等离子高能合成射流：电-流体-力的奇妙耦合

等离子体气动激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度变化对流场施加的一种可控扰动，是将等离子体用于改善飞行器/发动机气动特性的主要技术手段。等离子体流动控制是基于等离子体气动激励这一新概念的主动流动控制技术，是电-流体-力的奇妙耦合，其主要特点是：没有运动部件、响应时间短且激励频带宽，有望实现飞行器/发动机气动特性的重大提升。

根据气体放电类型的不同，等离子体激励器目前主要有介质阻挡放电、表面直流电弧/辉光放电和等离子体合成射流三种类型(如图1所示)。

图1 航空飞行器等离子体激励器主要类型

等离子体合成射流激励器又称为火花放电等离子体激励器或脉冲等离子体射流激励器，是结合合成射流与等离子体激励器两者优势而提出的一种依靠火花放电产生高能射流的激励装置。等离子体合成射流激励器在小腔体内进行气体放电，利用受控流场内自身的流体“合成”流场控制需要的高速射流；根据有无点火电极可分为两电极等离子体合成射流激励器和三电极等离子体合成射流激励器，如图2和图3所示。等离子体合成射流激励器仅需消耗电能，无机械活动部件，可通过出口大小和方向的改变调整激励器向外部流场的动量注入。

图2 法国国家航空航天科研局等离子体合成射流激励器

图3 三电极等离子体合成射流激励器

等离子体流动控制学科未来的发展方向预测与展望如图4所示，主要包括高速流场、低雷诺数流场两个方向。

图4 航空飞行器等离子体流动控制未来发展方向与展望

自20世纪90年代开始，气体放电等离子体及其应用技术发展迅速，相关研究和应用涵盖了材料、生物、医学等诸多领域，等离子体流动控制技术便是其中之一。等离子体流动控制技术是基于等离子体气动激励这一新概念的主动流动控制技术，它具有激励频带宽、响应时间短、无运动部件等优点，有望使飞行器/发动机气动特性实现重大提升。以等离子体气动激励为代表的主动流动控制技术被美国航空航天学会列为10项航空航天前沿技术之一。等离子体高能合成射流激励器是等离子体流动控制技术中的重要一种，它克服了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流速度较低、直流/准直流电弧放电等离子体激励器功率输入较大的不足，为超声速/高超声速流动控制提供了一种新的技术手段，目前已经在国内外引起了广泛关注。作者对所在团队近10年的等离子体高能合成射流及其高速主动流动控制研究工作进行总结并成书，希望能够起到抛砖引玉的作用，促进我国相关领域的发展。

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本书介绍了等离子体高能合成射流技术方面的最新研究成果。全书共6章，其中第2章介绍等离子体高能合成射流研究中所采用的理论计算、数值仿真及实验测量方法；第3章介绍等离子体高能合成射流激励器的放电特性、能量传递过程及能量效率特性；第4章介绍等离子体高能合成射流在静止环境及超声速横向来流环境中的射流流场特性；第5章介绍等离子体高能合成射流激励器串/并联阵列的电源设计、放电特性及流场特性；第6章介绍等离子体高能合成射流在进气道压缩拐角斜激波控制、圆柱绕流激波控制、飞行器头部逆向喷流减阻、燃烧室超/超混合层掺混增强等高速流动控制中的典型应用。

目录速览

前言

第1章 绪论 1
1.1 等离子体流动控制技术 1
1.1.1 基本概念 1
1.1.2 国内外发展状况 3
1.1.3 发展方向 4
1.1.4 技术展望 6
1.2 等离子体合成射流技术 9
1.2.1 表面放电等离子体合成射流技术 9
1.2.2 体积放电等离子体高能合成射流技术 11
1.3 本书框架 14
参考文献 14
第2章 等离子体高能合成射流模型及测量方法 20
2.1 引言 20
2.2 零维理论分析模型 21
2.2.1 瞬时加热阶段 22
2.2.2 等熵壅塞流-非壅塞流阶段 22
2.2.3 回填阶段 28
2.2.4 计算结果验证 28
2.3 数值计算模型 29
2.3.1 物理模型及控制方程 29
2.3.2 计算结果验证 36
2.4 实验测量方法 38
2.4.1 电参数测量 38
2.4.2 腔体压力测量 39
2.4.3 微冲量测量 42
2.4.4 高速纹影/阴影 44
2.4.5 超声速静风洞 46
参考文献 50
第3章 等离子体高能合成射流放电及能量效率特性 52
3.1 引言 52
3.2 放电特性及放电效率 54
3.2.1 电源系统 54
3.2.2 放电特性分析 56
3.2.3 放电效率计算方法 65
3.2.4 参数影响规律 66
3.3 加热效率 69
3.3.1 加热效率计算方法 69
3.3.2 参数影响规律 71
3.4 喷射效率 75
3.4.1 喷射效率计算方法 75
3.4.2 参数影响规律 76
3.5 小结 80
参考文献 81
第4章 等离子体高能合成射流流场特性 82
4.1 引言 82
4.2 静止流场环境 82
4.2.1 典型流场特征 82
4.2.2 腔体体积影响 87
4.2.3 放电电容影响 89
4.2.4 电极间距影响 91
4.2.5 出口直径影响 92
4.2.6 放电频率影响 94
4.2.7 环境压力影响 96
4.3 高速来流环境 105
4.3.1 典型流场特征 105
4.3.2 出口直径影响 116
4.3.3 出口倾角影响 118
4.3.4 放电能量影响 120
4.3.5 来流马赫数影响 127
4.4 小结 130
参考文献 131
第5章 等离子体高能合成射流阵列工作特性 133
5.1 引言 133
5.2 串联阵列工作特性 133
5.2.1 电源系统 133
5.2.2 放电特性 136
5.2.3 流场特性 143
5.3 并联阵列工作特性 149
5.3.1 电源系统 149
5.3.2 放电特性 158
5.3.3 流场特性 166
5.4 小结 172
参考文献 174
第6章 等离子体高能合成射流在航空航天领域的应用 176
6.1 引言 176
6.2 进气道压缩拐角斜激波控制 176
6.2.1 典型控制流场 176
6.2.2 压缩拐角宽度影响 182
6.3 超声速流场圆柱绕流激波控制 183
6.3.1 典型控制流场 183
6.3.2 圆柱高度影响 189
6.3.3 出口构型影响 191
6.3.4 激励位置影响 193
6.4 飞行器头部逆向喷流减阻 195
6.4.1 流场特性 195
6.4.2 减阻特性 199
6.5 燃烧室超/超混合层掺混增强 201
6.5.1 实验方法 201
6.5.2 典型控制效果 203
6.6 小结 209
参考文献 210

本文编辑：王芳

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