等离子体合成射流激波-激波干扰控制数值模拟_崔龙泉.pdf

第 卷 第期空军工程大学学报 年月 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（，）作者简介：崔龙泉（），男，安徽芜湖人，助理工程师，研究方向为主动流动控制技术。：通信作者：周岩（），男，山东临沂人，副研究员，研究方向为高速流动控制与防除冰技术。：引用格式：崔龙泉，周岩，谢玮，等 等离子体合成射流激 波激波干扰控制数值模 拟 空 军 工 程 大 学 学 报，（）：，（）：等离子体合成射流激波激波干扰控制数值模拟崔龙泉，周岩，谢玮，罗振兵，彭文强，程盼，王林，邓雄（部队，海南三亚，；国防科技大学空天科学学院，长沙，）摘要为了减弱高超声速飞行器头激波和侧翼前缘激波的干扰，建立了等离子体合成射流对高超声速飞行器激波激波干扰控制的仿真模型，分析了等离子体合成射流激波激波干扰控制的流场特性，探究了等离子体合成射流进行高超声速飞行器激波激波干扰控制的效果，开展了激励器安装位置以及激励器注入能量的参数影响研究。研究表明：等离子体合成射流产生的弓形激波能使头激波抬起一定角度，减小头激波和侧翼前缘激波干扰，达到控制激波激波干扰区热流和压力的效果；随着出口距离的增大，对热流和压力的控制效果先增大后减小；在一定范围内，注入能量越高，控制效果越好。关键词等离子体；合成射流；激波激波干扰；出口距离；降热 中图分类号 文献标志码文章编号 （），（，；，），；高超声速飞行器是 世纪航空航天发展的主要方向之一，它具有飞行速度快、飞行距离远、机动能力强、突防概率高等特点与优势。然而要实现上述目的，高超声速飞行器需要在大气层内长时间高速飞行，严酷的气动热环境使得传统高超声速飞行器热防护技术面临着严峻的挑战。降热技术的引入能够有效提升飞行器热防护系统承受能力，是国内外高超声速飞行器技术发展的核心问题之一。在飞行器以高超声速实现弹道变轨拉起过程中，飞行器头激波与翼前缘激波在侧翼附近发生激波激波干扰现象，如图所示，翼前缘激波干扰区的热流可达非干扰区的 倍，极易使得局部防热层达到耐温极限，发生烧蚀，严重危害飞行器飞行安全。图飞行器头激波与翼前缘激波发生激波激波干扰激波激波干扰对高超声速飞行器的飞行性能有重大影响，如果不加以控制可能会产生严重后果。因此，探索流动控制手段对激波激波干扰进行有效控制对于显著提升高速飞行器的飞行安全性、改善飞行器耐热性和提 高 飞行 器推 进 效 率 具 有 重 要意义。流动控制技术可分为主动流动控制和被动流动控制。常用的被动流动控制方式包括机械式涡流发生器、壁面鼓包、凹腔循环结构等。主动流动控制通过引入能量对流场进行控制，其控制手段多样化且灵活性很高，可以根据流场变化灵活地选择控制参数，提高控制效率。通过主动流动控制技术控制激波通常采取的控制手段有边界层抽吸和吹除、涡流发生器 、直流电弧放电 和等离子体合成射流等。等离子体合成射流技术是由 等人最先提出，然后被用于流动控制。等离子体合成射流的核心部件是 激励器，又称等离子体合成射流激励器，是一种新型的基于等离子体的激励器，在超声速高超声速流动控制方面具有巨大潜力。它由一个带小出口的绝缘腔和一对电极组成。在两个电极之间施加一个高压，以击穿空腔气体，并迅速加热和加压密闭空腔中的气体。同时，在出口处形成高温、高速的等离子体合成射流和强压缩波，合成射流喷出后，由于腔体中的低压，激励器将自动吸入环境中的空气，等离子体合成射流激励器的一个操作周期仅需几百微秒。其结构和工作过程如图所示，其工作过程可总结为为个阶段：能量沉积、射流喷出和吸气复原。图等离子体合成射流激励器工作过程典型的等离子体合成射流流场结构如图所示，流场中除一股蘑菇状射流外还包括一道呈球对称结构的称之为前驱激波的强压缩波。前驱激波引起的压力梯度变化具有激波控制的效果，因此等离子体合成射流可以实现激波控制。图等离子体合成射流流场纹影图 针对等离子体合成射流激励器的数值模拟方法大体可以分为基于电磁流体力学（）的能量沉积模拟、等效电路模拟、气体放电等离子体模拟以及空气动力学模拟等种类型。基于电磁流体力学的能量沉积模拟最先是由法国宇航中心采用的一种模拟方法 。等效电路模拟是法国宇航中心采用的一种方法，他们采用 商业软件进行等效电路的模拟，模拟结果与实验测量结果较为符合。气体放电模拟是最复杂的一种模拟方法，空军工程大学的朱益飞等人对此进行了探索，这种方法模拟难度很大，应用较少。空气动力学模拟是目前研究最广泛的一种，它不考虑等离子体放电过程中的粒子反应，仅将放电过程视为对流场的加热，通过求解方程模拟加热后激励器腔体内气体的膨胀、喷出、回填。本文采用的等离子体合成射流激励器的数值模拟方法就是空气动力学模拟方法。在空气动力学模拟里面最早的一种模型是瞬时加热模型，它认为等离子体放电的加热过程相比于射流的形成、发展过程而言很短，可以认为是在瞬间完成的，因此在计算前在加热的区域施加高温高压的初始条件。另外一种模型认为加热过程是在有限时间内完 成 的，如 国 防 科 技 大 学 王 林 等 采 用 计 算 模型，加热功率在放电刚开始的有限时间内为一个恒定值，而在之后为零，表示放电结束。第期崔龙泉，等：等离子体合成射流激波激波干扰控制数值模拟针对等离子体合成射流的应用，国内外也开展了广泛研究。近年来，等离子体合成射流激励器逐渐被用于解决超声速流场中与激波有关的问题。文献 的一项研究表明，等离子体合成射流显著削弱了马赫数为的气流中的压缩斜激波，并消除了激波的近壁部分。在文献 进行的实验中，当等离子体合成射流与 斜劈产生的激波相交时，会发生前驱激波与激波的相互作用，从而达到控制激波的效果。此外，等离子体合成射流在超声速分离、分离激波和激波相互作用的控制方面也被证实是有效的。虽然国内外基于等离子合成射流对激波进行控制的研究较多，但目前针对高超声速飞行器中经常存在的激波激波干扰典型流场的控制研究还未见相关报道，由于来流的二次压缩以及激波干扰点的存在，该种流场结构与单斜劈流场表现出一定的不同，其控制特性需要开展进一步研究。本文建立了等离子体合成射流激波激波干扰控制仿真模型，分析激波激波干扰控制的流场特性，并定量地分析等离子体合成射流进行激波激波干扰控制的效果。同时针对激励器安装位置以及激励器能量个参数，进行等离子体合成射流高超声速流场激波激波干扰控制的数值模拟研究，希望对参数的优化给出指导。物理模型和计算方法 控制方程本文采用了文献 中提到的空气动力学模拟中的瞬时加热模型，通过计算前在加热区域施加高温高压的初始条件模拟能量注入。控制方程为非定常可压缩黏性 方程组，采用有限体积法对控制方程进行离散，空间离散采用二阶迎风格式，时间离散为二阶隐式格式，计算时间步长取为 ，每个时间步内迭代 步，使得所有变量迭代计算残差小于 以保证收敛。简化后的模型主要有以下假设：）不考虑放电过程的电磁场产生的影响，流动和传热过程用 方程进行描述；）假定气体在时间和空间上被均匀加热；）放电过程等效为对激励器腔体施加高温高压，放电气体处于局部热力学平衡状态；）忽略等离子体的产生，假设整个过程工质满足理想 气 体状态 方 程，黏 性 系 数 满 足 公式；）不考虑重力及应力张量等的影响；）将实际的三维旋转圆柱状激励器抽象为二维轴对称模型。计算域及网络划分本文将计算域划分为两部分，即外部流场和等离子合成射流激励器，其中外部流场为双斜劈结构，模拟高超声速飞行器的头翼和侧翼，等离子体合成射流激励器模型采用二维轴对称模型，如图所示。具体尺寸设置为：激励器腔体为圆柱形，直径为，高为；激励器出口直径为，高为。外流场区域由个直角梯形和个平行四边形组成。最左边直角梯形上底为 ，下底为 ，高为 ；左边一个平行四边形底为 ，高为 ，内角（锐角）为 ；右边一个平行四边形底为 ，高为，内角（锐角）为 ；最右边直角梯形上底为 ，下底为 ，高为 。图计算域设置（单位：）为了尽可能精确地描述计算域内流场变化，同时尽可能地节约计算资源，对关键区域如激励器腔体、激励器出口以及激波激波干扰区设置的网格数相比于其余部分更密集。其中激励器腔体和出口处网格长和宽均设置为；外流场区域上半部分网格较为稀疏，宽度为，下半区域网格较为密集，宽度为；外流场区域两道斜劈所在区域网格较为密集，长度为；其余区域网格较为稀疏，长度为；各个区域网格边界加密。整个计算域共有网格 个，最小的网格体积为 ，最 大 的 网 格 体 积 为 ，如图所示。图网格划分 边界条件边界条件主要包括类：内部边界（）、空军工程大学学报 年壁面（）、压力远端（）和压强出口边界（）。如图所示，在设置边界条件之前，首先设置 为，之后设置的所有压强参数都是在此基础上的表压强。对于气体参数，气体类型设置为理想气体，密度为 ，气体摩尔质量为 。流场初始温度设置为 ，对所有的壁面，设置热传导系数为 （），设置内部边界（）主要是为了方便对激励器施加能量。对于压强出口边界（），表压设置为 ，初始的和均值设置为，切应变条件为无滑移边界条件。图边界条件设置计算方法验证和结果分析 计算方法验证 等通过对静态流场的前驱激波和射流特性进行了实验验证，计算结果与实验结果较为一致。本文进一步对激波激波干扰控制模型进行验证。图是激励器放电后 实验结果图，从图中可以看出，高超声速来流经过第一道斜劈时，流场内产生一道明显的斜激波，高超声速来流经过第二道斜劈时，流场内产生了一道倾斜角度不同的斜激波，两斜激波由于倾斜角度不同，在流场内交会，形成激波激波干扰。放电 时，等离子体合成射流喷出激励器，形成明显的弓形激波。图激励器放电后 实验纹影图图是该实验对应的仿真模型放电 时压力云图。将图与图进行比较，仿真计算结果压力云图中两道斜劈形成的两道激波与实验结果图中的两道激波非常相似，两道倾斜角不同的激波形成的激波干扰区大致位置也基本相同，等离子体合成射流喷出形成的前驱激波也与实验结果类似。由此可知，仿真模型计算结果较好地模拟了实验结果，可信度较高。图激励器放电后 压力云图 结果分析 计算算例激励器出口位置和能量水平是等离子体合成射流控制激波激波干扰效果的重要影响因素。为激励器右边界与第一道斜劈最右端点的距离，示意图如图。本文选取表所示的种激励器出口位置和表所示的种激励器注入能量共 种工况作为计算算例，研究不同出口位置和激励器初始能量对等离子体合成射流激波激波干扰控制的影响。其余无关变量都保持一致。图激励器出口位置示意图表出口位置工况表 出口距离 初始能量注入 第期崔龙泉，等：等离子体合成射流激波激波干扰控制数值模拟表能量水平工况表 初始能量注入 出口距离 流场变化分析图 为 典型时刻温度云图，结合流场随时间的变化情况可知，在 时，射流产生的扰动开始作用于头激波，使头激波开始向上抬起。在 时间段，头激波抬起角度较大，使头激波与侧翼前缘激波干扰减弱。在 时，射流的扰动逐渐超过干扰区，头激波抬起角度降低，控制效果减弱。随着时间的再推移，当 时射流产生的扰动超过侧翼，头激波抬起角度几乎降低为；当 时，射流扰动离开流场，流场变回最初稳定的状态。（）（）（）（）（）图 典型时刻温度云图合成射流速度很高，运动到壁面时会对壁面产生很强的冲击作用，使得壁面压力增加，同时射流本身为高温射流，与侧翼表面接触时会将其携带的能量通过对流换热传递到壁面，使得壁面热流增压。再结合温度云图可知：一方面等离子体合成射流能形成弓形激波，使头激波抬起一定角度从而降低头激波与侧翼前缘激波的干扰；另一方面合成射流会直接作用于侧翼，使合成射流自身携带的高动能和高热能传导到侧翼上，使侧翼的热流和压力有一个显著增加，使控制效果有所降低。侧翼上热流和压力变化分析图 是侧翼表面总热流随时间变化曲线，图 是斜劈总压力大小随时间变化曲线。结合图 和图 以及前文激波激波干扰控制流场分析，射流控制激波激波干扰的整个物理过程如下：时，等离子体合成射流产生的弓形激波使头激波抬起一定角度，从而使头激波与侧翼前缘激波干扰减弱，侧翼上总热流和总压力开始减小；当作用时间达到 左右时，合成射流使头激波抬起角度达到最 大，侧 翼 上 压力 达 和热流达到最小值，并在 时间段内维持在一个较低水平；后等离