，设计有9个激励器，共打有18个圆柱形通孔用以固定电极和导线。将沿展向的三对电极记为一组，沿流向从前到后标记为1～3。将第x组展向电极的电极对标记为x-1～x-6。

在本发明的一个具体实施例中，相邻展向电极的间距为2.5mm，相邻展向电极对间距为15mm，相邻流向电极对的间距为15mm。3×3的激励器阵列可以扩大激励面积。2.5mm的电极间距在6kV的高压直流电源下可以稳定放电。电极采用直径为1mm的耐高温钨针电极，导线采用外径为2mm的高压导线。

在本发明的一个具体实施例中，圆柱形通孔设计为上下两级。靠近平板表面的上级通孔直径等于钨针电极的直径，为1mm，下级通孔直径略大于导线直径，为2.1mm。

在本发明的一个具体实施例中，采用三个高压直流电源分别击穿三组展向激励器进行放电，三个高压直流电源分别记为直流电源1～3。高压直流电源最高输出电压为6kV，采用一个同步控制器控制高压直流电源的开关，用以控制三个高压直流电源的工作时序。图3给出激励器工作的电路示意图。

在本发明的一个具体实施例中，直流电源的输出电压为6kV，同步控制器采用DG535同步控制器，精度可达ns量级，同轴电缆用于连接直流电源与同步控制器。通过同步控制系统达成三路激励器同时放电。

本发明还提供一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的方法，包括：

步骤1：如上所述利用高压导线连接高压直流电源与激励器，利用同轴电缆连接同步控制器与直流电源，具体如下：

对于第一组展向激励器而言，将第一放电电极1-1与第一高压直流电源1的高压端相连，展向上其他放电电极通过高压导线按照上述方法串联连接，将第六放电电极1-6与高压直流电源的低压端相连。依此法连接第二、第三两组激励器。DG535同步控制器的信号输出端通过多通道接口分别与三个高压直流电源的触发开关相连接。

步骤2：打开信号发生器开关，输出一个5v的高电平，通过多通道接口同时输送到三个高压直流电源的触发端。三个高压直流电源开始同步放电。

步骤3：在高压直流电源输出电势差的作用下，第一展向上的第一电极对、第二展向上的第一电极对、第三展向上的第一电极对首先被击穿，在平板表面形成电弧放电产生高压高温区域，而后依次顺序击穿展向上的其他电极对。

步骤4：持续的电弧放电产生的高压区给来流一个逆压梯度，主流流过该区域时产生一道激波，激波与凹腔剪切层相互作用。阵列式的布局扩大了扰动区域；在来流条件下，相比于单通道激励，凹腔剪切层受到的扰动效应增加，控制效果增强。

具体实施例

将一个带有凹腔的平板和带有激励器的下侧平板安装于马赫2风洞实验台上，上侧和下侧平板前缘为15度斜角，上侧平板与下侧平板的流向位置相同，通过左右各5各M6螺栓固定平板模型。凹腔设置为长度L＝80mm，深度D＝10mm的开式凹腔，凹腔后壁倾斜角为45度，凹腔前壁距离平板前缘为200mm；下侧平板装有激励器，激励器距离平板前缘为155mm，激励器与凹腔前缘的流向距离为15mm。激励器具体设置为：电极材料采用直径为1mm的钨针，展向电极间距为2.5mm，展向电极对之间间距为15mm，流向电极对之间的间距为15mm。将三组展向电极阵列分别与三个直流电源相连，三个直流电源通过同轴电缆和一个多通道接口与DG535同步控制器相连。直流电源的放电电压为6kV。

风洞启动的同时开始放电，风洞启动后，在马赫数2的来流下，凹腔内的低速流体与主流的高速流体间会形成一个剪切层，凹腔内有回流区形成。等离子体激励产生高压区，诱导产生激波，激波与凹腔剪切层相互作用，使得凹腔内的回流区增大，凹腔作用效果更好。

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)

1.一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的装置，其特征在于具体包括：上侧平板、下侧平板、激励块和高压直流电源；其中

上侧平板右侧有面向下的凹腔，沿流向为凹腔长度方向、沿展向为凹腔宽度方向，凹腔底壁距离上侧平板后缘保持一定间距，凹腔长度为L，深度为D；上侧平板的上侧壁板前缘具有第一斜角，第一斜角顶点位于上侧平板底面上，自上侧平板底面沿逆时针方向展开；

下侧平板的下侧壁板前缘具有第二斜角，第二斜角顶点位于下侧平板上表面，自下侧平板上表面沿顺时针方向展开；下侧平板打有多个两级圆柱形通孔，用于固定等离子体激励器，上级通孔用于固定放电电极，上级通孔的直径等于或略大于放电电极的直径，便于上级通孔内壁与放电电极之间形成紧配合；下级通孔用于固定连接放电电极的导线；

将含有所述多个两级圆柱形通孔及其内部布置的放电电极和导线的下侧平板区域称为激励块，激励块的位置在流向上位于凹腔上游，所述多个两级圆柱形通孔呈M×N个阵列型排布，沿展向M个，M为偶数，沿流向N个；展向上紧邻的两个放电电极为一对放电电极，构成一个激励器；M×N个放电电极按照先展向、后流向的顺序，通过串联的方式连接，并且，展向第一排第一列放电电极（ 1-1） 通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与高压直流电源高压端相连，展向第N排第M列放电电极N-M与通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与高压直流电源低压端相连；中间的各组放电电极，依次串行连接；

采用N个高压直流电源分别为N排展向激励器供电；

高压直流电源输出端接同步控制器，同步控制器输出端分别控制N个高压直流电源的工作。

2.如权利要求1所述的异侧电弧放电激励控制凹腔流动的装置，其特征在于，当M＝6，N＝3时，沿流向共形成三对放电电极，展向有三排放电电极，共形成九对放电电极；每个放电电极标号为x-y，其中x、y分别表示该放电电极所处在流向和展向的位置，采用三个高压直流电源分别为三组展向激励器供电，对第一组展向激励器而言：第一放电电极（ 1-1） 通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与第一高压直流电源高压端相连，第二放电电极（1-2） 与第三放电电极（ 1-3） 各自通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线直接相连，第四放电电极（ 1-4） 与第五放电电极（ 1-5） 各自通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线相连，依此法依次将五个电极相连，第六放电电极（ 1-6） 通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与第一高压直流电源低压端相连；第二、三组展向激励器采用相同方式分别与第二、三高压直流电源连接。

3.如权利要求1所述的异侧电弧放电激励控制凹腔流动的装置，其特征在于，放电电极流向和展向间距均为1～5mm，电极采用无缝齐平式安装，其上端与下侧平板上表面齐平。

4.如权利要求1所述的异侧电弧放电激励控制凹腔流动的装置，其特征在于，上侧平板长度为350mm，厚度为20mm，前缘为15°的斜角，上侧平板设置有长L＝80mm，深度D＝10mm的开式凹腔，凹腔前缘距离平板前缘200mm；下侧平板长度为350mm，厚度为20mm，前缘为15°斜角，下侧平板的流向位置与上侧平板相同。

5.如权利要求1所述的异侧电弧放电激励控制凹腔流动的装置，其特征在于，相邻展向电极的间距为2.5mm，相邻展向电极对间距为15mm，相邻流向电极对的间距为15mm。

6.基于权利要求2所述的异侧电弧放电激励控制凹腔流动的装置，提供一种异侧电弧放电激励控制凹腔流动的方法，其特征在于，具体包括下列步骤：

步骤1：连接高压直流电源与放电电极，连接同步控制器与高压直流电源，具体如下：

对于第一组展向激励器而言，将第一放电电极（ 1-1） 与第一高压直流电源的高压端相连，展向上其他放电电极串联连接，将第六放电电极（ 1-6） 与高压直流电源的低压端相连；依此法连接第二、第三两组激励器；同步控制器的信号输出端通过多通道接口分别与三个高压直流电源的触发开关相连接；

步骤2：打开信号发生器开关，输出一个触发信号，通过多通道接口将该触发信号同时输送到三个高压直流电源的触发端；三个高压直流电源开始同步放电；

步骤3：在高压直流电源输出电势差的作用下，第一展向上的第一电极对、第二展向上的第一电极对、第三展向上的第一电极对首先被击穿，在平板表面形成电弧放电产生高压高温区域，而后依次顺序击穿展向上的其他电极对；

步骤4：持续的电弧放电产生的高压区给来流一个逆压梯度，主流流过该高压区时产生一道激波，激波与凹腔剪切层相互作用；阵列式的布局扩大了扰动区域；在来流条件下，相比于单通道激励，凹腔剪切层受到的扰动效应增加，控制效果增强。

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