基于Suzen模型的DBD等离子体流动的直接数值模拟

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随着航空技术的不断进步,人们对飞行器气动性能和推进装置的效率都提出了更高的要求。介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,简称DBD)等离子体流动控制技术可以有效抑制翼型失速、提升压气机稳定裕度、提高涡轮效率、抑制附面层流动分离和减小气动噪音,已经成为空气动力学领域的研究热点。直接数值模拟是研究流动机理的重要方法,对DBD等离子体流动问题进行直接数值模拟有益于探究等离子体激励对流动的作用规律。本文采用了Suzen提出的体积力简化模型来模拟等离子体的作用效果,通过差分求解拉普拉斯方程与泊松方程获得了等离子体激励器周围的电势与电荷分布,进而得出了电场力。以李新亮的OpenCFD2d直接数值模拟程序为基础,将电场力以体积力源项的形式添加到N-S方程中,建立起用于求解等离子体诱导流动的耦合计算程序。首先,数值模拟了等离子体静止诱导流场,计算结果与实验结果吻合,证明该耦合程序具有很好的准确性。其次,分别计算了不同电压、不同来流速度以及不同极板间距情况下的定常等离子体激励平板流动,结果显示等离子体激励器对流场的主要作用效果是直接向壁面区域流体注入动量;电压越大,激励效果越好;来流速度较小时,等离子体激励的速度增量更大;极板间距越小,诱导速度越,极板间距为零时,等离子体激励效果最好。接下来,本文研究了非定常等离子体激励的平板流动,分析了时均流场与瞬时流场。结果表明,非定常等离子体激励的动量注入能力小于定常激励;非定常激励比定常激励的动量传递更强烈,射流速度衰减更快,射流宽度更宽。非定常等离子体激励对流场的作用除了直接的动量注入外,更重要的是产生一系列的涡量核心,正负涡量核心起到加强主流区高速流体与壁面低速流体动量交换的作用。结果还表明,流场中形成串列的速度核心,壁面区域的流体受到卷吸-推移作用,主流区流体被卷吸而靠近壁面,壁面区域低速流体则受到推移作用而聚集,并随射流一起向下游移动。此外,非定常激励的壁面摩擦应力小于定常激励的情况。最后,数值模拟了不同作用频率下的非定常激励平板流动。结果显示,不同作用频率的动量注入能力相同,但是作用频率较低时,高速流体与低速流体的动量交换更加剧烈,射流衰减更快;作用频率较低时,涡量核心之间的流向距离较大,流向上的流体参数波动更加剧烈。
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