CN103287575B - 基于等离子体激励装置实现的减少表面阻力的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于飞行器或地面交通的动力技术领域的基于等离子体激励装置实现的减少表面阻力的方法，通过布置于目标平面的电极阵列、电源和用于调节电源参数的控制器，通过控制器的不同工作状态，使得固体表面湍流边界层的内层产生周期可控的诱导流体，实现干扰湍流边界层内层的猝发过程与下扫过程，抑制湍流边界层内层的拟序机构与低速条带的产生与传播，达到减小固体表面湍流摩擦阻力的效果。本发明能够有效抑制高雷诺数下的湍流摩擦阻力，具有结构简单、耗能低、性能稳定、可主动调节、无附加载重的特点，并且适用于较宽的来流速度，没有附加寄生阻力。

Description

基于等离子体激励装置实现的减少表面阻力的方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于飞行器或地面交通的动力技术领域的方法，具体是一种基于等离子体激励装置实现的减少表面阻力的方法。

背景技术

湍流摩擦阻力是航空飞行器及地面交通工具中的主要阻力之一，直接影响到飞行器及地面交通工具的经济性与环保性。由于高雷诺数特征，近壁面流动由层流流态转化为湍流流态，使得固体表面的摩擦阻力非线性增长，迫使总阻力大幅增加；一般来讲，湍流摩擦阻力占飞行器或地面交通工具总阻力的50%以上，是减小总阻力的关键所在。因此，湍流摩擦阻力的减小与控制，可大幅节省燃料或电力消耗成本，并可提高飞行机及地面交通工具的运行速度。

根据Pope,S.P.在“TurbulentFlows（湍流）”中的湍流边界层理论，粘性底层（y⁺<10）存在低速条带，低速条带一经形成便缓慢升起，约在y⁺≈15-30处发生振动，低速条带的不稳定性非线性增长，最终突然破裂而导致“猝发”过程；“猝发”后的部分气流加速冲向壁面，导致拟序结构的“下扫”，进而触发新的低速条带的形成。由此可见，湍流摩擦阻力的形成于湍流边界层中的拟序结构的“猝发”具有密不可分的关联。而根据OrlandiandJiménez在“OntheGenerationofTurbulentWallFriction（湍流壁摩擦力的发生）”中的研究，湍流摩擦阻力的大小主要取决于“下扫”气流的剪切强度。因此，抑制湍流摩擦阻力的关键在于抑制湍流边界层内层的“猝发”过程，并有效的控制“下扫”剪切强度，从而抑制湍流的生成并克服在近壁区的强剪切力。

目前，湍流摩擦阻力的减阻方法包括壁面沟槽、振动壁、吹吸气、柔性材料、记忆合金、微孔材料和高分子聚合物等方法，大多存在实现困难、可靠性差、不易主动调节等缺点，并且适用范围多为低速流动，难以在高速流动中发挥减阻效果。因此提出一种针对高低速流动有效、简单可靠、易实现、可主动调节的减阻方法是是亟待解决的问题。

经过对现有技术的检索，“核聚变与等离子体物理”2008年6月公开的“等离子体气动激励器布局对放电特性与加速效果的影响”一文中记载了半圆、锯齿、常规三种等离子体激励器布局技术，但该技术中等离子体激励器可用于增大失速攻角、减小流动分离和抑制噪声，但不能有效的减小湍流摩擦阻力。

另外，“应用力学学报”2011年6月公开的“等离子体诱导圆锥前体流场的PIV测量”一文中记载了等离子体激励器配合占空比循环技术实现力学控制的实验过程，同时公开了不同相位角、频率下的控制效果，但该技术占空比与相位角的控制不能诱发流动的展向周期性震荡，不能干扰湍流边界层底层的拟序结构。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于等离子体激励装置实现的减少表面阻力的方法，能够有效抑制高雷诺数下的湍流摩擦阻力，可产生展向周期性流动，具有结构简单、耗能低、性能稳定、可主动调节、无附加载重的特点，并且适用于较宽的来流速度，没有附加寄生阻力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过布置于目标平面的电极阵列、电源和用于调节电源参数的控制器，通过控制器的不同工作状态，使得固体表面湍流边界层的内层产生周期可控的诱导流体，实现干扰湍流边界层内层的猝发过程与下扫过程，抑制湍流边界层内层的拟序机构与低速条带的产生与传播，达到减小固体表面湍流摩擦阻力的效果。

所述的电极阵列包括：设置于目标平面表面的若干平行排列的裸露电极、设置于目标平面内部的内埋电极和设置于裸露电极、内埋电极之间的绝缘介质，其中：裸露电极和内埋电极的中心线平行于湍流的来流方向。

所述的目标平面是指：有气体流动的固体表面。

所述的内埋电极的结构包括：宽度包含了全部裸露电极宽度的整体式结构以产生同步且无相位差的诱导流体、分离为若干单元且分别设置于各个裸露电极一侧的单侧分离式结构、或者分别设置于各个裸露电极两侧的双侧分离式结构，其中：单侧分离式结构中，各个内埋电极单元与各个裸露电极为交错分布，两者电极各自宽边的位置相对应以产生异步异相的诱导流体；双侧分离式结构中，一个裸露电极分别对应两个内埋电极单元，该裸露电极的两侧宽边分别对应一个内埋电极单元的宽边，此时产生同步无相位差或者异步异相的诱导流体。

所述的裸露电极的拓扑结构为：直线平行结构、锯齿结构或者曲线结构。

所述的各个裸露电极的宽度小于目标平面上形成的湍流边界层厚度的10%；各个裸露电极之间的间距大于粘性底层参数y⁺=10且小于湍流边界层厚度的10%。

所述的锯齿结构的裸露电极的锯齿角度θ小于30°；曲线结构的裸露电极的曲线弧度α小于60°。

所述的控制器的不同工作状态是指：控制器输出不同峰值、频率、工作占空比、相位差以及波形；进一步优选为：控制器控制电信号作用在电极上的占空比和相位差，使电极阵列产生同步且无相位差模态、异步异相模态和混合模态并直至等离子控制器达到稳态。

所述的同步且无相位差模态是指：控制器产生对向诱导流动，在电极阵列中心线附近产生较强的垂直于壁面的法向向外流动。

所述的异步异相模态是指：在保证各电极阵列均能稳定放电产生等离子体诱导流动的前提下，通过控制器的输出信号，控制相邻电极间的工作占空比和相位差；具体是指：第n组裸露电极和内埋电极产生展向诱导流体，流向第n+1组裸露电极和内埋电极；经过衰减后，当诱导流体经过第n+1组裸露电极和内埋电极时，开通第n+1组裸露电极和内埋电极的控制信号，加速或增强第n组产生展向诱导流体，使其流向第n+2组裸露电极和内埋电极，…以此类推，使得在湍流平板展向产生周期性的震荡流动，其中，n为自然数。

所述的混合模态是指：控制电信号的相位差，控制器间歇性地处于同步且无相位差模态和异步异相模态。

技术效果

本发明在固体表面湍流边界层底层产生周期性、可控的诱导流体，干扰湍流边界层内层的“猝发”与“下扫”过程，抑制湍流边界层内层的拟序机构与低速条带的产生与传播，达到减小固体表面湍流摩擦阻力的效果；同时，可产生垂直于壁面的诱导流动，缓解湍流边界层近壁区的强剪切力，亦可减小湍流摩擦阻力。

由于等离子体激励器的流动控制效果主要作用于湍流边界层的内层，使得本发明具有较广的适用范围，适用的流动马赫数（M）包括低速（0.1≤M≤0.8）、跨音速（0.8≤M≤1.2）、超声速（1.2≤M≤5）及高超声速（5≤M），适用的雷诺数在10⁵到10⁸之间的内部流动及外部流动。目标固体表面形状可为平板、楔面或有曲率的固面，可为简单或复杂的几何结构；本发明的应用对象包括：航空飞行器、高速列车、汽车和卡车等。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为实施例1中电极阵列布局截面示意图；

图3为实施例2中电极阵列布局截面示意图；

图4为实施例3中电极阵列布局截面示意图；

图5为裸露电极的直线平行拓扑结构示意图；

图6为裸露电极的锯齿拓扑结构示意图；

图7为裸露电极的曲线拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例的装置包括：布置于目标平面1的电极阵列、电源2和用于调节电源2参数的控制器3，其中：

电极阵列包括：设置于目标平面1表面的若干平行排列的裸露电极4、设置于目标平面1内部的内埋电极5和设置于裸露电极4、内埋电极5之间的绝缘介质6，其中：裸露电极4和内埋电极5的中心线平行于湍流的来流方向；

如图2所示，所述的内埋电极5的结构为：宽度包含了全部裸露电极4宽度的整体式结构以产生同步且无相位差的诱导流体。

相比于现有技术，该实施例中相邻电极可产生对向的诱导流动，在相邻电极中心线附近产生垂直于壁面的法向向外流动，作用于湍流边界层的内层流动，有效的缓解湍流边界层内层中的强剪切力，增强了等离子控制的控制效果，达到了减阻目的。

如图5、图6和图7所示，所述的裸露电极4的拓扑结构为：直线平行结构、锯齿结构或者曲线结构。

所述的各个裸露电极4的宽度L₁小于目标平面1上形成的湍流边界层厚度的10%；各个裸露电极4之间的间距S₁大于y⁺=10且小于湍流边界层厚度的10%；

所述的锯齿结构的裸露电极4的锯齿角度θ小于30°；曲线结构的裸露电极4的曲线弧度α小于60°。

所述的裸露电极4的厚度h₁为0.01-0.2mm，内埋电极5的厚度h₂为0.01-0.5mm，裸露电极4与内埋电极5的高度差d为0.05-0.5mm。

裸露电极4与内埋电极5的材料为良导体材料，根据具体流动条件对温度和强度的要求，可选用铜、钨、钼、导电碳合金等，绝缘介质6的材料常选用聚四氟乙烯材料。

所述的电源2为高频高压电源，可为交流、直流、或交流-直流组合形式，频率范围在1kHz-50kHz，电压强度在1kV-100kV，电信号波形包括正弦波、方波、三角波等；

所述的控制器3可调节电源的峰值、频率、工作占空比、相位差、波形。

本实施例的减阻方法，内埋电极5采用了整体式布局，有利于增强诱导流体在展向的作用范围及强度；本实施例中利用等离子控制器产生对向诱导流动，在电极阵列中心线附近产生较强的垂直于壁面的法向向外流动，可大幅缓解了湍流边界层近壁区的强剪切力；由于该减阻方法作用区域主要体现在湍流边界层内层低速区，使得该减阻方法对来流马赫数和雷诺数依赖性较小。

实施例2

如图3所示，其他结构与实施例1相同，而所述的内埋电极5的结构为：分离为若干单元且分别设置于各个裸露电极4一侧的单侧分离式结构，其中：单侧分离式结构中，各个内埋电极5单元与各个裸露电极4为交错分布，两者电极各自宽边的位置相对应以产生异步异相的诱导流体。图中，各个内埋电极5单元的宽度为L₂，各个单元之间的间距为S₃。

如图5、图6和图7所示，所述的裸露电极4的拓扑结构为：直线平行结构、锯齿结构或者曲线结构。

本实施例的减阻方法，在保证各电极阵列均能稳定放电产生等离子体诱导流动的前提下，可通过电源控制器的输出信号，控制相邻电极间的工作占空比和相位差，实现等离子控制器异步异相的工作模态，产生展向周期性震荡的诱导流动；第n组裸露电极4和内埋电极5产生展向诱导流体，流向第n+1组裸露电极4和内埋电极5；经过一段距离的衰减，当诱导流体经过第n+1组裸露电极4和内埋电极5时，开通第n+1组裸露电极4和内埋电极5的控制信号，加速或增强第n组产生展向诱导流体，使其流向第n+2组裸露电极4和内埋电极5，…。以此类推，使得在湍流平板展向产生周期性的震荡流动，作用于湍流边界层中的逆序结构，影响湍流的生成，抑制湍流“猝发”过程，达到减小摩擦阻力的效果。

实施例3

如图4所示，其他结构与实施例1相同，而所述的内埋电极5的结构为：分离为若干单元且分别设置于各个裸露电极4两侧的双侧分离式结构，该结构中，一个裸露电极4分别对应两个内埋电极5单元，该裸露电极4的两侧宽边分别对应一个内埋电极5单元的宽边，此时产生同步无相位差或者异步异相的诱导流体。图中，不同裸露电极4对应的内埋电极5单元之间的间距为S₂。

如图5、图6和图7所示，所述的裸露电极4的拓扑结构为：直线平行结构、锯齿结构或者曲线结构。

本实施例的减阻方法，综合了实施例1与实施例2的减阻特点，可实现三种等离子体控制器工作模态：同步无相位差、异步异相和混合模态；当电信号同步无相位差加载于所有电极阵列中的裸露电极4及内埋电极5时，其控制机理及效果等同于实施例1中的减阻方法，即产生垂直于壁面的法向向外的流动，缓解湍流边界层内层的强剪切力；当电信号异步异相加载于各电极阵列时，可产生展向周期性震荡流动，控制机理及效果等同于实施例2中的减阻方法，另外通过控制内埋电极5的工作相位差，可实现单向或双向的展向周期性震荡流动；控制高压电信号的相位差，可实现一种混合模态，即等离子控制器间歇性的处于同步且无相位差模态和异步异相模态。

Claims (8)

1.一种基于等离子体激励装置实现的减少表面阻力的方法，其特征在于，通过布置于目标平面的电极阵列、电源和用于调节电源参数的控制器，通过控制器的不同工作状态，使得固体表面湍流边界层的内层产生周期可控的诱导流体，实现干扰湍流边界层内层的猝发过程与下扫过程，抑制湍流边界层内层的拟序机构与低速条带的产生与传播，达到减小固体表面湍流摩擦阻力的效果；

所述的电极阵列包括：设置于目标平面表面的若干平行排列的裸露电极、设置于目标平面内部的内埋电极和设置于裸露电极、内埋电极之间的绝缘介质，其中：裸露电极和内埋电极的中心线平行于湍流的来流方向；

所述的控制器的不同工作状态具体为：控制器控制电信号作用在电极上的占空比和相位差，使电极阵列产生同步且无相位差模态、异步异相模态和混合模态并直至等离子控制器达到稳态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的内埋电极的结构包括：宽度包含了全部裸露电极宽度的整体式结构以产生同步且无相位差的诱导流体、分离为若干单元且分别设置于各个裸露电极一侧的单侧分离式结构、或者分别设置于各个裸露电极两侧的双侧分离式结构，其中：单侧分离式结构中，各个内埋电极单元与各个裸露电极为交错分布，两者电极各自宽边的位置相对应以产生异步异相的诱导流体；双侧分离式结构中，一个裸露电极分别对应两个内埋电极单元，该裸露电极的两侧宽边分别对应一个内埋电极单元的宽边，此时产生同步无相位差或者异步异相的诱导流体。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的裸露电极的拓扑结构为：直线平行结构、锯齿结构或者曲线结构。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征是，所述的各个裸露电极的宽度小于目标平面上形成的湍流边界层厚度的10%；各个裸露电极之间的间距大于粘性底层参数y⁺=10且小于湍流边界层厚度的10%。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的锯齿结构的裸露电极的锯齿角度θ小于30°；曲线结构的裸露电极的曲线弧度α小于60°。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的同步且无相位差模态是指：控制器产生对向诱导流动，在电极阵列中心线附近产生较强的垂直于壁面的法向向外流动。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的异步异相模态是指：在保证各电极阵列均能稳定放电产生等离子体诱导流动的前提下，通过控制器的输出信号，控制相邻电极间的工作占空比和相位差。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的混合模态是指：控制电信号的相位差，控制器间歇性地处于同步且无相位差模态和异步异相模态。