高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法技术

本发明专利技术一种高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法，包括以下步骤：测量并计算高空螺旋桨实际等离子体激励器相似参数；制作用于地面风洞实验的地面缩比螺旋桨；确定所述地面缩比螺旋桨的模拟等离子体器结构参数和激励电源参数；将所述模拟等离子体激励器安装在所述地面缩比螺旋桨上，开展风洞实验，分别采集所述模拟等离子体激励器开启前后所述地面缩比螺旋桨的推力和扭矩，计算所述地面缩比螺旋桨的效率，将所述地面缩比螺旋桨的推力、扭矩和效率转化为所述高空螺旋桨的推力系数、扭矩系数和效率。本发明专利技术所述方法利用常规地面风洞开展，具有成本低、推广性好等优势。

【技术实现步骤摘要】
高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法
本专利技术涉及一种高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法，具体涉及一种利用地面常规设备模拟等离子体控制螺旋桨在高空低气压条件下的流场结构，属于空气动力试验领域。
技术介绍
临近空间指距地面20-100千米的空域。在这一空域飞行的低速临近空间飞行器主要包括平流层飞艇、平流层无人机等，其在军事、民用领域具有重要的应用前景，国内外公开报道的低速临近空间飞行器绝大部分使用螺旋桨作为动力推进系统，但是由于临近空间气压低、空气密度小等原因，临近空间飞行器螺旋桨的推力和效率很低，目前多通过优化螺旋桨桨叶叶素构型、采用机械变结构螺旋桨、双螺旋桨、协同射流等方法提高临近空间飞行器螺旋桨性能，随着等离子体流动控制技术的发展，使用等离子体控制临近空间飞行器螺旋桨成为一种新的趋势(NumericalstudyonpropellerflowseparationcontrolbyDBDplasmaaerodynamicactuation,IEEETransactionsonplasmaScience,2013年4月,YufengCheng,XuekeChe,WanshengNie)。螺旋桨气动性能分析的理论方法主要有动量理论、叶素理论、涡流理论、片条理论、涡格升力线理论、涡格升力面理论等(空气螺旋桨理论，北京航空航天大学出版社，2006，刘沛清.)，随着计算技术发展，数值仿真方法也成为一种重要研究方法。在实验研究方面，多基于前进比、雷诺数相似等相似原则，采用缩比螺旋桨在风洞中开展实验研究(平流层飞艇螺旋桨地面风洞试验，航空动力学报，2011年8月,刘沛清，马蓉，段中喆，马利川.)，不过对于平流层飞艇的高空螺旋桨等离子体流动控制而言，等离子体的放电特性受到周围环境气压的严重影响，可以通过在低密度、低速风洞进行实验来解决这一问题，但是建设低密度、低速风洞的成本非常高，不具有推广性，导致国内外目前开展的等离子体流动控制实验研究多没有考虑这一问题，仅装备学院根据自由射流雷诺相似原则开展了地面模拟高空等离子体控制翼型流动分离的实验研究，但是在等离子体相似原则方面还存在不足。综上所述，关于等离子体流动控制的实验研究较多，但没有考虑等离子体相似问题；平流层飞艇高空螺旋桨实验研究较多，多采用缩比螺旋桨实验方法；目前没有见到平流层飞艇高空螺旋桨等离子体流动控制实验研究的公开报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在地面常规风洞中通过缩比螺旋桨表面介质阻挡放电等离子体流动控制实验，模拟高空螺旋桨表面介质阻挡放电等离子体流动控制的实验方法。本专利技术方法可以利用现有常规风洞开展，具有成本低、推广性好等优势。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法，包括以下步骤：步骤1，根据高空螺旋桨等离子体激励器的结构参数制作实际等离子体激励器；步骤2，测量静止空气中所述实际等离子体激励器放电产生的诱导流场的参数：当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，测量所述实际等离子体激励器的单位长度体积力或所述实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面；当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，测量所述实际等离子体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动；步骤3，计算所述高空螺旋桨等离子体激励器相似参数：当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，根据所述实际等离子体激励器的单位长度体积力或实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面，通过以下公式计算相似参数Reppf、Reppv：当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，根据所述实际等离子体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动，通过以下公式计算相似参数Δp'：Δp'＝Δp/p其中，Reppf、Reppv、Δp'为相似参数，FL为单位长度等离子体激励器产生的体积力，ρ是空气密度，μ为空气粘性系数，D为所述高空螺旋桨桨叶直径，ns为所述高空螺旋桨转速，Umax为静止空气中实际等离子体激励器诱导射流的最大速度，h0.5为静止空气中等离子体诱导射流最大速度半高宽，即速度等于最大速度1/2点距离壁面的高度；Δp为静止空气中实际等离子体激励器放热产生的压力扰动，P为静止空气中实际等离子体激励器工作环境的空气压力；步骤4，制作与所述高空螺旋桨满足几何相似的地面缩比螺旋桨；步骤5，确定所述地面缩比螺旋桨的模拟等离子体器结构参数和激励电源参数；包括：步骤5.1，制作试验等离子体激励器，按照步骤2的测量方式测量所述试验等离子体激励器在地面大气环境中放电产生的诱导流场的参数，计算所述试验等离子体激励器用于所述地面缩比螺旋桨时的相似参数；步骤5.2，当所述试验等离子体激励器相似参数与所述高空螺旋桨等离子体激励器的相似参数相等时，所述试验等离子体激励器即为所述高空螺旋桨的模拟等离子体激励器，确定所述模拟等离子体器结构参数和激励电源参数；步骤6，将所述模拟等离子体激励器安装在所述地面缩比螺旋桨上；步骤7，将所述地面缩比螺旋桨安装在地面风洞中，开启风洞，根据所述模拟等离子体激励器的激励电源参数进行放电，分别采集所述模拟等离子体激励器开启前后所述的地面缩比螺旋桨的推力、扭矩，计算所述地面缩比螺旋桨的效率；步骤8，根据螺旋桨风洞实验理论，将所述地面缩比螺旋桨的推力、扭矩和效率推广为所述高空螺旋桨的推力系数、扭矩系数和效率。进一步的，步骤1具体为：步骤1.1，根据高空螺旋桨等离子体激励器的结构参数制作实际等离子体激励器，并将所述实际等离子体激励器放置在空气密度与所述高空螺旋桨高空工作时相同的密闭舱中；其中，所述高空螺旋桨等离子体激励器的结构参数指所述高空螺旋桨等离子激励器的暴露电极、植入电极的宽度和厚度，介质阻挡层的材质和厚度，所述暴露电极和植入电极在x方向的间隙；步骤1.2，按照所述高空螺旋桨等离子激励器的激励电源参数对所述实际等离子体激励器放电；当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，测量所述实际等离子体激励器的单位长度体积力，或测量所述实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面；当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，测量所述实际等离子体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动。进一步的，步骤4中所述模拟等离子体激励器是用于地面风洞实验的等离子体激励器。步骤5中所述模拟等离子体激励器通过安装在所述地面缩比螺旋桨桨毂处的滑环连接到所述模拟等离子体激励器的激励电源。进一步的，表面介质阻挡放电等离子体诱导流场是由表面介质阻挡放电等离子体激励器产生的空气射流或冲击波。进一步的，所述表面介质阻挡放电等离子体激励器是一种通过空气放电产生等离子体的设备，由暴露电极、植入电极和介质阻挡层组成，所述暴露电极和植入电极分别粘贴在所述介质阻挡层的上下两面；所述暴露电极暴露在空气中，与所述激励电源的高压端相连接；所述植入电极表面包裹有绝缘材料，与空气隔绝，与地线相连接。进一步的，所述激励电源是为表面介质阻挡放电等离子体激励器提供放电能量的电源，可以是高压交流电源或高压脉冲电源；所述激励电源的高压端和所述等离子体激励器的暴露电极连接，激励电源的低压端和所述等离子体激励器的植入电极连接，同时接地。进一步的，所述高空是指本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据高空螺旋桨等离子体激励器的结构参数制作实际等离子体激励器；步骤2，测量静止空气中所述实际等离子体激励器放电产生的诱导流场的参数：当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，测量所述实际等离子体激励器的单位长度体积力或所述实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面；当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，测量所述实际等离子体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动；步骤3，计算所述高空螺旋桨等离子体激励器相似参数：当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，根据所述实际等离子体激励器的单位长度体积力或实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面，通过以下公式计算相似参数Reppf、Reppv：Reppf=FLDnsμ]]>Reppv=UmaxDnsρUmaxh0.5μ]]>当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，根据所述实际等离子体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动，通过以下公式计算相似参数Δp'：Δp'＝Δp/p其中，Reppf、Reppv、Δp'为相似参数，FL为单位长度等离子体激励器产生的体积力，ρ是空气密度，μ为空气粘性系数，D为所述高空螺旋桨桨叶直径，ns为所述高空螺旋桨转速，Umax为静止空气中实际等离子体激励器诱导射流的最大速度，h0.5为静止空气中等离子体诱导射流最大速度半高宽，即速度等于最大速度1/2点距离壁面的高度；Δp为静止空气中实际等离子体激励器放热产生的压力扰动，P为静止空气中实际等离子体激励器工作环境的空气压力；步骤4，制作与所述高空螺旋桨满足几何相似的地面缩比螺旋桨；步骤5，确定所述地面缩比螺旋桨的模拟等离子体器结构参数和激励电源参数；包括：步骤5.1，制作试验等离子体激励器，按照步骤2中的测量方式测量所述试验等离子体激励器在地面大气环境中放电产生的诱导流场的参数，计算所述试验等离子体激励器用于所述地面缩比螺旋桨时的相似参数；步骤5.2，当所述试验等离子体激励器相似参数与所述高空螺旋桨等离子体激励器的相似参数相等时，所述试验等离子体激励器即为所述高空螺旋桨的模拟等离子体激励器，确定所述模拟等离子体器结构参数和激励电源参数；步骤6，将所述模拟等离子体激励器安装在所述地面缩比螺旋桨上；步骤7，将所述地面缩比螺旋桨安装在地面风洞中，通过地面风洞实验测量并计算所述地面缩比螺旋桨的推力、扭矩和效率；步骤8，根据所述地面缩比螺旋桨的推力、扭矩和效率得到所述高空螺旋桨的推力系数、扭矩系数和效率。...

【技术特征摘要】
1.一种高空螺旋桨等离子体流动控制的地面缩比实验模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据高空螺旋桨等离子体激励器的结构参数制作实际等离子体激励器；步骤2，测量静止空气中所述实际等离子体激励器放电产生的诱导流场的参数：当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，测量所述实际等离子体激励器的单位长度体积力或所述实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面；当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，测量所述实际等离子体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动；步骤3，计算所述高空螺旋桨等离子体激励器相似参数：当所述实际等离子体激励器的激励电源为交流电源时，根据所述实际等离子体激励器的单位长度体积力或实际等离子体激励器诱导射流的速度剖面，通过以下公式计算相似参数Reppf、Reppv：当所述实际等离子体激励器的激励电源为高压脉冲电源时，根据所述实际等离子体激励器工作环境的空气压力及放热产生的压力扰动，通过以下公式计算相似参数Δp'：Δp'＝Δp/p其中，Reppf、Reppv、Δp'为相似参数，FL为单位长度等离子体激励器产生的体积力，ρ是空气密度，μ为空气粘性系数，D为所述高空螺旋桨桨叶直径，ns为所述高空螺旋桨转速，Umax为静止空气中实际等离子体激励器诱导射流的最大速度，h0.5为静止空气中等离子体诱导射流最大速度半高宽，即速度等于最大速度1/2点距离壁面的高度；Δp为静止空气中实际等离子体激励器放热产生的压力扰动，P为静止空气中实际等离子体激励器工作环境的空气压力；步骤4，制作与所述高空螺旋桨满足几何相似的地面缩比螺旋桨；步骤5，确定所述地面缩比螺旋桨的模拟等离子体器结构参数和激励电源参数；包括：步骤5.1，制作试验等离子体激励器，按照步骤2中的测量方...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂万胜，车学科，田希晖，周思引，侯志勇，何浩波，陈庆亚，姜家文，田学敏，苏凌宇，丰松江，
申请(专利权)人：中国人民解放军装备学院，
类型：发明
国别省市：北京;11