基于脉冲放电能量沉积控制的横向射流掺混

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31520

流体力学与飞行力学

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基于脉冲放电能量沉积控制的横向射流掺混

王宏宇¹^,²^,³(), 王刚²^,³, 李涛²^,³, 超珍厚⁴, 高峰⁴

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，绵阳 621000
^3.飞行器流体物理全国重点实验室，绵阳 621000
^4.空军工程大学防空反导学院，西安 710051

收稿日期:2024-11-12 修回日期:2024-12-12 接受日期:2024-12-30 出版日期:2025-01-14 发布日期:2025-01-07
通讯作者: 王宏宇 E-mail:wanghongyu@cardc.cn
基金资助:
国家自然科学基金(U2341277);国家自然科学基金(12002363)

Transverse jet mixing based on energy deposition control via pulsed discharge

Hongyu WANG¹^,²^,³(), Gang WANG²^,³, Tao LI²^,³, Zhenhou CHAO⁴, Feng GAO⁴

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.Hypervelocity Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^3.National Key Laboratory of Aerospace Physics in Fluids，Mianyang 621000，China
^4.Air and Missile Defense College，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China

Received:2024-11-12 Revised:2024-12-12 Accepted:2024-12-30 Online:2025-01-14 Published:2025-01-07
Contact: Hongyu WANG E-mail:wanghongyu@cardc.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U2341277)

摘要/Abstract

摘要：

在超声速条件下，提高壁面横向射流的混合效率对于提升燃烧效率和节省燃料至关重要。脉冲放电能量沉积技术已被证实是促进横向射流混合的有效方法。本研究专注于脉冲放电能量沉积控制下的横向射流流场结构变化，以及动量通量比对控制效果的影响。在马赫数为2.47的来流条件下，进行了风洞试验，探讨了上游脉冲放电能量沉积阵列如何改善下游横向射流的混合。通过高速纹影和平面激光散射技术，从流场结构特性上揭示了高频能量沉积对单孔喷射射流的影响，以及单脉冲能量沉积对双孔喷射射流的影响。同时，利用基于时间分辨纹影图像的均方根和快速傅里叶变换方法，揭示了流场的脉动特性和频谱特性。采用SPOD（Spectral Proper Orthogonal Decomposition）技术，研究了高频能量沉积作用下横向射流的演化特性。研究发现，脉冲放电能量沉积能够产生“含能涡”，对射流结构产生显著影响，包括使弓形激波弱化，减缓激波的低频振荡，并在射流羽流中诱导出与放电频率一致的超大尺度的尾迹涡，显著提升了射流的穿透深度和展向宽度。当含能涡与2道弓形激波相互作用后，会产生二次强化效应。研究还表明，高频能量沉积显著增强了射流的脉动强度。随着动量通量比的增加，能量沉积的扰动能力增强，扰动范围也随之扩大。

关键词: 等离子体流动控制, 横向射流, 掺混增强, 超声速燃烧, 超燃冲压发动机, 激波/边界层干扰

Abstract:

Improving the mixing efficiency of wall-normal jets in supersonic flows is crucial for enhancing combustion efficiency and conserving fuel. Pulse discharge energy deposition has been shown to be an effective method for enhancing mixing of transverse jets. The study investigates the structure of transverse jets and the effectiveness of control methods influenced by the momentum flux ratio. Experiments were carried out in a wind tunnel with an incoming flow Mach number of 2.47， focusing on how upstream plasma energy deposition arrays could improve the mixing of downstream transverse jets. Employing high-speed schlieren and planar laser scattering techniques， the research unveiled the impact of high-frequency energy deposition on the flow field structural characteristics of single-hole jet injection and the effects of single-pulse energy deposition on double-hole jet injection. Furthermore， the fluctuation and spectral characteristics of the flow field were elucidated using time-resolved schlieren image-based root mean square and fast Fourier transform methods. The evolution mechanism of transverse jets under high-frequency discharge was probed using the Spectral Proper Orthogonal Decomposition （SPOD） technology. The findings indicate that pulse discharge energy deposition can generate “energetic eddies，” which substantially altered the jet structure. These eddies diminished the bow shock wave， decreased the low-frequency oscillations of the shock wave， and created super-large-scale wake vortices that are in sync with the discharge frequency within the jet plume. This resulted in a significant improvement in the penetration depth and spanwise width of the jet near the wall. When the energetic vortex interacted with the downstream bow shock， secondary reinforcement occurs. It is also demonstrated that high-frequency energy deposition markedly boosted the fluctuation intensity of the jet. As the momentum flux ratio increased， the disturbance capability of energy deposition was enhanced， and the range of disturbance also expanded.

Key words: plasma flow control, transverse jet, mixing enhancement, supersonic combustion, scramjet engine, shock wave/boundary layer interaction

中图分类号:

V211.7

王宏宇, 王刚, 李涛, 超珍厚, 高峰. 基于脉冲放电能量沉积控制的横向射流掺混[J]. 航空学报, 2025, 46(14): 131520.

Hongyu WANG, Gang WANG, Tao LI, Zhenhou CHAO, Feng GAO. Transverse jet mixing based on energy deposition control via pulsed discharge[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(14): 131520.

图/表 23

图 1

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表1

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p_∞/Pa	4 375
δ/mm	7.6
δ^*/mm	1.84
θ/mm	0.7

参数	数值
Q_v /（L·min^-1）	20	30	40	50
Ma_j	1.0	1.0	1.0	1.0
p_j/kPa	31.8	47.7	6.6	79.5
J	1.42	2.13	2.84	3.55

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