利用等離子體控制飛行器表面流場、改善動力系統(tǒng)點火與燃燒性能已經(jīng)有比較長的歷史，即使對于近年來的研究熱點-表面介質(zhì)阻擋放電等離子體流動控制而言，從其提出到現(xiàn)在也已過去20多年，但一直難以獲得突破性進展，這與等離子體、流動、燃燒三者的復(fù)雜性有密切關(guān)系，具有明顯的多場耦合、多學科交叉特點，給仿真、實驗帶來很大的挑戰(zhàn)。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，等離子體流動控制、點火助燃也將迎來新的發(fā)展機遇，作者對十余年來的工作進行總結(jié)，希望能夠拋磚引玉，促進我國在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

本書分為等離子體流動控制、點火助燃兩個方面。首先，采用雙流體模型、三流體模型以及帶磁場的流體模型對表面介質(zhì)阻擋放電進行了數(shù)值模擬，從等離子體流動控制的源頭，也就是等離子體本身出發(fā)，分析并解釋了等離子體控制流動的一些機理：驗證了Enloe等人提出的等離子體體積力“推-拉”機制，并將其進一步區(qū)分為時間和空間兩個維度的“推-拉”機制；證明了Roth教授提出的“離子捕獲”機制，并在此基礎(chǔ)上提出對于高壓交流激勵的等離子體來說，其最終產(chǎn)生單向體積力的原因在于“正離子被捕獲，而電場不對稱”；不過當有負離子產(chǎn)生時，情況就有所不同，負離子在整個放電周期內(nèi)發(fā)生很大變化，并不符合“捕獲”機制，此時產(chǎn)生單向體積力的機制還有待進一步討論，負離子的動量傳遞效率比正離子高得多，這一點提示我們在設(shè)計激勵波形時需要重點考慮負離子；磁場對放電過程并沒有造成明顯的有利影響；納秒脈沖放電時會產(chǎn)生“虛擬陽極”。進一步分析了激勵器結(jié)構(gòu)參數(shù)、電源參數(shù)對放電的影響，獲得了一些有價值的結(jié)論。

總的來說，采用流體力學模型計算表面介質(zhì)阻擋放電具有較高的理論價值，值得大家進一步發(fā)展、應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，將等離子體體積力進行時間平均后作為空氣動力學控制方程的源項進一步計算，分析空氣對等離子體的響應(yīng)，表明納秒脈沖放電等離子體在地面時表現(xiàn)為“點爆炸”，而在臨近空間則表現(xiàn)為“面爆炸”，等離子體激勵器必須安裝在接近或位于翼型流動的起始分離區(qū)。上述這種先進行等離子體放電計算，再將等離子體體積力作為源項進行空氣動力學計算的方法，被稱為松耦合模擬方法。

其次，介紹了等離子體流動控制唯像學模擬的常用模型。唯像學模擬的優(yōu)勢在于計算成本低，它不考慮放電過程，只假設(shè)或者采用某種近似方法獲得等離子體產(chǎn)生的體積力、熱功率，然后同樣將其作為空氣動力學控制方程的源項進行計算，其關(guān)注對象為空氣對等離子體的響應(yīng)，主要研究流動控制的空氣動力學機理。在本書中，首先介紹了用于交流激勵表面介質(zhì)阻擋放電等離子體體積力模擬的兩種模型：電荷密度均勻分布模型、基于德拜長度的電荷密度模型，后者是當前唯像學仿真的主要方法，我們使用該方法研究了等離子體對臨近空間螺旋槳表面流場的控制作用，探討了等離子體的作用機理。然后介紹了用于模擬電弧放電熱效應(yīng)的爆炸絲傳熱模型，驗證發(fā)現(xiàn)等離子體僅能將約10%的熱能傳遞給周圍空氣。第三，介紹了用于納秒脈沖激勵表面介質(zhì)阻擋放電的兩類唯像學模型：溫度/壓力均勻分布模型、高斯溫度分布模型，驗證結(jié)果表明采用點源 面源的溫度/壓力模型進行模擬比較合適，高斯溫度分布模型則比較簡單，準確性也比較好，在我們的研究中也得到了較為廣泛的應(yīng)用。最后，簡單介紹了集總參數(shù)模型，該模型應(yīng)用很少，大家可以不考慮。

第三部分介紹了我們開展的一些等離子體流動控制實驗研究工作。由于等離子體產(chǎn)生的誘導(dǎo)射流速度較低，控制高速、高雷諾數(shù)流動的能力嚴重不足，我們將研究對象確定為臨近空間飛行器。臨近空間是指距離地面20-100千米的空域，該空域的空氣密度非常低，因此對于平流層飛艇、高高空無人機這類大型飛行器來說，其仍屬于低雷諾數(shù)飛行器范疇，等離子體具有非常好的控制效果。大家知道，氣體壓力是影響放電的關(guān)鍵因素，而臨近空間與地面的空氣壓力有很大差別，那么在地面環(huán)境中研究臨近空間等離子體流動控制首先必須解決的一個問題就是等離子體的相似準則，我們分別從空氣動力學的動量方程、能量方程出發(fā)，采取一些必要的簡化假設(shè)后，通過理論推導(dǎo)方法獲得了等離子體體積力、熱功率的相似準則。當然，由于進行了簡化，這些相似準則還需要進一步修正來加以完善。

利用這些相似準則，我們提出了在地面風洞中開展臨近空間飛行器翼型、螺旋槳等離子體流動控制的實驗方法，其核心在于尋找一個模擬等離子體激勵器，該激勵器在特定激勵條件下與臨近空間真實激勵器產(chǎn)生的誘導(dǎo)射流滿足相似參數(shù)相等；其難點在于如何測量臨近空間真實激勵器產(chǎn)生的誘導(dǎo)射流，為此，我們開展了大量探索性實驗，最終選擇“示蹤粒子沉積在真空艙壁面，氣體高速沖擊攜帶”的方法實現(xiàn)了示蹤粒子的播撒，完成了誘導(dǎo)射流的激光粒子圖像測速。利用該技術(shù)，我們獲得了1.0 kPa下（空氣密度接近32千米高空大氣）的等離子體誘導(dǎo)射流，同時也發(fā)現(xiàn)隨著氣壓變化，等離子體誘導(dǎo)射流結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，比如高壓交流激勵時具有壁面切向射流、復(fù)合流場、渦形流場三類。在獲得臨近空間等離子體誘導(dǎo)射流特征后，開展了臨近空間低雷諾數(shù)翼型、螺旋槳的等離子體流動控制實驗，結(jié)果表明當翼型攻角大于6°時，升力系數(shù)增大27％～43％；螺旋槳推力增大6.5％～11％。等離子體流動控制技術(shù)在臨近空間低速飛行器上具有很好的應(yīng)用前景。

最后，介紹了我們在等離子體點火與輔助燃燒方面做的一些仿真研究工作。一是采用唯像學方法研究了等離子體對超燃沖壓發(fā)動機中燃料噴流、凹腔流場的控制效果，發(fā)現(xiàn)在燃燒流場中，等離子體向下游燃料射流傳遞熱量，進而改變了整個流場溫度分布；等離子體雖然顯著提高了燃燒效率，但同時增大了燃燒室總壓損失，還需要進一步優(yōu)化激勵參數(shù)，以獲得較高的燃燒效率與盡可能高的總壓恢復(fù)系數(shù)；等離子體能預(yù)熱凹腔，使得凹腔阻力和質(zhì)量交換率增大，并且增加激勵器數(shù)目、采用脈沖控制方式會提高控制效果。二是采用松耦合方法唯像學模型相結(jié)合的方法研究了等離子體輔助爆震發(fā)動機點火起爆，目的是縮短起爆距離；松耦合方法用于研究等離子體活性基團的助燃作用，唯像學模型用于研究等離子體點火性能；與等離子體流動控制松耦合模擬方法類似，這里的松耦合模擬方法同樣先采用流體力學模型計算混合氣中等離子體放電過程，獲得相關(guān)組分的時空分布特性，然后將其作為爆震發(fā)動機燃燒控制方程的初始條件進行計算，從而獲得不同活性基團對起爆、燃燒過程的影響；唯像學模型是對等離子體熱效應(yīng)的數(shù)學建模，與等離子體流動控制的唯像學模型基本相同；這項研究中，重難點在于多組分、多步反應(yīng)的等離子體放電過程計算，方程組剛性較強，需要慎重選擇反應(yīng)種類以及計算格式；計算結(jié)果表明等離子體可以縮短起爆距離11.6%，還有待進一步改進。

本書是由車學科、聶萬勝、周思引、程鈺鋒、馮偉、李國強共同完成。車學科博士在2007年首先開始等離子體流動控制技術(shù)研究，條件所限，主要開展仿真研究，開發(fā)了多個表面介質(zhì)阻擋放電以及氫氣/氧氣混合氣多組分介質(zhì)阻擋放電計算程序，并帶領(lǐng)研究生攻克了臨近空間等離子體流動控制的多項實驗技術(shù)，目前已經(jīng)授權(quán)相關(guān)國防、國家專利9項。聶萬勝教授是我們團隊的學術(shù)帶頭人，原總裝“雙百計劃”科技領(lǐng)軍人才培養(yǎng)對象，國防973項目技術(shù)首席，總裝教學名師，航天運載技術(shù)專業(yè)組專家，長期圍繞航空宇航推進與先進流動控制方向開展教學與科研工作。程鈺鋒和馮偉分別是之后培養(yǎng)的唯一一名博士和第一名碩士，前者獲得航天工程大學優(yōu)秀博士論文，后者獲得全軍優(yōu)秀碩士論文（2013年），此后李國強和周思引分別在2015、2016年獲得全軍優(yōu)秀碩士論文，為本書出版做出大量工作的陳慶亞則在2017年獲得全軍優(yōu)秀碩士論文，這些優(yōu)秀畢業(yè)生都是我們團隊的驕傲！

本書的研究工作得到了國家自然科學基金、863、高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室開放基金等項目的支持，田學敏、陳慶亞、姜家文、張立志等研究生也付出了大量心血，中國科學院電工所邵濤博士對本書的出版給予了大力支持，電工所章程博士和山東大學張遠濤博士審閱了本書并提出了許多重要的修改意見，最后本書的出版得到了“2110”工程的資助，在此一并給予衷心的感謝！

原文來源：www.iwuchen.com