[發明專利]基于等離子體激勵裝置實現的減少表面阻力的方法

有效

• 申請號: 201310227251.9
• 申請日: 2013-06-07
• 公開（公告）號: CN103287575A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 李偉鵬
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B64C23/00
• 分類號: B64C23/00;B62D37/02;B61D17/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種用于飛行器或地面交通的動力技術領域的方法，具體是一種基于等離子體激勵裝置實現的減少表面阻力的方法。

背景技術

湍流摩擦阻力是航空飛行器及地面交通工具中的主要阻力之一，直接影響到飛行器及地面交通工具的經濟性與環保性。由于高雷諾數特征，近壁面流動由層流流態轉化為湍流流態，使得固體表面的摩擦阻力非線性增長，迫使總阻力大幅增加；一般來講，湍流摩擦阻力占飛行器或地面交通工具總阻力的50%以上，是減小總阻力的關鍵所在。因此，湍流摩擦阻力的減小與控制，可大幅節省燃料或電力消耗成本，并可提高飛行機及地面交通工具的運行速度。

根據Pope,S.P.在“Turbulent?Flows（湍流）”中的湍流邊界層理論，粘性底層（y⁺<10）存在低速條帶，低速條帶一經形成便緩慢升起，約在y⁺≈15-30處發生振動，低速條帶的不穩定性非線性增長，最終突然破裂而導致“猝發”過程；“猝發”后的部分氣流加速沖向壁面，導致擬序結構的“下掃”，進而觸發新的低速條帶的形成。由此可見，湍流摩擦阻力的形成于湍流邊界層中的擬序結構的“猝發”具有密不可分的關聯。而根據Orlandi?andJiménez在“On?the?Generation?of?Turbulent?WallFriction（湍流壁摩擦力的發生）”中的研究，湍流摩擦阻力的大小主要取決于“下掃”氣流的剪切強度。因此，抑制湍流摩擦阻力的關鍵在于抑制湍流邊界層內層的“猝發”過程，并有效的控制“下掃”剪切強度，從而抑制湍流的生成并克服在近壁區的強剪切力。

目前，湍流摩擦阻力的減阻方法包括壁面溝槽、振動壁、吹吸氣、柔性材料、記憶合金、微孔材料和高分子聚合物等方法，大多存在實現困難、可靠性差、不易主動調節等缺點，并且適用范圍多為低速流動，難以在高速流動中發揮減阻效果。因此提出一種針對高低速流動有效、簡單可靠、易實現、可主動調節的減阻方法是是亟待解決的問題。

經過對現有技術的檢索，“核聚變與等離子體物理”2008年6月公開的“等離子體氣動激勵器布局對放電特性與加速效果的影響”一文中記載了半圓、鋸齒、常規三種等離子體激勵器布局技術，但該技術中等離子體激勵器可用于增大失速攻角、減小流動分離和抑制噪聲，但不能有效的減小湍流摩擦阻力。

另外，“應用力學學報”2011年6月公開的“等離子體誘導圓錐前體流場的PIV測量”一文中記載了等離子體激勵器配合占空比循環技術實現力學控制的實驗過程，同時公開了不同相位角、頻率下的控制效果，但該技術占空比與相位角的控制不能誘發流動的展向周期性震蕩，不能干擾湍流邊界層底層的擬序結構。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于等離子體激勵裝置實現的減少表面阻力的方法，能夠有效抑制高雷諾數下的湍流摩擦阻力，可產生展向周期性流動，具有結構簡單、耗能低、性能穩定、可主動調節、無附加載重的特點，并且適用于較寬的來流速度，沒有附加寄生阻力。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過布置于目標平面的電極陣列、電源和用于調節電源參數的控制器，通過控制器的不同工作狀態，使得固體表面湍流邊界層的內層產生周期可控的誘導流體，實現干擾湍流邊界層內層的猝發過程與下掃過程，抑制湍流邊界層內層的擬序機構與低速條帶的產生與傳播，達到減小固體表面湍流摩擦阻力的效果。

所述的電極陣列包括：設置于目標平面表面的若干平行排列的裸露電極、設置于目標平面內部的內埋電極和設置于裸露電極、內埋電極之間的絕緣介質，其中：裸露電極和內埋電極的中心線平行于湍流的來流方向。

所述的目標平面是指：有氣體流動的固體表面。

所述的內埋電極的結構包括：寬度包含了全部裸露電極寬度的整體式結構以產生同步且無相位差的誘導流體、分離為若干單元且分別設置于各個裸露電極一側的單側分離式結構、或者分別設置于各個裸露電極兩側的雙側分離式結構，其中：單側分離式結構中，各個內埋電極單元與各個裸露電極為交錯分布，兩者電極各自寬邊的位置相對應以產生異步異相的誘導流體；雙側分離式結構中，一個裸露電極分別對應兩個內埋電極單元，該裸露電極的兩側寬邊分別對應一個內埋電極單元的寬邊，此時產生同步無相位差或者異步異相的誘導流體。

所述的裸露電極的拓撲結構為：直線平行結構、鋸齒結構或者曲線結構。

所述的各個裸露電極的寬度小于目標平面上形成的湍流邊界層厚度的10%；各個裸露電極之間的間距大于粘性底層參數y⁺=10且小于湍流邊界層厚度的10%。