基于高溫氣體效應(yīng)的磁流體流動控制研究進(jìn)展1)

羅 凱 汪 球 李逸翔 李進(jìn)平 趙 偉

*(中國科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

?(中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

引言

磁流體動力學(xué)(magnetohydrodynamic,MHD) 是一門結(jié)合經(jīng)典流體力學(xué)和電動力學(xué),研究導(dǎo)電流體在電磁場中運(yùn)動規(guī)律及其相互作用的學(xué)科,李益文等[1]對其在航空工程中的應(yīng)用方式進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié),包括磁流體沖壓組合發(fā)動機(jī)、磁流體渦輪組合發(fā)動機(jī)、燃燒室后磁流體發(fā)電、磁流體加速風(fēng)洞、進(jìn)氣道大尺寸磁流體流動控制、邊界層分離流動控制、邊界層轉(zhuǎn)捩控制、飛行器頭部熱流控制等方面,這足見其廣泛的應(yīng)用前景;另外,理論分析和數(shù)值模擬等研究工作也證明了磁流體技術(shù)在高超聲速飛行器及其動力裝置上應(yīng)用的可行性及優(yōu)越性,相關(guān)的原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)研究也取得了快速進(jìn)展[2-3],但受磁流體技術(shù)的復(fù)雜性及相關(guān)技術(shù)因素的制約,總體來說其研究尚處于探索研究階段,還有大量的基礎(chǔ)問題有待研究解決.我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020 年)》也將高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)、磁流體及等離子體動力學(xué)列為“面向國家重大戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究”中的航空航天重大力學(xué)問題之一.

磁流體技術(shù)的應(yīng)用,一個(gè)前提是需要高強(qiáng)磁鐵,當(dāng)前,超導(dǎo)磁體以其能夠承受高電流密度而能夠提供高場強(qiáng)、高均勻度或高梯度的磁場條件而被廣泛應(yīng)用;另外一個(gè)重要的前提條件是流體必須具有一定的電導(dǎo)率,也就是需使流體電離產(chǎn)生一定濃度的等離子體.國內(nèi)外常用的有兩種方式實(shí)現(xiàn)氣體電離,一是平衡電離,氣體的溫度較高時(shí),在氣體中加入堿金屬類物質(zhì),利用堿金屬電離電位較低的特點(diǎn),在相對較低的溫度下獲得部分電離氣體;二是非平衡電離,在氣體溫度較低時(shí),采用外部電離技術(shù)使氣體電離,包括電極放電、微波放電、高能電子束、直接能量注入等.這兩種方法采用額外的技術(shù)使得氣體電離,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性.

高超聲速飛行器高速飛行時(shí),頭部弓形激波后會由于激波壓縮和黏性阻滯減速而產(chǎn)生高溫,其溫度高達(dá)幾千甚至上萬攝氏度,高溫氣體發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致分子振動激發(fā)、離解甚至電離,引起所謂的高溫真實(shí)氣體效應(yīng),如航天飛機(jī)、太空飛船、火星或其他星際探測器、以及近幾年來較為熱門的再入滑翔飛行器等都存在這一流動現(xiàn)象.對于包含高溫真實(shí)氣體效應(yīng)的高超聲速飛行,激波后的高溫氣體即形成了弱導(dǎo)電性的等離子體流場,電離氣體為磁場的應(yīng)用也提供了直接的“工作”環(huán)境.磁流體控制技術(shù)早在20 世紀(jì)50 年代即被提出[4-5],郭永懷[6]也直接指出,當(dāng)飛行器在20 km 高空,飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)15 時(shí),空氣便是很好的導(dǎo)體,此時(shí)便可以利用電場與磁場進(jìn)行流動控制.俄羅斯提出的AJAX概念[7]就是基于等離子流動和MHD 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)有利于飛行器的流動控制,其自1992 年公開以來,引起了世界各國的廣泛關(guān)注;張義寧等[8-9]在2011 年也提出了帶有磁流體能量旁路的爆震發(fā)動機(jī),并開展了相關(guān)概念原理研究,倘若這些概念應(yīng)用于實(shí)際,將是對高超聲速飛行器流動控制技術(shù)的一次革命性提高.

近年來,隨著超導(dǎo)材料及電磁技術(shù)的發(fā)展,磁場流動控制技術(shù)進(jìn)一步受到科技大國的重視,而新一輪的高超聲速技術(shù)也對飛行器在“極端”環(huán)境和“極端”動力條件下的飛行提出了新的挑戰(zhàn),它面臨降熱、減阻、控制等一系列的難題,磁控?zé)岱雷o(hù)技術(shù)作為熱防護(hù)領(lǐng)域的新應(yīng)用,受到了較多的關(guān)注,通過磁場生成的洛倫茲力將激波推出遠(yuǎn)離物面,使邊界層內(nèi)流體減速、溫度梯度降低,從而降低壁面熱流及熱防護(hù)設(shè)計(jì)難度;同時(shí),磁流體流動控制技術(shù)還具有沒有運(yùn)動部件、響應(yīng)時(shí)間短且激勵頻帶寬等優(yōu)點(diǎn).“磁阻力傘”概念則是通過磁場增大飛行器阻力,使得飛行器在還未遭受到比較嚴(yán)重的氣動熱問題時(shí)就開始大幅減速,其對于再入/進(jìn)入問題時(shí)的減速制動非常有吸引力,尤其是對于密度相對稀薄的火星進(jìn)入[10].除此之外,高超聲速磁場流動控制在“電磁窗口”減弱“黑障”、“電磁舵面”飛行姿態(tài)控制、磁流體發(fā)電等領(lǐng)域均有誘人的應(yīng)用前景[11-12].

本文主要介紹了基于高溫真實(shí)氣體效應(yīng)的磁流體流動控制技術(shù)研究,主要包括磁流體流動控制的試驗(yàn)技術(shù)、數(shù)值模擬方法以及流動控制的規(guī)律和機(jī)理等,綜述了國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,分析了其研究過程中的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題,并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論和展望.另外,雖然數(shù)值模擬在磁流體流動控制研究方面也發(fā)揮了重要的貢獻(xiàn),但其詳細(xì)的研究仍然有限,且數(shù)值模擬亟待實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證,因此,本文的調(diào)研工作偏重于實(shí)驗(yàn)方面的進(jìn)展.

1 高超聲速磁流體流動控制基本原理

高速飛行狀態(tài)下的飛行器頭部前緣激波后區(qū)域溫度可達(dá)幾千甚至上萬攝氏度,隨著氣體溫度的升高,氣體組分將會發(fā)生劇烈的變化.以空氣為例,如圖1 所示,在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,溫度達(dá)到2000 K 左右時(shí),氧氣開始解離;達(dá)到4000 K 左右時(shí),氧分子全部解離,此溫度下,氮?dú)忾_始解離;到9000 K 時(shí)氮分子完全離解;在9000 K 以上,氣體出現(xiàn)電離產(chǎn)生電子和離子,氣體變?yōu)椴糠蛛婋x的等離子體[13].在電離流場中再施加強(qiáng)磁場,通過產(chǎn)生的洛倫茲力來控制強(qiáng)激波后離子和電子的運(yùn)動,氣動力與電磁力的共同作用使飛行器的氣動性能發(fā)生變化,這就是高超聲速磁場流動控制技術(shù)的基本思路,其示意圖如圖2所示[14],磁控系統(tǒng)可布置于模型內(nèi)部,具有不改變飛行器外部結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢.

圖1 一個(gè)大氣壓下空氣分子振動激發(fā)、離解和電離的溫度劃分[13]Fig.1 Ranges of vibrational excitation,dissociation,and ionization for air at 1 atmosphere pressure[13]

圖2 磁場添加后的高速繞流及洛倫茲力示意圖[14]Fig.2 Flow around re-entry vehicle with an applied magnetic field and the resulting Lorentz force[14]

在磁場作用下的流場內(nèi),流體微團(tuán)受到的電磁力可表示為

其中,E為電場強(qiáng)度,ρe為電荷的體積密度,V為流體微團(tuán)的運(yùn)動速度,B為流場內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,電流密度J=ρeV.在磁流體力學(xué)近似下[15],比較式(1)中右側(cè)兩項(xiàng),可得到即電磁項(xiàng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磁場項(xiàng),因此電磁力可近似為Fe=J×B.

對于磁控效果,一般以電磁力與流體微團(tuán)的慣性力之比的無量綱參數(shù)(磁流體作用系數(shù))Q作為關(guān)鍵參數(shù),有

其中,σ 為流場電導(dǎo)率,L為模型特征尺度,ρ∞和V∞分別為來流的密度和速度.在Q＞1 時(shí),磁控效果較為明顯,可通過增大磁場強(qiáng)度或提高流體電導(dǎo)率等方法來實(shí)現(xiàn).在有限導(dǎo)電率的等離子體內(nèi),電導(dǎo)率分布、飛行器尺度、磁場環(huán)境(磁場分布形式、磁感應(yīng)強(qiáng)度等) 以及飛行條件(飛行速度、氣流密度等) 等都是影響磁控效果的因素.

磁雷諾數(shù)的定義如式(4)所示,其可表征磁對流項(xiàng)和磁擴(kuò)散項(xiàng)的相對關(guān)系

其中,μe為真空磁導(dǎo)率.在高超聲速空氣流場中,大多數(shù)情況下的電導(dǎo)率非常低,磁擴(kuò)散率較大,磁雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于1,此時(shí)感應(yīng)磁場將被迅速擴(kuò)散,外加磁場起主導(dǎo)作用,可以忽略誘導(dǎo)磁場作用.

2 研究現(xiàn)狀

2.1 高超聲速磁場流動控制的試驗(yàn)技術(shù)

磁流體力學(xué)的研究最早可追溯到1832 年,法拉第針對磁流體力學(xué)做了一些實(shí)驗(yàn)與理論研究,但直到20 世紀(jì)40 年代Alfven 波的發(fā)現(xiàn),才標(biāo)志著這門學(xué)科的建立[15].在磁流體流動控制研究的初期,基于實(shí)驗(yàn)條件與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬發(fā)展的限制,研究者主要針對簡單外形(平板以及鈍頭)進(jìn)行一些理論分析[16-18],這些結(jié)果為后期的試驗(yàn)與數(shù)值模擬提供了一定的理論指導(dǎo).另外,近年來雖然MHD 數(shù)值模擬方面也愈來愈豐富,但MHD 涉及多種復(fù)雜物理現(xiàn)象,即便是用全MHD 方法計(jì)算也需要基于一些假設(shè),數(shù)值模擬亟待可靠的磁流體流動控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來對計(jì)算方法及結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn),因此,本文的調(diào)研工作更多地偏重于實(shí)驗(yàn)方面的進(jìn)展,包括試驗(yàn)系統(tǒng)以及測試技術(shù)等.

2.1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

隨著高超聲速地面設(shè)備模擬能力及電磁技術(shù)的發(fā)展,較多學(xué)者考慮通過地面實(shí)驗(yàn)來研究磁場流動控制的效果及規(guī)律,而開展高超聲速磁流體流動控制的地面試驗(yàn)研究,一個(gè)前提是高強(qiáng)磁鐵的添加;另外一個(gè)重要的前提條件是高超聲速流體必須具有一定的電導(dǎo)率,基于這一條件對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求,能被用于磁流動控制實(shí)驗(yàn)研究的設(shè)備有限,主要包括電磁激波管[19]、等離子體風(fēng)洞[20]、高焓膨脹管/膨脹風(fēng)洞[21]以及激波風(fēng)洞[22-24]等;實(shí)驗(yàn)常采用氬氣作為實(shí)驗(yàn)氣體,也有部分學(xué)者嘗試在氣體中添加電離種子(堿金屬或堿金屬的化合物)[22]或外部電離(電極放電、高能電子束等)[2-3,25-26]來滿足流場中的電導(dǎo)率.

本文著重調(diào)研了在能直接模擬高溫真實(shí)氣體效應(yīng)的高焓氣動設(shè)備上開展的磁流體流動控制研究進(jìn)展,表1 給出了這一類設(shè)備上典型的試驗(yàn)研究工作,大部分工作集中在電弧風(fēng)洞,氣流具有較高的電離度,磁控效果相對明顯,但電弧風(fēng)洞的自由來流即具有較高的電離度,空間磁場不僅作用于激波加熱后的高溫導(dǎo)電氣流,也作用于激波前的帶電粒子,這和真實(shí)飛行條件下的磁場流動控制存在一定的差異;激波風(fēng)洞和膨脹管的自由來流電離度相對較低,這和真實(shí)飛行的磁控方式類似,但低的來流電離度就對設(shè)備的模擬速度和磁場強(qiáng)度提出了更高的要求,如HEG高焓風(fēng)洞上模擬的空氣來流速度為5.9 km/s,其添加的磁場強(qiáng)度達(dá)到了4.5 T[24];膨脹管/膨脹風(fēng)洞上對于0.6～0.795 T 的磁場強(qiáng)度,它則將空氣或易電離的氬氣模擬速度分別提高到了9 km/s 和5.7 km/s[20,27].因此,世界上能開展基于高溫真實(shí)氣體效應(yīng)的磁流體流動控制試驗(yàn)研究的設(shè)備實(shí)際上非常有限,除表1中的設(shè)備外,典型的能模擬高溫氣體效應(yīng)的設(shè)備還有日本的HIEST[28]、美國的T5 激波風(fēng)洞[29]以及國內(nèi)的JF10 爆轟驅(qū)動高焓激波風(fēng)洞[30-31]和JF16 膨脹風(fēng)洞[32-33]等.

表1 高焓氣動設(shè)備上開展的磁流體流動控制代表性試驗(yàn)研究Table 1 Summary of the typical MHD flow control tests in high enthalpy ground facilities

磁場條件是實(shí)現(xiàn)MHD 流動控制的重要因素之一,由式(3)可知,模型外的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,對流場內(nèi)等離子體的電導(dǎo)率要求可以相對降低,對地面設(shè)備的要求也會隨之降低,而隨著超導(dǎo)材料及電磁技術(shù)的發(fā)展,磁場基本能夠滿足磁流體流動控制的地面試驗(yàn)要求.

目前,廣泛用于試驗(yàn)中的磁場發(fā)生設(shè)備包括永磁體、脈沖強(qiáng)磁體設(shè)備以及螺線管電磁場設(shè)備.其中,永磁體設(shè)備相對簡單,但受限于材料以及相關(guān)的聚磁加工技術(shù),目前可達(dá)到的磁場強(qiáng)度一般不超過1 T,但其尺寸及外形相對較為靈活,如X2 膨脹風(fēng)洞中采用和球頭模型配合的球形永磁鐵[34],Takizawa 等[35]采用的則是柱形永磁體,如圖3 所示;螺線管電磁鐵通過組合設(shè)計(jì)也可產(chǎn)生接近于偶極子形式的磁場分布,Gülhan 等[36]的試驗(yàn)采用的即是電磁鐵結(jié)構(gòu),如圖4 所示,其能夠產(chǎn)生幾個(gè)特斯拉量級的磁感應(yīng)強(qiáng)度,該類磁場產(chǎn)生設(shè)備可長時(shí)間工作,適用范圍相對較寬,被廣泛應(yīng)用于可長時(shí)間工作的等離子體風(fēng)洞內(nèi),但其本身對電源設(shè)備的要求以及散熱等問題也需要考慮.脈沖強(qiáng)磁場的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更高的磁場強(qiáng)度,目前國內(nèi)外已經(jīng)較為成熟,其峰值強(qiáng)度可達(dá)到百特斯拉量級[37-39],工作時(shí)間一般為毫秒量級,能夠與試驗(yàn)時(shí)間較短的脈沖設(shè)備匹配使用,HEG 風(fēng)洞[24]即采用脈沖磁場發(fā)生設(shè)備進(jìn)行磁流體流動控制試驗(yàn).總之,當(dāng)前的電磁技術(shù)基本能夠滿足高超聲速磁場流動控制地面試驗(yàn)的要求,可結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件,選擇合適的磁場發(fā)生設(shè)備;當(dāng)然,在實(shí)現(xiàn)更高磁場強(qiáng)度的同時(shí),磁體系統(tǒng)的尺寸、冷卻等問題的突破/優(yōu)化是高超聲速M(fèi)HD 流動研究的重要保障之一.

圖3 釹鐵硼永磁體模型:(a)球形磁體,最大表磁0.795 T[34];(b)柱形磁鐵,最大表磁0.36 T[35]Fig.3 Model of NdFeB permanent magnet:(a)Spherical magnet,the maximum intensity of surface magnet is 0.795 T[34];(b)cylindrical magnet,the maximum intensity of surface magnet is 0.36 T[35]

圖4 文獻(xiàn)[36]采用的電磁體模型:(a)電磁鐵模型;(b)通電電流為1000 A 時(shí),駐點(diǎn)線磁場強(qiáng)度分布,最大表磁2.8 T;(c)通電電流為1000 A 時(shí),不同剖面上磁場強(qiáng)度Bx 沿徑向分布Fig.4 Electromagnet model used by Ref.[36]:(a)Cross section of the electromagnet model configurations;(b)measured axial profile of magnetic-induction axial component Bx at a coil current of 1000 A,the maximum intensity of surface magnet is 2.8 T;(c)measured radial profile of magnetic-induction axial component Bx at a coil current of 1000 A

2.1.2 試驗(yàn)測量

受限于高超聲速磁流動控制實(shí)驗(yàn)本身的難度及電磁環(huán)境的存在對測試技術(shù)的限制,可進(jìn)行測量的物理量有限,目前磁場流動控制效果的測量主要包括激波脫體距離、模型氣動力(阻力/磁阻力等)以及模型表面熱流.

(1)脫體激波距離的測量

磁場添加后對流動影響最直觀的體現(xiàn)是脫體激波距離或激波結(jié)構(gòu)的變化,作為一種非接觸測量手段,電磁場對于測量系統(tǒng)的影響相對較小,學(xué)者在多種設(shè)備中均通過光學(xué)方法觀測到了磁場對脫體激波距離的影響.

Ziemer 和Bush[19,40]于1958 年首次在電磁激波管中驗(yàn)證了Bush[4]的理論分析,其試驗(yàn)氣流速度最高為12 km/s,模型駐點(diǎn)溫度最高可達(dá)25 000 K,其結(jié)果表明隨著磁相互作用參數(shù)Q增大,弓形激波脫體距離隨之增大,當(dāng)Q=69 時(shí),其脫體距離是無磁場時(shí)的7.5 倍,如圖5 所示.

圖5 1958 年,Ziemer 和Bush[19] 在電磁激波管中驗(yàn)證磁流體流動控制激波脫體距離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,球頭直徑20 mm,氣流速度6890 m/sFig.5 Typical picture of shock stand-offdistance with and without applied magnetic field in an electromagnetic shock tube,by Ziemer and Bush in 1958[19].Diameter of the sphere is 20 mm and velocity of the free stream is 6890 m/s

2017 年,Schramm 和Hannemann[24]首次在自由活塞高焓激波風(fēng)洞HEG 中開展了磁場流動控制的實(shí)驗(yàn),自由來流速度為5.9 km/s,實(shí)驗(yàn)氣體為空氣,激波后氣體溫度為9770 K.在流場施加脈沖磁場后通過光學(xué)手段發(fā)現(xiàn),磁場強(qiáng)度越大,其弓形激波脫體距離也越大,如圖6 所示,這是首次在高焓風(fēng)洞中利用空氣開展的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖6 2018 年,Schramm 和Hannemann[24] 在HEG 激波風(fēng)洞得到的紋影實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對比,實(shí)驗(yàn)氣體為空氣,球頭直徑160 mm,氣流速度5900 m/sFig.6 Comparison results of simulation and experimental data obtained with schlieren visualization,by Schramm and Hannemann at HEG in 2018[24].Diameter of the sphere is 160 mm and velocity of the free stream is 5900 m/s with air being the test gas

Queensland 大學(xué)的Gildfind 等[21]2018 年在X2膨脹風(fēng)洞中進(jìn)行磁流體流動控制實(shí)驗(yàn),部分結(jié)果如圖7 所示,實(shí)驗(yàn)氣體為氬氣,其在有限的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)(＜100 μs),也能夠發(fā)現(xiàn)明顯的激波脫體距離的變化.上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是少有的在激波風(fēng)洞或膨脹風(fēng)洞上開展的研究工作,他們直接利用設(shè)備產(chǎn)生高超聲速來流,強(qiáng)激波壓縮加熱產(chǎn)生磁場作用所需的電離氣體;但他們的研究工作也剛剛開始,部分現(xiàn)象還有待解釋并更系統(tǒng)地在這些設(shè)備中開展磁場流動控制的實(shí)驗(yàn)研究.

圖7 2019 年,Smith 等[21] 在X2 膨脹風(fēng)洞的激波脫體距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)氣體為氬氣,氣流速度5963 m/sFig.7 Comparison of shock stand-offdistance with/without the magnet in the X2 expansion shock tunnel by Smith et al[21] in 2019.The test gas is argon and velocity of the free stream is 5963 m/s

(2)模型氣動力/磁阻力的測量

高超聲速飛行器在高速飛行過程中,磁流體流動控制使飛行器除了受到傳統(tǒng)的氣動力的影響外,還會受到電磁場的額外作用,氣動力與電磁力的共同作用會使飛行器飛行過程中的氣動力特性發(fā)生變化.與激波脫體距離的研究類似,早期的磁阻力研究主要集中在理論計(jì)算方面,但理論方面的研究并沒有給出一個(gè)確切的結(jié)論,主要是針對不同的簡化模型,如流場的常值密度假設(shè)、有無黏性、是否考慮霍爾效應(yīng)等,其結(jié)論并不完全一致[4,46-47],所以磁流體流動控制對阻力的影響規(guī)律研究仍然處于摸索階段.

相比于氣動阻力,磁場產(chǎn)生的作用力較小,Smith等[21,44-45]在膨脹風(fēng)洞中分析的磁作用力即比氣動阻力小兩個(gè)量級,因此磁場作用力對測量系統(tǒng)要求較高,需要特殊設(shè)計(jì).目前磁作用力一般是和氣動力剝離開后單獨(dú)進(jìn)行測量,磁鐵和模型采用柔性連接,測量磁鐵系統(tǒng)受到的反作用力來推算磁鐵對流場的磁阻力,較為典型的測力系統(tǒng)及結(jié)果為東京大學(xué)Kawamura 等和昆士蘭大學(xué)Smith 等的研究工作.

2009 年,Kawamura 等[48]在電弧風(fēng)洞中產(chǎn)生弱電離超聲速氬氣氣流,將擺錘系統(tǒng)應(yīng)用于MHD 作用力測量,如圖8(a)所示,模型和磁鐵隔離,桿A下端與磁體連接,上端通過軸承與支撐結(jié)構(gòu)鉸接,利用平衡塊左右移動的方式來調(diào)節(jié)A的豎直方向,通過B桿位移與磁體所受水平方向力的關(guān)系曲線,進(jìn)而獲得磁體在電離流中受到的作用力,其結(jié)果如圖8(b) 所示,給出了不同磁場條件下的氣動力和洛倫茲力系數(shù);當(dāng)然,洛倫茲力隨磁場變化規(guī)律和數(shù)值模擬間的差異,作者還不能完全解釋,有待進(jìn)一步的分析.2012年,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了磁場方向?qū)ψ枇Φ挠绊懸?guī)律[49].

圖8 (a)2009 年,Kawamura 等[49] 在電弧風(fēng)洞中設(shè)計(jì)的磁阻力測量系統(tǒng);(b)實(shí)驗(yàn)條件下,氣動力與洛倫茲力隨磁場變化的數(shù)值模擬預(yù)測,試驗(yàn)氣體為氬氣Fig.8 (a)Schematic of drag force measurement setup in arc-jet tunnel by Kawamura et al[49] in 2009;(b)numerical prediction of aerodynamic and Lorentz force components under experimental conditions.The test gas is argon

昆士蘭大學(xué)Smith 等[21,44-45]在膨脹風(fēng)洞中探索了磁阻力測量實(shí)驗(yàn)技術(shù),驗(yàn)證并分析應(yīng)力波測力天平應(yīng)用存在的問題,并成功設(shè)計(jì)加速度計(jì)系統(tǒng)測量了典型的磁阻力結(jié)果,如圖9 所示,磁阻力為0.05～0.2 N,這也是學(xué)者首次在高焓膨脹風(fēng)洞中獲得磁場流動控制的磁阻力測量結(jié)果,其設(shè)備自由流電離度也較低.

圖9 Smith 等[21] 在膨脹風(fēng)洞中利用加速度計(jì)測量的磁阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)氣體為氬氣,最大表磁為0.43 TFig.9 Drag force measurements by using an accelerometer-based force balance in the X3 expansion tunnel by Smith et al[21].The test gas is argon,and the maximum intensity of the surface magnet is 0.43 T

(3)模型表面氣動熱的測量

磁控?zé)岱雷o(hù)技術(shù)作為磁流動控制在熱防護(hù)領(lǐng)域的新應(yīng)用,一直受到科技大國的重視.在實(shí)驗(yàn)方面,學(xué)者不斷開展磁場添加對壁面熱流的影響,但電磁場的存在對測量技術(shù)有一定的干擾,目前的進(jìn)展仍然有限.較為典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是2009 年Gülhan 等[36]首次采用了紅外熱相儀的方法來測量模型表面溫度和熱流,實(shí)驗(yàn)設(shè)備為L2K 電弧風(fēng)洞,實(shí)驗(yàn)氣體為氬氣,其通過試驗(yàn)方案的巧妙設(shè)計(jì),并選擇能夠有效避免電磁干擾影響的測量方法,獲得了較為直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖10 所示,在施加外磁場后,模型表面熱流環(huán)境得到了明顯的改善,其選擇的兩類模型熱流分別可降低46%和85%,但是紅外熱線儀的頻響有限,在脈沖設(shè)備中難以直接應(yīng)用,同時(shí),脈沖設(shè)備短測試時(shí)間內(nèi)模型溫升一般也有限.

圖10 2009,Gülhan 等[36] 在L2K 電弧風(fēng)洞中開展的磁流體流動控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果,平頭模型,電磁鐵強(qiáng)度可調(diào):(a)無磁場紅外圖像;(b)有磁場紅外圖像;(c)溫度與熱流結(jié)果Fig.10 MHD experimental results in the L2K arc-heat facility by Gülhan in 2009[36].The model has cylindrical geometry with a flat front surface.And the applied magnetic-induction field was produced by a direct electric current circulating in a coil and could be varied:(a)IR image without magnet;(b)IR image with magnet;(c)the measured surface temperature and heat-flux rate

另外,有部分學(xué)者發(fā)展磁場環(huán)境下的熱流測量方法,Takizawa 等[35]在2004 年利用光譜方法檢測激波層內(nèi)的溫度分布,Bobashev 等[50]2009 年利用鉍單晶傳感器進(jìn)行電磁環(huán)境下的熱流測量,但他們還沒有獲得系統(tǒng)性的定量結(jié)果.還有較多學(xué)者利用熱電偶來測量磁場流動控制下的熱流值[51-53],但電磁環(huán)境對熱電偶有較強(qiáng)的干擾,其結(jié)果的可信度受到質(zhì)疑,Wilkinson[53]更是指出由于電磁場的影響,在有效時(shí)間較短的設(shè)備中,利用熱電偶進(jìn)行熱流測量將變得極為困難;因此,目前在高焓風(fēng)洞、膨脹管/膨脹風(fēng)洞等短試驗(yàn)時(shí)間的設(shè)備中,難以利用熱電偶等接觸測量技術(shù)來測量磁控作用下的熱流.

在高超聲速飛行時(shí),還有一點(diǎn)需要考慮的是磁流體流動控制對輻射熱的影響.磁場的添加將激波外推,導(dǎo)致對流換熱降低是毫無疑問的,但是激波層厚度的增大會增大氣體向模型傳遞的輻射熱,進(jìn)而影響氣體對模型的總加熱量,當(dāng)然,區(qū)分磁流體流動控制下輻射熱和對流換熱的試驗(yàn)測量在當(dāng)前是非常有難度的,還未見相關(guān)實(shí)驗(yàn)方面的報(bào)道.

(4)其他測量

部分學(xué)者還對施加磁場后的光譜信息進(jìn)行分析,由于磁場的存在會影響自由電子運(yùn)動,導(dǎo)致試驗(yàn)過程中,有無磁場時(shí)流場內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度有較大變化,Gülhan等[36]就曾利用發(fā)射光譜方法研究施加磁場之后氬氣在強(qiáng)激波前后光譜信息的變化,解釋了磁場對流場發(fā)光強(qiáng)度的影響.Takizawa 等[35]利用吸收光譜方法分析了施加磁場后流場內(nèi)平動溫度的變化規(guī)律,利用該方法不僅能對流場內(nèi)溫度信息進(jìn)行評估,也可較為準(zhǔn)確捕捉到激波層位置,這些對激波脫體距離的測量也有較大的參考意義.后續(xù)有待發(fā)展更多適用的測試技術(shù)來全面的分析磁流體流動控制的現(xiàn)象和規(guī)律.

2.2 高超聲速磁場流動控制理論及數(shù)值模擬研究概況

2.2.1 MHD 理論研究概況

高超聲速磁流體流動控制的理論研究集中于20世紀(jì)五六十年代[4,54-59],大部分的理論工作是基于簡化模型來針對某一類特定問題進(jìn)行分析,較為典型的是Bush[4]在1958 年的研究工作,基于激波層內(nèi)常密度和常電導(dǎo)率、無黏、球形激波等假設(shè),他理論求解得到了不同磁雷諾數(shù)下,磁流體控制對激波脫體距離、壁面壓力的影響規(guī)律.隨后,文獻(xiàn)[18,55,59]基于Bush 的研究方法探討了添加黏性及霍爾效應(yīng)后流場參數(shù)的變化規(guī)律.Lykoudis[58]在1961 年通過引入Newton-Busemann 壓力定律,對無黏動量方程進(jìn)行積分得到了激波脫體距離的理論解.Hooks 和Lewis[54]利用變換的坐標(biāo)關(guān)系,得到了駐點(diǎn)處的無黏速度梯度、物體周圍的靜壓分布和邊界層外沿的速度分布.Poggie 和Gaitonde[60]在2002 年利用邊界層理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法討論了磁場作用下的駐點(diǎn)熱流變化規(guī)律.Berton[61]在流體力學(xué)激波關(guān)系的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了真實(shí)氣體條件下磁流體流動的激波關(guān)系.

總之,高超聲速磁場流動控制的理論研究結(jié)果能夠快速的解釋磁場作用下的物理機(jī)制及影響規(guī)律,能夠在一定程度上對試驗(yàn)以及未來的工程研究進(jìn)行指導(dǎo),但磁流體的相關(guān)問題涉及流體力學(xué)與電磁學(xué)的相互耦合,為理論分析帶來了非常大的困難,后續(xù)亟待更多理論方面的研究進(jìn)展.

2.2.2 MHD 數(shù)值模擬研究概況

MHD 數(shù)值模擬的發(fā)展稍晚于相關(guān)理論以及實(shí)驗(yàn)研究,但隨著20 世紀(jì)八九十年代CFD 的發(fā)展,越來越多的學(xué)者投入到MHD 數(shù)值模擬研究.經(jīng)過近十幾年的發(fā)展,尤其是對計(jì)算格式的不斷修正,MHD 數(shù)值模擬發(fā)揮著越來越重要的作用.MHD 數(shù)值模擬主要包含低磁雷諾數(shù)MHD 方程數(shù)值模擬和全MHD 方程的數(shù)值模擬,低磁雷諾數(shù)MHD 方程主要是在NS 方程的基礎(chǔ)上添加磁場源力項(xiàng),以此來計(jì)算磁流體控制的效果;全MHD 方程則涉及多種復(fù)雜物理現(xiàn)象,流動控制效果也需要耦合求解NS 方程和Maxwell 方程來進(jìn)行模擬.

MHD 數(shù)值模擬對計(jì)算格式要求較高,在研究初期,大部分學(xué)者致力于發(fā)展適合磁流體計(jì)算的數(shù)值方法.1988 年,Brio 和Wu[62]將黎曼方法應(yīng)用于求解一維MHD 激波管問題,其結(jié)果成為后續(xù)學(xué)者經(jīng)典的驗(yàn)證算例.20 世紀(jì)90 年代,Damevin 等[63-66]致力于利用TVD 方法修正的Runge-Kutta 格式進(jìn)行MHD數(shù)值模擬,發(fā)展了從一維到多維以及包含黏性、化學(xué)反應(yīng)等各種能夠反映真實(shí)物理過程的計(jì)算方法.Han等[67-68]則發(fā)展迎風(fēng)分裂的方法進(jìn)行磁流體研究,將AUSM 類型的計(jì)算方法成功應(yīng)用于MHD 研究.此外,MacCormack[69]還提出了一種將Maxwell 方程組和高溫?zé)峄瘜W(xué)非平衡方程組松耦合的求解方法,并得到與試驗(yàn)結(jié)果較為接近的數(shù)值結(jié)果.S′avio 等[70-72]發(fā)展了考慮湍流模型的熱化學(xué)非平衡磁流體流動控制求解方法,并得到了較好的計(jì)算結(jié)果.

全MHD 的數(shù)值計(jì)算比NS 方程多出電磁場的Maxwell 方程,以及磁場和流場相互作用項(xiàng).在相同的計(jì)算條件下,它往往要比CFD 模擬耗費(fèi)更大的計(jì)算量.另外,除了CFD 模擬存在的問題外,MHD 模擬還存在一些特有的問題[73].第1 個(gè)就是如何消除磁場散度的問題,真實(shí)的物理場應(yīng)該滿足磁場散度為零的條件,但在數(shù)值模擬過程中,由于數(shù)值誤差會產(chǎn)生偽磁場散度,偽磁場散度的產(chǎn)生容易引起磁場強(qiáng)度的分布出現(xiàn)震蕩,從而引起計(jì)算結(jié)果的發(fā)散.針對磁場散度問題,文獻(xiàn)[74-78]分別利用八波法、投影法、約束傳遞法以及雙曲散度清零等方法進(jìn)行流場內(nèi)的偽磁場散度清除,這些方法也為被后續(xù)研究者廣泛利用并加以修正利用[79-82].第2 個(gè)是全MHD 方程的奇異性問題,數(shù)值計(jì)算過程中,由于MHD 方程的特征值存在零值,導(dǎo)致應(yīng)用一些格式在計(jì)算時(shí)存在困難,部分學(xué)者通過迎風(fēng)分裂等格式進(jìn)行計(jì)算可避免奇異性問題的影響[74],也有部分學(xué)者通過添加源項(xiàng)的方法來避免奇異性問題[63,79].第3 個(gè)是剛性問題,在磁場、電場以及流場的耦合計(jì)算時(shí),往往會出現(xiàn)磁場擴(kuò)散的特征時(shí)間與流場變化的特征時(shí)間相差較大的情況,這種情況在局部等離子體電導(dǎo)率較低時(shí)尤其明顯,剛性問題的累積會導(dǎo)致計(jì)算難以收斂,目前主要處理方法是降低積分時(shí)間步,但是這對計(jì)算量提出了更高的要求.第4 個(gè)是邊界條件的問題,壁面的導(dǎo)電性狀態(tài)等也對壁面處理增加了困難,由于壁面導(dǎo)電性的不同,磁場邊界條件差異很大,目前學(xué)者主要通過降低壁面梯度變化來解決這個(gè)問題.

除了計(jì)算方法外,不少學(xué)者還利用數(shù)值模擬方法對可能影響磁流體流動控制的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析,并得到了一些重要的結(jié)論.文獻(xiàn)[83-85]通過在模型中添加化學(xué)反應(yīng),分析了含化學(xué)反應(yīng)條件下的磁流體控制效果;文獻(xiàn)[86-87]等研究了再入過程中不同飛行高度以及不同磁場強(qiáng)度下的磁流體控制效果,分析了磁場強(qiáng)度對于駐點(diǎn)熱流的影響,在約70 km 高度時(shí),2 T 的磁場強(qiáng)度能使駐點(diǎn)熱流降低超過50%,效果顯著;Shimosawa 和Fugino[88]還研究了第2.1 節(jié)中提到的磁場流動控制對輻射熱的影響,在近地軌道再入過程中,磁場的添加雖然導(dǎo)致對流換熱降低,但是會在一定程度上增加輻射熱,在60～75 km 高度時(shí),磁場的添加反而會導(dǎo)致駐點(diǎn)總熱流的增大,如圖11所示;Matsushita[89]還分析了霍爾效應(yīng)、壁面導(dǎo)電性能以及離子遷移等對磁流體控制效果的影響.文獻(xiàn)[90-91]等還計(jì)算了雙錐模型下磁場強(qiáng)度以及布置位置等對激波干擾的控制作用,其結(jié)果能夠?yàn)榭刂票诿鏌崃魈峁┧悸?文獻(xiàn)[92-93]還嘗試?yán)么帕黧w流動控制技術(shù)對火星進(jìn)入問題進(jìn)行模擬,其結(jié)果表明該方法能夠有效減少對流傳熱,進(jìn)入過程中還可以起到減速的作用.

圖11 20 mm 球頭模型以12.4 km/s 速度從75 km 近地軌道再入[88],不同磁場強(qiáng)度下模型駐點(diǎn)熱流:(a)對流換熱;(b)輻射熱;(c)總壁面熱流Fig.11 Stagnation point heat flux of the R20 mm sphere model along the flight trajectories for different magnet cases,reentry from the height of 75 km with a velocity of 12.4 km/s[88]:(a)Convective heat flux;(b)radiative heat flux;(c)total wall heat flux

國內(nèi)對于磁流體流動控制的研究起步相對較晚,在低速磁流體流動控制領(lǐng)域也開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究[94-95],李開[11]還嘗試在等離子風(fēng)洞中開展了一些實(shí)驗(yàn)工作,結(jié)合數(shù)值模擬分析霍爾效應(yīng)、非平衡狀態(tài)等對磁控效果的影響規(guī)律.但目前國內(nèi)進(jìn)行的試驗(yàn)工作和國外仍有較大差距,尤其是在高速領(lǐng)域的磁流體流動控制;相比于試驗(yàn),國內(nèi)在數(shù)值模擬方面的研究工作則更為豐富,文獻(xiàn)[96-101]分別利用了不同計(jì)算思路,發(fā)展了一維到多維的磁流體數(shù)值模擬的方法,并通過相關(guān)的算例對算法進(jìn)行驗(yàn)證,取得了較好的效果;文獻(xiàn)[102-105]對低磁雷諾數(shù)狀態(tài)的MHD 流動以及全MHD 流動控制進(jìn)行了系統(tǒng)研究,其結(jié)果也證明了磁流體流動控制在流動控制等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢;文獻(xiàn)[106-108]分析了高溫真實(shí)氣體環(huán)境下的磁控?zé)岱雷o(hù)的效果.文獻(xiàn)[109-112]也探索了MHD在其他領(lǐng)域的應(yīng)用,包括MHD 加速風(fēng)洞、MHD 發(fā)電等方面.

隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展,MHD 數(shù)值模擬方面也愈來愈豐富,越來越多的學(xué)者投入到這方面的研究中.然而,MHD 涉及多種復(fù)雜物理現(xiàn)象,包括產(chǎn)生和維持帶電粒子的過程、帶電粒子與磁場的作用、非平衡能量輸運(yùn)機(jī)理、電極區(qū)域的“鞘套”效應(yīng)以及電磁場中的霍爾效應(yīng)等,每一種效應(yīng)都包含復(fù)雜的規(guī)律,即使是全MHD 的數(shù)值模擬也是基于一些簡化假設(shè),如電磁介質(zhì)各向同性、無電極化、無磁極化、忽略粒子滑移等,因此,MHD 的數(shù)值模擬也亟待可靠的磁流體流動控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來對計(jì)算方法及結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn),有必要發(fā)展更多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及方法去建立相關(guān)的磁流體流動控制實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫,數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合來更快地推動磁流體技術(shù)走向工程應(yīng)用.

2.3 高超聲速磁場流動控制的影響規(guī)律及機(jī)理研究

為了對磁場流動控制的機(jī)理有更清晰的認(rèn)識并推動其更快地走向工程應(yīng)用,大量學(xué)者通過數(shù)值或試驗(yàn)方法對其進(jìn)行研究,電磁場與流場耦合會產(chǎn)生額外的洛倫茲力和焦耳熱,從而影響流場的動量以及能量等,除傳統(tǒng)的流場參數(shù)外,電磁場的相關(guān)參數(shù)也起到了至關(guān)重要的作用.當(dāng)前的主要研究方向可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面:(1) 磁相互作用參數(shù)(含磁場大小/方向、磁場類型以及飛行狀態(tài)) 對流動控制的影響;(2)高溫真實(shí)氣體條件下的磁流體控制效果(化學(xué)反應(yīng)模型、電導(dǎo)率模型等);(3)霍爾效應(yīng)對磁控作用下的氣動力/熱影響.

(1) 磁相互作用參數(shù):式(3) 給出了磁相互作用參數(shù)的定義,其和磁場分布以及飛行條件密切相關(guān),可評估磁控效果及影響規(guī)律.Bush[4]對鈍頭模型進(jìn)行了簡化的理論分析,分析了不同磁作用參數(shù)下的流場參數(shù)變化,得到了磁作用系數(shù)對激波脫體距離、模型表面壓力等流場參數(shù)的影響規(guī)律.之后文獻(xiàn)[40,69]等分別從試驗(yàn)以及數(shù)值模擬方面對Bush 得到的激波脫體距離隨磁作用系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證,都得到了較為一致的結(jié)論.文獻(xiàn)[64,113]還詳細(xì)研究了不同類型的磁場分布對于流動控制的影響,其計(jì)算中均勻磁場的流動控制效果明顯優(yōu)于其他類型的磁場分布.Kawamura 等[43,48]利用試驗(yàn)方法研究了磁場方向?qū)δＰ蜌鈩恿?、熱等參?shù)的影響,得到了不同磁場方向下的熱流、壓力等分布規(guī)律,根據(jù)熱流的分布,給出了熱流最低狀態(tài)下的磁場布置方式.Fujino 和Ishikawa[87]還通過數(shù)值分析給出了不同飛行高度下的磁控效果,其結(jié)果表明隨著飛行高度的增大,磁場對于降低熱流的作用越發(fā)明顯.

(2) 化學(xué)反應(yīng)/電導(dǎo)率模型影響:MHD 流動控制的研究要求流場具備一定的電導(dǎo)率,而產(chǎn)生電導(dǎo)率的過程往往伴隨著強(qiáng)烈的熱化學(xué)反應(yīng),因此數(shù)值模擬中考慮高溫真實(shí)氣體效應(yīng)的影響也至關(guān)重要.Damevin和Hoffmann[63]對比理想氣體(給定電導(dǎo)率)以及考慮化學(xué)反應(yīng)下的磁控效果,其激波脫體距離、壁面壓力以及熱流的分布規(guī)律都有較大的差異.MacCormack[114]也指出全場給定電導(dǎo)率與只在激波層內(nèi)給定電導(dǎo)率的差別很大,甚至?xí)玫较喾吹慕Y(jié)論.Bisk等[115]表明不同的電導(dǎo)率模型得到的電磁力分布差異巨大,其還在求解熱化學(xué)非平衡磁流體方程基礎(chǔ)上采用直接求解Boltzmann 方程以及其替代模型的方法進(jìn)行電導(dǎo)率的計(jì)算,得到了較為準(zhǔn)確的求解電導(dǎo)率的方法.

雖然數(shù)值方法探討了電導(dǎo)率模型對于磁場流動控制效果的影響,但是實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證還未見開展;當(dāng)前研究高超聲速流動的主要地面設(shè)備(輕氣炮除外)也均有不同程度的來流非平衡,即脫體激波前的自由流即存在一定的帶電粒子,激波前來流非平衡程度影響電導(dǎo)率分布進(jìn)而影響磁場控制效果,但是能覆蓋不同來流非平衡度的設(shè)備有限,實(shí)驗(yàn)的研究工作還未見開展

(3) 霍爾效應(yīng)的影響:在MHD 的流動控制過程中,由于磁場作用下的電子偏移往往會產(chǎn)生額外的感應(yīng)電場,這種現(xiàn)象即為霍爾效應(yīng).由于霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生會使等離子體中的電子受到額外電磁力的作用,從而使得流動控制的效果發(fā)生很大的變化.Chang 等[51]以及Kranc 等[116]在早期進(jìn)行MHD 流動控制對氣動力以及激波脫體距離研究的試驗(yàn)中,就曾指出霍爾效應(yīng)對測量結(jié)果有重要的影響,但由于條件的限制,其指出需要大量的試驗(yàn)以及理論的工作才能掌握霍爾效應(yīng)的影響規(guī)律.Nowak 和Yuen[52]的磁流體試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用導(dǎo)電(銅)與非導(dǎo)電(泰富龍)壁面條件對熱流分布有很大影響,并進(jìn)一步驗(yàn)證了隨著磁場強(qiáng)度的增大,導(dǎo)電壁面由于霍爾電流的增大,壁面熱流值會大幅度提升,但早期的理論計(jì)算卻并沒有考慮到霍爾電流的存在.Matsushita[89]和Fujino 等[117]都對霍爾效應(yīng)的影響進(jìn)行過數(shù)值分析,Matsushita 認(rèn)為霍爾效應(yīng)對激波層的影響與壁面的導(dǎo)電條件無關(guān),但Fujino 利用數(shù)值模擬的方法卻得到了不一樣的結(jié)論,在其研究中,絕緣與導(dǎo)電壁面下的霍爾效應(yīng)所呈現(xiàn)出來的影響有較大不同.

2.4 關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢分析

自高超聲速磁流體流動控制技術(shù)的提出以來,理論、實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬方面的研究成果都證明了該技術(shù)的可行性,國內(nèi)外研究學(xué)者也逐步加大對高超聲速磁場流動控制技術(shù)的關(guān)注與投入,但基于已獲得的磁流體流動控制規(guī)律來看,該技術(shù)的工程化應(yīng)用仍然亟待基礎(chǔ)研究方面重要的進(jìn)展.結(jié)合當(dāng)前磁流體流動控制技術(shù)在理論、實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬方面的研究成果,其關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展趨勢分析如下:

(1)理論方面:磁流體流動控制技術(shù)的理論研究有助于從物理本質(zhì)出發(fā)來理解磁場添加后流場參數(shù)的變化規(guī)律,快速指導(dǎo)相關(guān)實(shí)驗(yàn)以及工程應(yīng)用的設(shè)計(jì).已有理論做出了較多有助于求解的理想假設(shè),如理想氣體、無黏以及常電導(dǎo)率等,這能在一定程度上得到磁流體流動控制的作用規(guī)律,但其結(jié)果仍有較大的局限性,甚至出現(xiàn)部分結(jié)論與實(shí)驗(yàn)相悖的情況.另外,磁流體流動過程涉及流體力學(xué)與電磁學(xué)的強(qiáng)耦合,傳統(tǒng)計(jì)算方法不再完全適用,相關(guān)理論(如激波關(guān)系、邊界層理論等) 需要做出一定修正才能應(yīng)用,這給磁流體流動的理論評估帶來了極大的不便.近年來,關(guān)于磁流體流動控制理論的研究相對較少,發(fā)展和完善磁流體流動控制的理論方法仍然是重要研究方向之一.

(2)試驗(yàn)方面:磁流體流動控制試驗(yàn)是研究其控制規(guī)律的關(guān)鍵手段,但目前國內(nèi)外關(guān)于該方面的試驗(yàn)進(jìn)展并不多見.Bush 曾提到當(dāng)磁相互作用系數(shù)Q＞1時(shí)才能夠明顯觀察到磁流體流動控制的效果,這就要求流場內(nèi)必須具備強(qiáng)磁場以及較高的電導(dǎo)率環(huán)境,膨脹管/膨脹風(fēng)洞上對于0.6～0.795 T 的磁感應(yīng)強(qiáng)度,即使是易電離的氬氣也需將模擬速度提高到5.7 km/s才觀察到明顯的效果,但目前能夠模擬這么高氣流速度的實(shí)驗(yàn)設(shè)備非常少,對試驗(yàn)設(shè)備的苛刻要求極大地限制了磁流體流動控制實(shí)驗(yàn)方面的進(jìn)展.部分研究團(tuán)隊(duì)通過等離子體放電技術(shù)提高流場電導(dǎo)率,這也為該方向的未來發(fā)展提供了思路.

另外,試驗(yàn)中的強(qiáng)磁場環(huán)境也會在一定程度上影響接觸式測量技術(shù)的應(yīng)用,尤其是在試驗(yàn)時(shí)間較短的脈沖型風(fēng)洞設(shè)備中,這為有限試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)精確測量帶來了難度,需要精細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì).相關(guān)磁流體試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步能夠幫助快速豐富磁控規(guī)律的數(shù)據(jù)庫,將會對高超聲速磁流體流動控制研究提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐.

(3)數(shù)值模擬方面:近十幾年來,隨著CFD 技術(shù)的發(fā)展,大部分的MHD 研究都集中于磁流體流動控制的數(shù)值模擬方面,包括數(shù)值格式、計(jì)算方法等,基于這些模型也總結(jié)出了較為豐富的磁流體流動控制規(guī)律,這對于促進(jìn)磁流體流動控制研究的發(fā)展具有重要意義.但目前的數(shù)值計(jì)算結(jié)果缺乏有效的理論以及試驗(yàn)驗(yàn)證,譬如,受限于計(jì)算的復(fù)雜性,研究學(xué)者大多采用簡化的低磁雷諾數(shù)、電導(dǎo)率模型等,不同模型下的計(jì)算結(jié)果仍然存在一定差異,缺乏統(tǒng)一的計(jì)算模型加以應(yīng)用.該方向的發(fā)展需要與理論、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互結(jié)合,才能夠進(jìn)一步得到廣泛認(rèn)可.

此外,部分研究學(xué)者針對不同再入環(huán)境、不同結(jié)構(gòu)以及考慮湍流模型等更為復(fù)雜環(huán)境下的磁流體流動控制進(jìn)行探索計(jì)算,但目前大部分的計(jì)算還是集中于一些球、柱模型等簡單外形,因此有必要擴(kuò)展磁流體流動控制的應(yīng)用范圍,幫助該領(lǐng)域更快走向工程化應(yīng)用.

3 總結(jié)

本文對基于高溫真實(shí)氣體效應(yīng)的磁流體流動控制試驗(yàn)技術(shù)、關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題、研究進(jìn)展等進(jìn)行了敘述和分析,結(jié)論和展望如下:

(1)基于磁流體控制技術(shù)的應(yīng)用前景以及電磁技術(shù)和地面高焓模擬技術(shù)的發(fā)展,磁流體流動控制引起了國內(nèi)外的研究熱潮,美、日、俄等國家起步較早,且已開展了一系列的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方面的研究.當(dāng)然,MHD 數(shù)值模擬也隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展而也愈來愈豐富,但其也亟待可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來對計(jì)算方法及結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn).

(2)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究主要是在來流電離度較高的電弧風(fēng)洞開展,空間磁場不僅作用于激波加熱后的高溫導(dǎo)電氣流,也作用于激波前的帶電粒子,這和真實(shí)飛行條件下的磁場流動控制存在一定的差異;氣體電導(dǎo)率分布對于磁場流動控制效果的影響已有數(shù)值模擬的驗(yàn)證.在能開展磁場流動控制實(shí)驗(yàn)研究的其他設(shè)備中,電弧風(fēng)洞、高焓風(fēng)洞和膨脹管/膨脹風(fēng)洞的自由來流都有不同程度的電離度,后續(xù)需要評估這種來流非平衡程度對磁場流動控制效果的影響.

(3)在高超聲速磁流體流動控制的實(shí)驗(yàn)中,光學(xué)方法獲得脫體激波距離的變化是目前較為有效的手段,磁阻力/氣動熱的測量則受測試環(huán)境影響相對較大,依賴于測量系統(tǒng)的精細(xì)設(shè)計(jì);來流非平衡度較低的膨脹管/膨脹風(fēng)洞是相對理想的研究設(shè)備,但其測試時(shí)間一般為毫秒或微秒量級,以及存在的高溫、高速氣流沖刷,都對磁控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測量技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn),相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究還較少,昆士蘭大學(xué)在膨脹風(fēng)洞中開展過初步研究工作.

(4)MHD 數(shù)值模擬能夠相對詳細(xì)的研究磁場流動控制效果的影響因素,如磁場大小/方向、霍爾效應(yīng)、壁面導(dǎo)電性能以及離子遷移等的影響;在實(shí)驗(yàn)方面,磁場大小/方向?qū)δＰ兔擉w激波距離、阻力的影響已通過部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;但壁面導(dǎo)電性及其對霍爾效應(yīng)的影響規(guī)律仍然沒有定論.

總之,雖然磁流體流動控制研究取得了一定進(jìn)展,但系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依然有限且實(shí)驗(yàn)研究極具挑戰(zhàn)性,有必要發(fā)展更多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及方法來建立相關(guān)的磁流體流動控制實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫,結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬來系統(tǒng)的研究磁流動控制的規(guī)律和機(jī)理,推動磁流體技術(shù)更快地走向工程應(yīng)用.