一种等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置

技术领域

本发明涉及流体力学流体控制领域，具体而言，涉及一种等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置。

背景技术

降低飞行阻力是空天飞行器发展的重要目标，一方面有利于提高飞行器的航程，另一方面有利于节约能源消耗。激波-边界层干扰是空天飞行器内外流中广泛存在的复杂流动现象，其存在可能会危害空天飞行器的安全。针对飞行器外流，干扰现象会显著增加干扰区后方的摩阻和热流，另外还可能带来显著的压力脉动和极高的热流脉动，对飞行器结构和热防护系统提出了严峻考验。因此，如何对激波-边界层干扰开展有效控制是空天飞行器设计中的关键难题。

激波-边界层干扰控制方法按是否有外部能量输入主要分为被动控制和主动控制两大类。等离子体流动控制技术是目前研究最引人关注的主动控制技术之一。它利用等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电引起压力、温度变化的特性，对流场施加可控扰动，具有激励频带宽、响应时间短、无运动机械部件等优点。

但当前采用等离子体激励控制激波-边界层干扰流动的方案大多是单个、单排流向等距、单排展向等距，或流向、展向均等间距的规则排布。总的来说，其布局均为横平竖直的规则布局。规则布局对摩阻降低十分有限，甚至可能会增加局部摩阻。

发明内容

有鉴于此，本发明提供，一种等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置，以解决上述问题。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置，包括：

第一平板、第二平板与放电电极；

第一平板与第二平板固定连接，第一平板在远离其与第二平板连接处的一端，设置有转捩带；且第一平板所在的平面与第二平板所在的平面存在夹角α，该基本构型可产生典型的激波-边界层干扰流场；

第一平板上设置有多个圆柱孔，圆柱孔用于放置放电电极；其中，

圆柱孔每两个形成一组，分别用于放置正负放电电极，每组圆柱孔呈交错阵列设置；圆柱孔设置有N*（M1+M2）个，其中，N为阵列的列数，M1为阵列中第奇数列的行数，M2为阵列中第偶数列的行数；

圆柱孔设置在转捩带与第一平板、第二平板的连接处之间，并在第一平板上按照从转捩带往第二平板的方向依次排布。

作为一种可选方式，夹角α的范围为20°-35°。

作为一种可选方式，第一平板在设置有转捩带的一端形成尖端部。

作为一种可选方式，沿着圆柱孔的延伸方向，圆柱孔包括第一通孔与第二通孔，第二通孔的直径大于第一通孔的直径。

作为一种可选方式，第二通孔内设置有与其内壁贴合的绝缘介质圆柱，绝缘介质圆柱为柔性绝缘材料制成。

作为一种可选方式，放电电极的一端贯穿插入绝缘介质圆柱与导线连接，其另一端与第一通孔靠近第一平板表面的端部平齐。

作为一种可选方式，圆柱孔形成的阵列列边延伸方向与来流方向垂直。

本发明的有益效果为：

本发明通过提供一种交错式布局的等离子体激励器阵列，在消耗同样能量的情况下，可以实现更好的流动控制效果，可以显著降低摩擦阻力，斜激波带来的压阻也能进一步降低。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置三维结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置三维结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置俯视图；

图4为本发明实施例2提供的不同等离子体激励排布的展向平均物面摩阻分布对比示意图。

附图标记及其对应关系：

1-第一平板，2-第二平板，3-圆柱孔，4-正电极，5-负电极，6-转捩带，71-第一电极组，72-第二电极组，73-第三电极组。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种基于阵列式等离子体激励控制激波-边界层干扰流动装置，包括第一平板1、第二平板2与放电电极。第一平板1与第二平板2固定连接，第一平板1在远离其与第二平板2连接处的一端，设置有转捩带6；且第一平板1所在的平面与第二平板2所在的平面存在夹角α。落实到本实施例中，夹角α的范围为20°-35°，第二平板2为安置与第一平板1上的斜板。

第一平板1上设置有多个圆柱孔3，圆柱孔3用于放置放电电极；其中，每两个圆柱孔3形成一组，分别用于放置正电极4与负电极5，每组电极呈交错阵列设置。本实施例中，圆柱孔3设置有N*（M1+M2）个，其中，N为阵列的列数。可选的是，N通常为偶数。M1为阵列中第奇数列的行数，M2为阵列中第偶数列的行数；以保证等离子体激励器排布布局的对称性。即，请再次参阅图1，本实施例采用的交错布局，将圆柱孔3设置在转捩带6与第一平板1、第二平板2的连接处之间，并在第一平板1上按照从第二平板2往转捩带6的方向依次排布。这样，在第二平板2前方的平板上，与来流方向垂直排布N列正负电极组，其中偶数列（j=2,…,N）的电极组在展向方向的位置正好位于相邻两侧奇数列（j=1,…,N-1）电极组排布的正中间，即第三电极组73位于第二电极组72和第一电极组71中间。

作为一种可选方式，第一平板1在设置有转捩带6的一端端部形成尖端部，其具有呈锐角设置的尖角，该尖角的两条构造线分别连接第一平板1设置有转捩带6的一面与该面相对的另一面。转捩带6设置与尖端部具有一定间隔，且转捩带6的长度与第一平面的宽度相等，目的是诱导来流边界层发生转捩至湍流。该尖端部的具体角度以及转捩带6的具体设置位置、宽度本实施例不做限制，可以根据实际情况自行设置。

落实到本实施例中，放电电极材料采用耐高温金属（如铜、钨），形状为圆柱形，以配合圆柱孔3进行放置。本实施例中的圆柱孔3沿其延伸方向划分为第一通孔与第二通孔，第二通孔的直径大于第一通孔的直径，以方便放电电极插入。放电电极的直径与圆柱孔3的直径本实施例不做限制。在一种可实施的方式中，若选用300-600mm长度的第一平板1时，放电电极的直径可以选用0.5mm-2mm，第一通孔的直径可以选用0.5mm-2mm，第二通孔的直径可以选用4mm-8mm。此外，在设置通孔的交错阵列时，每组圆柱孔3的展向间距为3mm～6mm，相邻电极组流向间距保持在9mm-18mm，展向间距保持在9mm-18mm。

此外，在本实施例的第二通孔中，设置有与第二通孔内壁贴合的绝缘介质圆柱，具体可以选用特氟龙绝缘材料制成圆柱。

基于上述方案，在实施本实施例时，第一平板1上的每个圆柱形垂直通孔（圆柱孔3）内放置一个放电电极，放电电极的一端贯穿插入绝缘介质圆柱与导线连接，其另一端与第一通孔靠近第一平板1表面的端部平齐，即与第一平面的上表面平齐。再启动脉冲电源通过导线对放电电极提供能源进行等离子体激励。在一种可选的实施方式中，工作电压和频率可调，电压范围为1kV～20kV；频率范围为100Hz～50kHz。脉冲电弧放电电路采用串联放电回路。

这样，本实施例采用第一平板1与第二平板2配合形成的压缩拐角作为装置主体构型，提供了一种基于阵列式等离子体激励控制激波-边界层干扰流动的装置，可用于超/高超声速风洞中开展实验研究。

实施例2

本实施例采用实施例1提供的一种等离子体激励控制激波边界层干扰的减阻装置与其他不同等离子体激励排布进行验证对比。请参阅图2与图3，本实施例选用第一平板与第二平板的夹角角度为24度；来流速度为604m/s（马赫数

本实施例选取中间展向14mm开展直接数值模拟，其中展向选取周期边界。请参阅图4，从计算结果可以看出：本实施例提出的交错排布的布局方案较规则排布方案的减阻效果更好，在不增加注入能量的情况下，摩擦阻力显著得到了降低，如图4所示，即从减阻率0.13%至35.30%。此外，在摩擦减阻率提升的同时激波带来的减阻率也从5.74%降低至7.32%。其中，Cf为展向平均物面摩阻系数，x为流向的位置，x=0为拐角处。

值得说明的是，本实施例所述的布局也可用于Ma大于5的高超声速激波-湍流边界层干扰流动控制中。本实施例所提供的是一种可选实施场景下的实验室尺寸的装置。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。