高空螺旋槳等離子體流動控制的地面縮比實驗?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縮比實驗?zāi)M方法，具體涉 及一種利用地面常規(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] 螺旋槳氣動性能分析的理論方法主要有動量理論、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。在實驗研宄 方面，多基于前進比、雷諾數(shù)相似等相似原則，采用縮比螺旋槳在風(fēng)洞中開展實驗研宄（平 流層飛艇螺旋槳地面風(fēng)洞試驗，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)境氣壓的嚴重影響，可以通過在低密度、低速風(fēng)洞進行實驗來解決這一問題，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 控制實驗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驗研宄，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驗研宄較多，但沒有考慮等離子體相似問 題；平流層飛艇高空螺旋槳實驗研宄較多，多采用縮比螺旋槳實驗方法；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驗研宄的公開報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種在地面常規(guī)風(fēng)洞中通過縮比螺旋槳表面介質(zhì)阻擋放電 等離子體流動控制實驗，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驗方 法。本發(fā)明方法可以利用現(xiàn)有常規(guī)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)方案實現(xiàn)的：
[0007] -種高空螺旋槳等離子體流動控制的地面縮比實驗?zāi)M方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1，根據(jù)高空螺旋槳等離子體激勵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作實際等離子體激勵器；
[0009] 步驟2,測量靜止空氣中所述實際等離子體激勵器放電產(chǎn)生的誘導(dǎo)流場的參數(shù)：
[0010] 當(dāng)所述實際等離子體激勵器的激勵電源為交流電源時，測量所述實際等離子體激 勵器的單位長度體積力或所述實際等離子體激勵器誘導(dǎo)射流的速度剖面；
[0011] 當(dāng)所述實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,計算所述高空螺旋槳等離子體激勵器相似參數(shù)：
[0013] 當(dāng)所述實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) Reppf、Reppv:
[0016] 當(dāng)所述實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)Ap' ：
[0017] Ap' = Ap/p
[0018] 其中，Reppf、Reppv、Ap'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，y為空氣粘性系數(shù)，D為所述高空螺旋槳槳葉直徑，ns為所述高空螺旋槳轉(zhuǎn) 速，靜止空氣中實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點距離壁面的高度；Ap為靜止空氣 中實際等離子體激勵器放熱產(chǎn)生的壓力擾動，P為靜止空氣中實際等離子體激勵器工作環(huán) 境的空氣壓力；
[0019] 步驟4,制作與所述高空螺旋槳滿足幾何相似的地面縮比螺旋槳；
[0020] 步驟5,確定所述地面縮比螺旋槳的模擬等離子體器結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵電源參數(shù)； 包括：
[0021] 步驟5. 1，制作試驗等離子體激勵器，按照步驟2的測量方式測量所述試驗等離子 體激勵器在地面大氣環(huán)境中放電產(chǎn)生的誘導(dǎo)流場的參數(shù)，計算所述試驗等離子體激勵器用 于所述地面縮比螺旋槳時的相似參數(shù)；
[0022] 步驟5. 2,當(dāng)所述試驗等離子體激勵器相似參數(shù)與所述高空螺旋槳等離子體激勵 器的相似參數(shù)相等時，所述試驗等離子體激勵器即為所述高空螺旋槳的模擬等離子體激勵 器，確定所述模擬等離子體器結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵電源參數(shù)；
[0023] 步驟6,將所述模擬等離子體激勵器安裝在所述地面縮比螺旋槳上；
[0024] 步驟7,將所述地面縮比螺旋槳安裝在地面風(fēng)洞中，開啟風(fēng)洞，根據(jù)所述模擬等離 子體激勵器的激勵電源參數(shù)進行放電，分別采集所述模擬等離子體激勵器開啟前后所述的 地面縮比螺旋槳的推力、扭矩，計算所述地面縮比螺旋槳的效率；
[0025] 步驟8,根據(jù)螺旋槳風(fēng)洞實驗理論，將所述地面縮比螺旋槳的推力、扭矩和效率推 廣為所述高空螺旋槳的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和效率。
[0026] 進一步的，步驟1具體為：
[0027] 步驟1. 1，根據(jù)高空螺旋槳等離子體激勵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作實際等離子體激勵器， 并將所述實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；
[0028] 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；
[0029] 步驟1. 2,按照所述高空螺旋槳等離子激勵器的激勵電源參數(shù)對所述實際等離子 體激勵器放電；
[0030] 當(dāng)所述實際等離子體激勵器的激勵電源為交流電源時，測量所述實際等離子體激 勵器的單位長度體積力，或測量所述實際等離子體激勵器誘導(dǎo)射流的速度剖面；
[0031] 當(dāng)所述實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。
[0032] 進一步的，步驟4中所述模擬等離子體激勵器是用于地面風(fēng)洞實驗的等離子體激 勵器。
[0033] 步驟5中所述模擬