不同形式等离子体激励对细长体分离涡的控制

孟宣市，王健磊，蔡晋生，罗时钧，刘 锋

（1.西北工业大学 航空学院流体力学系，陕西 西安 710072；2.美国加州大学 尔湾分校机械与宇航工程系，加州 92697－3975）

0 引 言

现代高机动战斗机、导弹等飞行器通常具有类似尖头旋成体的细长前体，当迎角增大到一定程度，其分离涡流场会从对称变得非对称，同时伴随有方向和大小均无法预估的侧向力／力矩，这对飞行器的操纵性和稳定性有很大影响。因而在大迎角下实现细长体上侧向力／力矩的比例控制，对飞行器气动设计具有重要的意义［1－7］。近年来，研究者应用各种新型流动控制技术对大迎角细长体分离涡流动进行了控制研究［8－9］。研究发现，非定常主动控制可以实现大迎角下细长体侧向力／力矩的比例控制［10－11］。

最近，Liu Feng等［12］、孟宣市等［13－14］的研究表明，在大迎角下，通过分布在细长圆锥前体尖端处一对SDBD激励器，配合占空循环技术，可以实现圆锥前体侧向力和力矩的比例控制。本文在上述工作基础上，对两种不同形式的等离子体激励器的激励效果进行了分析比较，目的是探索通过改变等离子体激励器的形式和布置位置来增大有效控制风速的可能性并探讨其机理［15］。

1 实验设备、模型及压力采集

1.1 风洞及模型

测压实验在西北工业大学NF－3直流式低速风洞进行，风洞实验段8m×3m×1.6m，最大风速120m／s，气流湍流度≤0.045%。粒子图像测速（PIV）实验在西北工业大学流体力学系烟风洞中进行，实验段为0.6m×0.6m×0.5m，最大风速32m／s。测压模型由圆锥段、圆弧过渡段和圆柱整流段（图1）三部分组装而成。圆锥段半顶角10°，长度L＝463.8mm，底面直径D＝163.6mm。沿轴线分布的8个测量截面全部集中在圆锥段。每个测量截面周向均布36个测压孔。从圆锥尖端头部处开始150mm长度部分为绝缘塑料加工制成，用于粘贴等离子体激励器。PIV实验模型采用缩比为0.7的圆锥前体模型（图2），采用环氧树脂材料。测量截面距离模型尖模型尖端位置为167.5mm。

图1 压力分布测量实验模型图（单位：mm）Fig.1 Test model sketch for pressure measurements（unit：mm）

图2 PIV测量实验模型图（单位：mm）Fig.2 Test model sketch for PIV measurements（unit：mm）

1.2 激励器的设计

一对单电极长条形等离子体激励器对称地安装在圆锥头部表面（图3）。以模型迎风面正中为0°方位角，逆吹型激励器分别位于±120°方位角，等离子体开启后产生与来流U∞方向相反的诱导气流；顺吹型激励器分别位于±70°方位角，等离子体开启后产生与来流U∞方向一致的诱导气流。电极沿圆锥母线的长度为20mm，前缘距圆锥顶点9mm。这种方式与在圆锥表面吸气或吹气类似，从而产生从上电极到下电极方向的动量，但是没有质量注入。

南京苏曼电子有限公司生产的2台CTP－2000K介质阻挡放电等离子体电源为两个等离子体激励器提供交流电源。等离子体电源输出电压波形为正弦波形，峰－峰电压VP－P≈14kV，频率F≈8.9kHz。

图3 两种不同介质阻挡放电等离子体激励器安装图Fig.3 Comparison of upstream and downstream arrangements of SDBD plasma actuators

2 实验结果及分析

激励器有三种工作模式：（1）激励器关闭，指的是左舷和右舷的激励器都不工作；（2）左舷等离子激励器开启；（3）右舷等离子激励器开启。以下压力数据为15s采样时间段全平均结果，PIV采集频率为13Hz，采集时间10s。

2.1 逆吹型等离子体激励器控制实验

图4比较了U∞＝5m／s，基于圆锥段底面直径的Re＝5×104时，截面2和截面6时间全平均处理后的压力分布。

图4 逆吹型等离子体激励器开启压力分布比较，U∞＝5m／sFig.4 Time－averaged pressure distributions for upstream type plasma actuators，U∞＝5m／s

Hall［16］基于压力测量和空间涡流场显示结果，建立了表面压力分布与空间涡结构之间的直接联系。在其工作基础上，可以通过截面周向压力分布特征点对当地流动，例如涡心位置、附面层分离点等进行推断。表1给出了截面2、6处附面层分离点的位置和当地侧向力系数。从该表中可以观察出逆吹型等离子体激励对附面层分离点的影响规律。

图4中，与激励器关闭的情况进行对比，截面2处当左舷激励器开启时，左侧的附面层分离点没有发生变化，而右侧的附面层分离点由原来－100°向下移动变为－120°。当右舷激励器开启时，右舷附面层分离点并不发生变化，左侧附面层分离点由原来的90°向下移动到110°处。可见，对于逆吹型等离子体激励器，其提供的逆向扰动气流所起的作用是将另一侧的附面层分离点后移，而同侧分离点不变。截面6处的当地流动控制规律与截面2相同，这说明尽管等离子体激励器长度仅为20mm，距离模型尖端处也仅为9mm，但是控制范围贯穿了整个圆锥段。当实验风速进一步提高后，等离子体流动控制变得没有效果。

表1 逆吹型等离子体激励器开启对附面层分离点及当地侧向力系数影响Table 1 Separation locations and local side force coefficients for upstream type plasma actuation

图5给出了相同风速，Re＝4×104时的PIV测量结果，结果包含了由速度分布计算得到的涡量分布和流线图。图中深色半圆部分为模型，浅色半圆边界为采集时的阴影区和表面反射区。

观察PIV测量结果，等离子体关闭，流场左舷涡靠近物面，右舷涡远离物面，处于稳态位置。左舷激励器开启后，左舷涡变得远离物面，右舷涡变得靠近物面；而当右舷激励器开启后，左舷涡变得靠近物面，而右舷涡变得远离物面。左、右舷激励器开启下，涡流场基本为镜像对称，反映出流场的双稳态特性。此时激励器的激励作用为提供逆向的诱导气流，使得同侧分离涡远离物面，而另一侧分离涡则靠近物面。这样的结果和压力分布分析结果是相呼应的。

需要指出的是，等离子体关闭状态下，图4中截面2和6压力分布测量结果显示，左右压力系数接近对称；而图5（a）PIV结果显示，此时涡流场呈现左涡低、右涡高的的流场结果，从而两次实验等离子体关闭情况下结果不一致，这是因为旋成体大迎角分离涡流场很敏感，模型加工、装配误差以及流场湍流度等均会影响实验结果，造成不一致［17－18］。当引入等离子体流动控制后，压力分布和PIV测量结果是一致的，这正说明了等离子体动量注入使得原来不可预估的流场变化变的可预估、可重复，这正是大迎角下细长前体流动控制的目的。

图5 顺吹型等离子体激励器开启PIV比较，U∞＝5m／sFig.5 Time－averaged PIV results for uptream type plasma actuators，U∞＝5m／s

2.2 顺吹型等离子体激励器控制实验

图6比较了U∞＝15m／s，Re＝0.16×106时，测量截面2和截面6在激励器关闭、顺吹型左舷和右舷激励器开启下时间全平均压力分布。

表2比较了测量截面2和截面6处顺吹型激励器关闭、左舷开启、右舷开启三种情况下附面层分离点的位置和当地侧向力系数。可以看出，在等离子体开和关控制下，截面2处周向压力分布的吸力峰位置出现右、左转换。而截面6处周向压力分布的吸力峰位置则没有出现左、右舷转换，这说明沿模型轴向等离子体控制效果有所减弱。

图6 顺吹型等离子体激励器开启压力分布比较，U∞＝15m／sFig.6 Time－averaged pressure distributions for downstream type plasma actuators，U∞＝15m／s

表2 顺吹型等离子体激励器开启对附面层分离点及当地侧向力系数影响Table 2 Separation locations and local side force coefficients for downstream type plasma actuation

截面2处，与激励器关闭的情况进行对比，当左舷激励器开启时，左侧和右侧的附面层分离点没有发生变化。当右舷激励器开启时，左侧附面层分离点由原来的100°向上游移动到90°处，右侧附面层分离点由原来的－100°向下游移动到－120°处。可见，与逆吹型激励器有所不同，顺吹型等离子体激励器所起的作用是将同侧的附面层分离点延后，而使得另外一侧的附面层分离点提前。这说明顺吹型左舷、右舷等离子体激励器开启后相当于在当地流动的相同方向注入动量，使得当地表面流动速度加快，从而延迟了流动的分离。

截面6处，与激励器关闭进行对比，当左舷激励器开启时，左、右侧的附面层分离点没有发生变化。当右舷激励器开启时，左侧分离点由原来的90°向上游移动到80°处，右侧分离点则没有变化。

可见，顺吹型激励器可以通过延迟同侧流动分离点、而使得另一侧分离点提前来提高有效控制风速，使得有效控制风速从5m／s提高到了15m／s，但此时流动控制效果沿模型轴向有所减弱。

观察PIV测量结果（见图7），等离子体关闭，流场左舷涡靠近壁面而右舷涡流场高于左舷涡。左舷激励器开启后，左舷涡变得更加靠近物面，右舷涡变得远离物面；而右舷激励器开启后的效果与左舷激励器开启效果相反，右舷涡变得靠近物面，左舷涡变得远离物面；左、右舷激励器开启下，涡流场基本为镜像对称，反映出流场的双稳态特性。此时激励器的激励作用为提供顺主流方向的诱导气流，使得同侧分离涡紧贴物面，而另一侧分离涡则远离物面。这样的结果和压力分布分析结果是也是相呼应的。

图7 逆吹型等离子体激励器开启PIV比较，U∞＝5m／sFig.7 Time－averaged PIV results for downstream type plasma actuators，U∞＝5m／s

3 结 论

设计了顺吹型和逆吹型两种不同激励器形式，对圆锥前体分离涡流场进行了单介质阻挡放电等离子体主动控制实验。对激励器开和关控制下的表面压力分布和截面流场进行了显示测量。研究表明，低速大迎角下，在圆锥头部尖端处放置一对单介质阻挡放电等离子体激励器，采用合适的激励器形式，并通过适当的电学参数，可以实现对圆锥前体非对称流动的有效控制。主要的研究结论有以下两点：（1）通过调节激励器的布置位置和诱导气流的方向可以提高有效激励风速；（2）顺吹型和逆吹型等离子体激励器对流动产生影响的机理有所不同。

致谢：在钱学森诞辰100周年纪念之际，罗时钧谨将此工作献给他的博士学位导师钱学森教授。钱学森教授的教诲是他终生学术领悟的源泉。感谢高永卫、惠增宏、肖春生、邓磊、郝江南等对本研究的帮助。

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