1 电子科技大学 资源与环境学院，成都 611731
2 上海空间推进研究所上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112
为了在高超声速飞行器减阻中达到更好的减阻效果，设计了一种电弧射流等离子体激励器。采用有限元法求解非线性多物理方程，对此电弧射流等离子体激励器的工作特性进行了数值模拟，得到了激励器内部的电势、压力、温度和速度分布，综合分析了进气口气体速度、放电电流、激励器管道半径对电势、压力、温度和速度分布的影响。获得了全面的影响规律，通过仿真结果还得到：电弧射流等离子体激励器可产生最高温度为8638 K、最高速度为655 m/s的等离子体射流。当电流20 A，进气速度0.5 m/s，管道半径2.5 mm时，所需功率最小；当电流20 A，入口气体流速5 m/s，管道半径2.5 mm时，出口处平均温度最高；当电流20 A，进口气体速度10 m/s，管道半径2.5 mm时，出口处平均速度最大。并对仿真得到的放电电压进行了实验验证，在等离子体参数相似的情况下，实验结果与仿真结果吻合较好。
减阻激励器 等离子体 电弧放电 数值模拟 等离子体炬 drag reduction actuator plasma arc discharge numerical simulation plasma torch 强激光与粒子束
2022, 34(6): 065003
航天工程大学 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416
为详细揭示纳秒单脉冲激光能量沉积激波减小波阻的机理，分别研究了单脉冲激光能量沉积与正激波相互作用、单脉冲激光能量沉积与弓形激波超声速流场相互作用。鉴于常用数值模拟方法不考虑空气的离解和电离，不能合理模拟激光能量沉积诱导等离子体热核的空间分布，采用泪滴形能量分布，且耦合有限速率化学反应模型，所得到的激波和热核演化过程的数值模拟结果与实验吻合程度高，验证了所提出模拟方法的合理性。分别选取马赫数为1.92条件下的正激波和弓形激波，入射激光能量大小为10.1 mJ和12 mJ，研究表明：单脉冲激光能量沉积诱导形成的等离子体热核通过正激波后，形成上下对称的涡环结构；在弓形激波条件下，在波后形成的低压涡环引起波阻减小，这是激波减阻的主要机理。
减阻 激波 纳秒脉冲 激光能量沉积 超声速 drag reduction shock wave nanosecond-pulse laser energy deposition supersonic 红外与激光工程
2021, 50(3): 20200253
清华大学材料学院激光材料加工研究中心, 北京 100084
减阻对于船舶运输有重要意义。采用超快激光在6061铝合金表面制备多种形状的微纳沟槽结构,研究了飞秒激光制备微纳结构工艺以及微U形沟槽结构表面的减阻性和耐蚀性。研究结果表明:调控超快激光加工参数与扫描路径可以快速制备出各种形状的微沟槽结构,其表面布满烧蚀产生的纳米颗粒,呈超亲水表面;与未经处理的表面相比,周期宽度分别为28 μm和50 μm、深度分别为20 μm和25 μm的两种微U形沟槽结构表面在水槽移动对比实验中的运动时间分别缩短了4.3%和11.6%,表明其水面阻力明显降低;将两种微U形结构表面进行低自由能修饰后形成超疏水表面,将这两种表面在3.5%NaCl溶液中进行耐蚀性测试,其表面腐蚀速率较超疏水处理前分别降低了87%和73%。超快激光制备的微纳结构具有较好的减阻性和耐蚀性,应用前景良好。
激光技术 超快激光 微纳结构 减阻 耐蚀性
航天工程大学 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 怀柔 101416
针对激光减阻中激光等离子体热核与正激波相互作用物理现象, 运用高精度纹影测量技术研究分析了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性, 获得了激光能量与激波速度两个关键因素的影响规律。实验结果表明: 在正激波的冲击下, 热核宽度呈先上升然后稳定并有减小的趋势, 入射激光能量越高, 热核在激波冲击下的宽度越大; 热核的长度在正激波冲击下迅速减小然后以固定的速度线性增长, 增长速度约为入射激波速度的19%。研究结论可为实际应用中有效增强减阻效果和延长持续时间提供依据, 相关方法和结果对激光等离子体主动流动控制研究也具有很好的参考价值。
激光减阻 等离子体热核 正激波 激光能量 纹影 laser induced drag reduction plasma hot core normal shock laser energy schlieren 红外与激光工程
2019, 48(4): 0406001
航天工程大学 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京101416
激光等离子体热核与正激波相互作用是复杂激光减阻科学问题中最基本的物理现象。建立了基于激波管和激光能量沉积的实验平台, 利用高精度纹影系统捕捉了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性。实验结果表明: 激光等离子体热核界面变形, 弯曲并最终形成双涡环结构, 展向尺寸迅速增大然后降低并逐渐稳定在7.7 mm左右, 流向尺寸先降低然后在激波离开热核之后以114.3 m/s的速度线性增长, 从微观层面进一步揭示了激光减阻机理, 对等离子体主动流动控制的相关研究具有很好的借鉴参考价值。
激光减阻 等离子体热核 正激波 纹影 演化 laser induced drag reduction plasma hot core normal shock schlieren evolution 红外与激光工程
2019, 48(3): 0306001
江苏大学 材料科学与工程学院,江苏 镇江 212013
通过化学气相沉积方法获得了具有良好超疏水特性的微纳跨尺度结构ZnO表面,其表面接触角为150.7°。扫描电镜(SEM)的测试结果表明,样品结构为ZnO微米柱阵列和在上面交织生长的高密度ZnO针状纳米线的复合结构。通过流变仪,采用分步流动模式对样品表面在不同的剪切速率和不同间距的情况下进行测量,得到了扭矩与剪切速率之间的关系。进一步选择覆盖硅烷的光滑Si表面作为对比样品,选用40％的甘油作为试验液体,当剪切速率接近20 s-1时,测试的表面滑移长度为46.8 μm。这表明微纳跨尺度结构的ZnO表面可有效增加流体减阻特性,有利于制备具有减阻效应的微器件。
微纳跨尺度结构 壁面减阻 滑移长度 micro-nano multi-scalestructures ZnO ZnO drag reduction slip length
天津大学精密仪器与光电子工程学院, 光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300072
报道了利用飞秒激光产生的等离子体冲击波对高超声速飞行的钝体飞行器进行减阻的研究。通过模拟计算了距离地球表面30 km、来流马赫数为5 的大气环境中，飞秒激光能量注入后产生的等离子体冲击波与钝体飞行器头部正激波相互耦合的演化过程，分析了飞秒激光等离子体减阻的机理。通过求解Navier-Stokes 方程，计算了飞秒激光能量对飞行器减阻效果的影响。结果发现，利用飞秒激光产生的等离子体冲击波比纳秒激光等离子体冲击波对飞行器的减阻效果更明显。当飞秒激光能量为0.06 mJ时，能使飞行器所受的阻力减小98%，飞秒激光能量越高，减阻比越高，低阻力持续的时间越长，减阻效果越好。采用3 个飞秒激光能量点源沉积的方式能够更好地实现飞行器的减阻，提高了最佳减阻比，节省了激光能量。
光电子学 飞秒激光等离子体 Navier-Stokes方程 减阻 高超声速飞行器
采用数值模拟的方法研究了激光重复频率、点火位置及来流马赫数等参数对激光能量沉积减小超声速钝头体波阻的影响。数值模拟结果表明, 由于激光能量的沉积产生的低密度区与弓形激波相互作用, 在钝头体前形成了类似虚拟尖锥的回流区, 使原弓形激波逐渐向阻力较小的斜激波转变。阻力随着频率的增加而减小, 当频率增加到200 kHz时, 阻力减小到约为原来的17%, 能量效率的最大值出现在频率为50 kHz处。说明控制参数的选择对减阻性能起着关键的作用。
激光物理 超声速流动 减阻技术 数值模拟 高重复频率激光 laser physics supersonic flow drag reduction technology numerical simulation high repetition laser
1 装备指挥技术学院 研究生院， 北京 101416
2 装备指挥技术学院 基础部， 北京 101416
利用激光等离子体减小高超声速飞行器波阻是一种新概念减阻方式，点火位置是研究减阻效能的重要参数。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨力数值方法， 在气流马赫数为6.5、飞行高度为30 km条件下，计算了不同点火位置对减小高超声速飞行器波阻的影响。研究结果表明：利用激光等离子体可以有效地减小高超声速钝头体飞行器波阻；点火位置到驻点的距离与飞行器直径之比为2时，减阻效果最好，且数值模拟与理论计算结果吻合较好。
减阻 点火位置 激光等离子体 波阻 高超声速飞行器 drag reduction ignition location laser plasma wave drag hypersonic vehicle
