等离子体激励在高速流动中的减阻机制

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29373

临近空间技术

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

等离子体激励在高速流动中的减阻机制

高世琦¹, 丁博², 解旭祯³, 李铮¹(), 陈林¹, 钱首元¹, 焦子涵¹, 白光辉¹

^1.中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室，北京 100076
^2.西北工业大学航空学院，西安 710072
^3.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073

收稿日期:2023-07-27 修回日期:2023-08-03 接受日期:2023-08-23 出版日期:2023-09-15 发布日期:2023-09-13
通讯作者: 李铮 E-mail:spacephy@163.com

Drag reduction mechanism using plasma synthetic jet in high⁃speed flow

Shiqi GAO¹, Bo DING², Xuzhen XIE³, Zheng LI¹(), Lin CHEN¹, Shouyuan QIAN¹, Zihan JIAO¹, Guanghui BAI¹

^1.Science and Technology on Space Physics Laboratory，China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China
^2.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’ an 710072，China
^3.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China

Received:2023-07-27 Revised:2023-08-03 Accepted:2023-08-23 Online:2023-09-15 Published:2023-09-13
Contact: Zheng LI E-mail:spacephy@163.com

摘要/Abstract

摘要：

利用等离子体合成射流激励器，采用风洞试验和数值仿真的方法，对钝头体在高速复杂流场中的减阻特性进行研究。在马赫数为8的高速流场中，开展了等离子体合成射流作用下的钝头体阻力动态测量试验，探究了等离子体合成射流不同穿透模态对钝头体阻力的影响，建立了适用于等离子体主动激励与高速流动耦合作用下的数值仿真方法。风洞试验结果表明，等离子体合成射流使钝头体模型减阻2.51 N；数值仿真结果表明，等离子体合成射流使钝头体模型减阻2.03 N，相对试验值减阻误差为19.1%。

关键词: 高速流动, 等离子体, 流动控制, 减阻, 风洞试验

Abstract:

The influence of the plasma synthetic jet on the drag reduction characteristics of the blunt body model in high-speed complex flow fields is investigated experimentally and numerically. The dynamic axial force measurement test of the blunt body with a plasma synthetic jet actuator is carried out in Mach number 8 flow field. The mechanism of penetration model on drag reduction of the blunt body by the plasma synthetic jet is studied. A numerical simulation method suitable for the coupling of plasma active actuation and high-speed flow is established. The wind tunnel test results show that the plasma synthetic jet reduces the drag of the blunt body model by 2.51 N. The numerical simulation results show that the plasma synthetic jet reduces the drag of the blunt body model by 2.03 N， and the relative experimental error of drag reduction is 19.1%.

Key words: high-speed flow, plasma, flow control, drag reduction, wind tunnel test

中图分类号:

高世琦, 丁博, 解旭祯, 李铮, 陈林, 钱首元, 焦子涵, 白光辉. 等离子体激励在高速流动中的减阻机制[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729373-729373.

Shiqi GAO, Bo DING, Xuzhen XIE, Zheng LI, Lin CHEN, Shouyuan QIAN, Zihan JIAO, Guanghui BAI. Drag reduction mechanism using plasma synthetic jet in high⁃speed flow[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S2): 729373-729373.

图/表 14

图 1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图 12

图13

图14

参考文献 37

1	BUSHNELL D M. Shock wave drag reduction［J］. Annual Review of Fluid Mechanics， 2004， 36： 81-96.
2	YADAV R， GUVEN U. Aerodynamic heating of a hypersonic projectile with forward-facing ellipsoid cavity at nose［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2015， 52（1）： 157-165.
3	HAYASHI K， ASO S， TANI Y. Experimental study on thermal protection system by opposing jet in supersonic flow［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2006， 43（1）： 233-235.
4	HUANG W， YAN L. Progress in research on mixing techniques for transverse injection flow fields in supersonic crossflows［J］. Journal of Zhejiang University Science A， 2013， 14（8）： 554-564.
5	MANSOUR K， KHORSANDI M. The drag reduction in spherical spiked blunt body［J］. Acta Astronautica， 2014， 99： 92-98.
6	DEM’YANOV Y A， LAPYGIN V I. Solution of the problems of spacecraft aerothermodynamics［J］. Fluid Dynamics， 2012， 47（4）： 527-542.
7	KNIGHT D. Survey of aerodynamic drag reduction at high speed by energy deposition［J］. Journal of Propulsion and Power， 2008， 24（6）： 1153-1167.
8	SAKAI T， SEKIYA Y， MORI K， et al. Interaction between laser-induced plasma and shock wave over a blunt body in a supersonic flow［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2008， 222（5）： 605-617.
9	李铮，徐聪，张健，等. 等离子体合成射流激励器高速流场逆向喷流控制［J］. 航空学报， 2022， 43（S2）： 225-232.
	LI Z， XU C， ZHANG J， et al. Reverse jet flow control by plasma synthetic jet actuator in high speed flow field［J］. Acta Aeronauticaet Astronautica Sinica， 2022， 43（S2）： 225-232 （in Chinese）.
10	JIANG Z L， LIU Y F， HAN G L. Conceptual study on non-ablative TPS for hypersonic vehicles［C］∥ Proceedings of the 17th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. Reston： AIAA， 2011： AIAA2011-2372.
11	KHAMOOSHI A， TAYLOR T， RIGGINS D W. Drag and heat transfer reductions in high-speed flows［J］. AIAA Journal， 2007， 45（10）： 2401-2413.
12	SHEN Y， ZHANG J， XU X A， et al. Investigation on the opposing jet in the hypersonic rarefied flow over a vehicle based on the DSMC method［J］. Actuators， 2022， 11（6）： 164.
13	何琨，陈坚强，董维中. 逆向喷流流场模态分析及减阻特性研究［J］. 力学学报， 2006， 38（4）： 438-445.
	HE K， CHEN J Q， DONG W Z. Penetration mode and drag reduction research in hypersonic flows using a counter-flow jet［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2006， 38（4）： 438-445 （in Chinese）.
14	周超英，纪文英，张兴伟，等. 超声速钝体逆向喷流减阻的数值模拟研究［J］. 应用力学学报， 2012， 29（2）： 159-163， 238.
	ZHOU C Y， JI W Y， ZHANG X W， et al. Numerical investigation on counter-flow jet drag reduction of a bluff body in supersonic flow［J］. Chinese Journal of Applied Mechanics， 2012， 29（2）： 159-163， 238 （in Chinese）.
15	高广宇，刘冰，黄伟，等. 高超声速飞行器逆向射流减阻防热技术综述［J］. 战术导弹技术， 2021（4）： 67-75， 135.
	GAO G Y， LIU B， HUANG W， et al. Review of opposing jet drag reduction and thermal protection technology for hypersonic vehicle［J］. Tactical Missile Technology， 2021（4）： 67-75， 135 （in Chinese）.
16	FINLEY P J. The flow of a jet from a body opposing a supersonic free stream［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1966， 26（2）： 337-368.
17	CHEN L W， WANG G L， LU X Y. Numerical investigation of a jet from a blunt body opposing a supersonic flow［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2011， 684： 85-110.
18	DESAI S， PRAKASH K V， KULKARNI V， et al. Universal scaling parameter for a counter jet drag reduction technique in supersonic flows［J］. Physics of Fluids， 2020， 32（3）： 036105.
19	吴云，李应红. 等离子体流动控制研究进展与展望［J］. 航空学报， 2015， 36（2）： 381-405.
	WU Y， LI Y H. Progress and outlook of plasma flow control［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36（2）： 381-405 （in Chinese）.
20	GROSSMAN K， BOHDAN C， VANWIE D. Sparkjet actuators for flow control［C］∥ Proceedings of the 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2003： AIAA2003-57.
21	CARUANA D， BARRICAU P， GLEYZES C. Separation control with plasma synthetic jet actuators［J］. International Journal of Aerodynamics， 2013， 3（1/2/3）： 71.
22	SARY G， DUFOUR G， ROGIER F， et al. Modeling and parametric study of a plasma synthetic jet for flow control［J］. AIAA Journal， 2014， 52（8）： 1591-1603.
23	LIU R B， NIU Z G， WANG M M， et al. Aerodynamic control of NACA 0021 airfoil model with spark discharge plasma synthetic jets［J］. Science China Technological Sciences， 2015， 58（11）： 1949-1955.
24	周岩，罗振兵，王林，等. 等离子体合成射流激励器及其流动控制技术研究进展［J］. 航空学报， 2022， 43（3）： 025027.
	ZHOU Y， LUO Z B， WANG L， et al. Plasma synthetic jet actuator for flow control： Review［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（3）： 025027 （in Chinese）.
25	NARAYANASWAMY V， RAJA L L， CLEMENS N T. Characterization of a high-frequency pulsed-plasma jet actuator for supersonic flow control［J］. AIAA Journal， 2010， 48（2）： 297-305.
26	NARAYANASWAMY V， RAJA L L， CLEMENS N T. Control of unsteadiness of a shock wave/turbulent boundary layer interaction by using a pulsed-plasma-jet actuator［J］. Physics of Fluids， 2012， 24（7）： 076101.
27	JIN D， CUI W， LI Y， et al. Characteristics of pulsed plasma synthetic jet and its control effect on supersonic flow［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2015， 28（1）： 66-76.
28	ZONG H H， KOTSONIS M. Experimental investigation on frequency characteristics of plasma synthetic jets［J］. Physics of Fluids， 2017， 29（11）： 115107.
29	GENG X， ZHANG W L， SHI Z W， et al. Experimental study on frequency characteristics of the actuations produced by plasma synthetic jet actuator and its geometric effects［J］. Physics of Fluids， 2021， 33（6）： 067113.
30	GREENE B R， CLEMENS N T， MAGARI P， et al. Control of mean separation in shock boundary layer interaction using pulsed plasma jets［J］. Shock Waves， 2015， 25（5）： 495-505.
31	陈加政，胡国暾，樊国超，等. 等离子体合成射流对钝头激波的控制与减阻［J］. 航空学报， 2021， 42（7）： 124773.
	CHEN J Z， HU G， FAN G C， et al. Bow shock wave control and drag reduction by plasma synthetic jet［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（7）： 124773 （in Chinese）.
32	XIE W， LUO Z B， ZHOU Y， et al. Experimental and numerical investigation on opposing plasma synthetic jet for drag reduction［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2022， 35（8）： 75-91.
33	XIE W， LUO Z B， HOU L， et al. Characterization of plasma synthetic jet actuator with Laval-shaped exit and application to drag reduction in supersonic flow［J］. Physics of Fluids， 2021， 33（9）： 096104.
34	SHYY W， JAYARAMAN B， ANDERSSON A. Modeling of glow discharge-induced fluid dynamics［J］. Journal of Applied Physics， 2002， 92（11）： 6434-6443.
35	刘是成，姜应磊，董昊. 高超声速圆锥边界层不稳定性及转捩实验研究［J］. 实验流体力学， 2022， 36（2）： 122-130.
	LIU S C， JIANG Y L， DONG H. Experimental study on instability and transition over hypersonic boundary layer on a straight cone［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2022， 36（2）： 122-130 （in Chinese）.
36	周岩. 新型等离子体合成射流及其激波控制特性研究［D］. 长沙：国防科技大学， 2018.
	ZHOU Y. Study on new plasma synthetic jet and its shock wave control characteristics［D］.Changsha： National University of Defense Technology， 2018 （in Chinese）.
37	丁博，陈真利，焦子涵，等. 脉冲表面电弧放电对高超声速压缩拐角的非定常控制机理［J］. 航空学报， 2023， 44（12）： 127744.
	DING B， CHEN Z L， JIAO Z H， et al. Unsteady control mechanisms of hypersonic compression corner using pulsed surface arc discharge［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（12）： 127744 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	孙朋朋, 刘平安, 樊枫, 曾伟. 悬停状态共轴刚性旋翼机身气动干扰特性[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529284-529284.
[2]	王畅, 何龙, 徐栋霞, 唐敏, 马率, 吴希明. 共轴刚性旋翼桨毂流动控制减阻研究[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529084-529084.
[3]	张卫国, 唐敏, 武杰, 彭先敏, 章贵川, 聂博文, 王亮权, 李超群. 倾转旋翼机风洞试验综述[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 530114-530114.
[4]	聂博文, 王亮权, 黄志银, 何龙, 杨仕鹏, 颜鸿涛, 章贵川. 复合式高速无人直升机飞行动力学建模与控制策略设计[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529848-529848.
[5]	王雪鹤, 柴春硕, 邢世龙, 樊枫, 黄水林. 共轴高速直升机反流区翼型设计及减阻机理[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529960-529960.
[6]	杨雄, 李小康, 郭大伟, 程谋森, 张帆, 车碧轩, 雷清雲. 高功率波加热磁等离子体推力器研究现状与展望[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 28761-028761.
[7]	谢玮, 罗振兵, 周岩, 刘强, 吴建军, 董昊. 高超声速双楔激波干扰定常射流控制试验研究[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 128813-128813.
[8]	刘柳, 向先宏, 张宇飞, 陈海昕, 魏闯, 朱剑, 杨普. 一种高升阻比非常规翼身融合燕尾气动布局[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 629630-629630.
[9]	李广佳, 王红波, 张凯, 仪志胜. 临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529644-529644.
[10]	李海星, 周峰, 颜巍, 白峰, 赵克良. 砂纸冰对民机平尾气动特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128657-128657.
[11]	李学良, 李创创, 苏伟, 吴杰. 分布式粗糙元对高超声速边界层不稳定性的影响试验[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128627-128627.
[12]	刘宇, 秦梦婕, 王强, 易贤. 含盐海水飞沫的结冰风洞试验相似准则[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729297-729297.
[13]	杨秋明, 朱永峰, 陈华伟, 刘晓林. 镂空图案化电加热组件防冰性能试验研究[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729334-729334.
[14]	曾繁宇, 邱云龙, 曹占伟, 张伦, 陈伟芳. 超声速湍流边界层阵列式微吹气流动控制与减阻特性[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729396-729396.
[15]	王旺, 饶彩燕, 徐聪, 李思怡, 段毅, 张健. 激光能量沉积对超声速进气道流动的控制效果[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729424-729424.

等离子体激励在高速流动中的减阻机制

Drag reduction mechanism using plasma synthetic jet in high⁃speed flow

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 37

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价