等离子体流动控制是一种新型的主动流动控制技术,其将电场的能量转化为边界层气体分子的动量或热量,从而实现抑制流动分离,减小湍流边界层阻力,控制激波附面层干扰等流动控制目的。相比与其他传统的流动控制方式,等离子体具有瞬时相应、可适用性强,作用方式多样等特点,这使其成为了空气动力学领域的一个创新研究方向。为探究等离子体激励的流动机制以及其对流体气动特性的控制作用,本文分别对等离子体诱导流场的速度场、压力场、密度场进行了深入研究,发展了基于静电力场的等离子体气动激励数值仿真模型,建立了等离子体激励的体积力计算方法。针对等离子体激励对流体气动性能的改善,重点研究了其对湍流边界层减阻和高速流动下抑制分离的作用和控制机理。本文的研究内容和创新点主要包括以下六个方面:1.采用高速PIV系统和技术,对静止大气下平板模型的介质阻挡放电等离子体激励诱导流场结构进行了测量和分析,研究了等离子体定常连续和非定常脉冲放电对静止流场的诱导机理。基于速度场的测量结果计算获得等离子体诱导体积力分布。研究了不同峰峰电压、不同载波频率下诱导流场的结构,优化了等离子体控制电参数,建立了等离子体激励的数学模型。对于占空循环的脉冲放电方式,研究分析了不同占空比、不同放电频率下诱导流场涡结构和涡运动的演化规律。2.开展了等离子体诱导流场的压力场研究,设计发明了一种用于等离子体诱导流场的微小压力测量系统及测量方法,解决了静止大气下等离子体激励器诱导流场压力梯变化微小,测量困难的技术难题。同时利用计算得到的压力场分布与实验结果进行了比较,验证了测量结果的可靠性。在研究压力项对等离子体激励器诱导流场体积力的影响中,将实验测量得到的压力场数据作为源项代入Navier-Stokes方程计算体积力分布,通过比较忽略压力项的体积力与包含压力项的体积力,研究发现压力项在等离子体激励的体积力计算中具有至关重要的作用,是计算体积力分布的关键变量。3.通过高速纹影技术,研究了静止大气下等离子体气动激励近壁区密度场的时序特征和空间结构。实验结果表明,诱导涡的启动、发展直至耗散是一个非定常的演化过程。脉冲放电模式下,流动以周期性诱导涡的方式传播;连续放电模式下,流动呈射流形成的湍流结构。同时峰峰电压和占空比是影响诱导涡起始位置和最大速度的关键参数,随着占空比和电压的增加,诱导涡的最大速度升高,起始位置推后。同时,诱导涡的生成频率与脉冲放电频率同步,脉冲放电导致的速度阶跃变化是形成诱导涡的成因,激励器放电和空置的间歇时间决定了诱导涡的空间结构和演化形式。4.建立和发展了基于唯象学仿真法和基于静电力场体积力模型的耦合求解方法。通过求解等离子体的电势方程和电荷密度方程,将等离子体激励效果作为体积力源项引入流动控制方程中,实现了非定常等离子体流动控制的数值模拟。根据该体积力模型,对DBD等离子体激励诱导的平板壁面射流和翼型绕流进行了仿真计算,并与实验结果进行对比,验证了体积力计算模型的可靠性。结果表明,非定常激励产生的诱导涡相比定常激励产生的射流更容易使分离流动再附着,且脉冲频率越大,其对翼型的增升减阻、分离控制的作用越明显。5.在低速风洞实验中应用等离子体流动控制技术,研究了其在湍流边界层减阻的作用。设计并加工了一套适用于后台阶低速风洞的光滑平板模型,模型上布置了双向放电的DBD等离子体激励器。采用恒温热线风速仪测量得到湍流边界层的速度分布,并基于Spalding公式拟合了湍流边界层的摩擦速度,定量计算了壁面的摩擦阻力。比较有、无等离子体激励的速度分布,发现施加等离子体激励时,在激励器下游两个测量位置均发生速度亏损,湍流边界层减阻4%～8%,表明DBD等离子体激励可以有效减小湍流边界层内的摩擦阻力。同时,逆向放电激励引起的减阻效果略优于正向放电激励引起的减阻效果。6.通过对全钢制翼型模型采用聚酰亚胺膜绝缘技术、高压导线多层电磁屏蔽技术等,探索出了一套等离子体流动控制在全钢制高速风洞中的实验方法。针对不同来流马赫数、不同流动边界层类型、不同等离子体电参数、不同控制电源,研究了等离子体流动控制在高速翼型绕流实验中的作用特性,深入分析了实验测量结果及其控制机理。实验结果表明在亚声速流动区域,等离子体激励可以增加翼型升力,减小翼型阻力,推迟翼型的失速迎角及阻力发散迎角,实现对绕翼型流动分离现象的有效控制。