电弧放电等离子体激励控制超声速压气机叶栅激波/边界层干扰仿真研究

doi:10.13675/j.cnki.tjjs.190803

推进技术 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (10): 2228-2236.DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.190803

电弧放电等离子体激励控制超声速压气机叶栅激波/边界层干扰仿真研究

盛佳明¹，张海灯¹，吴云¹，唐孟潇¹，高丽敏²

1.空军工程大学航空工程学院等离子体动力学重点实验室，陕西西安 710038;2.西北工业大学动力与能源学院，陕西西安 710072

发布日期:2021-08-15
作者简介:盛佳明，硕士生，研究领域为等离子体流动控制。E-mail：shengjiaming1995@126.com
基金资助:
国家自然科学基金（51906254；51790511）；装备预研重点实验室基金（61422010501）。

Simulation Study of Arc Discharge Plasma Actuator for Supersonic Compressor Cascade Shock Wave/Boundary Layer Interaction Control

1.Science and Technology on Plasma Dynamics Laboratory，Aeronautics Engineering College， Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China;2.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Published:2021-08-15

摘要/Abstract

摘要： 为研究电弧放电等离子体激励对超声速压气机叶栅激波/边界层干扰的控制作用，建立了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型，进一步以ARL-SL19超声速叶栅为对象，通过数值仿真研究了电弧放电等离子体与叶栅通道内部流动的相互作用及其对叶栅流动损失的影响。结果表明：等离子体唯象学模型能够较好模拟电弧放电等离子体诱导产生冲击波的气动特性。电弧放电等离子体激励对叶栅通道内部流动主要具有三种作用效果：在放电区，注入的热量会产生阻塞效应，增加近壁面气流的流动损失；在激波/边界层相互作用区，能够改变激波系结构，减小激波损失；在尾迹区，冲击波会诱导产生脱落涡。

关键词: 等离子体;流动控制;超声速叶栅;激波/边界层干扰;数值仿真

Abstract: In order to study the control effect of the arc discharge plasma actuator for the supersonic compressor cascade shock wave/boundary layer interaction， a phenomenological model for simulating the effect of plasma actuation was first established， and the ARL-SL19 supersonic cascade was taken as a research object. The interaction between the arc discharge plasma with the internal flow of the cascade passage and effects of the interaction on the cascade flow loss were studied by numerical simulation. The results show that the plasma phenomenological model can better simulate the aerodynamic characteristics of shock waves induced by arc discharge plasma. The arc discharge plasma has three main effects on the internal flow of the cascade passage： in the discharge region， the injected heat has blocking effect， which increases the flow loss of the near wall airflow； in the shock wave/ boundary layer interaction region， the shock wave system structure can be changed and the shock wave loss can be reduced； in the wake region， the shock wave induces a shedding vortex.

Key words: Plasma;Flow control;Supersonic cascade;Shock wave/boundary layer interaction;Numerical simulation

盛佳明，张海灯，吴云，唐孟潇，高丽敏. 电弧放电等离子体激励控制超声速压气机叶栅激波/边界层干扰仿真研究[J]. 推进技术, 2020, 41(10): 2228-2236.

SHENG Jia-ming¹, ZHANG Hai-deng¹, WU Yun¹, TANG Meng-xiao¹, GAO Li-min². Simulation Study of Arc Discharge Plasma Actuator for Supersonic Compressor Cascade Shock Wave/Boundary Layer Interaction Control[J]. Journal of Propulsion Technology, 2020, 41(10): 2228-2236.

参考文献

[1] 陈懋章. 风扇/压气机技术发展和对今后工作的建议［J］. 航空动力学报， 2002， 17（1）： 1-15.
[2] 季路成，陈江. 从IHPTET到VAATE的技术方向探析［C］. 北京：中国工程热物理学会第十一届年会热机气动热力学学术会议， 2005.
[3] Wadia A R， Szucs P N， Crall D W. Inner Workings of Aerodynamic Sweep［J］. Journal of Turbomachinery， 1998， 120（4）： 671-682.
[4] Benini E， Biollo R. Aerodynamics of Swept and Leaned Transonic Compressor-Rotors［J］. Applied Energy， 2007， 84（10）： 1012-1027.
[5] Hergt A， Klinner J， Grund S， et al. On the Importance of Transition Control at Transonic Compressor Blades［C］. Phoenix：ASME Turbo Expo 2019： Turbomachinery Technical Conference and Exposition， 2019.
[6] Yu S， Schnerr G H， Dohrmann U， et al. Passive Control of Shock-Boundary Layer Interaction in Transonic Axial Compressor Cascade Flow［M］. Vienna： Springer， 1994.
[7] Anderson B， Tinapple J， Surber L. Optimal Control of Shock Wave Turbulent Boundary Layer Interactions Using Micro-Array Actuation［R］. AIAA 2006-3197.
[8] JohnA， Qin N， Shahpar S. Using Shock Control Bumps to Improve Transonic Fan/Compressor Blade Performance［J］. Journal of Turbomachinery， 2019， 141（8）.
[9] Szwaba R， Kaczynski P， Doerffer P. Roughness Effect on Shock Wave Boundary Layer Interaction Area in Compressor Fan Blades Passage［J］. Aerospace Science and Technology， 2019， 85：171-179.
[10] 王掩刚，任思源，牛楠，等. 跨声速叶栅抽吸流、激波以及分离流相干效应［J］. 推进技术， 2011， 32（5）：664-669.
[11] Knight D . Survey of Magneto-Gasdynamic Local Flow Control at High Speeds［C］. Reno：42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit， 2004.
[12] Caraballo E ， Webb N ， Little J ， et al. Supersonic Inlet Flow Control Using Plasma Actuators［C］. Orlando： 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum & Aerospace Exposition， 2009.
[13] Bletzinger P， Ganguly B N， Wie D V， et al. Plasmas in High Speed Aerodynamics［J］. Journal of Physics D： Applied Physics， 2005， 38（38）.
[14] Leonov S B， Yarantsev D A. Near-Surface Electrical Discharge in Supersonic Airflow： Properties and Flow Control［J］. Journal of Propulsion and Power， 2008， 24（6）： 1168-1181.
[15] Webb N， Clifford C， Samimy M. Control of Oblique Shock Wave-Boundary Layer Interactions Using Plasma Actuators［J］. Experiments in Fluids， 2013， 54（6）：1545.
[16] Datta V G. Analysis of Plasma-Based Flow Control Mechanisms Through Large-Eddy Simulations［J］. Computers & Fluids， 2013， 85： 19-26.
[17] Bianchi G， Saracoglu B H， Paniagua G， et al. Experimental Analysis on the Effects of DC Arc Discharges at Various Flow Regimes［J］. Physics of Fluids， 2015， 27（3）.
[18] Gan T， Wu Y， Sun Z Z， et al. Shock Wave Boundary Layer Interaction Controlled by Surface Arc Plasma Actuators［J］. Physics of Fluids， 2018， 30（5）.
[19] 王浩，程邦勤，纪振伟，等. 局部电弧丝状放电控制激波/边界层干扰的数值研究［J］. 推进技术， 2017， 38（11）： 2431-2438.
[20] 严红，王松. 热激励在超声速进气道内对激波诱导的边界层分离的控制机理［J］. 空气动力学学报， 2014， 32（6）： 806-813.
[21] Tweedt D L， Schreiber H A， Starken H. Experimental Investigation of the Performance of a Supersonic Compressor Cascade［J］. Journal of Turbomachinery， 1988， 110（4）.
[22] Watanabe Y， Elliott S， Firsov A， et al. Rapid Control of Force/Momentum on a Model Ramp by Quasi-DC Plasma［J］. Journal of Physics D：Applied Physics， 2019， 52（44）.
[23] 王宇天，张百灵，李益文，等. 等离子体激励控制激波与边界层干扰流动分离数值研究［J］. 航空动力学报， 2018， 33（2）： 364-371.
[24] Sun Q， Li Y， Cheng B， et al. The Characteristics of Surface Arc Plasma and Its Control Effect on Supersonic Flow［J］. Physics Letters A， 2014， 378（36）： 2672-2682.
[25] 赵光银，李应红，梁华，等. 纳秒脉冲表面介质阻挡等离子体激励唯象学仿真［J］. 物理学报， 2015， 64（1）： 166-176.
[26] Gan T， Jin D， Guo S， et al. Influence of Ambient Pressure on the Performance of an Arc Discharge Plasma Actuator［J］. Contributions to Plasma Physics， 2018， 58（4）： 260-268.
[27] Sun Q， Cheng B Q， YU Y G， et al. A Study of Variation Patterns of Shock Wave Control by Different Plasma Aerodynamic Actuations［J］. Plasma Science and Technology， 2010， 12（6）：708-714.
[28] 何立明，赵罡，程邦勤. 气体动力学［M］. 北京：国防工业出版社， 2009.

电弧放电等离子体激励控制超声速压气机叶栅激波/边界层干扰仿真研究

Simulation Study of Arc Discharge Plasma Actuator for Supersonic Compressor Cascade Shock Wave/Boundary Layer Interaction Control

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