等离子体流动控制技术研究进展
第１３卷第３期 ２０１２年６月 空军工程大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＩＲ ＦＯＲＣＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＥＤＩＴＩＯＮ） Ｖ０１．１３ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１２
等离子体流动控制技术研究进展
李应红， 吴云
（空军工程大学等离子体动力学重点实验室，陕西西安，７１００３８）
摘要 基于等离子体气动激励的等离子体流动控制技术，可显著改善飞行器／动力装置的气动
特性，已成为国际上空气动力学和气动热力学领域的研究前沿。简要介绍国外等离子体流动控 制研究的重要进展，主要介绍国内在等离子体冲击波流动控制理论、等离子体气动激励特性、等 离子体气动激励扩大压气机稳定性、等离子体气动激励减弱超／高超声速激波强度等方面的研
究进展，并指出了未来发展需要解决的重大问题。
关键词 等离子体；流动控制；等离子体气动激励；压气机
ＤＯＩ １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９—３５１６．２０１２．０３．００１ 中图分类号Ｖ２３ 文献标识码Ａ 文章编号１００９—３５１６（２０１２）０３—０００１—０５
更高、更快、更远、隐身是军用飞行器发展的主要趋势。优良的气动特性和高效的动力装置是飞行器在
性能上跨越新高度的必要保证。对于未来的新型飞行器，常规气动设计已经不能满足要求，需要采用新的技
术手段。国内外专家认为，主动流动控制技术是２１世纪最有发展潜力的航空前沿技术之一，将作为未来新
型飞行器和航空发动机气动设计中一个新的自由度（手段）。
等离子体是液体、固体、气体之外的物质第四态。等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新型主
动流动控制技术，利用等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电引起温度、压力变化对流场局部施加扰
动，实现飞行器减阻增升和发动机增推扩稳，其主要技术优势是：没有活动部件、响应快（微秒量级）；高带宽
（激励频率从１０ Ｈｚ到１００ ｋＨｚ量级）。
１国外研究进展
２００４年，美国国防部将等离子体流动控制列为面向空军未来发展的重点资助领域之一，主要研究“理
解、预测和控制弱电离流动，进而实现飞行器性能革命的科学基础”。２００５年，美国空军将等离子体动力学
列为未来几十年保持技术领先地位的６大基础领域之一，主要研究等离子体改善亚声速、超声速和高超声速
飞行器气动特性和推进效率的科学基础。２００９年，美国航空航天学会将以等离子体流动控制为代表的主动
流动控制技术列为十大航空前沿技术之一。２００９年，欧洲制定了“ＰＬＡＳＭＡＥＲＯ（ＰＬＡＳＭ ａｓ ｆｏｒ ＡＥＲＯ ｄｙｎａｍ． ｉｃ ｃｏｎｔｒｏ１）”合作研究计划。美、俄、英、法、德、日、意、阿等开展了大量研究，美国、俄罗斯最具代表性，处于领
先地位。
１．１ 等离子体气动激励特性与建模仿真
电晕放电、介质阻挡放电、电弧放电、微波放电、电晕／介质阻挡组合放电、局部丝状放电等离子体气动激 励进行了大量研究…。通过探针、光谱仪、天平、ＰＩＶ等手段，对放电特性、等离子体特性和流动特性进行了
时空分辨测试，获得了等离子体气动激励的功耗、等离子体转动和振动温度、诱导的速度场和涡量场等特性。
收稿日期：２０１１—１０—１０ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０９７２２３６；５０９０６１００） 作者简介：李应红（１９６３一），男，重庆奉节人，教授，博士生导师，主要从事航空等离子体研究 Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｙｕｎ１２２３＠１２６．ｃｏｒｎ
２ 空军工程大学学报（自然科学版） ２０１２正
根据体积力的测试结果进行了等离子体气动激励特性的唯象仿真，其优势是容易实现，缺点是物理过程不清
晰。通过将？白松方程、等离子体方程、Ｎ—Ｓ方程耦合求解进行的等离子体一流体耦合仿真，其优势是物理过
程清晰，但是由于化学反应复杂，多时间尺度计算难度大，计算资源要求高，并且跟实验结果只能定性一致。
１．２外流等离子体流动控制 美国圣母大学进行了无人机等离子体飞行控制的风洞实验 ］，与贝尔直升机公司合作进行了Ｖ一２２机
翼等离子体流动控制实验。俄罗斯理论和应用力学研究所进行了滑翔机机翼等离子体流动控制飞行实
验 。莫斯科物理技术学院进行了来流速度１１０ ｍ／ｓ下抑制流动分离的实验 ］，并对高亚声速条件下的流
动控制效果进行了探索 。
１．３ 内流等离子体流动控制
美国圣母大学在等离子体气动激励抑制涡轮低雷诺数流动分离方面开展了一系列的研究工作 ］，加拿
大蒙大工学院进行了等离子体气动激励抑制轴流压气机旋转失速扰动波的仿真研究 ］，ＧＥ公司全球研发
中心进行了等离子体气动激励控制压气机叶尖流动、扩大压气机稳定性的仿真研究 ］，俄亥俄州立大学进
行了等离子体气动激励控制喷管流动与噪声的实验研究ｌ９］。
１．４等离子体气动激励器和电源
２００６年，美国大气辉光技术公司宣布在美国空军科研局的资助下，在高效、高鲁棒性的等离子体激励器
研制方面取得突破，并准备将其用于无人机飞行控制，美国空军科研局宣布在柔性等离子体激励器技术方面
取得突破。
波音公司、通用电气公司、普惠公司、贝尔公司、霍尼韦尔公司等申请了大量的专利，呈现出应用基础研
究和关键技术攻关结合的趋势。
２国内研究进展
２００１年以来，针对提升飞行器气动性能和推进效能的重大需求，国内等离子体流动控制研究呈现蓬勃
发展的态势。空军工程大学、中国空气动力研究与发展中心、中科院工程热物理研究所、北京大学、北京航空
航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学、装备学院、中航工业气动院、南京理工大学、哈尔滨工业大学、
国防科技大学、厦门大学等单位开展了大量研究工作。文献［１Ｏ一３３］研究了高效能等离子体气动激励及其
与飞行器、发动机典型流场耦合的基础问题，在等离子体冲击波流动控制理论、等离子体气动激励特性、等离
子体气动激励扩大压气机稳定性、等离子体气动激励减弱超／高超声速激波强度等进展很大。
２．１等离子体冲击波流动控制理论
等离子体气动激励有效抑制流动分离的速度，是决定等离子体流动控制能否走向应用的重要因素。受
绝缘材料抗击穿能力和等离子体产生方式的限制，“壁面射流”速度很难显著提高（８ ｍ／ｓ），只能抑制低速
（几十ｍ／ｓ）流场分离。要提高等离子体流动控制作用能力，一是提高激励强度特别是激励的初始强度，二
是变定常等离子体气动激励为非定常脉冲等离子体气动激励，从非定常、非线性的角度寻求等离子体气动激
励对流场的最佳作用方式。
受高功率脉冲激光诱导等离子体冲击波对材料强化的启发，研究人员提出了“等离子体冲击流动控制”
原理和方法，包括“冲击激励”、“扰动涡流”和“频率耦合”３个内涵。“冲击激励”是指通过脉冲放电，能量集
中在瞬间释放，形成高强度冲击（波），且降低平均功耗；“扰动涡流”是指冲击激励形成垂直于壁面或流向的
射流冲击扰动或旋涡，通过涡流动控制，抑制分离流动；“频率耦合”是指从非定常、非线性的角度，实现“等
离子体气动激励／流场耦合”。纳秒脉冲放电等离子体冲击气动激励器比较系统揭示了其原理与特性。相
关研究建立了等离子体冲击气动激励特性估算的２种方法，获得了产生冲击波气动激励的条件。实现纳秒
脉冲放电等离子体气动激励抑制来流速度０．４ Ｍａ下ＮＡＣＡ ００１５翼型流动分离，临界失速攻角由２３。增大到
２６。，攻角为２３。时，翼型升力增大１６．９％，阻力减小２１．７％。
２．２等离子体气动激励特性
目前，放电特性、
等离子体特性和流场特性综合测试系统已建立，重点对表面弱电离介质阻挡放电等离 第３期 李应红等：等离子体流动控制技术研究进展 ３
子体特性进行了测试诊断。电子密度直接反映空气的电离程度，在一定程度上表征参与动量传递的离子数
量，因此也是等离子体流动控制物理原理研究中的重要参数，但是目前国内外公开报道的文献中，还没有手
段可以直接对表面弱电离等离子体电子数密度进行测试诊断。根据发光粒子Ｎ （Ｃ）和Ｎ： （Ｂ）的化学动力
学模型，可建立氮分子基态不同振动能级的相对浓度、Ｃ态振动能级分布与电子数密度之间的定量关系，利
用３７１．１ ｎｍ和３８０．５ ｎｍ两根谱线的强度比，建立了表面介质阻挡放电等离子体电离率的估算模型，从而在
解决表面弱电离等离子体电子数密度诊断的关键问题方面有所突破。针对航空和临近空间飞行器的典型工
作环境（０—３５ ｋｍ）对低气压环境等离子体气动激励诱导流动特性变化的基本规律进行研究，实验得到了低
气压环境等离子体气动激励电子数密度、转动温度、振动温度和电子温度等参数的演化特性。随着气压降
低，等离子体气动激励器放电在４５ Ｔｏｒｒ附近发生了丝状放电向辉光放电的转捩，导致激励特性发生了显著
变化。
２．３等离子体气动激励扩大压气机稳定性
风扇／压气机级增压比和稳定性是决定涡扇发动机推重比和稳定性的关键因素，为了研制高推重比涡轮
发动机，需要解决抑制静子叶片吸力面和角区流动分离、控制叶尖脱落涡等失稳扰动的技术难题。文献
［２５］提出了在压气机转子机匣内壁和静叶角区施加等离子体激励抑制失稳扰动的方法。空军工程大学与
中科院工程热物理研究所合作首次开展了等离子体气动激励扩大轴流式压气机稳定性的实验，在压气机转
速７５０ ｒ／ｍｉｎ和１ ０８０ ｒ／ｍｉｎ的情况下，压气机近失速点流量系数分别降低１２．５％和５．１％，列入了（２００７— ２００８工程热物理学科发展报告》，国际上２００９年才有实验研究报道。等离子体气动激励抑制低速压气机叶
栅角区流动分离的数值仿真与实验研究结果表明：小攻角情况下，叶片吸力面角区流动分离导致显著的尾迹
总压损失，来流速度为５０ ｍ／ｓ时，等离子体气动激励可以有效的抑制角区流动分离，降低总压损失，激励电
压、频率分别为１０ ｋＶ和２２ ｋＨｚ时，５０％叶高处的尾迹压力分布基本不变，６０％和７０％叶高处的最大总压损
失分别减小了１３．８３％和１０．７４％，增加激励电极组数或激励电压，可以增强抑制效果。在大雷诺数或大攻
角条件下，非定常等离子体气动激励的作用效果更加明显，而且占空比和激励频率是作用效果强弱的重要参
数，在７０％叶高处可以降低总压损失系数２８％。
２．４等离子体气动激励减弱超／高超声速激波强度
等离子体气动激励控制激波存在２个主要问题：①逆向喷流式等离子体激励的能耗大；②表面电弧放电
等离子体激励不稳定。为此，提出了“脉冲电磁激励激波控制”原理，包括“脉冲放电”、“磁控热阻”、“频率
耦合”等３个内涵。“脉冲放电”是指表面电极对空气强电离形成热阻、压阻，通过脉冲放电实现高强度、低
功耗；“磁控热阻”是指磁场力提高脉冲放电强度、增加激励稳定性，产生有效阻塞；“频率耦合”是指放电频
率与流场耦合，形成近似稳定的虚拟气动型面。在２．２ Ｍａ的条件下，等离子体气动激励有效减弱激波强度
（波前波后压力升）１１．６％以上，最多减小２０％。
３未来研究重点展望
国外对等离子体流动控制技术研究十分重视，正在逐渐走向工程应用。国内也开展了很多研究，取得了
若干重要进展。等离子体流动控制技术未来发展需要解决的重大问题包括：等离子体气动激励环境特性和 激励器工艺；高速轴流压气机等离子体扩稳增效；提高电磁推力矢量的效果和稳定性，与气动设计结合，减阻
电弧放电等离子体对超声速边界层影响的数值模拟
第３３卷第１期 ２０１２年１月 宇 航学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１２
电弧放电等离子体对超声速边界层影响的
数值模拟
程钰锋 ，聂万胜 ，车学科 ，丰松江。，何博
（１．装备学院研究生院，北京１０１４１６；２．装备学院航天装备系，北京１０１４１６）
摘要：基于电弧放电等离子体热阻塞机理，对等离子体超声速流动控制过程进行了数值模拟，研究了等离
子体对边界层的影响，分析了放电区大小、温度等对其作用效果的影响。结果显示：在高温等离子体放电区的上下
游近区发生了边界层分离及漩涡运动；在放电区内有两种边界层，即高温等离子体与外界低温气流之间的温度边
界层和气流与壁面之间的粘性边界层；放电区内形成漩涡运动的原因有两个，即内外压差和边界层分离；上游边界
层的分离点Ｙ轴坐标随温度的增大而减小；增大来流速度，放电区上游分离点Ｙ轴坐标呈先增大后减小的趋势、放
电区内漩涡运动加剧、下游近区边界层分离点Ｙ轴坐标减小。
关键词：电弧放电等离子体；流动控制；边界层；数值模拟
中图分类号：０５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００．１３２８ｆ２０１２）０１－００２７－０６
ＤＯＩ：１０．３８７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３２８．２０１２．０１．００４
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ａｒｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｌａｓｍａ
Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ Ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｌａｙｅｒ
ＣＨＥＮＧ Ｙｕ．ｆｅｎｇ ，ＮＩＥ Ｗａｎ．ｓｈｅｎｇ ，ＣＨＥ Ｘｕｅ—ｋｅ ，ＦＯＮＧ Ｓｏｎｇ－ｊｉａｎｇ ，ＨＥ Ｂｏ
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅ，Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１４１６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１４１６，Ｃｈｉｎａ）
几种关于附面层分离主动控制方法机制的概述
几种关于附面层分离主动控制方法机制的概述
杨琪;鲍锋
【摘 要】随着乜机和发动机设计性能要求的不断提高,流体的主动控制变得越来越重要,并显出不可替代的作用.流体主动控制方式通过小尺度、局部的能量注入,特别是通过对临界点附近的控制来改变全场的流动结构,并且能够对复杂的动态系统进行精确的相位控制,所以在近年的流动控制领域变得非常活跃.本文对合成射流、等离子体、电磁体积力这些主动控制方法及其机制进行了详细的介绍,并得出结论:相对于被动控制方式,主动控制方式具有明显的优势.
【期刊名称】《航空工程进展》
【年(卷),期】2011(002)002
【总页数】6页(P151-156)
【关键词】流动控制;流动分离;合成射流;等离子体;电磁体积力
【作 者】杨琪;鲍锋
【作者单位】厦门大学物理与机电工程学院,厦门,361005;厦门大学物理与机电工程学院,厦门,361005
【正文语种】中 文
【中图分类】V211
0 引言
空气动力学的流动控制是利用流体间流体动力的相互作用,通过改变局部流动达到控制和放大流动信号的作用。在过去的50年中,现代飞机的通讯、导航以及操纵系统都有了很大的改进,但是流动控制仍然依赖于传统的缝翼、襟翼、副翼等被动控制方式。虽然被动控制方式不需要额外的能量注入,使用比较方便,但存在在工作期间无法根据实际情况进行调节的缺陷,控制效果容易受流动状态变化的影响,在非设计状态下会产生额外的附加阻力。所以主动流动控制越来越多的应用,并起到了不可替代的作用,主动流动控制技术是有辅助能量引入的控制方式,在流动环境中直接注入合适的扰动模式,以与系统内在模式相耦合达到控制的目的,可用于抑制流动分离、减小阻力、增加升力、压气机扩稳增效、抑制噪声、改善掺混、提高燃烧稳定性和燃烧效率、产生矢量推力以及增强传热和传质等。
下面对几种关于附面层主动控制分离的方法和控制机理进行详细的介绍。
1 合成射流流动控制技术
基于等离子体激励器简化模型的流动分离控制
第３７卷第２期 ２００７年３月 航空计算技术 Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．２ Ｍａｒ．２ｏｏ７
基于等离子体激励器简化模型的流动分离控制
王江南 ，钟诚文 ，高 超 ，刘 锋 ’
（１．西北工业大学航空学院，陕西西安７１００７２；２．西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国防科技重点
实验室，陕西西安７１００７２；３．美国加州大学尔湾分校机械与宇航工程系，加州尔湾９２６９７—３９７５）
目 摘要：对等离子体激励器做简化模型，并研究简化模型对于ＮＡＣＡ０１５翼型流动分离的控制效果。通过改变激励器在翼型上表面位置及激励强度的大小，研究了实施流动控制的较佳位置及强度的大小。数值模拟结果表明，在前缘点附近加入控制的作用要优于其它位置；且激励强度对于流动控制的效果有极大影响，大的激励强度有好的效果。此控制方法可以有效地延迟流动 的分离．达到增升减阻的目的。是一种有前途的流动主动控制方法。 关键词流动控制；等离子体激励器；流动分离
中图分类号：Ｖ２１１ ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－６５４Ｘ（２００７）０２－００３０－０５
引言
一个大气压下均匀辉光放电等离子体（Ｏｎｅ Ａｔ．
ｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｌａｓｍａ——０ＡＵＧＤＰ １ 是近来等离子体领域的研究热点之一。现在常见的等
离子体发生器为绝缘体阻隔放电（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ—Ｂａｒｒｉｅｒ
—Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ—ＤＢＤ）发生器——相邻的两个电极用薄
层绝缘电介质隔开或其中一个电极被完全包裹住，在
电极上施加ＲＦ电压以电离电极间气体，形成常压下
非热等离子体，即形成一个大气压下均匀辉光放电等
离子体（ＯＡＵＧＤＰ）。常见于流场控制的等离子发生器
示意图如图１所示。
芟瘟电压
内置电极
图１ 等离子体激励器简图
在等离子体应用于流动控制方面，Ｒｏｔｈ＿１．２ 等独立
等离子体的物理特性及其在能源控制中的应用
等离子体的物理特性及其在能源控制中的应用
等离子体是一种被高温激发而电离产生的状态，是物质存在的第四种状态，分子和原子之外的等离子体。它由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成，其物理特性使之在能源控制中具有广泛的应用。
等离子体的物理特性主要包括高温、电磁性和等离子体流动性。首先，等离子体的高温是其最本质的特性之一，它能够激活原子和分子内部的能级，使电子跳跃到较高的能量状态，形成高度电离的带电粒子。其次，等离子体对电磁场具有响应性，当电场或磁场作用于等离子体中的离子和电子时，会发生移动和回旋，从而引发一系列电磁现象。最后，等离子体由带电粒子组成，使得它具有流动性，可以传导电流和携带能量。
等离子体在能源控制中有着广泛的应用。首先，等离子体技术被广泛应用于聚变能源研究领域。聚变是模拟太阳能源释放过程的一种方式，通过将氢等离子体加热到极高温度和密度，使其发生核融合反应，释放出巨大的能量。这种技术有望成为可持续的清洁能源，因为它只产生非常少量的有害废物，并且燃料源取自海水中丰富的氘和氚。
其次，等离子体技术在等离子体喷射和等离子体切割中得到应用。等离子体喷射是利用高温等离子体产生的气流来清洁材料表面，去除污垢和涂层。这种喷射不仅能够高效清洁，还能够改善材料表面的粗糙度和附着力，使其在后续加工过程中具有更好的性能。等离子体切割则是利用等离子体的高能量和流动性，将材料切割成所需的形状。相比传统切割方法，等离子体切割速度更快，切割面更平整，能够应用于多种材料。
此外，等离子体技术在光电显示器件和太阳能电池中也有着重要的应用。等离子体处理可以改善材料表面的电子能级分布和结晶性，提高材料的电子传导性和光吸收性能，从而提高光电器件的性能。在光电显示器件中，等离子体处理可以改善显示屏的亮度、色彩和对比度。而在太阳能电池中，等离子体处理能够提高光吸收层的能量转换效率，从而提高电池的光电转换效率和功率输出。
最后，等离子体技术还被应用于液体金属冷却堆等核能领域。液体金属冷却堆是一种先进的核能反应堆，利用液态金属作为冷却剂，通过等离子体效应将热能转移给液态金属，然后再利用该热能产生蒸汽驱动涡轮发电机。这种技术能够在核能发电中提高热能转化效率和燃料利用率，同时也提供了更安全和可控的冷却方式。
高温等离子体的诊断与控制
高温等离子体的诊断与控制
引言：
高温等离子体是物理研究和工程应用中的重要领域之一，它在核聚变研究、等离子体激光技术、材料加工等方面发挥着重要作用。然而，由于高温等离子体独特的性质，其诊断和控制面临诸多挑战。本文将从等离子体诊断的方法和控制的手段两个方面进行探讨，旨在深入了解高温等离子体的特性，并寻求更有效的诊断和控制技术。
一、等离子体诊断的方法
1.光谱诊断
光谱诊断是等离子体研究中常用的方法之一。通过测量等离子体放射出的光谱，可以了解等离子体的组分、温度、密度等重要参数。常用的光谱诊断技术有可见光、紫外光和X射线等。其中，拉曼散射光谱通过探测散射光，可以测量等离子体中的压强、温度和密度等参数，是一项非常有前景的技术。
2.微波诊断
微波诊断是一种通过测量等离子体中的微波信号来研究等离子体性质的方法。等离子体中的微波信号会受到等离子体密度和磁场等因素的影响，通过分析这些信号的特性，可以获得等离子体的密度、温度、湍流等相关信息。这种方法非常适用于等离子体的非侵入性测量。
3.粒子诊断
粒子诊断是通过测量等离子体中的粒子流动来研究等离子体性质的方法。常见的粒子诊断技术包括电离杆、拉曼散射、拉曼散射光谱等。通过这些技术，可以测量等离子体的粒子浓度、电荷状态以及粒子运动速度等信息，从而了解等离子体的行为和性质。 二、等离子体控制的手段
1.外场控制
外场控制是一种通过电磁场或磁场的作用来控制等离子体的方法。其中，磁场控制是一种常用的手段，通过改变磁场的强度和分布，可以控制等离子体的形状、稳定性和运动状态。此外，还可以利用电磁场的作用来驱动等离子体运动，实现对等离子体的控制。
2.等离子体注入
等离子体注入是一种通过向等离子体中注入粒子来影响等离子体性质的方法。常见的等离子体注入手段包括离子束注入和中性粒子束注入等。通过控制注入粒子的能量、速度和流量等参数，可以改变等离子体的温度、密度和组分等，从而实现对等离子体的控制。
利用等离子体气动激励提高气膜冷却效果的数值研究
第１３卷第１８期２０１３年６月 １６７１—１８１５（２０１３）１８—５２３４—０６ 科学技术与工程 Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１３ Ｎｏ．１８ Ｊｕｎ．２０１３ ＠２０１３ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．
利用等离子体气动激励提高气膜冷却
效果的数值研究
代胜吉 何立明 丁 未 金 涛 张玉敏
（空军工程大学航空航天工程学院 ，训练部。，西安７１００５１）
摘要为揭示等离子体气动激励对气膜冷却效果的影响机理，采用数值模拟方法研究了不同吹风比下的冷却气流流场分 布、垂直主流截面的局部速度矢量分布和温度分布情况，并与常规气膜冷却结果作对比。结果表明，等离子体气动激励能有 效诱导冷却气流偏转，提高气膜贴壁效果，延缓主流和冷却气流的掺混，壁面冷却效果显著增大；在不同吹风比下，沿流动方 向等离子体启动激励气膜冷却效率的变化趋势相同；在激励器表面处壁面温度略有增大，但不影响冷却效率的提高。 关键词介质阻挡放电 等离子体气动激励 数值仿真 气膜冷却 冷却效率
中图法分类号Ｖ２３３．９３； 文献标志码Ａ
气膜冷却在航空燃气轮机涡轮叶片、主燃烧室
火焰筒以及其他高温部件的冷却中有着广泛的应 用…。随着燃气轮机工作性能要求的不断提高，高
温部件的工作温度不断增大，据预测，未来航空发
动机的压气机增压比叮ｒ 约为３０，涡轮前的燃气温度
将达到２ ４００ Ｋ。而现在正在研究的陶瓷基复合材
料的许用工作温度范围也只是１ ９００＿２ ２００ Ｋ，实
际的工作温度要比材料的使用极限低１００＿２００ Ｋ
才认为是安全的 。因此探索和发展更高效的气
膜冷却方式势在必行。
等离子体流动控制技术是基于等离子体气动 激励的主动流动控制技术ｌ３ ｊ，它是通过在局部区
域注入能量达到控制局部或整体区域流动效果，大
量研究表明该技术具有结构简单、作用频带宽、响
应快等优点，在未来的航空、电力工程领域有广阔
等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究
第50卷第4期力学学报Vol.50,No.4
2018年7月ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanicsJuly,2018
流体力学
等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究1)
张鑫*,2)黄勇†阳鹏宇†唐坤†李华星*
*(西北工业大学航空学院,西安710072)
†(中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳621000)
摘要为了进一步掌握等离子体流动控制机理,完善等离子体激励器数学模型,提升等离子体激励器扰动能力,采用粒子图像测速技术,在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究.实验时,将非对称布局激励器布置在平板模型上,随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内,从而避免环境气流对测试结果的影响.基于激励器诱导流场,分析了激励电压对诱导射流特性的影响,揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构,获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程,计算了卷起涡脱落频率,阐述了卷起涡与启动涡的区别,初步探索了卷起涡的耗散机制.结果表明:(1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性,激励电压是影响射流特性的重要参数.当电压较低时,诱导射流为层流射流;当电压较高时,诱导射流的雷诺数提高,射流剪切层不稳定,层流射流逐渐发展为湍流射流.(2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构;在固定电压下,这些涡结构存在恒定的卷起频率.(3)当激励电压较高时,流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形,引起了流场湍动能增大,从而加速了卷起涡的耗散.研究结果为全面认识激励器射流特性,进一步挖掘激励器卷吸掺混能力,提升激励器控制能力积累基础.
关键词湍流特性,射流,等离子体,介质阻挡放电,拟序结构
中图分类号:V211文献标识码:Adoi:10.6052/0459-1879-17-392
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等离子体在核聚变中的应用研究
等离子体在核聚变中的应用研究
核聚变是一种能源释放过程，它有潜力成为未来清洁能源的重要来源。在核聚变反应中，等离子体起着至关重要的作用。本文将探讨等离子体在核聚变中的应用研究，并分析其在能源领域中的前景。
一、核聚变简介
核聚变是将两个轻原子核融合成一个更重的原子核的过程。它是太阳等恒星中能量释放的主要机制。核聚变反应的核心是通过将氢同位素（氘和氚）的原子核融合在一起，产生氦并释放大量能量。
二、等离子体的作用
在核聚变反应中，等离子体扮演着“燃料”的角色。等离子体是一种高度激发的气体，在极高温和压力下形成。通过提供足够的热能和保持高密度，核聚变反应才能进行。等离子体的主要成分是氢同位素，包括氘和氚。
三、等离子体的性质
由于等离子体具有高度离子化的特性，它表现出许多独特的性质。首先，等离子体是导电性极高的，电子和离子能够自由移动。其次，等离子体能够产生电磁辐射，如等离子体被激发后的亮光。此外，等离子体对磁场非常敏感，可以被磁场约束和控制。
四、等离子体约束与控制技术 为了有效地利用等离子体进行核聚变反应，必须开发出约束和控制等离子体的技术。其中一种常见的约束方法是磁约束，通过在等离子体周围创建一个强大的磁场来约束等离子体。这种方法被广泛地应用于实验室中。此外，惯性约束和电场约束等方法也在研究中得到应用。
五、等离子体在聚变堆中的应用
等离子体在聚变堆中发挥着关键的作用。聚变堆是实现核聚变反应的设备，能够产生持续的能量输出。通过将氢同位素加热为等离子体，使其在磁场中保持稳定并进行聚变反应。等离子体释放的能量可以通过换热流体转化为可用能源。
六、等离子体聚变技术的挑战与前景
尽管等离子体聚变技术具有巨大的潜力，但在实践中仍面临许多挑战。首先，聚变反应需要极高的温度和压力，只有在此条件下才能实现可控核聚变。其次，等离子体对材料的腐蚀性较强，需要耐受高温等特殊材料。此外，等离子体的约束和控制技术也需要进一步改进。
等离子体在核聚变研究中的应用
等离子体在核聚变研究中的应用
在能源领域中，核聚变一直是一个备受关注的研究课题。核聚变作为一种能够提供干净、永无穷尽的能源的方式，被认为是解决全球能源危机的关键之一。而在核聚变研究中，等离子体的应用是至关重要的。
等离子体是一种高度充分激发的气体，其中的电子和离子剥离，并且暂时脱离了原子核束缚。由于等离子体具有高度的自由度和激发性能，它成为了核聚变研究中的理想载体。在实验室中，科学家们会通过特殊的装置将气体加热至极高温度并施加强大的磁场，从而将气体转化为等离子体。
等离子体在核聚变研究中的应用主要有两个方面：一是作为燃料形式存在，二是作为研究核聚变反应的载体。
首先，等离子体作为燃料形式存在的优点是显而易见的。等离子体燃料主要由氘和氚组成，这两种核燃料是地球上最丰富的稳定同位素。另外，等离子体燃料的聚变反应产生的能量是相当巨大的，远远超过了化石燃料的能量密度。因此，通过等离子体燃料的聚变反应，可以提供一个高效、清洁的能源来源。
然而，要实现等离子体燃料的聚变反应并不容易。因为高温等离子体的控制非常困难，需要强大的磁场来约束等离子体，并防止其接触到容器壁。此外，等离子体聚变反应的条件非常苛刻，需要高温和高压环境才能实现核聚变反应。因此，在核聚变技术的发展过程中，科学家们面临着巨大的挑战。
其次，等离子体也被广泛用于研究核聚变反应的过程。通过实验室中的等离子体装置，科学家们可以模拟太阳等自然聚变反应的条件，从而深入研究聚变反应的物理过程。这有助于我们更好地了解核聚变的机制，提高聚变反应的效率。
另外，等离子体还可以用于研究聚变反应中的等离子体稳定问题。在高温等离子体中，受到磁场的控制，等离子体在容器中形成了稳定的环形结构，这被称为等离子体纠缠。然而，等离子体的纠缠度与聚变反应的效率密切相关。因此，科学家们致力于研究如何提高等离子体的纠缠度，以实现更高效的核聚变反应。
此外，等离子体在核聚变研究中的应用还有很多潜在的发展方向。例如，在聚变研究中的等离子体射流技术可以用于精确控制等离子体的运动，以及提高燃料的压缩程度。另外，等离子体运动学理论的研究也有助于提高聚变反应的控制性能。
等离子体中的湍流与湍流传输
等离子体中的湍流与湍流传输
等离子体是一种由带电粒子组成的高温物质，广泛存在于太阳、恒星和高能物理实验装置中。在等离子体中，湍流是一种普遍存在的现象，对等离子体的运输过程起着重要的作用。本文将就湍流与湍流传输的关系展开探讨。
一、湍流的基本概念
湍流是流体力学中的一个重要研究内容，它是一种无规则、不稳定的流动状态。与层流相比，湍流具有较高的混合性和能量传输能力。湍流由于其复杂性和不可预测性，一直是科学家们研究的焦点之一。
二、湍流在等离子体中的特点
与流体湍流不同的是，等离子体湍流具有独特的特点。首先，在等离子体中，湍流产生的能量主要来自于其电流与磁场之间的相互作用。其次，等离子体湍流的时间和空间尺度相对较小，常常与等离子体的尺度密切相关。此外，等离子体湍流的产生和发展通常与横向不稳定性以及不同尺度的波相互作用有关。
三、湍流对等离子体传输的影响
湍流对等离子体传输的影响主要体现在热传输、质量传输和动量传输等方面。首先，在等离子体中，湍流能够增强热传导过程，使得能量更加有效地传递。其次，湍流对质量传输也起到了重要作用，尤其是在等离子体的离子输运过程中。最后，湍流的存在会导致动量传输的增强，从而影响等离子体的流场分布。
四、湍流调控与控制研究
鉴于湍流在等离子体中的重要作用，科学家们致力于湍流调控与控制的研究。通过改变等离子体湍流的结构和特性，可以有效地改善等离子体的性能。目前，常见的湍流控制方法包括外加磁场控制、频率和幅度调制以及局部激励等。 五、湍流与能源研究的关联
湍流与等离子体的研究对于能源领域具有重要的意义。等离子体湍流的产生与控制对核聚变等能源研究具有关键影响。湍流在燃烧和太阳物理中也起到了重要作用，进一步研究湍流的性质和特征对于能源领域的发展有重要意义。
六、展望
随着科学技术的不断发展，对等离子体湍流的研究进入了一个新的阶段。人们可以借助数值模拟和实验手段，深入研究等离子体湍流的产生、发展和控制机制。相信在不久的将来，等离子体湍流的研究会取得更加重要的突破，为等离子体及能源领域的进展提供更多的理论依据和技术支持。