应用等离子体实现主动流动控制的实验研究

离 流动控 制 和颤振翼 形 流动分 离控 制 的实验 方 面 的研 究 ， 到很 好 的流 动 控 制 效 果 。美 国 Ｎ Ｓ 兰利 研 究 得 ＡＡ
Ｓ ｓｎ和 Ｐ Ｇ． Ａ Ｇ 求 解 更 精 细 的 力 分 布 ， 析 ｕａ ． ＨＵ Ｎ 分 了此 等离 子激励 器 模 型用 于数值 模 拟 的流场 控 制 的作 用 。毛枚 良等 将离 子 密度作 为 一 个 常数 ， 过 求 算 通 电场 分 布得到 一 个 大 致体 积 力 分 布 ， 究 了辉 光 放 电 研 等 离 子体 对 于平板 附 面层 流动 的影 响 。 本 文 采用 数值 方 法 ， 究 等 离 子 体 激 励 对 于 翼 型 研
目度等型的５控 励在的０离 摘体前制施位 关极流控法对 的模位的流置 流器激大翼制 强；；型它迟 果减种动方度 键阻励效型及 动激缘对位流 分拟，作可于 。在有小动效 控的并果控 通离动于流 要励置制置动 词结前方； 的翼点，以 离子及用动 过器分研制 制果途要分 大型附Ｎ且 ：目研。有 ．影度法的 流的究此较 达做离究效 对体激Ａ激 的响有。 的 小表的优地 改上近Ｃ励 动简简控强 到。励Ａ延 等激 佳 效，好制 。明流于 变表加了 控是入１ 增励强实 离大化其 果，控 数面度 激化动 制一 升的主 子器模 值模 有强 大
在等 离子 体应 用于流 动 控制方 面 ， ｏ ＿２等 独立 Ｒｔ １ ｈ． 开 展 了介 质 阻挡 大 气压 下 辉 光 放 电的研 究 ， 气体 发 将 展 到空气 ， 将 此 装 置 应 用 到 流 动控 制方 面 。Ｐ ｓ 和 并 ｏｔ Ｃ ｒｅ ５开 展 了 等 离 子体 激 励 器 对 于翼 型 大攻 角分 ｏｋ －］
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Ｄｓｈｒｅ— Ｂ 发 生 器— —相 邻 的 两 个 电极 用 薄 ｉ ａ ｃ ｇ Ｄ Ｄ）

肯
合 成射流
用小巧的诸如零质量射流激励器等控制器件来代
替传 统 的控制舵 面 ， 从 而 实现 飞行器 的飞行 控
制 １ 。
Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ 等人对零质量 射流激励器实现宏观低
速 流矢 量 控 制 进 行 了实验 研 究 ， 实验 在 空 气 环 境 中进行 ， 零 质 量 射 流 与主 流 的动 量 比为 １ ： ３ ５ 。实
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ６ ０ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ ～ ４ ８ ０ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — １ ４ ２ — ０ ５
流动控制技术是通过对运动的流体施加力 、 质量 、 热量 、 电磁等物理量来改变流动状态 ， 从 而 也改变运动物体的受力状态或运动状态ｎ 。流动 控制作为流体力学的重要分支和研究前沿 ， 其目 的是为了改善飞行器的受力状态 ， 进而获得减小 阻力、 提高升力、 增大稳定工作范围等效果 。 流动控 制实现方法 分为被动 控制和主动控 制， 被动控制是通过被动流动控制装置来改变流 动环境 ， 这种流动控制方式是预先确定的 ， 当流场 实 际情况偏离设计状态时 ， 就无法达到最佳控制 效果 ； 主动流动控制则是在物体流场 中直接施加
合成射流 合成射流 合成射流
应 流动控制 的研究。测量结果表明 ， 在 飞机盘旋 时， 用零质量射流控制机翼 的局部分离气流可以 使机翼阻力减少 １ ４ ％口 。美 国 Ｎ Ａ Ｓ Ａ兰利研究中
心正在 进行一 项名为 “ Ｔ ｈ ｅ Ａ ｉ ｒ ｃ ｒ ａ ｆ ｔ Ｍｏ ｒ ｐ ｈ ｉ ｎ ｇ Ｐ ｒ ｏ — ｇ ｒ ａ ｍ” ， 构 想 一 种 没 有 控 制 舵 面 的新 型 飞行 器 ， 利
用。

ｄｓｈｒ ｌ ｍ ｉ ａｇ ｐａ ａ—Ｏ Ｕ Ｄ ） 风 洞 实 验 中 采 用 的 ｃ ｅ ｓ Ａ Ｇ Ｐ 。 Ｏ Ｕ Ｄ Ａ Ｇ Ｐ发生器 如 图 １ 所示 ， 缘介 质 薄板 的上 表 面 绝
究刚启 步 ； 从研 究 深度看 ， 目前 尚处 于概 念验 证 阶段 ； 从流动 速度 看 ， 是 基 于 低速 流动 。尽 管 如此 ， 有 都 现 的研究 成果 已经 预示 了 Ｏ Ｕ Ｄ Ａ Ｇ Ｐ技 术 将 用 于 电 动 流
到 了作 用 于 流 体 上 的 电场 力 。通 过 求 解 带 源 项 的 Ｎ Ｓ方 程 ， 究 了一 个 大 气 压 下 的 均 匀 辉 光 放 电 等 离 子 体 对 边 界 研 层 流 动 的影 响 ， 察 了 电场 力 做 功对 流 动 的影 响 。本 文 研 究 结 果 同文 献 ［ ］ 致 ， 电场 力 总 体 上 使 边 界 层 流 动 加 考 ６一 即 速 。另 外 ， 场力 做 功对 流 动 参 数 的影 响 可 以 忽略 。文 献 ［ ］ 出的 线 化 电 场 模 型 和 本 文 得 到 的 电 场 相 比 ， 有 较 电 ６给 具 大 的差 别 ， 差 别 引起 了 流 动 参 数 显 著 差 别 。 该 关 键 词 ： 离 子体 ； 动 控 制 ； 场 ； 值 模 拟 等 流 电 数
辉 光放 电等 离子 体 对 边界 层 流 动控 制 的 机理 研 究
毛枚良， 邓小刚， 大平， 向 陈坚强
（ 国 空 气 动 力 研究 与发 展 中 心 ， 川 绵 阳 中 四 ６ １０ ） ２００
摘
要 ： 文 求 解 电位 势 方 程 得 到 电场 分 布 ， 定 电 场 强 度 大 于 击 穿 阈 值 的 区域 为 等 离 子 体 区 ， 定 电 荷 密 度 ， 本 假 给 得

DBD Plasma Actuator “Opportunities for Flow Control”Thomas CorkeUniversity of Notre DameInstitute for Flow Physics and ControlHessert Laboratory for Aerospace ResearchAerospace and Mechanical EngineeringObjective“set the context in terms of applications and/or motivations for the continued exploration and/or development of DBD plasma actuators”D. Smith, Feb. 4, 2010IssuesWhat is behind the surge in interest of DBD flow control?What are the properties of DBD plasma actuators that make it useful for flow control?How do we marry these properties to flow controlapplications?What are the environmental sensitivities?How good are predictive models?Based on what we have learned, are there other applications of this technology?Growing InterestJune 1, 2009:AIAA Names Plasma Actuators as No 5. of the “Top Ten Emerging Aerospace Technologies”What is the appeal of DBD plasma actuators?No moving partsPotential long lifeWithstand high g-loadingHigh dynamic responseEase of application and compactnessCan be placed at the most receptive locationsDBD actuator effect (body force) most easy to incorporate in CFD DBD actuators can also be sensorsProperties of DBD Actuators•Ionized air in presence of electric field results in body force that acts on neutral exposed electrodedielectriccovered electrodesubstrateWall Jet?air .•Body force is mechanism of flow control.“Wall Jet with Suction”Complete CharacteristicsDBD Plasma Actuators have proven to be excellent for separation control for a wide range of Mach numbersΘDecreasing RNot a simple function of CµFlow Separation ApplicationsFanRetreating BladeStallDome DragInter-turbine DuctInlets LPT BladesHPT Tip/GapWingFuselageAerodynamic ForceVectoring High αImproving DBD FC PerformanceIncrease Body Force: AC Waveform/Frequency, Dielectric, Geometry,Combined DC/ACIncrease Receptivity:Geometry Modifications,Fluid Instabilities,Unsteady Forcing ActuatorPerformanceEnvironmental Effects:Actuator Design: Jet-suction, SVGs, Vertical Jets, RoughnessFlow PhysicsMetrics of Merit:Flow Control,Energy Budget ActuatorRequirementsP s,MoisturePredictive Models Modeling/CFD are necessary for design of efficient flow controlsystemsRequires efficient(semi-empirical) DBD modelsModels need to be validatedNeed to agree on the level of validationTime-averaged bodyforce vectorsBody force/VoltagescalingTime dependent bodyforcePredictive Model ValidationTime-averaged Body Force Scaling with Voltage Time-resolved Body ForceModelExperimentNeed for innovative ExperimentsAcoustic DipoleSummaryThe characteristics of DBD plasma actuators makes them a popular choice for flow controlAlthough there has been an emphasis on their “thrust”capabilities (Cµ), their “suction effect” is equally asimportant (unique)There are numerous applications that are well suited to their capabilities, particularly focusing on separationcontrolSuccessful flow control begins by understanding the flow physics, which then guides the flow actuatorrequirementsUse of flow instabilities, small geometricmodifications can reduce actuator requirementsPredictive capabilities are essentialOther Applications Plasma Adaptable OpticsPlasma AssistedPlasma Periodic Roughness Methane CombustionPlasma Anemometer。