本發(fā)明涉及飛行器氣動(dòng)特性的技術(shù)領(lǐng)域,具體是一種介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器對(duì)飛行器氣動(dòng)特性的分析方法。
背景技術(shù):
現(xiàn)今飛行器對(duì)氣動(dòng)性能方面提出更高的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)手段基于非等離子化的空氣介質(zhì)。常規(guī)氣動(dòng)條件下操縱舵面在大迎角飛行時(shí)效率低,甚至完全失去效率,對(duì)飛行器在大迎角飛行帶來(lái)安全隱患;基于等離子體流動(dòng)控制的非常規(guī)氣動(dòng)方法對(duì)飛行器來(lái)說(shuō),除了增加大迎角飛行效率外,還可以大大增加飛行器的隱身性能。等離子體流動(dòng)控制技術(shù)能夠增加飛行器的升力、減小阻力,提高升阻比,從而改善飛行器的氣動(dòng)性能。
介質(zhì)阻擋放電(dbd)等離子體流動(dòng)控制技術(shù)具有體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、重量輕、功耗低、作用頻帶寬、可靠性高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),而且對(duì)邊界層控制和低雷諾數(shù)下流動(dòng)再附作用高效,被認(rèn)為是很有前途和價(jià)值的流動(dòng)控制新技術(shù)。在飛行器的表面上安放等離子體激勵(lì)器,可以改善飛行器的升力系數(shù)、阻力系數(shù),進(jìn)而改善飛行器的升阻比。本發(fā)明闡述介質(zhì)阻擋放電(dbd)等離子體的氣動(dòng)特性數(shù)值模擬和分析方法,并指出質(zhì)阻擋放電等離子體的產(chǎn)生以及飛行器氣動(dòng)特性改變是一個(gè)重要研究方向。采用等離子體流動(dòng)控制為今后我國(guó)研發(fā)高速飛行器提供基礎(chǔ)數(shù)值支持。采用介質(zhì)阻擋放電(dbd)等離子體流動(dòng)控制改善飛行器氣動(dòng)性能、分析其氣動(dòng)特性是本發(fā)明所應(yīng)用的基本方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處,本發(fā)明提出一種基于等離子體的飛行器氣動(dòng)特性分析方法。
技術(shù)方案
一種基于等離子體的飛行器氣動(dòng)特性分析方法,其特征在于步驟如下:
步驟1:將等離子體激勵(lì)器裝置置于飛行器機(jī)身,飛行器從機(jī)翼的前緣開始,沿著機(jī)翼向后緣方向安置若干等離子體激勵(lì)器;位于飛行器前緣的等離子體激勵(lì)器的埋入電極在前、裸露電極在后,采用間歇放電方式激勵(lì)形成等離子體;位于飛行器后緣的等離子體激勵(lì)器的裸露電極在前、埋入電極在后,采用連續(xù)放電方式激勵(lì)形成等離子體用于飛行器巡航階段的層流流動(dòng)控制;等離子體激勵(lì)器通過開關(guān)與控制器連接,控制器可以根據(jù)飛行器的飛行速度、攻角,快速的選擇開啟不同位置的開關(guān)從而選擇開啟相應(yīng)位置的等離子體激勵(lì)器;等離子體激勵(lì)器的位置對(duì)翼型流動(dòng)控制來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要,等離子體激勵(lì)器必須布置在流動(dòng)分離點(diǎn)或轉(zhuǎn)捩點(diǎn)附近,等離子體激勵(lì)器布置在分離點(diǎn)、轉(zhuǎn)捩點(diǎn)之前為好,這樣才有可能對(duì)流動(dòng)控制帶來(lái)顯著的效果;
步驟2:將激勵(lì)器的正、負(fù)兩個(gè)電極分別與電源的正、負(fù)端連接,電源啟動(dòng)后調(diào)整電源的輸出電壓和輸出頻率,輸出波形選擇為正弦波形;升高電源的電壓,直至激勵(lì)器表面電極附近的空氣在外加高電壓的作用下?lián)舸╇婋x形成等離子體;電離后的離子在電極電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng),通過與中性氣體分子的碰撞傳遞動(dòng)量,進(jìn)而誘導(dǎo)空氣流加速運(yùn)動(dòng);
步驟3:從積分型n-s方程組出發(fā),并使用雷諾輸運(yùn)定理與高斯定理便能得到可壓縮流體n-s方程的微分形式:
wt+(fi)x+(gi)y+(hi)z=(fv)x+(gv)y+(hv)z+s
其中,fi,gi,hi為無(wú)黏通量;fv,gv,hv為黏性通量,wt為w在t時(shí)刻的取值,(fi)x為fi在x方向上的分量,(gi)y為gi在y方向上的分量,(hi)z為hi在z方向上的分量,(fv)x為fv在x方向上的分量,(gv)y為gv在y方向上的分量,(hv)z為hv在z方向上的分量,將牛頓本構(gòu)關(guān)系帶入n-s方程,得
其中,u,v,w分別為速度在x,y,z方向上的分量,p為壓力,ρ為密度,e為電場(chǎng)強(qiáng)度;
τxx表示x方向上的雷諾應(yīng)力,τyy表示y方向上的雷諾應(yīng)力,τzz表示z方向上的雷諾應(yīng)力,τxy,τyx表示x、y方向上的雷諾合應(yīng)力,τxz,τzx表示x、z方向上的雷諾合應(yīng)力,τyz,τzy表示y、z方向上的雷諾合應(yīng)力;
其中:
τxx=λ'(ux+vy+wz)+2μux
τyy=λ'(ux+vy+wz)+2μvy
τzz=λ'(ux+vy+wz)+2μwz
τxy=τyx=μ(uy+vx)
τxz=τzx=μ(uz+wx)
τyz=τzy=μ(vz+wy)
qx=-λtx
qy=-λty
qz=-λtz
其中,λ為熱傳導(dǎo)系數(shù),λ'為體積黏性系數(shù),μ為流體的黏性系數(shù),
若定容比熱為常數(shù),則得:
式中,κ為熱導(dǎo)率,e為熱力學(xué)狹義內(nèi)能,ex為x方向內(nèi)能分量,ey為y方向內(nèi)能分量,ez為z方向內(nèi)能分量,qx為x方向上熱量分量,qy為y方向上熱量分量,qz為z方向上熱量分量,pr為普朗特?cái)?shù)。在n-s方程中令μ=0和λ=0,則相應(yīng)的方程稱為歐拉方程:
wt+(fi)x+(gi)y+(hi)z=s
其中fi,gi,hi為通量函數(shù);
體積力表達(dá)式為:
f=fαρeδte
式中,f為激勵(lì)頻率,α為彈性有效碰撞系數(shù),取為1,ρ為電荷密度,假定為常值,取為1017/m3,e為電荷的帶電量,取為1.602×10-19c,δt為電極放電時(shí)間,e為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量;
電場(chǎng)強(qiáng)度e為:
其中,u為激勵(lì)電壓,d為電極間距;
電源電壓范圍為0-30kv,激勵(lì)頻率范圍為5-25khz,調(diào)節(jié)頻率時(shí),分別將電壓調(diào)至5kv,10kv,15kv,20kv,25kv,然后連續(xù)調(diào)節(jié)頻率;調(diào)節(jié)電壓時(shí),將頻率固定在10khz,15khz,20khz,然后連續(xù)調(diào)節(jié)電壓;
流場(chǎng)的控制方程為n-s方程,將其中的源項(xiàng)由上述簡(jiǎn)化模型的體積力所代替,得到的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程如下:
式中,u={u,v,w},ρ,p,e與t分別代表速度、密度、靜壓、總能和時(shí)間;θ代表剪切應(yīng)力張量,q為熱傳導(dǎo)項(xiàng);動(dòng)量方程中的f為等離子體的誘導(dǎo)體積力,在特定區(qū)域內(nèi)呈線性分布,fu為等離子體誘導(dǎo)力所做的功;
通過調(diào)整dbd激勵(lì)器的激勵(lì)參數(shù),包括激勵(lì)電壓、激勵(lì)頻率,從而改變飛行器的增升減阻的氣動(dòng)特性效果,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的氣動(dòng)特性分析。
有益效果
本發(fā)明提出的一種基于等離子體的飛行器氣動(dòng)特性分析方法,利用較簡(jiǎn)單的操作方式,同時(shí)保持不增加飛行器重量以及等離子體的隱身性能,利用介質(zhì)阻擋放電等離子體改善飛行器的氣動(dòng)性能,具有以下有益效果:
1、引入等離子體的氣動(dòng)特性,dbd流動(dòng)控制技術(shù)具有體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、重量輕、功耗低、作用頻帶寬、可靠性高、響應(yīng)快,不使用時(shí)對(duì)流場(chǎng)影響較小。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的輪廓示意圖。
圖中:1-飛行器;2-dbd激勵(lì)器。
圖2是本發(fā)明等離子體激勵(lì)器作用于飛行器上。
圖3是本發(fā)明等離子體激勵(lì)器激勵(lì)電壓的升力系數(shù)隨攻角變化圖。
圖4是本發(fā)明等離子體激勵(lì)器激勵(lì)電壓的阻力系數(shù)隨攻角變化圖。
圖5是本發(fā)明等離子體激勵(lì)器激勵(lì)頻率的升力系數(shù)隨攻角變化圖。
圖6是本發(fā)明等離子體激勵(lì)器激勵(lì)頻率的阻力系數(shù)隨攻角變化圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
為改變傳統(tǒng)的飛行器升力系數(shù)低、阻力系數(shù)高的氣動(dòng)特性,本發(fā)明提出一種基于等離子體激勵(lì)器的飛行器氣動(dòng)特性分析方法。該方法是在馬赫數(shù)為5的情況下,在飛行器的機(jī)翼上安裝介質(zhì)阻擋放電(dbd)激勵(lì)器,所述dbd激勵(lì)器的裸露電極和覆蓋電極之間通入高壓高頻電源,電極間的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電,dbd激勵(lì)器在順電場(chǎng)方向產(chǎn)生壁面射流,同時(shí)產(chǎn)生垂直于壁面的射流,伴隨著沖擊波注入效應(yīng)、局部溫度場(chǎng)改變,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)翼表面流場(chǎng)的控制,并通過改變激勵(lì)器的激勵(lì)條件,包括激勵(lì)電壓、激勵(lì)頻率,分析飛行器氣動(dòng)特性影響。
本發(fā)明的一種優(yōu)化方法:所述的飛行器氣動(dòng)特性包括飛行器升力系數(shù)、阻力系數(shù)的特性分析。其包括以下步驟:
步驟一:將等離子體激勵(lì)器裝置置于飛行器機(jī)身。飛行器從機(jī)翼的前緣開始,沿著機(jī)翼向后緣方向安置若干等離子體激勵(lì)器。位于飛行器前緣的等離子體激勵(lì)器的埋入電極在前、裸露電極在后,采用間歇放電方式激勵(lì)形成等離子體;位于飛行器后緣的等離子體激勵(lì)器的裸露電極在前、埋入電極在后,采用連續(xù)放電方式激勵(lì)形成等離子體用于飛行器巡航階段的層流流動(dòng)控制。等離子體激勵(lì)器通過開關(guān)與控制器連接,控制器可以根據(jù)飛行器的飛行速度、攻角,快速的選擇開啟不同位置的開關(guān)從而選擇開啟相應(yīng)位置的等離子體激勵(lì)器。等離子體激勵(lì)器的位置對(duì)翼型流動(dòng)控制來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要,等離子體激勵(lì)器必須布置在流動(dòng)分離點(diǎn)或轉(zhuǎn)捩點(diǎn)附近,等離子體激勵(lì)器布置在分離點(diǎn)、轉(zhuǎn)捩點(diǎn)之前為好,這樣才有可能對(duì)流動(dòng)控制帶來(lái)顯著的效果。
步驟二:控制飛行器的氣動(dòng)特性。針對(duì)dbd特性、流動(dòng)控制機(jī)理、氣動(dòng)激勵(lì)數(shù)學(xué)模型、流動(dòng)控制影響因素等,本發(fā)明采用dbd激勵(lì)器,氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)氣體流動(dòng)的數(shù)值方法,改善飛行器的氣動(dòng)控制性能。dbd激勵(lì)器的激勵(lì)過程如下:電源的正、負(fù)端分別連接激勵(lì)器的正、負(fù)兩個(gè)電極,電源啟動(dòng)后調(diào)整電源的輸出電壓和輸出頻率。輸出波形選擇為正弦波形。升高電源的電壓,直至激勵(lì)器表面電極附近的空氣在外加高電壓的作用下?lián)舸╇婋x形成等離子體。電離后的離子在電極電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng),通過與中性氣體分子的碰撞傳遞動(dòng)量,進(jìn)而誘導(dǎo)空氣流加速運(yùn)動(dòng)。
數(shù)值方法是獲得使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(cfd)解決ns方程。ns方程式一般的二維、軸對(duì)稱、三維,平行,非結(jié)構(gòu)化的有限體積cfd代碼。
從積分型n-s方程組出發(fā),并使用雷諾輸運(yùn)定理與高斯定理便能得到可壓縮流體n-s方程的微分形式:
wt+(fi)x+(gi)y+(hi)z=(fv)x+(gv)y+(hv)z+s
這里,fi,gi,hi為無(wú)黏通量;fv,gv,hv為黏性通量,wt為w在t時(shí)刻的取值,(fi)x為fi在x方向上的分量,(gi)y為gi在y方向上的分量,(hi)z為hi在z方向上的分量,(fv)x為fv在x方向上的分量,(gv)y為gv在y方向上的分量,(hv)z為hv在z方向上的分量,將牛頓本構(gòu)關(guān)系帶入n-s方程,得
u,v,w分別為速度在x,y,z方向上的分量,p為壓力,ρ為密度,e為電場(chǎng)強(qiáng)度,
τxx表示x方向上的雷諾應(yīng)力,τyy表示y方向上的雷諾應(yīng)力,τzz表示z方向上的雷諾應(yīng)力,τxy,τyx表示x、y方向上的雷諾合應(yīng)力,τxz,τzx表示x、z方向上的雷諾合應(yīng)力,τyz,τzy表示y、z方向上的雷諾合應(yīng)力。
其中
τxx=λ'(ux+vy+wz)+2μux
τyy=λ'(ux+vy+wz)+2μvy
τzz=λ'(ux+vy+wz)+2μwz
τxy=τyx=μ(uy+vx)
τxz=τzx=μ(uz+wx)
τyz=τzy=μ(vz+wy)
qx=-λtx
qy=-λty
qz=-λtz
λ為熱傳導(dǎo)系數(shù),λ'為體積黏性系數(shù),μ為流體的黏性系數(shù),
若定容比熱為常數(shù),則得
式中κ為熱導(dǎo)率,e為熱力學(xué)狹義內(nèi)能,ex為x方向內(nèi)能分量,ey為y方向內(nèi)能分量,ez為z方向內(nèi)能分量,qx為x方向上熱量分量,qy為y方向上熱量分量,qz為z方向上熱量分量,pr為普朗特?cái)?shù)。在n-s方程中令μ=0和λ=0,則相應(yīng)的方程稱為歐拉方程
wt+(fi)x+(gi)y+(hi)z=s
這里fi,gi,hi為通量函數(shù)
體積力表達(dá)式為:
f=fαρeδte
式中f為激勵(lì)頻率,α為彈性有效碰撞系數(shù),取為1,ρ為電荷密度,假定為常值,取為1017/m3,e為電荷的帶電量,取為1.602×10-19c,δt為電極放電時(shí)間,e為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量。
電場(chǎng)強(qiáng)度e為:
u為激勵(lì)電壓,d為電極間距。
電源電壓范圍為0-30kv,激勵(lì)頻率范圍為5-25khz,調(diào)節(jié)頻率時(shí),分別將電壓調(diào)至5kv,10kv,15kv,20kv,25kv,然后連續(xù)調(diào)節(jié)頻率;調(diào)節(jié)電壓時(shí),將頻率固定在10khz,15khz,20khz,然后連續(xù)調(diào)節(jié)電壓。
流場(chǎng)的控制方程為n-s方程,將其中的源項(xiàng)由上述簡(jiǎn)化模型的體積力所代替,得到的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程如下:
式中u={u,v,w},ρ,p,e與t分別代表速度、密度、靜壓、總能和時(shí)間。θ代表剪切應(yīng)力張量,q為熱傳導(dǎo)項(xiàng)。動(dòng)量方程中的f為等離子體的誘導(dǎo)體積力,在特定區(qū)域內(nèi)呈線性分布,fu為等離子體誘導(dǎo)力所做的功。
通過調(diào)整dbd激勵(lì)器的激勵(lì)參數(shù),包括激勵(lì)電壓、激勵(lì)頻率,從而改變飛行器的增升減阻的氣動(dòng)特性效果,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的氣動(dòng)特性分析。
如圖1所示,本發(fā)明的輪廓示意圖。本發(fā)明是在飛行器機(jī)翼上安裝等離子體激勵(lì)器,進(jìn)行氣動(dòng)特性分析的方法。等離子體激勵(lì)器的位置對(duì)翼型流動(dòng)控制來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要,這也就是說(shuō),前緣等離子體激勵(lì)器的埋入電極在前、裸露電極在后,形成的等離子體誘導(dǎo)的氣流方向由裸露電極指向埋入電極;而后緣等離子體激勵(lì)器的裸露電極在前、埋入電極在后,形成的等離子體誘導(dǎo)的氣流方向由裸露電極指向埋入電極;因此兩種等離子體誘導(dǎo)的氣流方向是相反的。當(dāng)前緣等離子體與后緣等離子體共同作用時(shí),氣動(dòng)特性效果最好。
如圖2所示,本發(fā)明等離子體激勵(lì)器作用于飛行器上。開關(guān)8是決定開啟哪個(gè)位置的等離子體激勵(lì)器。當(dāng)前緣等離子體與后緣等離子體共同作用時(shí),氣動(dòng)特性效果最好。前緣等離子體激勵(lì)器通過動(dòng)量、能量的傳遞給機(jī)翼上表面失穩(wěn)的層流附面層,并可消除分離泡,直接轉(zhuǎn)捩或者提前轉(zhuǎn)捩為湍流附面層,由于湍流附面層抵抗流動(dòng)分離的能力遠(yuǎn)強(qiáng)于層流附面層,這樣即可推遲流動(dòng)的分離,提高飛機(jī)的升力、從而改善飛行的氣動(dòng)特性。后緣等離子體激勵(lì)器通過動(dòng)量、能量的傳遞使機(jī)翼的層流附面層加速、推遲轉(zhuǎn)捩點(diǎn),加長(zhǎng)了層流附面層,使機(jī)翼的附面層在巡航階段保持層流,以減小翼面的摩擦阻力,提高升阻比。
如圖3所示,本發(fā)明等離子體激勵(lì)器激勵(lì)電壓的升力系數(shù)隨攻角變化圖。當(dāng)飛行的速度(馬赫數(shù))為ma=5,在發(fā)動(dòng)機(jī)處于不開啟的(dt=0)狀態(tài)下,保持激勵(lì)器頻率不變,改變激勵(lì)電壓。激勵(lì)電壓在不停的變化過程中,由于激勵(lì)電壓的不斷增長(zhǎng),升力系數(shù)也跟隨之不斷變大;從控制效果的情況來(lái)看,在激勵(lì)電壓達(dá)到12kv時(shí)效果能夠達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài),最大升力系數(shù)也在不斷地變化,由圖可知由0.91增大到了1.08,增大8.4%。
如圖4所示,本發(fā)明等離子體激勵(lì)器激勵(lì)電壓的阻力系數(shù)隨攻角變化圖。當(dāng)飛行的速度(馬赫數(shù))為ma=5,在發(fā)動(dòng)機(jī)處于不開啟的(dt=0)狀態(tài)下,保持激勵(lì)器頻率不變,改變激勵(lì)電壓。從控制效果的情況來(lái)看,在激勵(lì)電壓達(dá)到12kv時(shí)效果能夠達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài),阻力系數(shù)亦有所減小,在迎角20°時(shí)阻力系數(shù)由0.375減小到0.318;從控制效果的情況來(lái)看,在激勵(lì)電壓達(dá)到12kv時(shí)效果能夠達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài),最大升阻比增大2.4%。綜上所述,在攻角非常大時(shí),升阻比是基本不變。
圖5是本發(fā)明等離子體激勵(lì)器激勵(lì)頻率的升力系數(shù)隨攻角變化圖。當(dāng)飛行的速度(馬赫數(shù))為ma=5,在發(fā)動(dòng)機(jī)處于不開啟的(dt=0)狀態(tài)下,激勵(lì)器電源不變,改變激勵(lì)頻率的大小。改變激勵(lì)頻率的情況下,不同激勵(lì)頻率下的氣動(dòng)特性分析,在大迎角處,當(dāng)激勵(lì)頻率f=600hz時(shí),流動(dòng)控制效果是很弱的,升力系數(shù)在小范圍內(nèi)有所增大;當(dāng)激勵(lì)頻率f=200hz時(shí),流動(dòng)控制效果開始時(shí)十分的顯現(xiàn),之后升力系數(shù)會(huì)處于一直增長(zhǎng)的狀態(tài);當(dāng)激勵(lì)頻率f=200hz時(shí),流動(dòng)控制效果是處于一個(gè)最好的狀態(tài),升力系數(shù)由α=10°開始增大,尤其在大迎角時(shí)升力系數(shù)顯著提高,最大升力系數(shù)也在不斷地變化,由0.98增大到了1.17,增大16.21%。結(jié)合以上分析表明,在相同的激勵(lì)位置和相同的激勵(lì)電壓的情況下,介質(zhì)阻擋放電(dbd)等離子體的氣動(dòng)激勵(lì)在激勵(lì)頻率達(dá)到f=200hz時(shí),升力系數(shù)也會(huì)比沒有施加等離子體激勵(lì)時(shí)的升力系數(shù)高一點(diǎn),這就說(shuō)明激勵(lì)頻率對(duì)升阻特性的作用是有一定的效果的,流動(dòng)控制的效果均為最佳的。
圖6是本發(fā)明等離子體激勵(lì)器激勵(lì)頻率的阻力系數(shù)隨攻角變化圖。當(dāng)飛行的速度(馬赫數(shù))為ma=5,在發(fā)動(dòng)機(jī)處于不開啟的(dt=0)狀態(tài)下,激勵(lì)器電源不變,改變激勵(lì)頻率的大小。改變激勵(lì)頻率的情況下,不同激勵(lì)頻率下的氣動(dòng)特性分析,在大迎角處,當(dāng)激勵(lì)頻率f=600hz時(shí),阻力系數(shù)在α=10°之后均減小,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大升阻比在f=600hz時(shí)提高了3.519%;介質(zhì)阻擋放電(dbd)等離子體的激勵(lì)頻率與流場(chǎng)之間明顯存在最優(yōu)的耦合頻率,并且能夠在相同電壓的情況下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制效果,氣動(dòng)特性也處于最優(yōu)的狀態(tài)。
綜上,飛行器介質(zhì)阻擋放電(dbd)等離子體氣動(dòng)激勵(lì)是可以改變飛行器模型的升阻特性,增大升力,提高升阻比,具有增升減阻的效果。當(dāng)激勵(lì)頻率f=200hz、激勵(lì)電壓12kv時(shí),最大升阻比增加2.4%。