“高压放电”对空气作用的试验研究

张 鑫 ,黄 勇 ,黄宗波,王勋年,沈志洪

(中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳 621000)

0 引 言

“高压放电”流动主动控制技术是一种新型流动主动控制技术,通过在飞行器翼面布置细丝和宽箔式电极组,在直流高电压激励下形成贴翼面流动的空气,能够有效控制飞行器表面绕流边界层的转捩和分离,提高飞行器升阻比和失速迎角。可以根据不同的飞行状态和要求对“高压放电”激励的位置、强度等进行调节,实现最佳的流动控制效果。相比改进飞行器气动性能的其它方法,该技术不需要活动的气动控制面,并且具有控制响应快、流动控制位置灵活,飞行器任何位置都可以布置、成本低等突出优点。因此,该技术已成为国内外研究的热点。

德国科学家在2004年应用“高压放电”流动控制技术进行了翼型减阻测力试验研究,结果表明：在较低风速下(6.6m/s),阻力系数最大减小18%,失速迎角从11°提高到19°,极间空气流动速度为1.5m/s。

西北工业大学定性地研究了等离子体激励对平板表面边界层的加速机制,验证了诱导空气射流的作用。中国空气动力研究与发展中心低速所在国内率先开展了“高压放电”流动主动控制领域的研究,建立了相关试验技术和设备,研究了“高压放电”对平板边界层以及翼型升阻比的影响,证实了该技术对模型绕流有显著的控制作用。

从国内外的研究文献来看,“高压放电”流动主动控制技术的研究多数停留在低雷诺数范围内,来流马赫数不超过0.1。无论是介质阻挡放电还是多相位蠕动加速,目前诱导空气速度最多达到6m/s,注入边界层的能量较低,限制了该技术在高雷诺数下的发展。

Roth指出,利用等离子体介质阻挡放电最多可以使静止空气加速到10m/s的速度,要想通过气体放电稳定有效地控制翼面气流分离,诱导空气速度必须达到30～60m/s。因此如何进一步提高“高压放电”对静止空气加速能力是电空气动力学研究的关键目标之一,也是进行较高风速下翼型和机翼流动与气动性能控制的基础。笔者主要研究“高压放电”对空气加速的作用,采用PIV测量技术,分析了电极形状、电压、电极间距、布置方式等激励参数对气流的加速度和最终速度的作用规律。

1 “高压放电”对空气作用的试验研究

1.1 “高压放电”的物理机制以及对空气作用的基本原理

当在曲率半径很小的电极两端加上高电压时,电极表面附近的电场(局部电场)很强,则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生“高压放电”现象(如图1所示)。电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近,气体发光也只发生在这个区域里,这个区域称为电离区域。在这区域之外,由于电场弱,不发生或很少发生电离,电流的传导依靠正离子和负离子或电子的迁移运动,因此电离区域之外的区域称为迁移区域。

图1 高压放电图Fig.1 The high-voltage discharge

典型的“高压放电”气动激励的布局形式如图2所示。在绝缘平板上布置细丝极和宽箔极。由于细丝极曲率半径小,其周围的电场强度大,以致首先达到或超过了空气击穿的阀值,使空气电离。产生的离子在不均匀电场的作用下,向电场梯度方向定向运动。离子在定向运动的过程中与空气分子碰撞,发生动量交换,诱导电极间空气发生定向运动。

图2 “高压放电”对空气作用的原理图Fig.2 The principle of high voltage discharge effect on the air

1.2 试验系统

试验系统包括高压直流电源、电极对、PIV系统等。

高压直流电源由直流电源、激励源、升压变压器、高压硅堆等部分组成,如图3。

试验中所用的各种电极如图4所示,其中细丝极有丝状式、梳状式、针式等,宽箔极有不同前缘曲率的板式箔极、管式箔极、柱式箔极等。

采用型号为MicroVec SM-11M500的PIV系统。激光器的单脉冲能量达到 500mJ,工作频率10Hz;CCD 相机分辨率：4008pixels×2672pixels,最高采集频率4.6帧/s,灵敏度达到12bit。

图3 高压直流电源Fig.3 The high voltage DC power supply

图4 各种电极形式Fig.4 Kinds of electrode

1.3 试验结果与分析

1.3.1 电极形状的影响

试验中采用细丝-宽箔的组合方式,不同形状电极如表1所示。激励电压为60kV,极间距为75mm。

表1 不同电极组合Table 1 Different kinds of electrode combination

由图5可以看出,7号电极对极间空气加速速度最大,1号电极对极间诱导空气速度最小。

图5 不同电极组合的电极间空气诱导速度Fig.5 The induced air speed for different electrodes

保持丝极不变,通过选用3种不同的箔极组成1、2、3号电极对。如图5所示,通过试验研究发现,2号电极对的极间空气速度最大,其次是3号电极对,1号电极对的诱导速度最小。结果表明,在保持丝极不变的情况下,随着箔极前缘曲率半径的增大,极间诱导空气速度逐渐提高。

保持箔极不变,通过选用3种不同的丝极组成2、6、7号电极对。由图5可知,通过试验研究得到,7号电极对的极间空气加速速度最大,其次是6号电极对,2号电极对的诱导空气速度最小。结果表明,在保持箔极不变的情况下,随着丝极曲率半径的减小,极间空气加速速度逐渐增大。

根据"离子风"的特性,“高压放电”时,相对曲率较大电极附近产生大量离子射流运动,离子射流对周围流体流动产生强烈的扰动,形成由曲率较大电极到曲率较小电极方向的流体运动,即“电诱导二次流”。所以尽可能提高丝极-箔极电极对的曲率比,是提高诱导空气速度的有效途径,同时能延长激励器的工作寿命,减小消耗功率。

1.3.2 激励参数影响

(1)激励电压的影响

图6～9分别给出了在不同激励电压情况下,采用针式电极作为电极对,保持电极间距为75mm,电极间的诱导空气速度分布。如图7所示,当极间电压为80kV的情况下,针极附近的空气诱导速度较高,但随着离针极的距离逐渐增大,诱导速度迅速衰减,大部分区域的速度在8m/s左右。图10给出了空气加速度随激励电压变化的曲线。结果表明,在电极间距保持75mm不变的情况下,随着激励电压的提高,静止空气获得的速度逐渐增大,试验中测量到的静止空气获得的最大速度为36m/s。试验研究表明,当电源频率固定的情况下,诱导的空气速度与电压近似呈线性增大的关系,因此,当继续增大电压、调整电极间距以及优化电极形状,有可能使空气诱导速度继续增大,预期空气诱导速度能达到工程应用目标。

图6 空气速度分布(激励电压60kV)Fig.6 The induced air velocity vector under 60kV voltage

图7 空气速度分布(激励电压80kV)Fig.7 The induced air velocity vector under 80kV voltage

图8 空气速度分布(激励电压88kV)Fig.8 The induced air velocity vector under 88kV voltage

图9 空气速度分布(激励电压100kV)Fig.9 The induced air velocity vector under 100kV voltage

图10 加速区域最大速度随激励电压变化曲线Fig.10 The maximum induced air velocity under varying voltage

(2)电极间距的影响

如图11所示,采用针式电极-管式箔极电极对,在保持激励电压40kV不变的情况下,电极间距存在一个临界值使得空气诱导速度达到最大。当小于临界值时,电极发生电弧放电,空气击穿,电极间隙形成放电通道,电流增大,空气诱导速度急剧减小;当大于临界值时,放电区域的电场强度随着极间距的增加而逐渐减弱,空气加速速度减小。

图11 电极间诱导空气最大速度随极间距变化Fig.11 The maximum induced air velocity under varying interval

1.3.3 多组电极组合的影响

图12给出了单组电极和两组电极布置示意图,相邻电极间距均为75mm。试验中,第1个电极和第3个电极接正极,电位相同,第2个电极接负极。图13～14分别给出了单组电极和两组电极的极间空气加速情况。由图13～14可以看出,在相同的激励条件下,两组电极接力加速时,第1组电极对空气的加速效果有所增强,说明第3极影响了前两个电极的极间电场分布,使得电场畸变加大,空气诱导速度提高。图15～16分别给出了单组电极和两组电极在宽箔极后方的空气速度分布,结果表明,两组电极接力加速时,箔极后方空气速度加快,但是作用有限,多组电极的布置型式需要进一步地探讨和优化。

图12 单组电极和两组电极布置示意图Fig.12 Schematic of electrode arrangement

图13 电极间空气速度分布(单组电极)Fig.13 The induced air velocity vector between electrodes(one pair electrodes)

图14 电极间空气速度分布(两组电极)Fig.14 The induced air velocity vector between electrodes(two pair electrodes)

图15 电极后空气速度分布(单组电极)Fig.15 The induced air velocity vector behind electrodes(one pair electrodes)

图16 电极后空气速度分布(两组电极)Fig.16 The induced air velocity vector behind electrodes(two pair electrodes)

2 结 论

通过试验研究激励参数对极间空气诱导速度的影响规律,可以得到以下结论：

(1)采用针式电极-管式箔极电极对获得了较高的极间空气诱导速度;

(2)保持其他参数不变,在电极对未发生电弧放电的情况下,静止空气加速速度随着激励电压的增加而逐渐提高;

(3)在固定其他参数不变的情况下,当电极间距小于某临界值时,电极发生电弧放电,空气诱导速度急剧减小;当大于某临界值时,随着电极间距的增加,空气加速速度减小;

(4)研究多组电极型式,在相同的激励条件下,两组电极接力加速时,第1组电极对空气的加速效果有所增强,第2组电极对空气有加速作用,但是作用有限。

进一步研究需要考虑环境参数,包括温度、湿度、大气压等等对诱导空气速度的影响。

[1] 莫锦军,刘少斌,袁乃昌.非均匀等离子体覆盖目标隐身研究[J].电波科学学报,2002,17(1)：69-73.

[2] 白希尧,张芝涛,杨波,等.强电离放电非平衡等离子体飞行器的隐身方法研究[J].航空学报,2003,25(1)：48-53.

[3] 凌永顺.等离子体隐身及其用于飞机的可行性[J].空军工程大学学报,2000,1(3)：1-3.

[4] VIDMER R J.Electromagenetic wave propagation in unmagnetized plasma[R].AIAA250710,1992：521-525.

[5] ROY S,GAITONDE D V.Multidimensional collisional dielectric barrier discharge for flow separation control at atmospheric pressures[R].AIAA 2005-4631.

[6] KUMAR H,ROY S.Two-dimensional fluid model of DC and RF plasma discharges in magnetic field[R].AIAA 2005-4788.

[7] ROY S.Flow actuation using radio frequency in partially ionized collisional plasmas[J].Applied physics letter,86,101502,2005.

[8] GAITONDE D V,VISBAL M R,ROY S.Control of flow past a wing section with plasma based body forces[R].AIAA 2005-5302.

[9] ROTH J R,NOURGOSTAR S,BONDS T A.The one atmosphere uniform glow dischargeplasma(OAUGDP)：a platform technology for the 21stcentury[J].IEEE Trans.on Plasma Science,2007(1)：233-250.