高频阵列式组合电弧放电激励器及其控制激波附面层干扰不
稳定性的方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及
等离子体技术，具体涉及多路阵列式高频脉冲电弧放电控制激波强度的装置及其方法。
背景技术
[0002] 超声速/高超声速技术代表了一个国家未来开发和利用空间的能
力，是衡量军队战斗力和生存能力的重要标志，具有广泛的应用前景和极其重要的军事价值。以超声速/高超声速技术为应用背景的等离子体冲击流动控制具有响应快、频带宽、强度大等特点。激波附面层低频不稳定性是近年来的研究重点，在超声速激波附面层干扰中，受到附面层的扰动，激波根部通常会出现一种低频的振荡现象，同时伴随着流动结构的低频运动。这种运动就是不稳定性的主要来源。利用等离子体冲击流动控制调控
飞行器头部激波运动成为降低流动不稳定性，提高飞行器性能的关键；以超然
冲压发动机作为动力的高超声速飞行器具有明显优势，通过进气道的压缩空气在经过隔离段后，将气流调整到适合与
燃烧室工作需要的稳定状态。利用等离子体冲击流动控制调控隔离段内部激波运动，降低流动分离，可以进一步提高发动机工作效率；高速飞行器从空间再入大气层，飞行器表面要承受几千度的高温，采用等离子体冲击流动激励作为再入轨道飞行器头部的热防护装置，可以带走热量，降低壁面换热，防止壳体烧蚀融化，提高飞行器使用寿命。
[0003] 对于高速飞行器流动控制，要求等离子体激励器同时具有高强度和高
频率。目前，虽然突破了单电源多通道放电技术，研制了流向阵列式组合等离子体激励器。实现了对激波整个波
正面的控制，但是激励频率仍然较低，无法实现对附面层准定常的扰动作用，成为制约等离子体激励器激波控制效能的关键。
发明内容
[0004] 有鉴于此，针对目前基于等离子体脉冲电弧激励器控制激波存在的
缺陷，本发明提出一种高频阵列式电弧放电激励器，其特征在于，包括平板模型101、
电极102、压缩斜面103、转捩条带104，其中
[0005] 平板模型101，其为中间开有圆柱形小孔的绝缘介质，整体呈大致平板的结构，平板模型101前端为尖劈状结构；
[0006] 电极102，其置于平板模型101的圆柱形孔中，呈紧配合；沿流向布置多排圆柱形孔，每排均为M个，M为偶数，每排圆柱形孔两两
配对，分为M/2组，每组的两个电极102形成一个等离子体激励器，以下简称为“激励器”，多个激励器沿流向均匀布置，排数为N，N根据实际需要确定；一个等离子体激励器的两个电极102包括一个正电极和一个负电极；
[0007] 转捩条带104，其位于平板模型101的尖劈状结构前端的上表面，沿展向安装，转捩条带104的宽度根据来流附面层厚度进行调节，转捩条带104的长度等于平板模型101的宽度；
[0008] 压缩斜面103安装在平板模型101后端上表面处，压缩斜面103的宽度等于平板模型101的宽度。
[0010] 平板模型101长度范围为250～600mm，平板宽度范围为80～220mm；
[0011] 电极102形状为圆柱形，直径为0.5mm～3mm，长度为3mm～10mm，电极间距不超过10mm；
[0012] 每组激励器电极间距范围为1～10mm；同排的相邻两组激励器之间的间距范围为0～10mm；流向相邻两排激励器间距范围为10mm～25mm；
[0013] 压缩斜面103的斜坡
角度范围为20°～30°；
[0014] 转捩条带104的宽度根据来流附面层厚度进行调节，调节范围为1～6mm。
[0015] 在本发明的一个具体实施例中，
[0016] 平板模型101长度为400mm，平板宽度为110mm；
[0017] 电极102直径为1mm，电极102材料选自
青铜、不锈
钢、铂或钨；
[0018] 每组激励器电极间距为4mm；同排的相邻两组激励器之间的间距为4mm；流向相邻两排激励器间距为15mm；
[0019] 压缩斜面103的斜坡角度为24°；
[0020] 转捩条带104的宽度为4mm。
[0021] 还提供一种高频阵列式组合电弧放电激励器控制激波附面层干扰不稳定性的装置，其特征在于，
[0022] 驱动电源201，其为高频纳秒脉冲直流源，为整个激励器提供
能量，电源采用自回路设计，放电频率可调；放电
电路采用
串联式设计；
[0023] 激励器203-X(X＝1…N)，N的数量根据实际需要确定，激励器203-X的电极串联连接，第一激励器203-1的正电极连接电源高压输出端，第N激励器203-N的负电极接地，在第一激励器203-1与第N激励器203-N之间，第一激励器203-1的负电极连接第二激励器203-2的正电极，第二激励器203-2的负电极连接第三激励器203-3的正电极，以此类推；
[0024] 电路参数控制盒202，其用于控制整个电路的工作，通过控制盒给出制定频率、时序和能量等输入
信号，输出到驱动电源201中，驱动电源201开始输出高压脉冲能量加载到激励器203-X(X＝1…N)两端，触发激励器工作。
[0026] 步骤一：通过电路参数控制盒202输入
指定放电频率后，启动驱动电源201，激励系统开始工作；为使所有激励器正常工作，来流条件应满足相应的气压状态；
[0027] 步骤二：驱动电源201输出端连接的203-1激励器一端
电压上升，另一端还处于低压状态，当达到其
击穿电压后，第一激励器203-1电极间的空气被击穿，气体由绝缘体转变为导体，第一激励器203-1低压端的电极电压开始升高；与此同时，第二激励器203-2与第一激励器203-1低压端用
导线连接电极电压同时升高；当第二激励器203-2电极两端电压达到其击穿电压时，第二激励器203-2电极间空气击穿；以同样的工作方式，其余激励器电极间空气也将被击穿，形成完整的放电回路；
[0028] 步骤三：电源将能量加载到激励器上，通过电弧放电的方式对激励器附近的空气进行加热，产生瞬间气体加热效应，在流向上形成冲击波和亚附面层尺度的
湍流涡结构，因为是高频激励，这种尺度的涡结构会源源不断地在附面层内部形成，并随着来流一起吹向分离激波
位置；
[0029] 步骤四：上游湍流附面层持续受到高频能量涡结构的扰动，打破了湍流附面层的原有的状态，原始结构与高频能量涡发生较为剧烈的耦合作用，因此附面层厚度增加，更多高频涡结构的产生，湍流附面层还未通过激波就出现了高频涡脱落现象；
[0030] 步骤五：强分离激波随着附面层状态的变化而减弱，最终诱导出流向高频弱压缩波阵面，将原来的一道强斜激波转变为多道弱压缩波；同时，采用阵列式激励，激励诱导的涡结构压缩了相邻激励器之间的流道，增强了湍流掺混，附面层动量增加的同时也使湍流附面层增厚；从而增强了附面层抵抗激波诱导的逆压梯度的能力，在一定程度上也减弱了激波附面层的干涉强度，从而降低了不稳定性；施加高频脉冲阵列式冲击波激励之后，可以实现对分离激波稳定控制效果。
[0031] 本发明的高频阵列式组合电弧放电激励器及其控制激波的方法以减弱激波附面层干扰流动不稳定性为目标，以高频阵列式电弧放电激励为控制手段，通过增加扰动频率，实现激励准稳态控制效果。
附图说明
[0032] 图1为本发明高频脉冲
电弧等离子体激励器模型示意图；
[0033] 图2为阵列式等离子体电弧放电激励器的驱动电路结构示意图；
[0034] 图3为施加高频脉冲电弧激励与基准流场结构对比图，其中图3(a)示出瞬态基准流场，图3(b)示出瞬态激励流场，图3(c)示出平均基准流场，图3(d)示出平均激励流场；
[0035] 图4施加激励流场的空间
频谱图，其中图4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别示出在指定频率2kHz、5kHz、10kHz、20kHz、23kHz、25kHz下的空间频谱图；
[0036] 图5高频脉冲表面电弧激励控制超声速流动的理论模型，其中图5(a)、(b)分别示出基准状态和激励状态；
具体实施方式
[0037] 为实现上述目标，本发明提供一种阵列式高频脉冲电弧
放电等离子体激励器对激波的控制技术，其技术特点在于使用激励器阵列式布局方案，采用高频脉冲的激励模式实现对附面层的接力作用，进而对附面层形成一个准定常的扰动作用。将原来的一道强斜激波转变为多道弱压缩波，减弱激波附面层干扰流动不稳定性。下面结合图1、图2说明本发明的实施方式。
[0038] 如图1所示，绝缘介质为中间开有圆柱形小孔的平板模型101，电极102置于平板模型101的圆柱形孔中，呈紧配合；沿流向布置多排圆柱形孔，每排均为M个，M为偶数，每排圆柱形孔两两配对，分为M/2组，每组的两个电极102(一个为正电极、一个为负电极)形成一个等离子体激励器(以下简称为“激励器”)，排数为N，N根据实际需要确定。平板前端为尖劈状结构，上表面前端沿展向安装有转捩条带104，其宽度(即流向长度)可根据来流附面层厚度进行调节，调节范围为1～6mm，优选4mm，转捩条带104的长度(即展向长度)通常等于平板模型101的宽度。平板模型101后端安装有压缩斜面103，压缩斜面103的宽度(即展向长度)通常等于平板模型101的宽度。转捩条带104和压缩斜面103的材料、形状及安装方式为本领域技术人员熟知，不再累述。超声速流动强分离激波有很多种，其中最为重要的就是二维压缩拐角诱导的分离激波，超声速来流流过一定长度的平板模型101形成湍流附面层(通过平板模型101前端开槽安装转捩带104形成)，在经过平板模型101后端安装的压缩斜面103时，气流发生偏转，产生了分离激波，激波与附面层进而形成干扰流动。将激励器安装在平板上的圆柱形小孔内，使其位于分离激波上游，如上所述，多个激励器沿流向均匀布置，相邻激励器流向间距范围是10mm～25mm，优选15mm。以压缩拐角诱导分离激波为研究对象，电极102的上表面与平板101上壁面齐平，这样不会产生附加阻力，对原始流场没有影响。
[0039] 在本发明的一个实例中，平板长度范围为250～600mm，考虑到
风洞尺寸和启动最佳条件，优选值为400mm，平板宽度范围为80～220mm，考虑喷管出口最佳阻塞比，优选值为110mm。斜坡角度可选范围为20°～30°，斜坡角度24°在超声速来流条件下可以产生明显的斜坡诱导分离，分离激波、再附激波等典型流场结构明显，研究对象丰富，因此24°是研究激波附面层干扰流动的优选角度。每组激励器电极间距范围为1～4mm，优选值为4mm。同排的相邻两组激励器之间的间距范围为0～10mm，优选值为4mm。流向相邻两排激励器间距范围为10～25mm，优选值为15mm。
[0040] 电极材料102选用青铜、
不锈钢、铂或钨等材料。为了放电产生均匀的电弧形态，电极形状采用圆柱形，直径为0.5mm～3mm，长度为3mm～10mm，电极间距需要根据气压和驱动电源能力进行匹配，一般不超过10mm，为了提高激励器能量利用率，4mm的间距最佳。该型激励器的工作原理为利用电弧放电产生的能量瞬间加热气体，形成冲击波和
旋涡团结构。激励器正是利用持续性快速产生冲击波和旋涡团对附面层施加扰动，从而达到特定控制激波的效果。
[0041] 本发明在一个具体实例中，电弧放电选用电极102为1mm铜电极，电极间距为4mm。
[0042] 图2示出激励器的驱动电路的电路结构示意图。其中
[0043] 驱动电源201为高频纳秒脉冲直流源，为整个激励器提供能量，电源输出范围为0-20kV，电源采用自回路设计，放电脉宽100ns，上升沿和下降沿为50ns，放电频率可调，最大激励频率为50kHz。放电电路采用串联式设计。
[0044] 激励器203-X(如203-1,203-2，……，203-N)，N的数量根据实际需要确定，激励器电极串联连接，203-1的正电极连接电源高压输出端，203-N的负电极接地，中间，203-1的负电极连接203-2的正电极，203-2的负电极连接203-3的正电极，以此类推。
[0045] 电路参数控制盒202用于控制整个电路的工作，通过控制盒给出制定频率、时序和能量等
输入信号，输出到脉冲电源201中，脉冲电源201开始输出高压脉冲能量加载到激励器203-X(X＝1…N)两端，触发激励器工作。
[0046] 本发明的一个具体实例中，高频纳秒脉冲直流源
输出电压14kV，单次脉冲峰值
电流达到70A，放电时间尺度为300ns，通过放电电压电流曲线计算得出单次脉冲能量约为30mJ。
[0047] 在本发明的一个实施例中，考虑到电弧放电
温度较高，平板101材料采用
丙烯酸塑料亚克力，具有良好的耐高温属性，同时具有良好的绝缘性，可以有效
预防实验过程中的爬电现象。激励器203中的放电电极选用青铜材料，铜丝较软，便于安装。
[0048] 高频纳秒脉冲电源输出电压为14kV，工作频率为10kHz。
[0049] 下面介绍高频阵列式组合电弧放电激励器控制激波附面层干扰不稳定性的方法，包括下列步骤：
[0050] 步骤一：通过电路参数控制盒202输入指定放电频率后，启动高频纳秒脉冲电源201，激励系统开始工作。为使所有激励器正常工作，来流条件应满足相应的气压状态。
[0051] 步骤二：高频纳秒脉冲电源201输出端连接的203-1激励器一端电压上升，另一端还处于低压状态，当达到其击穿电压后，激励器203-1电极间的空气被击穿，气体由绝缘体转变为导体，203-1低压端的电极电压开始升高。与此同时，激励器203-2与203-1低压端用导线连接电极电压同时升高。当激励器203-2电极两端电压达到其击穿电压时，激励器203-2电极间空气击穿。以同样的工作方式，其余激励器电极间空气也将被击穿，形成完整的放电回路。
[0052] 步骤三：电源将能量加载到激励器上，通过电弧放电的方式对激励器附近的空气进行加热，产生瞬间气体加热效应，在流向上形成冲击波和亚附面层尺度的湍流涡结构，因为是高频激励，这种尺度的涡结构会源源不断地在附面层内部形成，并随着来流一起吹向分离激波位置。
[0053] 步骤四：上游湍流附面层持续受到高频能量涡结构的扰动，打破了湍流附面层的原有的状态，原始结构与高频能量涡发生较为剧烈的耦合作用，因此附面层厚度增加，更多高频涡结构的产生，湍流附面层还未通过激波就出现了高频涡脱落现象。
[0054] 步骤五：强分离激波随着附面层状态的变化而减弱，最终诱导出流向高频弱压缩波阵面，将原来的一道强斜激波转变为多道弱压缩波。同时，采用阵列式激励，激励诱导的涡结构压缩了相邻激励器之间的流道，增强了湍流掺混，附面层动量增加的同时也使湍流附面层增厚。从而增强了附面层抵抗激波诱导的逆压梯度的能力，在一定程度上也减弱了激波附面层的干涉强度，从而降低了不稳定性。施加高频脉冲阵列式冲击波激励之后，可以实现对分离激波稳定控制效果。
[0055] 具体实施例
[0056] 参见图1～2，激励器模型主要由平板模型101和电极102组成两部分。在绝缘平板上开两个圆孔，表面电极直径范围为1～5mm，优选值为2mm，两孔中心间距范围为1～10mm，优选值为4mm。电极102上端与平板模型101上表面齐平，避免在超声速流场中产生杂波干扰。
[0057] 如图2所示，高频纳秒脉冲电源输出电压为0～20kV，激励频率0～50kHz。与高频纳秒脉冲电源201输出端连接的激励器203-1激励器一端(正端)电压上升，另一端(负端)还处于低压状态，当达到其击穿电压后，激励器203-1电极间的空气被击穿，气体由绝缘体转变为导体，激励器203-1低压端(负端)的电极电压开始升高。与此同时，激励器203-2正电极与203-1低压端用导线连接，因此激励器203-2正电极电压同时升高，而激励器203-2负电极电压还处于低压状态。当激励器203-2电极两端电压达到其击穿电压时，激励器203-2电极间空气击穿。以同样的工作方式，其余激励器电极间空气也将被击穿，形成完整的放电回路。
激励器布局方式为流向5组，每组间距15mm，电极间距4mm。当电源施加高压到激励器两端时，高频纳秒脉冲电源输出电压14kV，激励频率设置为10kHz。流向5组激励器被击穿，电源通过电弧放电瞬间加热激励器表面附近的空气，产生5组冲击波
叠加，并形成多个湍流涡结构，多个湍流涡结构与附面层内部结构产生耦合作用，改变附面层原始状态，进而改变激波结构，将原来的一道强斜激波转变为多道弱压缩波，削弱了激波强度。图3(b)为激励器工作时激波结构的瞬态纹影图像，流向阵列式布局激励控制激波的效果优势明显，不同于单组激励的控制效果，阵列式布局对于激波结构的扰动效果尤为突出，分离激波出现明显的分叉现象，还发现流动控制效果具有延迟现象，直到第三个脉冲周期控制效果才开始显现，因此激波强度的降低必然和高频激励的累积效应相关，如果激励频率较低，相邻两次激励之间存在较长的控制间歇期，分离激波容易恢复，很难实现准稳态的控制效果。通过图3(b)施加激励前后时均纹影(时均统计量为3000张)对比分析，强分离激波起始点位置相比基准状态上升了大约50mm，靠近壁面处的激波几乎呈现消失状态。
[0058] 图4给出激励频率为10kHz，在不同指定频率下的空间频谱图，其中图4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别示出在指定频率2kHz、5kHz、10kHz、20kHz、23kHz、25kHz下的空间频谱图分布。可以看出，在脉冲频率为10kHz的阵列式激励下，激波的控制效果显著，分离激波脚处的激波基本消失。在脉动频率方面，频谱中的最大能量出现在f＝10kHz时，主要集中在上部分的区域，恰好与放电的激励频率一致，说明通过控制脉冲放电频率，可以在一定程度上影响激波的脉动频率，有效的实现了将分离激波的主振荡频率从低频转向高频。通过空间频谱图可见，在更高指定频率显示下，
边界层结构变得清晰，说明在激励作用下，边界层的脉动频率相比于基准流场状态有所增高，推测是由于高频激励的不断扰动，使边界层的紊流度增加所导致。
[0059] 图5给出了高频阵列式电弧放电等离子体激励控制超声速激波的理论模型，其中图5(a)、(b)分别示出基准状态和激励状态超声速流动的理论模型。电源将能量加载到激励器上，通过电弧放电的方式对激励器附近的空气进行加热，产生瞬间气体加热效应，在流向上形成冲击波和亚附面层尺度的湍流涡结构，因为是高频激励，这种尺度的涡结构会源源不断地在附面层内部形成，并随着来流一起吹向分离激波位置。上游湍流附面层持续受到高频能量涡结构的扰动，打破了湍流附面层的原有的状态，两种结构发生较为剧烈的耦合作用，因此附面层厚度增加，更多高频涡结构的产生，湍流附面层还未通过激波就出现了高频涡脱落现象。强分离激波随着附面层状态的变化而减弱，最终诱导出流向高频弱压缩波阵面，将原来的一道强斜激波转变为多道弱压缩波。抑制了分离激波低频运动，削弱了激波诱导的逆压梯度，从而降低激波附面层干扰流动不稳定性。
