电弧放电等离子体对超声速边界层影响的数值模拟

电弧放电等离子体对超声速边界层影响的数值模拟 Vol, 3333 1 宇航学报第 卷 第 期 No, 1 January Journa of Astronautcs2012li2012 1 年 月 电弧放电等离子体对超声速边界层影响的 数值模拟 11 2 2 2 ，，，，博程钰锋聂万胜车学科丰松江何 ( 1, ，101416; 2, ，101416)装备学院研究生院北京 装备学院航天装备系北京 : ，，摘 要基于电弧放电等离子体热阻塞机理对等离子体超声速流动控制过程进行了数值模拟研究了等离 : ，、。子体对边界层的影响分析了放电区大小温度等对其作用效果的影响结果显示在高温等离子体放电区的上下 ; ，在放电区内有两种边界层即高温等离子体与外界低温气流之间的温度边 游近区发生了边界层分离及漩涡运动 ; ; ，放电区内形成漩涡运动的原因有两个即内外压差和边界层分离上游边界 界层和气流与壁面之间的粘性边界层 ; ，y 、y 层的分离点 轴坐标随温度的增大而减小增大来流速度放电区上游分离点 轴坐标呈先增大后减小的趋势放 、。y 下游近区边界层分离点 轴坐标减小 电区内漩涡运动加剧 : ; ; ; 关键词电弧放电等离子体流动控制边界层数值模拟 O53 A 1000-1328( 2012) 01-0027-06:::中图分类号文献标识码文章编号 DOI: 10, 3873 / j, issn, 1000-1328, 2012, 01, 004 Numerical Simulation to the Effect of Arc Discharge Plasma Flow Control on Supersonic Boundary Layer 1 2 2 2 1 CHENG Yu-feng，NE Wan-sheng，CHE Xue-ke，FONG Song-ang，HE BoIji ( 1, Department of Postgraduate，Academy of Equpment，Bejng 101416，Chna; iiii 2, Department of Space Equipment，Academy of Equipment，Beijing 101416，China) Abstact: The effect of arc dscharge pasma on hgh-speed fow contro based on the domnant therma mechansm srililliliinumerically investigated，the effect of arc discharge plasma flow control on transsonic boundary layer is studied and effects of different geometrical configurations and different plasma temperatureso n arc discharge plasma flow control are analyzed in detailed, The results show that boundary layer separation and the vortexf low will occur in the near region up and down the plasma, There are two kinds of boundary layer caused by plasma; the first kind of boundary layer is caused by temperature gradient and the second is caused by the viscosity between flow and the wall, The vortex flow is caused by the pressure differential between outside and inside of plasma locus and the viscosity between flow and the wall, The y coordinate of separation point will decrease with the plasma temperature，The y coordinate of separation point in the near region up the plasma will increase with the increase of flow velocity but it will decrease when the velocity keep on increase, The y coordnaton of separatep ont the near regon down the pasma decrease as the fow veocty ncreases, And the iiiin ilwill llii vortex fow will speed up as the fow veocty ncreases, lllii Key words: Arc discharge plasma; Flow control; Boundary layer; Numerical simulation ，力学面临着前所未有的挑战其中之一便是超声速 0 引 言,1,。边界层分离现象和非线性漩涡运动分离及漩 ，、涡运动会带来不利影响如汽车阻力增大飞机的机 ，随着高超声速飞行器的发展高超声速空气动 : 2010-12-04;: 2011-10-15收稿日期修回日期 : ( 51076168) ; 基金项目国家自然科学基金部委级试验技术项目 ; ，。速等但控制的好也会产生有利作用如分离涡象对超声速边界层的影响,1,，由上面的分析可知等离子体源项作为边界条 。 在飞机增升中的应用及漩涡增强燃烧等 ，，件来处理所以控制方程中没有等离子体源项忽略 ，、来许多新概念新技术在边界层分流及漩涡运 ，流场中等离子体等组分的变化则欧拉方程可以写 ，制中逐步得到应用等离子体技术以其特有的 ,2 , 7,:成如下形式 。正逐渐受到重视 ，等离子体是如何影响超声速流场的影响因素 ,7, U + X + = 0( 1)，。些甚至主要机理都还存争议通常认为若 t x ，Y外界磁场干扰电弧放电等离子体流动控制机 y :其中,8,,9,Roth。Sergey要是热效应及静电力作用和 T e,= , u vU ρρρ T2 = ,uρ ,10, ,X ( e + p) uu+ p vu ρρ EHD ，的研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 机理对流场的影响很小因T= ,u2 ρ ,( e + p) v vu v+ pρρ Y 大激励器的输入功率时主要是等离子体温度会,11, ，; Shyy而静电力不会增大的仿真研究得出 :理想气体状态方程为,12,Jchu S。il样的结果实验研究说明在低压超 p= ( ,1 ) ( 2)γ ρε 3000K。条件下激励器阴极温度可达 我国空军 : ; u、v x、 ，其中ρ 是气体密度γ 是气体比热比分别是 ,13,大学的研究表明电弧放电气动激励机理是 y ; e ，，方向的速度分量是单位体积总能即能量密度，1 ,1 , 5kW，应在起主要作用电弧功率为 时等 2 2 e= ,( u+ v) /2,; 。 + ρε ε 是单位质量内能3000K。体温度可达 由于静电力对流动过程的 SST ( Shear-StressT ransport)湍流模型采用 k ,，远远小于热效应对流动过程的影 响因 此 ，， ,14 , 15,ω 两方程湍流模型该模型考虑了正交发散项等所ey B L在仿真研究等离子体流动控制的时 ，以对近壁面及远壁面都合适并且更适合对流减压 。,17,。区详见文献 都将等离子体流动控制机理简化为一个可控的 ，。与实验结果比较后得出他们的处理是合理的 2 计算区域及边界条件，本文基于电弧放电等离子体热阻塞机理将等 ，SSTk , 体简化为一个可控的热源采用 ω 两方 。,15 ,，1进气口高度计算区域参照文献如图 ，。 流模型对超声速流动过程进行了数值模拟60mm，?，150mm; ?，77为 α为 距进气口 α为 距进 1 2 了等离子体对边界层及边界层分离现象的影 185mm; ? ，235mm; 14气口 α为 距进气口 α与 α 3 2 3 ;? ，20mm14。之间 的 水 平 线 长 α为 距 进 气 口 探讨了等离子体内产生漩涡运动的原因并通4 230mm; 67, 5mm，382, 2mm。、出口高度 距进气口 等离子体温度及变等离子体放电区几何尺寸 ，，为保证网格的正交性及便于控制网格疏密本 马赫数研究了不同情况下等离子体对超声速 ,18,。边界层分布的影响规律 TTM。文采用 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 生成结构网格为了提高计算 ，精度分别在等离子体放电区域及通道喉部进行了 。数学模型网格加密处理 增加电流到一定程度将会出现有别于辉光放电 : ， 弧放电由于发射电流通过尖端时对尖端加热 ，; 端温度上升引起热场致发射发射电流进一步 ,16, ， : 1 程钰锋等电弧放电等离子体对超声速边界层影响的数值模拟29第 期 ，，的温度设定值研究等离子体热阻塞效应对边界层和 α影响而产生的斜激波 速度增大从而使得由 α1 2 ，。。，变弱从而使得流场结构发生改变 的影响没有等离子体控制时对等离子体放电区 。，域不作处理出口取外插值边界条件即所有变量 ; 。通过向外插值求得壁面取绝热无滑移条件 3 仿真结果与讨论 3, 1 等离子体对流场结构的影响 2 ，( a) 、 图 是本文计算结果与文献结果的比较图 ( b) ，( c) ( d) 、。 是文献的实验结果是本文仿真结果 由图可见超声速气流经过带有突起通道时的流场结 ，。构非常清晰与实验结果吻合很好没有等离子体作 152 ,,图 本文结果与文献实验结果的比较图，，，用时由于 α和 α的影响在通道喉部上游形成了 1 2 Fig, 2 Comparison of computational results and ，，两道激波气流经过两道激波后静压逐渐变大马赫 experimental results from reference ; 数逐渐减小且这两道激波在通道上壁面相交于通道 。，α的顶点有等离子体作用的情况下气流经过放电 4 3, 2 放电区域及其附近区域速度边界层分布，，区时在等离子体热阻塞的作用下上游产生了一道 2、Pa、19998当来流马赫数为 总压为 环境温度 ，，激波而后气流经过高温等离子体的作用压强减小 167K、3000K ，为 等离子体温度设为 时放电区及其 3 。附近区域速度边界层分布如图 所示 3 图 放电区及其附近区域边界层布图 Fg, 3 Dstrbuton of boundary near the dscharge regon iiiiii ( a) 3。。图 是放电区域上游近区域边界层分布图它们对等离子体作用效果的影响规律 ，，可见这些区域速度边界层表现的非常明显越 4 图 为改变等离子体放电区长和高的计算结 ，，。 放电区域附面层速度越小速度变化越剧烈，2、Pa、19998果其中来流马赫数为 总压为 环境温度 ，速气流运动过程中遇到了高温等离子体在放 167KKCase 123 、3000。、、为 等离子体温度设为 中 ，，上游形成回流现象表现为边界层分离且离等 132mm ( ，放电区起始点为 图中黑虚线为骑士位置y 。体放电区越近分离点 轴坐标越高 ) ，1mm，4mm、8mm、下同高 为 放 电 取 得 长 分 别 3 ( b) 。 图 是放电区内速度边界层的分布情况 10mm。，，由图可见仅改变等离子体放电区的长度，。可见该区域速度常分布很复杂复杂速度场 。: 对边界层的分布没有太大影响放电区前后边界的成可能是受两种边界层效应所致一是受高温 ，分布及放电区内分离点的起始位置都没有改变仅 ， 与外界低温的温度梯度影响而产生的边界层 ，仅改变了放电区内边界层分离点的分布区域即放 。 由于气流与壁面的粘性作用而形成的边界层 ，，电区的漩涡结构发生改变放电区越长漩涡结构越 ，种边界层相互作用使得等离子体放电区内发 。Case 3、4、5 132mm，长中放电区起始点为 长 为 。x 133mm ，涡运动在 轴为 的截面上速度大小 10mm，1mm、3mm、5mm。 放电取得高分别 由图可 ，，变化说明在这一区域有漩涡出现由边界层 ，; 见改变放电区的高度对边界层分布有很大的影响y ，点 轴坐标的分布可知等离子体放电区内发 y ，，放电区越高分离点 轴坐标越大超声速来流与等 ，漩涡运动这是因为高温气体的膨胀过程与超 ; 离子体相互作用面上速度分布越不均匀且当高度 ，， 来流相互作用的结果但漩涡并没有继续发展 5mm ，，设为 时放电区内发生了强烈的漩涡运动可 。随着气体的流动逐渐消失放电区内出现漩涡 ，以想象这个强烈的漩涡运动必将会对等离子体放 的另一个原因可能是由于等离子体放电区内的 。电区下游边界层及流场的分布产生更大的影响 ，，较小该区域被周围高压区域包围着流场压 。得一部分气体回流造成的 3( c) 图 是等离子体放电区下游近区域速度分 ; y ，由边界层分离点 轴坐标的分布可见在该区 ，形成了一个小小的漩涡结构这是该区域高温 、。膨胀作用高压流场及 α共同作用的结果图 1 ) ，x是部分喉部壁面边界层分布图随着流动沿 ，，展边界层分布逐渐趋于正常化等离子体对 。 层的作用效果逐渐减弱并最终消失综上所 Case 1 :cas e 5 4 图 中速度矢量分布比较图 ，述高温等离子体的作用就像超声速流 一个突Fg, 4 Comparson of veocty vectorin case 1 :cas e 5 iili，起结构且这一结构可以方便快捷的改 改变 ，等离子体输入功率越大其放电区温度越高所等离子体的输入功率及作用范围就可以改 一 ，以可以改变放电区域的温度定性的研究等离子体 ，虚拟突起的形状和大小改变等离子体的作 。Case 6、7、8 Case 3 放电功率对边界层的影响是在 “”。就可以改变这一虚拟突起的布置位置这 ，的基础上改变放电区域温度的算例其中等离子体 用使得等离子体技术可以作为一个可控的高温 3000K、3500K、4000K，温度分别为 边界层分布图如 ， : 1 程钰锋等电弧放电等离子体对超声速边界层影响的数值模拟31第 期 。半部分及其下游近区域的影响不太明显 参 考 文 献 ,1 , , , : ,M,张涵信分离流与漩涡运动的结构分析北京国防工 ，2002: 1, 业出版社 Starikovskaia S M, Plasma assisted ignition and combustion ,2 ,,J,,J , Phys, D: Appl, Phys，2006，39: 265 , 299, Roth J R，Dai X, Optimization of the aerodynamic plasma 3 ,, actuatora s an electrohydrodynamic ( EHD ) e lectrical device Case 6 :cas e 8 5 图中速度矢量分布比较图,C,, The 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit， Fg, 5 Comparson of veocty vector case 6 :cas e 8 iiliin Reno，Nevada，9 , 12，Jan，2006，AIAA 2006 , 1203, Axel V R， Serge L， Philippe M， et al, Plasma assisted Case 9、10、11 Case 3 是在 的基础上改变来流速 ,4 ,combustion: effecto f a coaxial DBD on a methane diffusion flame ，度研究不同速度下等离子体作用效果的算例其中 ,J,, Plasma Sources Sic Technol，2007，16: 149 , 1, 852, 252, 5，、、来流马赫数分别为 边界层分布如 160,S uchomel C F，Van D M W，Brooks G, Comparison of high 6 。，图 所示由图可见自由来流的速度对边界层的 and low fidelity energy based hypersonic vehicle 5 ,, performance parameters,C,, The 44th AAA AerospaceS cences Ii; ，影响很大随着来流速度的增大等离子体放电区 eetng and xhbtenoNevada9 , 12Jan2006 MiEii，R，，，，，AIAAy 上游边界层分离点 轴坐标呈先增大后减小的趋 2006 , 398, ，，势放电区前半部漩涡运动越激烈放电区后半部分 , ,D,, : 车学科等离子体流动控制机理研究北京装备指挥 y ， 边界层分离点 轴坐标越大放电区下游近区域边 ,6 , y 。 界层分离点 轴坐标越小 Study on the mechansms ofi2010, ,Che Xue-ke,，技术 学 院 mlasma mlow montrol,D,, Beijing: The Academy of Equipment Command , Technology，2010, , Sergey B L， Dmtry A Y， Vctor R S, Hgh-speed net iiiil 7 ,,customization by surface electrical discharge ,C,, The 44th AAA Aerospace Scences Meetng and Exhbt，Reno，Nevada, Iiiii 9 , 12，Jan 2006，AIAA 2006 , 403, SergeyB L，Dmitry A Y，Valery G G，et al, Mechanisms of flow ,8 ,control by near surface electrical discharge generation,C,, The 43th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit， Reno， Case 9 :cas e 12 6 图 中速度矢量分布比较图 Nevada，10 , 13，Jan，2005，AIAA 2005 , 0780, Fig, 6 Comparison of velocity vector in case 9 :cas e 12 Roth J R, Aerodynamic flow acceleration using paraelectric and ,9 ,peristaltic electrohydrodynamic effects o f a one atmosphere 4 结 论uniform glow discharge plasma,J,, Physics of Plasmas，2003， 10( 5) : 2117 , 2126, 电弧放电等离子体对超声速流场的作用如同一Leonov S B，Dmtry A Y，Gromov V G，et a, Mechansms of ili，个高温虚拟突起受边界层分离和等离子体放电区 flow control by near surface electrical discharge generation ,10,，,J,,V acuum，2006，80( 11) : 1199 , 1205, 内外气压的影响在放电区内会形成复杂的漩涡运 Shyy W， Jayaraman G， Andersson A, Modeling of glow 。: 动放电区内会发生两种边界层效应一是受高温气 discharge-induced fluid dynamics ,J,, Journal of Applied ，体与外界低温的温度梯度影响而产生的边界层二 ,11,Physcs，2002，92( 11) : 6434 , 6443, i。是由于气流与壁面的粘性作用而形成的边界层等 Jichul S V，Narayanaswamy L L，Noel T C, Characterization of a y 离子体放电区上游边界层分离点 轴坐标随来流速 drect-current gow dscharge pasma actuator in ow-pressure ilill ，,12,度的增大呈先增大后减小的趋势放电区内漩涡运 supersonic flow,J,, AIAA Journal，2007，45( 7) : 1596 , ，，，, ，y 1605,王健 李应红程邦勤等等离子体气动机理控制激波动随来流速度的增大而加剧下游分离点 轴坐标 J,, ，2009，58 ( 8 ) : 5513 , 物理学报,的机 理研究。随来流速度的增大而减小放电区长度对流场的影 5519, ,Wang ,13,，。响较小但其厚度对流场的影响很大激励器的输入 Jan，L ng-hong，Cheng Bang-qn，et a, The mechansm iiYiili功率对放电区后半部及其下游近区域的影响不明 investigation on shock wave controlled by plasma aerodynamic ，。显但对放电区上及放电区前半部影响较大 actuation,J,, Chin, Phys, Soc, ，2009，58( 8) : 5513 , 5519, , SergeyB Lexander A FDmtry A et a, Fow contro nengneerng appcatonsJ, Journa199432 ( 8 ) :，Al，iY，llliiilii,,AIAAl，，model supersonic inlet by electrical discharge,C,, The 16th 1598 , 1605, AIAA / DLR / DGLR International Space Planes and Hypersonic Thompson J F，Thames F C，Martn C W, Automatc numercaiiil ,18,Systems and Technologies Conferenc，AIAA 2009 , 7367, generation of body-fitted curvilinear coordinate system for field SergeyB L，Alexander A F，Dmitry A Y，et al, Active steering containing any number of arbitrary two-dimensional bodiesof shock waves in compression ramp by nonuniform plasma,J,,J , Comput, Phys, ，1974( 15) : 299 , 399, ,C,,T he 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition，Orlando， : ( 1985 ,) ，，作者简介程钰锋博士研究生主要研究方向为先Florida，4 。进流动控制技术 , 7Jan2010 2010 , 260, ，，，AIAA: 3380 ( 101416) 98 北京怀柔 通信地址信箱号，, ,M,, : 江剑平翁甲辉阴极电子学与气体放电北京清华大 : ( 010) 66364480电话 1980: 151 , 152, ，学出版社E-mail: ch00yf@ 163, com Menter F R, Two equation eddy viscosity turbulence models for ( : )编辑张宇平