等离子体气动激励的加速特性研究

赵小虎 ,李应红 ,吴 云,李益文 ,贾 敏 ,周 磊

(空军工程大学工程学院,陕西 西安 710038)

0 引 言

等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新概念主动流动控制技术[1-3],是等离子体动力学在空气动力学领域的典型应用[4-7]。它在改善飞行器和动力装置空气动力特性方面具有广阔的应用前景,目前已经成为空气动力学领域新兴的研究热点。

鉴于等离子体流动控制在航空领域的重要应用前景,国内外许多研究单位都开展了大量的研究[8-17]。法国普瓦捷大学Moreau等进行了电晕放电和介质阻挡放电等离子体气动激励诱导气流加速的实验研究[14];肯塔基大学Jacob等使用粒子图像测速仪(PIV,Particle Image Velocimetry)对复合等离子体气动激励诱导的空气流动进行了测试[15];空军工程大学的李益文等进行了锯齿等离子体气动激励器放电特性与加速效应的实验研究[16];加利福尼亚的Baughn等进行了等离子体气动激励与控制体边界层的动量传递研究[17]。

本文在静止条件下利用皮托管和粒子图像测速仪对等离子体气动激励诱导的气流速度进行了测量与结果分析,得到了激励器的放电特征以及激励电压、频率和电极组数目变化时加速特性的变化规律,并通过PIV的测量结果进行了等离子体气动激励诱导空气加速机理的讨论。

1 实验系统

1.1 高压高频等离子体电源

高压高频电源电压为0kV～40kV连续可调,频率为6kHz～30kHz连续可调,输出电压波形为正弦波。

1.2 等离子体气动激励器

实验中选用了电极为铜箔、绝缘材料为聚四氟乙烯的典型布局的激励器,结构示意图见图1(未按比例),其中图1(b)为图1(a)中区域1的结构示意图。等离子体气动激励诱导气流加速的基本原理是:当等离子体气动激励器上下表面电极两端施加的电压超过空气的击穿电压时,电极表面附近的空气电离形成等离子体,其中的带电粒子在空间不均匀电场作用下,向电场梯度方向定向运动,并在运动过程中与空气分子发生碰撞,进行动量与能量交换,从而在激励器表面诱导产生定向的空气加速运动。

等离子体气动激励器的主要参数:电极长度le=100mm,电极偏置长度Δle=10mm,上层电极宽度d1=2mm,下层电极宽度d2=4mm,上下表面电极间距Δd1=0mm,电极组内间距Δd2=10mm,电极厚度he=0.03mm,绝缘介质材料厚度hd=1mm。

1.3 测量系统

图1 等离子体气动激励器结构示意图Fig.1 Sketch map of plasma aerodynamic actuator

实验中选用了皮托管测量系统和PIV两种不同的速度测量系统,其中,皮托管测量系统由皮托管、DPI型差压传感器和 USB6008型数据采集器等组成,用于诱导气流速度水平分量的测量;PIV由Litron激光器、Nikon镜头和AB1688型烟雾发生器等组成,用于速度矢量和涡量的测量。图2为速度测量系统的实物图。

图2 速度测量系统Fig.2 Photo of velocity measuring system

电参数测试系统由P6015A型高压探针、P6022型电流探针和 TDS3012B型示波器组成,分别用于测量等离子体气动激励器放电时的电压、电流和频率等参数。

2 实验结果分析

2.1 放电特征

在激励电压为 12kV(峰-峰值)、激励频率为23kHz的实验条件下,只接通第一组电极,得到了单个电极组激励器的放电电压和电流波形(电流波形经过削波处理)与放电图像(典型的丝状放电),结果如图3所示。

从图3(a)中可以看出:在一个放电周期内,有一次“强”放电和一次“弱”放电,当处于强放电状态时,电流幅值比处于弱放电状态时的电流幅值大,说明了激励器放电具有不对称性,电压上升半周期和下降半周期的带电粒子密度、动力学行为等均不一致。在电压的下降半周期,空气击穿产生的电子向绝缘材料表面运动并在表面积聚,形成虚拟阴极,空间电荷形成的电场不断抵消外加电场,因此,放电细丝较少较弱;在电压的上升半周期,在绝缘材料表面积聚的电子向上表面裸露电极运动,导致电场增强,使得放电的细丝更多更强。

图3 放电波形图与放电图像Fig.3 Wave and Image of discharge

2.2 电压变化对加速特性的影响

只接通第一组电极,固定激励频率为23kHz,使用皮托管对不同激励电压下等离子体气动激励诱导的气流速度进行了测量,结果如图4所示。

图4 电压变化时诱导气流速度的分布图Fig.4 The profile of induced velocities while voltage changes

由图4可知,当激励电压增大后,等离子体气动激励诱导的气流速度呈明显的线性增加,并且随着流向位置的增大,诱导气流速度逐渐减小。诱导气流速度相对于激励电压的平均增加率分别为18.1%、31.7%和34.7%,说明等离子体气动激励诱导气流加速的能力随着激励电压的增加逐渐增强。

在相同的实验条件下,使用PIV对等离子体气动激励诱导的气流速度进行了测量,并绘制射流矢量分布如图5所示。

对比图5可以发现随着激励电压的增大,近壁面射流的射程逐渐增大,而且其运动更加趋于不规则。在高度上,近壁面射流限于距壁面10mm～15mm的高度范围内,可以认为等离子体气动激励诱导气流加速主要发生在附面层之内,因此这会对附面层产生重要的影响,可以用于改变边界层的流动状态,起到流动控制的作用,如用于增大翼型失速攻角、抑制气流分离、改善叶栅通道的流场品质等。

图5 电压变化时的射流矢量图Fig.5 The vectorgraph of jet stream while voltage changes

2.3 频率变化对加速特性的影响

只接通第一组电极,固定激励电压为12kV,使用皮托管对不同激励频率下的诱导气流速度进行了测量,结果如图6所示。

图6 频率变化时诱导气流速度的分布图Fig.6 The profile of induced velocities while frequency changes

由图6可知,激励频率增大后,等离子体气动激励诱导的气流速度有不同程度的增加,但沿流向逐渐减小,其相对于激励频率的平均增加率分别为7.18%、5.04%和4.09%,说明等离子体气动激励诱导气流加速的能力随着激励频率的增加而逐渐减弱。

在相同的实验条件下,使用PIV对等离子体气动激励诱导的气流速度进行了测量,并绘制射流矢量分布如图7所示。

图7结果表明:近壁面射流主要限于距壁面10mm～12mm的高度范围内,作用范围比激励电压变化时有所减小;同时激励频率的增大基本没有增加近壁面射流的射程和不规则度。综合激励电压与频率对等离子体气动激励诱导气流加速的结果可以得出:在诱导气流加速的能力上,激励电压强于激励频率。

2.4 电极组数目的变化对加速特性的影响

在激励电压为12kV、激励频率为23kHz实验条件下,依次接通第一组电极、前两组电极、前三组电极和全部四组电极,并使用皮托管分别对流向位置x=-19mm、-7mm、5mm、17mm处的诱导气流速度进行了测量,其结果如图8所示。

图8结果表明:当激励器的电极组数目从单组增加至两组时诱导气流速度增加量明显大于其他情况(例如,在距壁面0.5mm的高度上,诱导气流速度的相对增加量分别为14.96%、7.84%、5.00%),这说明随着电极组数目的增加,气流速度的相对增加量逐渐减小,即等离子体气动激励诱导气流加速的能力逐渐减弱,这主要是由于等离子体气动激励诱导的气流速度的增加量相对于气流速度的比重逐渐减小的缘故。

图7 频率变化时的射流矢量图Fig.7 The vectorgraph of jet stream while frequency changes

在相同的实验条件下,接通所有电极组,使用皮托管对高度为0.5mm的诱导气流速度进行了测量,结果如图9所示。

从图9可以看出:多组电极激励器诱导的气流速度呈现周期性地先增大后减小的变化规律,4个峰值对应的诱导气流速度的相对增加量分别为17.86%,15.31%和8.55%,说明随着流向位置的增大,气流速度不断增大,但等离子体气动激励诱导气流加速的能力逐渐下降。

图8 气流速度沿高度的分布图Fig.8 The profile of velocities induced by plasma aerodynamic actuators while height changes

3 气流加速机理讨论

在激励电压为12kV、激励频率为23kHz的实验条件下,只接通第一组电极,对等离子体气动激励诱导的气流速度进行了PIV测量,并绘制其速度矢量与涡量图如图10所示。

由PIV结果可以知道:在等离子体气动激励启动瞬间,形成启动涡,随即旋涡向下游运动,经过约0.5s后,旋涡消失,运动气流演化为上表面电极下游35mm左右处的近壁面射流。

由图10(a)可知:在放电初始时刻等离子体气动激励诱导形成的旋涡在激励器电极附近的涡量最大,说明激励器附近的激励强度最大。由图10(b)可以发现:沿流向方向运动的近壁面射流有明显的分层现象,上层气流的速度小,下层气流的速度大,这说明等离子体气动激励诱导气流加速主要作用于靠近激励器壁面很薄的范围内,加速气流与静止气流之间会产生剪切力,带动上层气流的运动,因此形成了气流的分层现象。

图10 PIV测量结果Fig.10 PIV measurement results

施加高压高频电源后,激励器上、下表面电极之间形成不均匀的强电场,通过动量与能量交换加速激励器表面的气流,由动量守恒定理可知,电极附近范围内流体动量的增加必然等于其它地方流体动量的减少,就好像有一个把周围气流吸过来的“汇”,然后把集中起来的气流沿壁面射出去,促成了向下游运动的定向加速射流。

4 结 论

(1)激励器在一个周期内的放电具有不对称性,有一次“强”放电和“弱”放电;

(2)激励电压、频率和电极组数目等激励参数的改变对等离子体气动激励的加速特性有不同程度的影响;

(3)等离子体气动激励诱导气流加速是一个由启动涡向近壁面射流演化的过程;

(4)通过在翼型、起落架和压气机叶片表面等飞行器部件上施加等离子体气动激励,可以实现减阻增升、减小噪声和提高压气机稳定工作裕度与效率的作用。

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