一種高空螺旋槳等離子體流動控制的地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高空螺旋槳等離子體流動控制的地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法，具體涉及一 種基于葉素理論，利用地面常規(guī)設(shè)備模擬等離子體控制螺旋槳在高空低氣壓條件下的流場 結(jié)構(gòu)，屬于空氣動力試驗(yàn)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 臨近空間指距地面20-100千米的空域。在這一空域飛行的低速臨近空間飛行器 主要包括平流層飛艇、平流層無人機(jī)等，其在軍事、民用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，國內(nèi)外 公開報道的低速臨近空間飛行器絕大部分使用螺旋槳作為動力推進(jìn)系統(tǒng)，但是由于臨近空 間氣壓低、空氣密度小等原因，臨近空間飛行器螺旋槳的推力和效率很低，目前多通過優(yōu)化 螺旋槳槳葉葉素構(gòu)型、采用機(jī)械變結(jié)構(gòu)螺旋槳、雙螺旋槳、協(xié)同射流等方法提高臨近空間飛 行器螺旋槳性能，隨著等離子體流動控制技術(shù)的發(fā)展，使用等離子體控制臨近空間飛行器 螺旋獎成為一種新的趨勢（Numerical study on propeller flow separation control by DBD plasma aerodynamic actuation, IEEE Transactions on plasma Science, 2013 年 4 月，Yufeng Cheng, XuekeChe, WanshengNie)〇
[0003] 螺旋槳?dú)鈩有阅芊治龅睦碚摲椒ㄖ饕袆恿坷碚?、葉素理論、渦流理論、片條理 論、渦格升力線理論、渦格升力面理論等（空氣螺旋槳理論，北京航空航天大學(xué)出版社， 2006,劉沛清.），隨著計算技術(shù)發(fā)展，數(shù)值仿真方法也成為一種重要研宄方法。在實(shí)驗(yàn)研宄 方面，多基于前進(jìn)比、雷諾數(shù)相似等相似原則，采用縮比螺旋槳在風(fēng)洞中開展實(shí)驗(yàn)研宄（平 流層飛艇螺旋槳地面風(fēng)洞試驗(yàn)，航空動力學(xué)報，2011年8月，劉沛清，馬蓉，段中喆，馬利 川.），不過對于平流層飛艇的高空螺旋槳等離子體流動控制而言，等離子體的放電特性受 到周圍環(huán)境氣壓的嚴(yán)重影響，可以通過在低密度、低速風(fēng)洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來解決這一問題，但是 建設(shè)低密度、低速風(fēng)洞的成本非常高，不具有推廣性，導(dǎo)致國內(nèi)外目前開展的等離子體流動 控制實(shí)驗(yàn)研宄多沒有考慮這一問題，僅裝備學(xué)院根據(jù)自由射流雷諾相似原則開展了地面模 擬高空等離子體控制翼型流動分離的實(shí)驗(yàn)研宄，但是在等離子體相似原則方面還存在不 足。
[0004] 綜上所述，關(guān)于等離子體流動控制的實(shí)驗(yàn)研宄較多，但沒有考慮等離子體相似問 題；平流層飛艇高空螺旋槳實(shí)驗(yàn)研宄較多，但多采用縮比螺旋槳實(shí)驗(yàn)方法，僅能從宏觀整體 上研宄螺旋槳的性能；目前沒有見到平流層飛艇高空螺旋槳等離子體流動控制實(shí)驗(yàn)研宄的 公開報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種高空螺旋槳等離子體流動控制的地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法， 具體為在地面常規(guī)風(fēng)洞中通過高空螺旋槳槳葉的葉素翼型模型的表面介質(zhì)阻擋放電等離 子體流動控制實(shí)驗(yàn)，模擬高空螺旋槳表面介質(zhì)阻擋放電等離子體流動控制的實(shí)驗(yàn)方法。本 發(fā)明所述方法利用常規(guī)地面風(fēng)洞開展，具有成本低、推廣性好等優(yōu)勢。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種高空螺旋槳等離子體流動控制的地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1，將高空螺旋槳槳葉沿徑向分成若干個葉素，根據(jù)葉素理論即根據(jù)所述高空 螺旋槳的飛行高度、飛行速度、轉(zhuǎn)速和半徑計算所述高空螺旋槳槳葉不同半徑處各葉素的 空氣流場的合成速度、幾何攻角和雷諾數(shù)；
[0009] 步驟2,根據(jù)高空螺旋槳等離子體激勵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作實(shí)際等離子體激勵器，測 量靜止空氣中所述實(shí)際等離子體激勵器放電時產(chǎn)生的誘導(dǎo)流場的參數(shù)；
[0010]當(dāng)所述實(shí)際等離子體激勵器的激勵電源為交流電源時，測量所述實(shí)際等離子體激 勵器的單位長度體積力或所述實(shí)際等離子體激勵器誘導(dǎo)射流的速度剖面；
[0011] 當(dāng)所述實(shí)際等離子體激勵器的激勵電源為高壓脈沖電源時，測量所述實(shí)際等離子 體激勵器工作環(huán)境的空氣壓力及放熱產(chǎn)生的壓力擾動；
[0012] 步驟3,計算高空螺旋槳各葉素處的等離子體激勵器相似參數(shù)：
[0013] 當(dāng)所述實(shí)際等離子體激勵器的激勵電源為交流電源時，根據(jù)所述實(shí)際等離子體激 勵器的單位長度體積力或?qū)嶋H等離子體激勵器誘導(dǎo)射流的速度剖面，通過以下公式計算相 似參數(shù) Repl、Rep2:
[0014]
[0015]
[0016] 當(dāng)所述實(shí)際等離子體激勵器的激勵電源為高壓脈沖電源時，根據(jù)所述實(shí)際等離子 體激勵器工作環(huán)境的空氣壓力及放熱產(chǎn)生的壓力擾動，通過以下公式計算相似參數(shù)Δρ' ：
[0017] Δρ' = Δρ/ρ
[0018] 其中，Repl、Rep2、Δρ'為相似參數(shù)，^為單位長度等離子體激勵器產(chǎn)生的體積力， P是空氣密度，μ為空氣粘性系數(shù)，u為所述高空螺旋槳槳葉不同半徑處葉素的空氣流場 的合成速度，Umax為實(shí)際等離子體激勵器誘導(dǎo)射流的最大速度，ha5為靜止空氣中等離子體 誘導(dǎo)射流最大速度半高寬，即速度等于最大速度1/2點(diǎn)距離壁面的高度；△ p為實(shí)際等離子 體激勵器放熱產(chǎn)生的壓力擾動，P為實(shí)際等離子體激勵器工作環(huán)境的空氣壓力；
[0019] 步驟4,根據(jù)所述高空螺旋槳槳葉不同半徑處葉素的幾何結(jié)構(gòu)制作相應(yīng)的用于地 面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的葉素翼型模型；
[0020] 步驟5,根據(jù)所述地面風(fēng)洞的空氣壓力、溫度和步驟3中所述高空螺旋槳各葉素的 雷諾數(shù)計算各葉素翼型模型的實(shí)驗(yàn)風(fēng)速；
[0021] 步驟6,制作試驗(yàn)等離子體激勵器，使得所述試驗(yàn)等離子體激勵器相似參數(shù)與所述 實(shí)際等離子體激勵器在相應(yīng)葉素處的相似參數(shù)相等，得到高空螺旋槳在相應(yīng)葉素處的模擬 等離子體激勵器，確定所述高空螺旋槳所有葉素處的模擬等離子體激勵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激 勵電源參數(shù)；
[0022] 步驟7,將所述各模擬等離子體激勵器安裝在所述各相應(yīng)葉素翼型模型上，通過各 葉素翼型模型等離子體流動控制的地面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，根據(jù)所述各模擬等離子體激勵器的激勵 電源參數(shù)進(jìn)行放電，分別采集、計算所述各模擬等離子體激勵器開啟前后相應(yīng)葉素翼型模 型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)；
[0023] 步驟8,根據(jù)所述升力系數(shù)和阻力系數(shù)，利用葉素理論計算得到所述高空螺旋槳的 飛行推力、扭矩、效率。
[0024] 進(jìn)一步的，步驟1中所述高空螺旋槳槳葉不同半徑處各葉素的空氣流場的合成速 度是指所述高空螺旋槳前進(jìn)速度與該半徑處所述葉素的空氣流場的旋轉(zhuǎn)速度的合速度；
[0025] 步驟1中所述高空螺旋槳槳葉不同半徑處各葉素的空氣流場的幾何攻角是指所 述各葉素的空氣流場的合成速度在該葉素處的攻角；
[0026] 步驟1中所述高空螺旋槳槳葉不同半徑處各葉素的空氣流場的雷諾數(shù)是以所述 高空螺旋槳飛行高度的空氣密度、空氣粘性系數(shù)和所述高空螺旋槳槳葉在該半徑處的葉素 弦長和合成速度為參數(shù)計算得到的。
[0027] 進(jìn)一步的，步驟2具體為：
[0028] 步驟2. 1，根據(jù)高空螺旋槳等離子體激勵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作實(shí)際等離子體激勵器， 并將所述實(shí)際等離子體激勵器放置在空氣密度與所述高空螺旋槳高空工作時相同的密閉 艙中；
[0029] 其中，所述高空螺旋槳等離子體激勵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)指所述高空螺旋槳等離子激勵 器的暴露電極、植入電極的寬度和厚度，介質(zhì)阻擋層的材質(zhì)和厚度，所述暴露電極和植入電 極在X方向的間隙；
[0030] 步驟2. 2,按照所述高空螺旋槳等離子激勵器的激勵電源參數(shù)對所述實(shí)際等離子 體激勵器放電；
[0031] 當(dāng)所述實(shí)際等離子體激勵器的激勵電源為交流電源時，測量所述實(shí)際等離子體激 勵器的單位長度體積力，或測量所述實(shí)際等離子體激勵器誘導(dǎo)射流的速度剖面；
[0032] 當(dāng)所述實(shí)際等離子體激勵器的激勵電源為高壓脈沖電源時，測量所述實(shí)際等離子 體激勵器工作環(huán)境的空氣壓力及放熱產(chǎn)生的壓力擾動。
[0033] 進(jìn)一步的，步驟4中所有葉素翼型模型的弦長相等。
[0034] 進(jìn)一步的