纳秒脉冲等离子体合成射流激励器的流场特性分析

于维鑫, 朱文超, 程 晓, 黄邦斗, 章 程, 邵 涛

(1. 中国科学院电工研究所等离子体科学和能源转化北京市国际科技合作基地， 北京 100190；2. 中国科学院大学， 北京100049； 3. 国民核生化灾害防护国家重点实验室， 北京 102205；4. 国网重庆市电力公司电力科学研究院， 重庆 401121)

引 言

随着高超声速飞行器的发展, 等离子体流动控制技术作为一种高速流场的主动控制手段, 由于其不需运动部件, 具有响应快、 结构简单、 流场控制能力较强等优点, 现已成为各国研究热门[1-2]. 国内外学者对等离子体流动控制的机理进行过诸多的研究与论述, 主要可以归纳为以下3个方面: 动力效应, 等离子体在空间电场作用下, 离子与气体分子发生碰撞, 交换动能, 诱导中性气体分子定向运动; 冲击效应, 在空间电场作用下, 带电粒子与中性粒子发生碰撞, 导致电离、 跃迁等物理化学变化, 使得局部气体急速加热、 压力骤增, 对局部流场产生扰动, 从而改变流场的分布; 物性改变效应, 气体放电产生等离子体的同时还会改变流场的黏滞性、 热传导特性等, 对流场的发展有一定的影响[3-4].

作为等离子体流动控制中最重要的组件, 等离子体流动控制激励器已有多种类型: 同轴介质阻挡激励器(dielectric barrier discharge, DBD)[5-6]、 表面介质阻挡激励器(surface dielectric barrier discharge, SDBD)[7]以及等离子体合成射流激励器(plasma synthetic jet, PSJ)[8]. 其中等离子体合成射流激励器是目前研究最热门的激励形式, 它主要由针电极、 放电腔组成, 结构简单, 控制效果明显. 等离子体合成射流激励器本质上是一种能量转换装置, 通过放电加热腔体内的气体, 改变腔体内气压, 使腔体内的气体通过出气口喷射而出, 实现对流场的控制.

自等离子体合成射流激励器被约翰霍普金斯大学首次提出后[9], 国内外对于等离子体流动控制开展了大量的研究工作. 美国德克萨斯大学的Narayanaswamy等通过纹影系统以及发射光谱对高频脉冲等离子体合成射流特性进行了研究, 发现脉冲驱动下, 合成射流的响应时延能够有效降低[10]. 美国佛罗里达州立大学的Emerick等使用微秒脉冲电源驱动三电极和两电极合成射流激励器进行风洞合成射流实验, 发现高重频以及快上升沿的驱动下, 等离子体流场控制能力更为稳定和显著[11].

空军工程大学的Zhang等[12]通过多电极合成射流激励器与典型双电极激励器的对比实验, 发现同样的放电条件下, 多通道放电下的放电效率和射流速度分别提高200%和47%. 厦门大学的刘汝兵等提出一种新型火花放电等离子体射流发生器, 相较于传统腔式射流发生器， 新型发生器在放电后无需进行吸气还原, 工作频率最高可达9 kHz, 所产生的持续射流平均速度可达40 m/s以上[14]. 国防科技大学的王林等设计搭建了三路并联微秒脉冲电源驱动的两电极合成射流放电, 在1 000 Hz 时实现稳定放电, 单路最大电容能量为500 mJ, 提高了激励器的控制能力和控制范围[19]. 北京航空航天大学的张攀峰等基于体积力唯象模型模拟不同激励强度下等离子体合成射流对周围流场的诱导作用, 并得出结论沿轴线流向, 激励强度较小时, 射流半宽度随激励强度增加而增大; 激励强度很大时, 射流半宽度基本不受激励强度的影响[21].

相比其他驱动形式, 纳秒脉冲下会产生更多的高能粒子, 快速电离加热腔体内的空气, 使其膨胀喷出, 形成冲击效应, 而且更容易诱导多通道放电的形成, 提高放电效率以及射流速度. 国内外对于激励器结构[8,13-15]、 激励形式[16-19]、 数值模拟[20-22]等方面进行了大量的研究. 但是目前的研究主要集中在微秒脉冲驱动下的流动控制研究, 关于高重频、 快上升沿的纳秒脉冲激励下的等离子体合成射流流场特性的研究还是很少. 本文利用课题组自研的一台高重频、 快上升沿的纳秒脉冲电源对典型两电极合成射流激励器进行放电实验, 并用粒子图像测速法(particle image velocimetry, PIV)进行了流场分析, 探究了纳秒脉冲下放电频率对合成射流控制能力的影响.

1 实验设计

1.1 实验设备

本文采用了典型的双电极结构的等离子体合成射流激励器[23]. 如图1所示, 激励器主体由圆柱形的腔体以及带孔堵盖构成, 射流腔为直径4 mm, 深度10 mm的圆柱形腔体, 整体容量约为503 mm3, 堵盖中央开有直径为4 mm的气孔作为射流出口. 射流产生的冲击与温升效应, 为满足绝缘性能要求以及耐电弧烧蚀, 选用了耐热可达3 000 ℃ 的氮化硼陶瓷作为腔体材料. 采用直径为1 mm的钨针电极为放电电极, 电极间距为2 mm. 在进行射流实验时, 须将堵盖与腔体紧密连接, 并用硅胶密封连接处, 确保气流由射流孔喷出.

(a) Schematic diagram

(b) Physical map图1 等离子体合成射流激励器Fig. 1 Plasma synthetic jet actuator

激励器的驱动电源采用本课题组自研的一台基于固态开关切断原理的频率可调、 脉冲数可调的快上升沿、 高重频纳秒脉冲电源, 电压幅值最大可达20 kV, 重复频率1 Hz～5 kHz可调. 相关电压输出波形如图2(a)所示, 上升沿为20 ns, 半高脉宽为150 ns, 在同一输入电压下, 改变重复频率, 电压输出波形基本保持稳定, 畸变率小, 说明电源稳压性能较好, 能够为等离子体合成射流提供稳定的驱动; 图2(b)为等离子体合成射流单脉冲放电电压、 电流、 能量波形图, 在本电源驱动下, 合成射流的放电电压在7 kV左右, 放电电流约30 A, 对电压电流进行积分得到单脉冲输出总能量约为 1.5 mJ.

(a) Voltage waveforms at different frequencies

(b) PSJ discharge test waveform图2 电源输出特性Fig. 2 Power output characteristics

1.2 实验系统

实验系统实物图如图3所示, 主要由计算机、 密封实验腔、 激光器(Nd:YAG双脉冲式激光器)、 同步控制器、 高速相机以及气压控制柜组成. 本文采用激光粒子图像测速法(PIV)对合成射流各个位置的流场速度进行测量, 通过测量结果对流场的分布进行分析. 本实验PIV系统的激光器为Nd:YAG 双脉冲式激光器, 曝光模式选用10 Hz的双帧曝光模式. 采用SM-CMOS1M3K高速相机拍摄实验, 拍摄时间尺度设置为2 000 μs. 示踪粒子为硫磺锯沫烟饼经充分燃烧后产生的均匀烟雾颗粒.

图3 PIV实验装置Fig. 3 PIV experimental device

PIV的测量原理就是在实验腔体内添加示踪粒子, 激光器在实验中进行固定时间间隔的曝光, 同时高速相机同步触发, 对实验过程进行拍摄, 通过已知曝光间隔测得流场速度分布. 示踪粒子在二维平面进行x，y方向上关于时间t的位移, 粒子速度可通过以下公式得到[24]

2 实验结果与分析

2.1 变压流场分布

纳秒脉冲电源的脉冲上升沿与脉宽远低于微秒脉冲电源, 更快的升压速度与更短的脉冲宽度增大了放电电极间的折合电场强度, 提高了放电效率, 使得击穿电压减小[17]. 但因脉冲宽度的减小, 放电时间被压缩, 相比微秒脉冲电源驱动, 单脉冲能量、 放电电流更小[25], 因此须通过PIV对等离子体合成射流的流场进行测量, 分析高重频、 快上升沿纳秒电源驱动对流场分布的影响.

为确定本电源纳秒脉冲稳定火花放电电压, 首先进行了250 Hz下的变压实验. 图4是PIV实验腔内, 由示踪粒子所呈现的PSJ放电实际图像.

图4 实际放电图Fig. 4 Actual discharge diagram

图5是电源频率固定为250 Hz, 激励电压幅值分别为5， 6和7 kV时等离子体合成射流的流场分布图. 由图5(a)， (b)可以看出在施加电压幅值较低时, 无法形成火花放电通道, 流场分布呈现为完整的柱状, 流场线接近平行且流速较小. 这是因为驱动电压过低, 腔内放电形式为电晕放电, 放电能量不足以加热压缩冷空气, 使其从射流口喷出形成完整的射流. 图5(c)中当电压升至7 kV 时, 激励器腔体内形成完整的火花放电通道, 完整的等离子体合成射流从射流口喷出, 稳态流速增加到 15.21 m/s. 结果表明, 纳秒脉冲重频输出模式激励下的等离子可以为等离子体合成射流提供足够的能量, 来进行流动控制.

(a) U=5 kV

(b) U=6 kV

(c) U=7 kV图5 频率250 Hz不同电压下流场分布Fig. 5 Flow field distributions with different voltages at a frequency of 250 Hz

2.2 变频流场分布

等离子体合成射流特性和激励器的放电频率有很大关系, 中国科学院电工研究所的韩磊等使用一台电压幅值0～10 kV， 重复频率0～1 000 Hz可调, 脉宽15 μs, 单脉冲放电能量超过150 mJ的微秒脉冲电源进行合成射流实验, 发现高重频工作模式下, 流动控制效果更好[17]. 为探究纳秒脉冲下重复频率对合成射流流场分布的影响, 进行改变电压频率的放电实验. 输入电压幅值设置为稳定击穿电压7 kV, 保证能稳定激励出射流, 脉冲重复频率分别为250， 500， 750和1 000 Hz, 分别测试4种频率下的流场分布.

图6(a)～(d)为在同一时刻(相机触发后2 000 μs)所拍摄的不同频率下的流场分布图. 从图6可以看出, 不同频率下的流场分布都呈现出向射流处聚拢的现象, 整体分布差异不大, 射流呈现为湍流状. 射流喷出后, 激励器腔体内气压骤减, 在两次放电的时间间隔中, 周围区域冷空气被压缩进入激励器内, 同时喷口处气体流速较快, 也使气压低于周围区域, 这使得水平方向上的流场向射流中心聚拢. 在Y轴方向上因气体放电产生的热效应, 激励器腔体内的空气得到加热, 由堵盖的开孔处喷出, 因此流场线呈现为竖直向上发展的分布. 中心区域为射流主流场分布, 流速远大于周围静态气流区域, 且射流中心的流速最大.

高速粒子均分布在柱状射流的顶端, 随着频率的增加, 高速粒子区域沿Y轴方向的位移距离也会增加, 即同一时间尺度内, 射流发展的距离更远. 当频率为1 000 Hz时, 通过流场图可观察到前一个放电周期射流的消散以及新射流的形成, 相比 250 Hz 的放电实验, 射流的发展距离从40 mm增加至120 mm 以上, 同时前后两次放电没有出现连续不断的射流流场, 有利于避免火花放电转换成电弧放电.

对比结果直接体现了射流的速度随着频率的升高而变快. 不同频率下, 合成射流的峰值速度对比见图7.

(a) f=250 Hz

(b) f=500 Hz

(c) f=750 Hz

(d) f=1 000 Hz图6 不同频率下流场分布Fig. 6 Flow field distributions at different frequencies

相同电压下, 频率为250 Hz时, PIV测得的最大流场平均速度为 15.35 m/s, 当频率升高为1 000 Hz 时, 流场速度增加到28.28 m/s. 虽然随着频率的升高, 单次脉冲的能量会减小, 但是由于重复频率的提升, 使其在一个时间尺度内可以提供更多的脉冲数量, 更高的激励总能量, 使得射流发展速度更快, 即高重频会对脉冲能量有补偿作用.

图7 不同频率下射流速度对比Fig. 7 Comparison of jet velocity at different frequencies

2.3 变脉冲数流场分布

为进一步验证2.2中的结论, 本文设计了脉冲数为控制变量的实验. 输入电压为7 kV, 电源重复频率为1 000 Hz, 脉冲数分别设置为10, 20, 50和100个, 进行放电实验, 并通过PIV进行流场分析. 测量结果如图8, 9所示.

(a) 10 pulses

(b) 20 pulses

(c) 50 pulses

(d) 100 pulses图8 不同脉冲数流场分布Fig. 8 Flow field distributions at different pulse numbers

图9 不同脉冲数射流速度对比Fig. 9 Comparison of jet velocity at different pulse numbers

由图8(a)～(d)以及图9可以看出, 脉冲数由10提升到20时, 射流速度仅提升了0.167 m/s, 而脉冲数从20提升到50时, 出现了射流速度的骤升, 继续增加脉冲数至100, 合成射流流速增长变缓且趋于稳定, 流场线近似于平行. 这说明纳秒脉冲激励下合成射流驱动能量在一定时间尺度内有个阈值, 足够的能量激励后, 射流速度会有一个阶跃性增加, 并且存在一个流速稳定值, 持续的高重频激励可以维持住稳定的射流流场. 这说明纳秒脉冲激励次数增多可以增加放电总能量, 提高流动控制能力, 同时在持续重频激励下可维持稳定流场, 有利于流动控制的稳定性.

3 结论

本文采用一台高重频、 快上升沿纳秒脉冲激励源, 对典型双电极合成射流激励器进行放电实验, 采用PIV测量系统对等离子体合成射流进行流场分析. 主要结论如下:

(1)在上升沿为20 ns, 单脉冲能量为1.5 mJ的纳秒脉冲电源驱动下, 双电极等离子体合成射流随着驱动电压的升高, 可以形成稳定的柱状流场分布, 并且相邻两次放电不会出现连续不断的射流流场, 有利于避免火花放电转换成电弧放电.

(2)随着频率的升高, 单次脉冲的能量会减小, 但是由于重复频率的提升, 使得驱动电源在单位时间内可以提供更多数量的脉冲, 更高的激励总能量, 使得射流发展速度更快. 流场的平均流速峰值随着频率的升高而增大, 重复频率设置为1 000 Hz时, 平均流速的峰值为28.28 m/s.

(3)高重复频率纳秒脉冲驱动的合成射流放电, 能产生更高的折合电场强度, 提高总输出能量, 并会对纳秒源较低的单脉冲放电能量进行有效的补偿. 随着脉冲个数的增加, 单位时间内总输能量增大, 射流速度也逐渐增大并最终趋于稳定, 此实验结果进一步验证了高重频可对纳秒脉冲能量进行补偿的结论, 且表明重复触发下的高重频、 快上升沿纳秒脉冲激励能实现较为稳定的流动控制效果.

致谢本研究获得国家自然科学基金项目(51577177)资助.