脉冲等离子体气动激励抑制压气机叶栅角区分离的机理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
50906100
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
20.0万
负责人：
吴云
依托单位：
中国人民解放军空军工程大学
学科分类：
E0602.内流流体力学
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
张朴；宋慧敏；梁华；贾敏；周敏；赵小虎；
关键词：
脉冲等离子体气动激励压气机角区分离等离子体流动控制

项目摘要

等离子体气动激励在外部流动分离抑制方面已取得了一定的成效，但在高逆压梯度的压气机内部流动分离控制的研究还仅仅刚刚开始。西方发达国家上世纪就对该项技术的基础性研究成果进行严密封锁，核心问题的剖析未见在公开学术刊物上发表。本申请提出在压气机叶栅叶片吸力面和端壁施加非定常脉冲等离子体气动激励，改变角区流场的边界条件，利用气动激励与角区流动的耦合作用，抑制角区分离的产生和发展。并通过叶栅风洞实验和数值仿真相结合，揭示脉冲等离子体气动激励抑制角区分离的流场特征，获得流动控制效果随来流状态、叶片攻角，激励位置、强度和频率等参数的变化规律，揭示脉冲等离子体气动激励与角区流动的非定常耦合机制，从新的角度探索提高压气机效率和拓宽失速裕度的途径。

结项摘要

针对高推重比航空发动机的发展需求，研究基于等离子体气动激励的压气机扩稳增效原理与技术，具有重要的理论意义和工程应用价值。本项目提出在压气机叶栅叶片吸力面和端壁施加非定常脉冲等离子体气动激励，改变角区流场的边界条件，利用气动激励与角区流动的耦合作用，抑制角区分离的产生和发展，从新的角度探索提高压气机效率和拓宽失速裕度的途径。. 按照项目任务书承诺的研究目标，在风洞实验验证、数值模拟和理论剖析方面，开展了深入的研究工作，研制了高负荷等离子体流动控制压气机叶栅，改造了脉冲等离子体电源、叶栅风洞和测试系统；获得了微秒、纳秒脉冲等离子体气动激励特性，纳秒脉冲等离子体气动激励可以在放电起始时刻诱导出冲击波，激励强度显著提高，来流速度为0.3Ma时只有纳秒脉冲激励可以抑制角区分离；分析了脉冲等离子体气动激励抑制低速压气机叶栅角区分离的流场特征与作用机理，构建了吸力面流向/端壁横向组合等离子体气动激励布局，这一布局能抑制吸力面附面层堆积和端壁横向流动；获得了来流速度、叶片攻角，等离子体气动激励位置、强度和频率等参数对流动控制效果的影响实验结果，发现了激励强度和脉冲频率是主导角区分离抑制效果的关键参数。综合上述结果，揭示了脉冲等离子体气动激励与低速压气机叶栅角区流动的非定常耦合机制，首次实现了0.3Ma来流速度下减小典型高负荷叶栅70%叶高出口的总压损失8.4%，得到了脉冲激励与角区流动的耦合频率。目前，国际上公开文献中，有关压气机叶栅角区等离子体流动控制的实验结果未见报道，仅有仿真结果。. 应邀撰写国外专著Aeronautics and Astronautics中的1章（Plasma Flow Control），为International Journal of Flow Control撰写中国等离子体流动控制研究进展综述；在Experiments in Fluids等期刊发表论文12篇、录用1篇，在ASME Turbo Expo 2012等会议发表论文10篇，其中SCI和EI收录8篇、EI收录4篇、ISTP收录1篇；申请国家发明专利1项。发表的论文被Technische Universität Darmstadt、University of Salento、中科院工程热物理所、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学等单位学者引用。