科研动态|田立丰课题组在航空航天领域顶刊Aerospace Science and Technology发表最新成果
超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器的典型动力装置，燃烧室内来流和燃料的混合效率直接影响发动机的推力性能，如何提高混合效率一直是相关领域的研究热点和难点。国内外的相关研究主要采用激波、流向涡等被动控制方法对燃烧室凹腔内流场进行调控，这些方法虽简易有效，但不可避免地带来了更大的阻力和总压损失。为有效解决这一难题，中山大学田立丰团队采用高频电弧等离子体，对来流马赫2.5的燃烧室凹腔剪切层和激波进行主动控制，并采用高速纹影技术研究了流场的非定常特性和响应特征。相关成果《Experimental investigation on the effect of high-frequency discharge on the unsteady characteristics of cavity flow》发表在航空航天领域顶刊 Aerospace Science and Technology 上，博士研究生王澳为论文第一作者，田立丰为论文通讯作者。
研究团队采用高频电弧等离子体激励器，在 5、10、15 和 20kHz 四种放电频率下开展实验，借助50kHz 采样频率的时间分辨纹影成像技术，对有无激励的凹腔流场进行诊断，并结合数据统计分析方法（Rms、POD、FFT）解析实验数据。
瞬时纹影图像序列和基于纹影图像数据集的Rms结果表明，高频放电对剪切层和激波展现出不同的控制效果与机制：一方面，高频放电通过改变速度剖面使剪切层脉动厚度增加，在 20kHz 放电时凹腔中部的剪切层脉动厚度增幅最高达 40%，腔体内部压力也随之实现 3.1% 的最大提升；另一方面，激励器产生的热气泡使流场当地温度提升，从而导致流道内激波强度和脉动的减弱。由于平均功率和放电频率的正相关，随着放电频率的增大，对流场的时均和脉动特征调控效果也更明显。
此外，对数据集的POD分析结果表明，等离子体能量沉积显著改变了凹腔流场非定常模态的能量分布，促进了剪切层K-H不稳定性和涡量的提升，并且由于高频放电的强迫，非定常模态的主导频率也被调控至放电频率。
最后，由快速傅里叶变换FFT得到了流场在不同放电频率下的空间频谱分布（提取频率=放电频率），揭示了流场不同结构对放电的响应特征。实验结果表明，剪切层和后缘激波分别在10 kHz和15 kHz时表现出最佳的响应能力。
相较于传统的被动控制策略，高频放电等离子体激励技术具有非侵入、响应快、工作频带宽的优势，能有效解决被动控制带来的额外阻力、总压损失等问题，同时可适配不同飞行工况的动态调节需求。该研究验证了高频放电对凹腔流动非定常特性的调控有效性，同时揭示了流场内部压力、非定常特征的调控规律和机制。
文案 | 王澳
排版 | 黄卓毅
初审 | 田立丰 张怀钦
审核 | 张锦绣 赵晓江
审核发布 | 罗愈业
