[发明专利]一种提高等离子体激励流动控制效能的激励布局优化方法

权利要求书

1.一种提高等离子体激励流动控制效能的激励布局优化方法，具体包括下列步骤：

(1)将等离子体激励布置于叶片吸力面，形成吸力面激励布局，在吸力面上共布置N组等离子体激励SA1～SAN，第一组激励SA1布置在距离叶片前缘10-20％弦长位置，各组激励沿叶高方向布置，相互间隔10-20％弦长距离；将等离子体激励布置于叶片通道端壁，形成端壁激励布局，在端壁上共布置N组等离子体激励EA1～EAN；第一组激励EA1布置在距离叶片前缘10-20％弦长位置，各组激励沿当地叶片吸力面法向布置，相互间隔10-20％弦长距离；为开展激励布局优化，将常规的将吸力面激励与端壁激励进行组合形成流动控制能力更强的组合激励布局；采用组合激励布局，获得设组合激励布局下高速压气机叶栅通道出口流量平均总压损失系数、静压升系数和堵塞系数相对于基准条件下的变化率Δω_t0、Δδ₀和ΔB₀，将三个参数设为参考值；

计算过程中相关参数的定义如下：

总压损失系数的定义为：

其中p_1t是来流总压，p_1s是来流静压，p₂是当地总压；

截面流量平均总压损失系数的定义为：

其中，S为所选截面的面积，u为轴向速度，ρ是密度；分别计算基准与组合激励条件下ω_t，进行作差，即可获得Δω_t0；

定义静压升系数Cp：

其中p_1t和p_1s分别是进口总压和静压，p_2s是当地静压；可定义截面平均静压升系数为：

分别计算基准与组合激励条件下δ，进行作差，即可获得Δδ₀；

在选定截面上，将的区域定义为堵塞区域，其中表示气流垂直于截面的速度，表示速度的梯度，C_value为临界值，令C_value＝2；截面上一点的堵塞系数为：

其中u_loc为当地轴向速度，u_e为距离计算点最近堵塞边界处轴向速度；截面平均堵塞系数为：

分别计算基准与组合激励条件下B，进行作差，即可获得ΔB₀；

(2)分别将布置于吸力面和端壁的单个等离子体激励施加于叶栅通道之中，获得施加等离子体激励之后高速压气机叶栅通道出口截面平均总压损失系数、静压升系数和堵塞系数的相对变化率Δω_t、Δδ和ΔB，三个参具体计算过程与步骤(1)中Δω_t0、Δδ₀和ΔB₀的计算过程相同，这里不再累述；

(3)分别计算不同等离子体激励下Δω_t、Δδ和ΔB与参考值Δω_t0、Δδ₀和ΔB₀的差值ω_tvar、δ_var和B_var，记为各等离子体激励流动控制效果相对于组合激励布局的收益；

对于给定的等离子体激励布局，高速压气机叶栅通道出口总压损失系数、静压升系数以及堵塞系数收益相对于组合激励布局的变化率ω_tvar、δ_var和B_var分别为：

ω_tvar＝Δω_t-Δω_t0

δ_var＝Δδ-Δδ₀

B_var＝ΔB-ΔB₀

ω_tvar、δ_var和B_var数值越大，说明所评估等离子体激励布局对高速压气机叶栅流动分离控制的收益越大；

(4)在固定激励电压下等离子体激励能耗与激励器长度成正比，计算能耗变化率P_var以衡量各等离子体激励的能耗，P_var越小，则等离子体激励的能耗越小；

数值仿真中，在激励强度一定的情况下，等离子体激励的能耗与激励器长度成正比，设组合激励布局下等离子体激励的能耗为P₀，其它激励方式下等离子体激励的能耗为P，则能耗变化率为：

具体计算过程中，P₀直接取为组合激励布局下等离子体激励器的总长度，P取为其它激励方式下等离子体激励器的总长度；P_var数值越大，说明所评估等离子体激励的能耗越小，系数K定义为：

K＝k₂Δω_t0+k₃ΔB₀+k₄Δδ₀

上述定义保证在评价等离子体激励器流动控制效能过程中，各等离子体激励相对于组合激励布局能耗的变化和流动控制收益的变化在同一量级上；系数k₂、k₃和k₄的数值反映了总压损失、堵塞以及静压升在评估等离子体激励流动控制效能过程中的权重；

(5)根据P_var、ω_tvar、δ_var和B_var的数值，计算优化的目标函数Opg来综合评估各等离子体激励的能耗与流动控制收益，计算优化的目标函数Opg数值越大，则表面等离子体激励的流动控制效能越高，即能以更小的能耗实现更高的流动控制收益；

最有效的激励位置应以尽可能小的能耗，最大程度上降低叶栅通道流动损失、堵塞，并提升其扩压能力；以组合激励布局为参照，将所设计等离子体激励分别施加于流场之中，结合各等离子体激励器的能耗及相应流动控制收益的变化可评估其流动控制效率；

为综合判断不同等离子体激励器的能耗和流动控制收益，计算优化的目标函数Opg：

Opg＝k₁P_var+k₂ω_tvar+k₃B_var+k₄δ_var

其中，系数k₁的数值反映了能耗在评估等离子体激励流动控制效能过程中的权重，Opg的数值越大表明等离子体激励对流场的流动控制效能越高；选取步骤(1)中形成组合激励布局为参照对等离子体激励流动控制效能进行评估，组合激励布局下P_var、ω_tvar、δ_var以及B_var数值均为0，故相应Opg＝0；当P＝0时，说明等离子体激励能耗为0，即未向高速压气机叶栅通道中施加流动控制，系数K的定义保证此时优化的目标函数Opg数值亦为0；对于所评估的等离子体激励，Opg＞0时说明其流动控制效能高于组合激励布局，Opg＜0时则说明其流动控制效能低于组合激励布局；也就是说，使用Opg的数值作为衡量流动控制效能的标准；

(6)选取流动控制效能较高的等离子体激励组合施加于叶栅通道之中，获得优化的等离子体激励布局；

为综合考虑等离子体激励能耗及其对叶栅通道流动损失、堵塞以及扩压能力的影响，令k₁＝k₂＝k₃＝k₄＝1，计算多个攻角下各激励器所对应的Opg数值；选取流动控制效能最高，即Opg的数值最大的N组等离子体激励组合施加于高速压气机叶栅流场之中；经过优化之后获得的激励布局是仿真获得的最优结果。