[发明专利]一种利用等离子体激励调控压气机叶型附面层流动的装置和方法

说明书

一种利用等离子体激励调控压气机叶型附面层流动的装置，包括栅板(1)，叶片(2)，一组等离子体激励器，热线风速仪探头(5)，等离子体电源(6)。将探头置于叶片吸力面激励区域后侧，实施等离子体激励前对基准流场的速度脉动进行监测采集。不改变流场其他参量前提下，更换不同类型电源，用探头对同一位置流场进行等时长脉动信号采集，对激励流场脉动信号进行捕捉。通过改变电源输出电压、激励频率和占空比等参量调节等离子体激励诱导形成的壁面射流或诱导形成的额外流动结构，实现对压气机叶型附面层流动的调控。通过等离子体激励对叶型附面层内速度和压力脉动进行扰动，对附面层的转捩产生影响，可有效调控压气机叶型附面层的流动。

技术领域

本发明涉及等离子体技术，具体涉及一种利用等离子体激励调控压气机叶型附面层流动的装置和方法。

背景技术

高性能叶型是设计先进压气机的基础，从压气机叶型气动设计发展的脉络来看，对附面层流动的有效调控是研制高性能压气机叶型的基础。对于亚声速压气机叶型，可控扩散叶型的应用，使得压气机气动性能得到了大幅度提升，而可控扩散叶型本质上就是通过控制叶表压力分布使得附面层的发展达到尽可能优化的状态。已有研究表明，保证附面层流动在前缘的层流状态可以同时使得叶型与角区分离损失最小化，于是层流压气机叶片的概念开始被提出。通过优化压气机叶型气动设计，最大限度保证叶片附面层的层流状态，进而提升压气机的工作效率，但实际上，由于叶片前缘加工误差以及加工或使用过程中所引起的叶表粗糙度变化等原因，会诱发Spike流动或直接改变附面层发展状态，进而影响压气机叶片的气动性能。同时，由于航空压气机实际工作环境较为恶劣，在大攻角、强逆压梯度等复杂非设计工况下，理想的层流压气机叶型极有可能会面临出现层流开式大分离的风险，引起强的流动堵塞和损失，进而导致压气机气动性能的急剧下降。为应对复杂工程实际环境和释放气动设计的自由度，发展调控压气机叶型附面层流动的主动控制技术具有重要意义。等离子体激励具有激励频带宽、响应速度快和结构简单不明显改变控制型面等特点，是拓宽高性能压气机叶型适用范围和鲁棒性的一条重要技术路径。

等离子体流动控制最早应用于超声速流动中的激波减阻，已有几十年的时间，而对于压气机叶型附面层进行等离子体激励调控的研究还在起步探索阶段。就对附面层流动的调控而言，等离子体流动控制具有结构简单、无运动部件、响应速度快和激励频带宽等特征，对复杂、非定常流动的控制具有明显的优势，在引入到压气机内流流动控制之后很快受到了广泛关注。根据所施加的高压不同，介质阻挡放电(DBD)可分为正弦交流介质阻挡放电(AC-DBD)和纳秒脉冲介质阻挡放电(NS-DBD)。在正弦交流高压波形的作用下，AC-DBD等离子体激励使得电离形成的带电粒子在电场力作用下发生定向运动并与空气分子发生碰撞，进而向流场中注入动量，形成作用于流体的体积力，以实现流动控制，其对流场的影响主要是“动力效应”；在纳秒脉冲电压波形的作用下，其NS-DBD等离子体激励在极短时间内向流场中注入一定的热量，导致局部温度急剧升高，进而对流场形成强的扰动，以实现流动控制，其对流场的影响主要是“冲击效应”。后续，本发明同时评估了AC-DBD等离子体激励和NS-DBD等离子体激励对于压气机叶型附面层流动的调控效果。

发明内容

在复杂的工程环境下，诸多因素都会使得压气机叶型附面层的流动偏离理想状态，针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用等离子体激励调控压气机叶型附面层流动的装置，包括栅板1，叶片2，一组等离子体激励器，热线风速仪探头5，等离子体电源6；其中

栅板1，其构型根据低速叶栅风洞试验段和叶片2的尺寸决定；

叶片2，其采用典型CDA叶型；

一组等离子体激励器，其由上电极3、下电极4和阻挡介质材料组成，选取展向布局，气流流向由叶片前缘流至尾缘，上电极3、下电极4位于叶片前缘且沿叶高方向布置，下电极4紧贴叶片表面，上电极3的位置高于下电极4，上电极3、下电极4之间间隔阻挡介质材料，上下电极的前后缘均与叶片前缘的型线保持平行，诱导形成的壁面射流或者额外流动结构与流动方向平行；