多相位调制的电弧矩阵控制超声速凹腔流场

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32504

流体力学与飞行力学

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多相位调制的电弧矩阵控制超声速凹腔流场

孔亚康¹, 宗豪华²(), 汪诚¹, 李金平³, 苏志³, 吴云³, 贾敏³, 梁华³

^1.空军工程大学基础部，西安 710038
^2.西安交通大学机械工程学院，西安 710049
^3.空军工程大学航空动力系统与等离子体技术全国重点实验室，西安 710038

收稿日期:2025-07-01 修回日期:2025-07-22 接受日期:2025-08-20 出版日期:2025-08-29 发布日期:2025-08-28
通讯作者: 宗豪华 E-mail:haohua_zong@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(52306059);国家自然科学基金(52025064);国家自然科学基金(U2341277);国家重点实验室基金(APSPT202302003);基础研究项目(1002TJA22010)

Multiphase-modulated arc matrix control of supersonic cavity flow fields

Yakang KONG¹, Haohua ZONG²(), Cheng WANG¹, Jinping LI³, Zhi SU³, Yun WU³, Min JIA³, Hua LIANG³

^1.Fundamental Department，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China
^2.School of Mechanical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China
^3.National Key Lab of Aerospace Power System and Plasma Technology，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China

Received:2025-07-01 Revised:2025-07-22 Accepted:2025-08-20 Online:2025-08-29 Published:2025-08-28
Contact: Haohua ZONG E-mail:haohua_zong@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52306059);National Key Laboratory Fund(APSPT202302003);Foundation Research Project(1002TJA22010)

摘要/Abstract

摘要：

受凹腔燃烧室构型尺寸的限制和高速气流的影响，超燃冲压发动机燃烧室内燃料的掺混效率低下。针对这一问题，基于脉冲电弧等离子体激励器矩阵，设计了同步激励模式和两种行波激励模式，应用高速纹影测试开展了等离子体激励调控超声速凹腔流场的试验。综合流场演化和纹影图像的统计分析，对比了不同激励器同步工作列数、激励模式对3种不同后壁倾角凹腔流场的调控效果。等离子激励可以有效激发凹腔剪切层的密度脉动。在基准（无激励）状态下，由于凹腔谐振强度的增加，后壁倾角越大，剪切层的脉动强度越大；而且后壁倾角越大，等离子体激励诱导的密度脉动增量越小。在同步激励模式下，随着激励器列数的增加，对流场的扰动范围扩大，这使剪切层的密度脉动强度增加。从增强剪切层密度脉动强度来看，两种行波激励模式的控制效果均优于同步激励。上游行波激励模式在1个激励周期内均匀分布扰动，旨在提高等效激励频率；而下游行波激励模式沿流向将激励诱导的热气团叠加，增加了与剪切层的相互作用程度，使其脉动幅度显著增加。从物理机制上看，等离子体激励诱导的冲击波和热气团是扰动的根源，这些扰动使边界层增厚并激发了剪切层的不稳定性，从而导致波浪形摆动的产生。

关键词: 凹腔, 超声速, 剪切层, 等离子体激励, 流动控制

Abstract:

Restricted by the cavity combustor configuration size and influenced by the high-speed airflow， fuel mixing efficiency within a scramjet combustor is low. To address this issue， based on a pulsed arc plasma actuator matrix， a synchronous actuation mode and two traveling wave actuation modes were designed. High-speed schlieren imaging was employed to conduct tests on plasma actuation for controlling the supersonic cavity flow field. The control effectiveness of the number of synchronously actuated actuator columns and the different actuation modes on cavity flow fields with three different aft-wall inclination angles were comparatively analyzed by synthesizing flow field evolution and statistical analysis of schlieren images. Plasma actuation can effectively excite density fluctuations in the cavity shear layer. Under baseline （no actuation） conditions， as the aft-wall inclination angle increases， the fluctuation intensity of the shear layer exhibits a monotonically increasing trend due to enhanced cavity resonance； moreover， the larger the aft-wall inclination angle， the smaller the increment in density fluctuations induced by plasma actuation. In the synchronous actuation mode， as the number of actuated columns increases， the disturbance range to the flow field expands， leading to a monotonic increase in the amplitude of shear layer density fluctuations. Both traveling wave actuation modes outperform the synchronous mode. The upstream traveling wave mode distributes disturbances evenly over one actuation cycle， aiming to increase the equivalent actuation frequency. Conversely， the downstream traveling wave mode superimposes the thermal bulbs induced by plasma actuation along the streamwise direction， enhancing the degree of interaction with the shear layer and causing a significant increase in its fluctuation amplitude. Physically， the shock waves and thermal bulbs induced by plasma actuation are the root causes of the disturbances. These disturbances thicken the boundary layer and excite instabilities in the shear layer， thereby leading to the generation of wavy oscillations.

Key words: cavity, supersonic flow, shear layer, plasma actuation, flow control

中图分类号:

V211.7

孔亚康, 宗豪华, 汪诚, 李金平, 苏志, 吴云, 贾敏, 梁华. 多相位调制的电弧矩阵控制超声速凹腔流场[J]. 航空学报, 2026, 47(5): 132504.

Yakang KONG, Haohua ZONG, Cheng WANG, Jinping LI, Zhi SU, Yun WU, Min JIA, Hua LIANG. Multiphase-modulated arc matrix control of supersonic cavity flow fields[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(5): 132504.

图/表 13

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参考文献 38

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