纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟

doi:10.7527/S1000-6893.2013.0451

流体力学与飞行力学

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纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟

倪芳原, 史志伟, 杜海

南京航空航天大学航空宇航学院, 江苏南京 210016

收稿日期:2013-04-27 修回日期:2013-11-05 出版日期:2014-03-25 发布日期:2013-11-26
通讯作者: 史志伟，Tel.：025-84896464 E-mail：szwam@nuaa.edu.cn E-mail:szwam@nuaa.edu.cn
作者简介:倪芳原女，硕士研究生。主要研究方向：空气动力学设计。Tel：025-84896464 E-mail：atom_lax@126.com；史志伟男，博士，教授。主要研究方向：实验流体力学，非定常空气动力学，微型飞行器空气动力学。Tel：025-84896464 E-mail：szwam@nuaa.edu.cn；杜海男，博士研究生。主要研究方向：实验流体力学。Tel：025-84896464 E-mail：duhai1986@nuaa.edu.cn

Numerical Simulation of Nanosecond Pulsed Plasma Actuator for Cylindrical High-speed Flow Control

NI Fangyuan, SHI Zhiwei, DU Hai

College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China

Received:2013-04-27 Revised:2013-11-05 Online:2014-03-25 Published:2013-11-26

摘要/Abstract

摘要：

利用数值模拟，研究了纳秒脉冲介质阻挡放电（NS-DBD）等离子体激励器在圆柱高速流动控制中的应用。首先，研究了单电极NS-DBD等离子体激励器在静止空气中放电后的流场特性。研究表明在介质阻挡放电形成的等离子体区域，有局部能量快速注入，放电结束5 μs后在上极板后端点位置形成了一个局部温度高达900 K的热点，由此引发很强的压力扰动，形成以上极板后端点位置为中心，扩散速度约为声速的半圆形压缩波。在此基础上，通过数值模拟研究了NS-DBD等离子体激励器布置在直径为6 mm的圆柱上，来流马赫数为Ma_∞=4.6时，对圆柱脱体激波的控制作用。研究表明介质阻挡放电形成的半圆形压缩波对于脱体激波有很强的干扰作用，激波距离增加了15.7%，激波强度也有相应的减弱，导致阻力减少了13%。

关键词: 纳秒脉冲, 介质阻挡放电, 激波, 流动控制, 数值模拟

Abstract:

A computational study is performed for nanosecond-pulse dielectric barrier discharge (NS-DBD) plasma actuator using for cylindrical high-speed flow control. First, the flow field characteristic of a single NS-DBD plasma actuator in quiescent air is studied. The result shows that in the region of dielectric barrier discharge, there is a rapid injection of energy. At 5 μs after the discharge, a hot spot is formed at the downstream edge of the upper electrode. The maxima temperature of the hot spot reaches up to 900 K. The fast heating effect will result in a strong pressure perturbation and form an asymmetric perturbation wave spreading at the speed of sound. On this basis, the numerical simulation of NS-DBD plasma actuator disposed on the cylinder in the free stream Ma_∞ = 4.6 is presented in this paper. Studies have shown that as the compression wave travels upstream, it interacts with the bow-shock and momentarily increases the bow-shock standing distance and weakens the shock strength, thus resulting in a drag decrease by as much as 13%.

Key words: nanosecond pulse, dielectric barrier discharge, shock, flow control, numerical simulation

中图分类号:

V19
O539

倪芳原, 史志伟, 杜海. 纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟[J]. 航空学报, 2014, 35(3): 657-665.

NI Fangyuan, SHI Zhiwei, DU Hai. Numerical Simulation of Nanosecond Pulsed Plasma Actuator for Cylindrical High-speed Flow Control[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2014, 35(3): 657-665.

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