CN112911777A - 一种电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开一种电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，包括带有凹腔的平板，激励块，放电电极和高压脉冲电源。平板后缘挖有凹腔，前缘设置斜角，在凹腔和平板前缘之间、平板的上表面安装激励块，激励块采用嵌入的方式，其上表面与平板上表面齐平。激励块上加工垂直于激励块上表面的用于固定放电电极的圆柱形两级通孔，两级通孔在激励块上阵列式排布，靠近平板表面的是上级通孔，远离平板表面的是下级通孔，同一个两级通孔内的导线和电极电连接。放电电源采用高压高频纳秒脉冲电源。一种电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的方法。本发明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

一种电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置及方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域的流动控制领域，具体涉及一种电弧放电激励调 控超声速凹腔剪切层的方法及其装置。

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，结构上 它由后向台阶和前向台阶组成。超声速气流流过凹腔，会在凹腔内形成一个回 流区，凹腔内低速回流和高速主流形成剪切层。按剪切层发展模态，将超声速 凹腔流动分为开式、闭式和过渡三种类型。开式凹腔前缘形成的剪切层横跨整 个凹腔，再附着于凹腔后壁，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。凹腔的长深比L/D是决定凹腔流动类型的主要因素，L、 D分别为凹腔的长度和深度，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。目前超燃冲压发动机主要采用开式凹腔作为燃料混合 增强器和火馅稳定器。

剪切层自身的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。开式凹腔作为超燃冲压发动机的火焰稳 定装置，需要为主流提供一个常驻的稳定火焰源。多种主动和被动措施引入到 凹腔前缘，以抑制凹腔流动的自激振荡，避免不稳定燃烧。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。传统的剪切层控制存在响应速度慢、激励位置不可调、激励频 率不可控、流动损失大等不足，迫切需要发展响应快、强度大和激励可调的流 动控制方法，以满足控制超声速凹腔剪切层流动控制需求。等离子体流动控制 是基于“等高子体气动激励”的新概念主动流动控制技术，具有激励强度大、 频带宽、响应快、结构简单等优势，在超声速凹腔剪切层控制方面具有很大的 潜力。

发明内容

针对超声速凹腔剪切控制的迫切需求和电弧放电等离子体激励在流动控制 领域的巨大优势，本发明提出一种电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置， 包括：带有凹腔的平板，激励块，放电电极，高压脉冲电源；其中

平板后缘挖有凹腔，前缘设置斜角，在凹腔和平板前缘之间、平板的上表 面安装激励块，激励块采用嵌入的方式，其上表面与平板上表面齐平；

激励块上加工垂直于激励块上表面的用于固定放电电极的圆柱形两级通 孔，两级通孔在激励块上阵列式排布，沿流向为N个，沿展向为M个，M为偶 数，展向上紧邻的两个放电电极为一对放电电极；靠近平板表面的是上级通孔， 其直径等于或略小于放电电极材料的直径；远离平板表面的是下级通孔，其直 径略大于连接上述放电电极的高压导线的外径；上级通孔和下级通孔紧密接触 且联通，两个通孔轴线重合；安装时放电电极表面与平板表面无缝齐平安装；

放电电极直径略小于上级通孔直径，放电电极上表面平整且与激励块上表 面平齐，同一个两级通孔内的导线和电极电连接；

放电电源采用高压高频纳秒脉冲电源；

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 放电电源高压端相连，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放电电源低压端相连。

在本发明的一个具体实施例中，当M＝2，N＝5时，沿流向共形成五对放电 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，其具体连接方式为：第一放电电极1-1通过相应的下级通孔内与其 相连的高压导线与放电电源高压端相连，第二放电电极1-2与第三放电电极2-1 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2-2 与第五放电电极3-1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，最后，第十放电电极5-2与通过相应的下级通孔内与其 相连的高压导线与放电电源低压端相连。

在本发明的一个实施例中，凹腔设计为开式凹腔，凹腔长度 L＝100mm～150mm，深度D＝15mm～20mm；激励块靠近凹腔距离为1D～1.5D。

在本发明的一个具体实施例中，平板采用绝缘性材料，激励块使用耐高温 的陶瓷材料；平板前缘斜角15°；凹腔后壁倾斜，倾斜角为45°；凹腔长度 L＝100mm，凹腔深度D＝15mm。

在本发明的另一个实施例中，靠近平板表面的上级通孔直径1mm～1.5mm； 下级通孔直径4mm～5mm。

在本发明的又一个实施例中，展向上相邻电极间距4mm～7mm，流向的相邻 电极的间距10mm～30mm。

在本发明的另一个具体实施例中，展向上相邻放电电极间距5mm；流向上 相邻放电电极间距15mm；放电电极对1距离平板前缘100mm，电极对5距离 凹腔为15mm。

在本发明的再一个实施例中，放电电源输出电压1～20kV连续可调，放电频 率1～20kHz连续可调。

上述电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其电弧放电激励调控超 声速凹腔剪切层的方法，包括下列步骤：

步骤1：放电电源施加高频脉冲电压，五路放电电极串联与放电电源构成回路； 放电电源接通后，首先在第一放电电极1-1与第二放电电极1-2两端形成电势差， 击穿由第一放电电极1-1与第二放电电极1-2组成的第一放电电极对1后，放电 电源的高压端施加高电压于第三放电电极2-1，在第三放电电极2-1与第四放电 电极2-2两端形成电势差，然后击穿由第三放电电极2-1与第四放电电极2-2组 成的第二电极对2，依次类推，直至五对电极都被击穿；

步骤2：在电势差作用下，第一放电电极1-1与第二放电电极1-2之间的等 离子体放电通道最先建立，在平板表面形成脉冲电弧放电；紧接着，第二放电 电极对2击穿后建立等离子体放电通道，在平板表面形成脉冲电弧放电，之后 依次击穿后面的电极间隙，形成总共五路等离子体放电通道，产生五道前驱冲 击波，同时加热平板表面空气，形成热气团；

步骤3：前驱冲击波对凹腔剪切层施加冲击效应，热气团沿着来流与剪切层 相互作用，对剪切层施加一个扰动；多通道的建立更加扩大扰动区域的大小； 在来流条件下，相比于单通道激励，凹腔剪切曾受到的扰动效应增加，能够实 现持续的扰动，有利于增大凹腔内回流区大小。

本发明的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。

附图说明

图1为本发明等离子体激励模块装配图；

图2为本发明多路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。

本发明采用一种电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，包括：带有 凹腔的平板，激励块，放电电极，高压脉冲电源。

如图1所示，平板后缘(右端)挖有凹腔，前缘(左端)设置斜角，在凹 腔和平板前缘之间、平板的上表面安装激励块，激励块采用嵌入的方式，其上 表面与平板上表面齐平。平板采用绝缘性良好的亚克力材料制作，平板前缘斜 角设置为15°，以确保在超声速来流中不产生正激波流场干扰。激励块使用耐 高温的陶瓷材料，可以确保接通电源放电时不会烧毁。凹腔长度 L＝100mm～150mm，深度D＝15mm～20mm。激励块靠近凹腔距离为1D～1.5D。激励块上加工垂直于激励块上表面的用于固定电极的圆柱形两级通孔，两级通 孔在激励块上阵列式排布，沿流向为N个，沿展向为M个，M为偶数，展向上 紧邻的两个放电电极为一对放电电极。靠近平板表面的上级通孔直径为 1mm～1.5mm，该直径等于(或略小于)放电电极材料的直径，便于放电电极固 定于其中；下级通孔直径为4mm～5mm，该直径略大于连接上述电极的高压导线 的外径；上级通孔和下级通孔紧密接触且联通，两个通孔轴线重合。展向上相 邻电极间距为4mm～7mm，流向的相邻电极对之间的间距为10mm～30mm。在本 发明的一个实施例中，沿展向涉及一对放电电极，沿流向设计有5对放电电极， 因此圆柱形通孔数量为10个。电弧放电电极材料采用钨、铜、铁等耐高温的导 电材料，一般选择钨针。安装时电极表面与平板表面无缝齐平安装。放电电源 采用一种高压高频纳秒脉冲电源(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)，便于在放电时产生冲击波控制 流场。高压脉冲电源输出电压1～20kV连续可调，放电频率1～20kHz连续可调。 放电电极可使用钨针，形状为圆柱形，直径略小于上级通孔的直径，放电电极 上表面平整且与激励块上表面平齐。与放电电极连接的导线插入比导线直径略 大的圆柱形通孔的大孔内，放电电极顺势插入小孔内并与激励块上表面平齐， 用耐高温绝缘密封胶将两级通孔与导线密封。同一个两级通孔内的导线和电极 电连接。

如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，凹腔设计为开式凹腔，具体 为长L＝100mm，深度D＝15mm。采用沿流向分布的五对电弧等离子体放电激励， 即，沿流向布置五对放电电极。将五对放电电极从平板前缘到后缘依次标号为 1～5，每对电极由两个独立不相连的电极组成，分别编号为x-1，x-2，x表示上 述标号。

在本发明的一个具体实施例中，采用直径为1mm的钨针作为放电电极，钨 针电极固定于直径1mm的上级通孔内(通孔尺寸要保证电极恰能插入其中)。 五对电极通过串联的方式连接，具体连接方式为：电极1-1通过相应的下级通孔 内与其相连的高压导线与电源高压端相连，电极1-2与2-1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，电极2-2与电极3-1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，最后，电极5-2 与通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与脉冲电源低压端相连。所用高 压导线直径例如为3.6mm，下级通孔直径例如为4mm。

在本发明的一个具体实施例中，同一电极对中两个电极间距为5mm；电极 对间距为15mm。电极对1距离平板前缘100mm，电极对5距离凹腔为15mm。

在本发明的一个具体实施例中，高压脉冲电源的电压设置为20kV，这样可 以达成稳定的击穿电压，高压脉冲电源的频率设置为5kHz，在这个频率下电源 可以稳定工作。

还提供一种电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的方法，包括：

步骤1：高频脉冲电源施加高频脉冲电压，五路放电电极串联与高频脉冲电 源构成回路，具体如下：

第一正电极1-1与高频脉冲电源的正极相连，负电极5-2与高频脉冲电源的 负极相连，其余八个放电电极按以下顺序依次在激励块3下表面用导线相连， 串联进入放电回路中：电极1-2与电极2-1通过高压导线直接连接；电极2-2与 电极3-1通过高压导线直接连接，依次类推，最终将5个通道的放电电极都串联 进入整个放电回路中。

高频脉冲电源接通后，首先在放电电极1-1与1-2两端形成电势差，击穿电 极对1后，电源的高压端施加高电压于电极2-1，在放电电极2-1与放电电极2-2 两端形成电势差，然后击穿电极对2，依次类推，直至五对电极都被击穿。

步骤2：在电势差作用下，电极1-1与电极1-2之间的等离子体放电通道最 先建立，在平板表面形成脉冲电弧放电；紧接着，放电电极对2击穿后建立等 离子体放电通道，在平板表面形成脉冲电弧放电，之后依次击穿后面的电极间 隙，形成总共五路等离子体放电通道，产生五道前驱冲击波，同时加热平板表 面空气，形成热气团；

步骤3：前驱冲击波对凹腔剪切层施加冲击效应，热气团沿着来流与剪切层 相互作用，对剪切层施加一个扰动。多通道的建立更是扩大了扰动区域的大小； 在来流条件下，相比于单通道激励，凹腔剪切曾受到的扰动效应增加，实现了 持续的扰动，有利于增大凹腔内回流区大小。

具体实施例

将一个带有凹腔的平板安装于马赫2风洞实验台上，通过左右各五个M6 螺栓固定平板模型，平板前缘为15°斜角，凹腔设置为长度L＝100mm，深度 D＝15mm的开式凹腔，凹腔后壁倾斜，倾斜角为45°，凹腔前壁距离平板前缘 为200mm，在凹腔上游15mm出安装1×5路表面电弧激励器。激励器具体设置 为：电极材料采用直径为1mm的钨针，电极间距为5mm，电极对之间的间距为 15mm，距离凹腔最近的电极对5距离为15mm，最远的电极对1距离为75mm。 将电极对1的一端连接高压脉冲电源的高压端，电极对5的一端连接高压脉冲 电源的低压端。高压脉冲电源具体设置为：上升沿50ns，下降沿50ns，脉宽 1000ns，放电电压为20kV，放电频率为5kHz。

风洞启动的同时，即刻产生脉冲电弧放电，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。等离子体激励回路产生热流，沿着来流向下游传播，与剪切层相互 作用，使得凹腔内的回流区增大，凹腔作用效果更好；等离子体激励也会产生 冲击波，1×5的激励器阵列产生五道波阵面，与凹腔的剪切层相互作用，使得 凹腔内的回流区增大。

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)

1.一种电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其特征在于，包括：带有凹腔的平板，激励块，放电电极，高压脉冲电源；其中

平板后缘挖有凹腔，前缘设置斜角，在凹腔和平板前缘之间、平板的上表面安装激励块，激励块采用嵌入的方式，其上表面与平板上表面齐平；

激励块上加工垂直于激励块上表面的用于固定放电电极的圆柱形两级通孔，两级通孔在激励块上阵列式排布，沿流向为N个，沿展向为M个，M为偶数，展向上紧邻的两个放电电极为一对放电电极；靠近平板表面的是上级通孔，其直径等于或略小于放电电极材料的直径；远离平板表面的是下级通孔，其直径略大于连接上述放电电极的高压导线的外径；上级通孔和下级通孔紧密接触且联通，两个通孔轴线重合；安装时放电电极表面与平板表面无缝齐平安装；

放电电极直径略小于上级通孔直径，放电电极上表面平整且与激励块上表面平齐，同一个两级通孔内的导线和电极电连接；

放电电源采用高压高频纳秒脉冲电源；

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放电电源高压端相连，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放电电源低压端相连。

2.如权利要求1所述的电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其特征在于，当M＝2，N＝5时，沿流向共形成五对放电电极，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，其具体连接方式为：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放电电源高压端相连，第二放电电极(1-2)与第三放电电极(2-1)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(2-2)与第五放电电极(3-1)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，最后，第十放电电极(5-2)与通过相应的下级通孔内与其相连的高压导线与放电电源低压端相连。

3.如权利要求1所述的电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其特征在于，凹腔设计为开式凹腔，凹腔长度L＝100mm～150mm，深度D＝15mm～20mm；激励块靠近凹腔距离为1D～1.5D。

4.如权利要求3所述的电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其特征在于，平板采用绝缘性材料，激励块使用耐高温的陶瓷材料；平板前缘斜角15°；凹腔后壁倾斜，倾斜角为45°；凹腔长度L＝100mm，凹腔深度D＝15mm。

5.如权利要求1所述的电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其特征在于，靠近平板表面的上级通孔直径1mm～1.5mm；下级通孔直径4mm～5mm。

6.如权利要求1所述的电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其特征在于，展向上相邻电极间距4mm～7mm，流向的相邻电极的间距10mm～30mm。

7.如权利要求6所述的电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其特征在于，展向上相邻放电电极间距5mm；流向上相邻放电电极间距15mm；放电电极对1距离平板前缘100mm，电极对5距离凹腔为15mm。

8.如权利要求1所述的电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其特征在于，放电电源输出电压1～20kV连续可调，放电频率1～20kHz连续可调。

9.基于权利要求2所述的电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的装置，其电弧放电激励调控超声速凹腔剪切层的方法，包括下列步骤：

步骤1：放电电源施加高频脉冲电压，五路放电电极串联与放电电源构成回路；放电电源接通后，首先在第一放电电极(1-1)与第二放电电极(1-2)两端形成电势差，击穿由第一放电电极(1-1)与第二放电电极(1-2)组成的第一放电电极对(1)后，放电电源的高压端施加高电压于第三放电电极(2-1)，在第三放电电极(2-1)与第四放电电极(2-2)两端形成电势差，然后击穿由第三放电电极(2-1)与第四放电电极(2-2)组成的第二电极对(2)，依次类推，直至五对电极都被击穿；

步骤2：在电势差作用下，第一放电电极(1-1)与第二放电电极(1-2)之间的等离子体放电通道最先建立，在平板表面形成脉冲电弧放电；紧接着，第二放电电极对(2)击穿后建立等离子体放电通道，在平板表面形成脉冲电弧放电，之后依次击穿后面的电极间隙，形成总共五路等离子体放电通道，产生五道前驱冲击波，同时加热平板表面空气，形成热气团；

步骤3：前驱冲击波对凹腔剪切层施加冲击效应，热气团沿着来流与剪切层相互作用，对剪切层施加一个扰动；多通道的建立更加扩大扰动区域的大小；在来流条件下，相比于单通道激励，凹腔剪切曾受到的扰动效应增加，能够实现持续的扰动，有利于增大凹腔内回流区大小。

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