本發(fā)明涉及主被動流動控制，具體涉及一種等離子體與放氣組合調(diào)控進氣道激波/邊界層干擾的方法。

背景技術：

1、激波/邊界層干擾現(xiàn)象普遍存在于進氣道流場中，唇口激波與前體邊界層相互作用形成干擾區(qū)，反射激波與唇口邊界層干擾也會形成干擾區(qū)。流場內(nèi)部存在的激波/邊界層干擾現(xiàn)象對進氣道總壓恢復系數(shù)、捕獲流量系數(shù)及流場均勻度等皆有影響。當干擾程度過大時，分離回流區(qū)域往往會堵塞內(nèi)通道，進而導致進氣道的不起動。如何有效預估高超聲速進氣道內(nèi)激波/邊界層干擾流場尺度，對分析進氣道起動性能具有重要意義。

2、在高超聲速進氣道中，斜激波/邊界層干擾通?？煞譃閮深?，一類是發(fā)生于進氣道各級壓縮面上的拐角斜激波/邊界層干擾，另一類是發(fā)生于進氣通道內(nèi)的入射激波/邊界層干擾，如進氣道口部的唇罩激波/邊界層干擾、通道內(nèi)的反射激波/邊界層干擾等。但需要注意的是，在高馬赫數(shù)二元平面壓縮進氣道超額定工況，多道壓縮波入射進入內(nèi)流道，這些激波將會和內(nèi)流道邊界層產(chǎn)生多個激波/邊界層干擾區(qū)域。

3、為了調(diào)控激波/邊界層干擾問題，各種流動控制手段應運而生。目前在進氣道內(nèi)的流動控制手段主要集中在邊界層放氣、渦流發(fā)生器控制、等離子體激勵等手段。邊界層放氣是進氣道內(nèi)較為有效的激波/邊界層干擾控制手段，工程應用也較為廣泛，其能夠有效減小分離區(qū)尺度。而等離子體流動控制技術擁有無需機械活動部件、響應速度快等優(yōu)勢，也受到了高超/超聲速流動控制領域的廣泛應用。等離子體激勵，尤其是表面電弧放電激勵所產(chǎn)生的沖擊波，對調(diào)控激波/邊界層干擾也有著自身優(yōu)勢。

技術實現(xiàn)思路

1、針對進氣道常見的激波/邊界層干擾問題以及引起的流動分離現(xiàn)象，本發(fā)明提出一種進氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上壁面、左側壁、右側壁、主體；其中

2、主體上表面分為一至五級斜面、一級和二級曲面以及平面部分，主體上表面自前向后依次為一級斜面1、二級斜面2、三級斜面3、四級斜面4、第一曲面11、五級斜面5、第二曲面12、平面部分；一至五級斜面1-5均為寬度相等、長度各異的長方形，各自的長度根據(jù)需要確定，且分別與水平方向呈一定角度，這五個角度使得一至五級斜面呈坡狀，兩個曲面均為圓弧，圓弧分別與其前后鄰接斜面相切，保持順滑連接，其中第一曲面剖面為下弦弧線，第二曲面剖面為上弦弧線；在三級斜面上向下設置有長方體形凹槽，凹槽頂部的四條邊分別與三級斜面的四條邊平行，在凹槽中裝配等離子體激勵器；在三級斜面處從流場上游至流場下游共設有兩組等離子體激勵器；另外在第一曲面11和五級斜面5上，分布有多個抽除縫，每個抽吸縫部分下方都存在一個空擋，用于自進氣道內(nèi)向外排出抽吸出的低能流氣體，抽除縫的延伸方向均與來流方向垂直，且抽除縫延伸方向相互平行；每個抽除縫都具有相同尺寸；

3、上壁面上表面為長矩形，其前端尖，除了尖端外，其他部分截面呈長矩形；上壁面上表面延伸方向始終與來流方向平行，下表面分為四節(jié)；第一節(jié)下表面與上表面之間呈一定夾角；第二節(jié)是圓弧，弧線分別與第一節(jié)下表面和第三節(jié)下表面相切；第三節(jié)下表面與上表面之間呈一定夾角；第四節(jié)下表面與來流方向保持一致；上壁面與側壁之間保持固定；

4、側壁整大致為豎立的長方體薄片，但側壁外側前端為斜面，斜面與側壁內(nèi)側豎直面呈一定夾角，因此側壁具有楔形頭部；側壁分別與上壁面、主體保持固定；在側壁靠近楔形頭部處設有兩個側開口，用于抽吸縫的氣流泄出，兩個側開口與主體抽吸縫下方空擋相互配合，并相互獨立；

5、左側壁、右側壁完全對稱設計；

6、在兩個側壁上設置觀察窗，觀察窗大致位于側壁靠近楔形頭部處，兩個側開口的上方，觀察窗上安裝透明光學玻璃，保證光學玻璃與側壁表面之間的平滑過渡。

7、在本發(fā)明的一個具體實施例中，

8、進氣系統(tǒng)模型長為800mm，高為82mm；

9、主體長800mm，寬50mm；

10、一至五級斜面1-5分別與水平方向呈+5.71°、+13.07°、+18°、+15°、-14°，兩個曲面均為半徑為200mm的圓?。?/p>

11、在第一曲面11和五級斜面5上，分布有9個2mm*46mm的抽除縫，其中第一曲面11分布有7個，五級斜面5上分布有2個，第一曲面11分布的7個抽除縫相互之間保持相同間距；

12、上壁面長572.58mm，第一節(jié)下表面與上表面之間呈夾角3°；第二節(jié)是半徑為200mm，弧長39mm的圓??；第三節(jié)下表面與上表面之間呈夾角14.17°,前三節(jié)總長為121.50mm；第四節(jié)下表面長為451.08；為與側壁固定，上壁面?zhèn)缺诖蚩?，用于通過固定裝置將上壁面與側壁固定連接；

13、側壁長632mm，寬15mm，高82.29mm；側壁外側前端的斜面與側壁內(nèi)側豎直面呈12.5°夾角；側壁上部設有螺紋孔，用于裝配上壁面，側壁下部設有螺紋孔，用于裝配主體。

14、在本發(fā)明的另一個具體實施例中，觀察窗設計有階梯凹槽，用于裝配104mm*15mm*35mm滿足光學試驗要求的k9光學玻璃。

15、還提出一種等離子體與放氣組合調(diào)控進氣道激波/邊界層干擾裝置，其基于上述進氣系統(tǒng)，其在三級斜面凹槽底部設置螺紋孔，用于將等離子體激勵器固定于其中；并且

16、激勵器包括矩形薄板狀耐高溫絕緣材料，和內(nèi)嵌于其中的放電激勵，在激勵器短邊對稱軸上布置1組或多組放電激勵，1組或多組放電激勵關于兩條激勵器長邊中垂線對稱布置；

17、激勵器短邊對稱軸上均勻布置多對圓柱階梯孔，用于裝配電極以及高壓電線，該階梯孔沿激勵器表面垂直向內(nèi)打孔加工，靠近激勵器表面的小圓柱體，孔徑小，用于裝配電極；遠離激勵器表面的大圓柱體，孔徑大，用于裝配高壓電線；電極上表面與平板模型上表面齊平，激勵器固定安裝在進氣道凹槽內(nèi)；

18、第一組放電電極的陽極與電源的正極相連，最后一組放電電極的陰極與電源負極相連；該放電電路由擊穿電路和儲能電路兩部分組成；擊穿電路包括高壓脈沖電源、第一二極管、多組串聯(lián)連接的等離子體激勵器電極對；在擊穿電路中，高壓脈沖電源經(jīng)由第一二極管與激勵器陣列直接串聯(lián)連接，用于擊穿電極間隙，建立放電通道；高壓脈沖電源輸出端經(jīng)由第一二極管、與第一組放電電極的陽極相連，最后一組放電電極的陰極經(jīng)高壓導線接地，其他放電電極按照本領域技術人員熟知的方式依次串行連接，高壓脈沖電源負端接地；儲能電路包括大功率直流源、電阻、第二二極管、儲能電容；在儲能電路中，大功率直流源與電阻串聯(lián)后與儲能電容并聯(lián)，大功率直流源負端接地，正端與電阻一端連接，電阻另一端連接第二二極管正端，第二二極管負端連接到第一二極管負端。

19、在本發(fā)明的一個實施例中，

20、在激勵器短邊對稱軸上布置1-3組放電激勵，每組放電激勵的兩個電極之間放電間距為3mm-10mm，相鄰組放電激勵的展向間距為10mm-40mm；優(yōu)先選擇兩電極間放電間距為5mm，相鄰激勵器電極對展向間距20mm以上；

21、靠近激勵器表面的小圓柱體直徑為0.5mm-2mm，用于裝配鎢電極；遠離激勵器表面的大圓柱體直徑為4mm-6mm；激勵器下表面設置螺紋孔用于與進氣道凹槽相互裝配；

22、放電電壓設置為0-20kv，放電頻率設置為0-50hz，上升沿100ns-1000ns，下降沿100ns-1000ns，脈寬100ns-1000ns，直流電源放電電壓為1-2kv，電阻值為500ω-1kω，電容值為4μf-6μf。

23、在本發(fā)明的又一個具體實施例中，

24、等離子體激勵器選用氧化鋁陶瓷材料，在激勵器短邊對稱軸上布置兩組激勵，兩組激勵相距20mm，每組放電激勵的兩個電極之間放電間距為5mm，相鄰組放電激勵的展向間距為20mm；靠近激勵器表面為直徑1mm圓柱孔，裝配直徑1mm的鎢電極；遠離激勵器表面為直徑4mm的圓柱孔，裝配4mm的高壓電線；高壓電線與電極連接，之后通過耐高溫絕緣密封膠將通孔密封，同時保證電極上表面與平板模型上表面齊平；

25、放電電壓設置為20kv，放電頻率設置為50hz，上升沿100ns，下降沿100ns，脈寬1000ns，直流電源放電電壓為2kv，電阻值為500ω，電容值為6μf；

26、此外，還提供一種等離子體與放氣組合調(diào)控進氣道激波/邊界層干擾的方法，其基于上述等離子體與放氣組合調(diào)控進氣道激波/邊界層干擾裝置，具體實施過程如下：

27、在馬赫3的實驗來流工況下，首先進行無等離子體激勵的基準流場風洞實驗，以明確基準流場中的波系情況和分離區(qū)位置；

28、在馬赫3的實驗來流條件下，進氣系統(tǒng)正常啟動，在進氣道的唇口形成以正激波為主導的波系結構，在進氣道內(nèi)形成一定的流動分離區(qū)，部分流動分離區(qū)域位于邊界層放氣區(qū)域，流動分離現(xiàn)象得到緩解；根據(jù)流場中的波系結構，能夠分析其波系結構情況；

29、實驗基準流場中，波系以正激波為主導，屬于較為典型的正激波誘導的流動分離，在分離激波c3之后是一個超聲速區(qū)，該超聲速區(qū)的末端是一道近正激波c1，斜激波c3與引發(fā)分離的正激波c1相交于t點，形成了類似于vi類edney激波干擾流場結構，激波c4滿足斜激波方程強解，但其激波強度較弱；在c4下游的流動，通常為亞聲速或者馬赫數(shù)接近于1的超聲速流動，雖然能夠觀察到激波結構，但此區(qū)域的壓縮近似是等熵壓縮，流動光滑過渡到亞聲速；而斜激波c2是由進氣道前緣楔角變化產(chǎn)生的典型斜激波結構，其激波強度也較弱，此時斜激波c2、c3與引發(fā)分離的正激波c1相交于t點；

30、基于激勵布局思路一，在分離激波上游開展展向陣列布局的等離子體激勵，等離子體表面電弧激勵主要通過沖擊斜激波c2以及分離激波c1，由于強有力的沖擊作用效果，斜激波c2與分離激波c3基本消失，并使得激波相交點t的位置上移，改變了流場中的波系結構，減弱了正激波的影響范圍，從而改善了進氣系統(tǒng)的流動分離情況。

31、另外，還提供一種等離子體與放氣組合調(diào)控進氣道激波/邊界層干擾的方法，其基于上述等離子體與放氣組合調(diào)控進氣道激波/邊界層干擾裝置，具體實施過程如下：

32、在馬赫3的實驗來流工況下，首先進行無等離子體激勵的基準流場風洞實驗，以明確基準流場中的波系情況和分離區(qū)位置；

33、在馬赫3的實驗來流條件下，進氣系統(tǒng)正常啟動，在進氣道的唇口形成以正激波為主導的波系結構，在進氣道內(nèi)形成一定的流動分離區(qū)，部分流動分離區(qū)域位于邊界層放氣區(qū)域，流動分離現(xiàn)象得到緩解；根據(jù)流場中的波系結構，能夠分析其波系結構情況；

34、實驗基準流場中，波系以正激波為主導，屬于較為典型的正激波誘導的流動分離，在分離激波c3之后是一個超聲速區(qū)，該超聲速區(qū)的末端是一道近正激波c1，斜激波c3與引發(fā)分離的正激波c1相交于t點，形成了類似于vi類edney激波干擾流場結構，激波c4滿足斜激波方程強解，但其激波強度較弱；在c4下游的流動，通常為亞聲速或者馬赫數(shù)接近于1的超聲速流動，雖然能夠觀察到激波結構，但此區(qū)域的壓縮近似是等熵壓縮，流動光滑過渡到亞聲速；而斜激波c2是由進氣道前緣楔角變化產(chǎn)生的典型斜激波結構，其激波強度也較弱，此時斜激波c2、c3與引發(fā)分離的正激波c1相交于t點；

35、基于激勵布局思路二，在分離激波腳開展展向陣列布局的等離子體激勵，等離子體表面電弧激勵主要通過沖擊分離激波c3以及斜激波c4，分離激波c3基本消失，斜激波c4強度降低。

36、并且，本發(fā)明還提供一種等離子體與放氣組合調(diào)控進氣道激波/邊界層干擾的方法，其基于上述等離子體與放氣組合調(diào)控進氣道激波/邊界層干擾裝置，具體實施過程如下：

37、在馬赫3的實驗來流工況下，首先進行無等離子體激勵的基準流場風洞實驗，以明確基準流場中的波系情況和分離區(qū)位置；

38、在馬赫3的實驗來流條件下，進氣系統(tǒng)正常啟動，在進氣道的唇口形成以正激波為主導的波系結構，在進氣道內(nèi)形成一定的流動分離區(qū)，部分流動分離區(qū)域位于邊界層放氣區(qū)域，流動分離現(xiàn)象得到緩解；根據(jù)流場中的波系結構，能夠分析其波系結構情況；

39、實驗基準流場中，波系以正激波為主導，屬于較為典型的正激波誘導的流動分離，在分離激波c3之后是一個超聲速區(qū)，該超聲速區(qū)的末端是一道近正激波c1，斜激波c3與引發(fā)分離的正激波c1相交于t點，形成了類似于vi類edney激波干擾流場結構，激波c4滿足斜激波方程強解，但其激波強度較弱；在c4下游的流動，通常為亞聲速或者馬赫數(shù)接近于1的超聲速流動，雖然能夠觀察到激波結構，但此區(qū)域的壓縮近似是等熵壓縮，流動光滑過渡到亞聲速；而斜激波c2是由進氣道前緣楔角變化產(chǎn)生的典型斜激波結構，其激波強度也較弱，此時斜激波c2、c3與引發(fā)分離的正激波c1相交于t點；

40、基于激勵布局思路一，在分離激波上游開展展向陣列布局的等離子體激勵，等離子體表面電弧激勵主要通過沖擊斜激波c2以及分離激波c1，由于強有力的沖擊作用效果，斜激波c2與分離激波c3基本消失，并使得激波相交點t的位置上移，改變了流場中的波系結構，減弱了正激波的影響范圍，從而改善了進氣系統(tǒng)的流動分離情況；

41、基于激勵布局思路二，在分離激波腳開展展向陣列布局的等離子體激勵，等離子體表面電弧激勵主要通過沖擊分離激波c3以及斜激波c4，分離激波c3基本消失，斜激波c4強度降低。

42、本發(fā)明將等離子體激勵與邊界層放氣技術組合使用，開展主被動流動控制手段相結合的控制方式，調(diào)控進氣道內(nèi)激波/邊界層干擾問題。在進氣道系統(tǒng)內(nèi)流動分離區(qū)域布置邊界層放氣裝置，用于放出流場中的低能流體，緩解流動分離現(xiàn)象；另外，在入射激波或分離激波腳前設置等離子體激勵區(qū)域，利用等離子體激勵產(chǎn)生的沖擊波，沖擊進氣道波系，改變其波系結構或削弱激波強度，從而削弱進氣道內(nèi)的逆壓梯度作用，進一步減小流動分離，最終實現(xiàn)進一步提升/改善進氣道性能的目的。

43、本發(fā)明將邊界層放氣與等離子體激勵的相結合，以主被動流動控制作為手段，調(diào)控進氣系統(tǒng)激波/邊界層干擾問題。在這種方式下，進氣道的流動分離現(xiàn)象得到有效緩解，激波強度也明顯降低，這對于進一步提升/改善進氣道性能具有重要意義。