磁加速等离子体激励器激励特性

阳鹏宇, 唐 坤, 张 鑫, 赖庆仁

(1. 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室, 四川绵阳 621000; 2. 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所, 四川绵阳 621000)

引 言

等离子体主动流动控制技术以其响应时间短、 激励频带宽等技术优点, 在改善飞行器空气动力性能方面具有潜在应用前景[1-5]. 分离流等离子体气动激励控制研究是等离子体流动控制研究领域中的重要分支. 大量研究表明等离子体在低风速下可有效抑制翼型/机翼的前缘失速分离、 推迟失速迎角、 提高升阻比[6-11]. 但是在较高风速下,等离子体的控制效果严重下降. 一个重要原因是高风速下, 等离子体激励器产生的扰动强度降低. 如何增强激励器的扰动强度, 是等离子体激励器在高风速下实现分离流控制的关键.

已有研究从等离子体激励器的材料、 结构、 布局和放电波形等方面进行优化, 以期望提高气动扰动强度[12-18]. 另一种思路是引入磁场, 改变等离子体激励器工作时的能量分配比例. 具体讲, 等离子体激励器在工作时, 放电电源输出的电能主要转换为气体电离能, 气体Joule热和气体动能. 而通过磁场对等离子体施加Lorentz力, 可定向加速等离子体. 加速后的等离子体与中性粒子碰撞, 将更多动能传递给气体, 从而提高放电电能转换为气体动能的比例, 实现等离子体气动激励强度的提升.

采用以上思路设计的激励器结构一般如图1所示, 在壁面布置一对平行的正负电极, 沿垂直于壁面的方向施加磁场, 磁场覆盖电极所在区域. 当正负电极间施加高电压并出现放电时, 产生的等离子体受到正交电磁场作用, 沿着电极轨道定向运动, 并将动能传递给周围气体, 形成气动激励效果.

利用磁加速等离子体改善航空/航天推进器性能的研究已有很多报道, 例如俄罗斯提出的AJAX项目中采用磁流体加速提高超燃冲压发动机推进效率[19], 航天领域中采用磁加速等离子体方式为航天器提供推力[20]. 对于提高等离子体气动激励强度的研究, Pafford等利用磁场加速等离子体使放电电弧滑动速度达到约100 m/s, 在来流16 m/s流场下诱导壁面射流达到32 m/s[21]. Zaidi等通过磁场加速方式将超声速来流附面层中放电电弧的速度由350 m/s加速到2 000 m/s[22].

已有研究结果表明通过引入磁场提高等离子体扰动强度具有较大潜力. 然而, 目前, 此方面的研究还处于初步探索阶段, 尤其是对磁加速等离子体激励器诱导流场的研究鲜有报道. 本文针对不同磁场强度下放电等离子体的电学特性和诱导流场的结构形态开展实验研究, 摸清磁场强度对激励器电学特性与诱导流场特性的影响规律, 为提高等离子体在较高风速下的控制效果提供支撑.

1 实验系统

实验系统由激励器、 放电电源、 磁场产生设备和测量系统组成. 如图2所示, 等离子体激励器由陶瓷板和电极组成. 电极的内边缘呈现喇叭形状, 以提高激励器放电稳定性, 内边缘长度长约 30 mm, 扩张角约为6°, 最小间距dmin有 1 mm 和2.5 mm两种. 放电电源输出电压为准DC, 波形是半正弦波, 频率为6 kHz, 峰值在6 kV以内连续可调. 磁场产生设备采用铁钕硼磁铁和电磁铁, 磁场覆盖激励器的整个放电区域, 方向垂直于激励器陶瓷板, 强度B在2 000 mT内可调. 测量系统采集获得激励器的电压/电流波形、 磁场强度、 等离子体图像和近壁面的诱导流场. 等离子体图像采用高速相机拍摄, 拍摄频率为10 kfps. 近壁面诱导流场采用烟流流场显示技术和PIV技术获得, 示踪粒子为橄榄油发烟颗粒, 拍摄频率为0.05 kfps, 流场拍摄区域有横向截面1和纵向截面2, 3(如图2所示).

2 激励器放电特性

2.1 放电形态

图3给出了激励器工作时的典型放电图像, 放电覆盖的区域从电极喉道(电极间距最小处)到电极末端, 放电产生的等离子体贴于壁面.

图4给出了高速相机拍摄到的一系列放电图像. 相邻两张图像的时间间隔为0.1 ms. 由图可知, 当激励器工作时, 电极间实际产生了一条电弧. 电弧受到空间正交电磁场力的作用, 沿着电极从喉道滑动到电极末端. 电弧在末端熄灭后重新在喉道产生, 并向下运动, 由此重复进行.

图3 激励器工作时放电图像Fig. 3 Discharge image of the plasma actuator

图4 B=270 mT, dmin=1 mm不同时刻电弧空间位置Fig. 4 Discharge arc position with B=270 mT, dmin=1 mm at different time instants

2.2 等离子体定向运动速度

根据高速相机拍摄的电弧图像, 由不同时刻电弧的位置可计算电弧移动速度, 即放电等离子体定向运动速度. 图5展示了dmin=1 mm电极在不同磁场强度B下电弧的平均移动速度v, 两者大致成线性关系. 同样dmin=2.5 mm时得到一组电弧速度与磁场强度的数据见表1. 与dmin=1 mm电极相比, 电弧移动速度明显提高, 例如在B=360 mT时v由3.92 m/s增加到4.98 m/s, 但对比同一磁场条件下测试的3组数据发现其速度波动较大. 实验得到的最大电弧速度约6.76 m/s. 进一步提高电弧移动速度, 须增加磁场强度或极间电场强度. 实验发现提高电场强度, 电极容易烧蚀, 使放电稳定性降低; 当磁场强度大于1 000 mT时, 电弧在电极上移动出现不连续情况, 难以通过电弧的位置推算等离子体移动速度.

图5 电弧移动速度随磁场强度的变化曲线(dmin=1 mm)Fig. 5 Curve of arc moving speed with magnetic field intensity(dmin=1 mm)

表1 不同磁场强度电弧移动速度(dmin=2.5 mm)

2.3 电压电流波形分析

2.3.1 放电电压电流特性

图6为典型条件下的放电电压/电流波形图, 可看到波形具有明显周期性, 频率为6 kHz, 这与放电电源输出电压频率一致. 电压/电流波形的一个周期从电流脉冲峰值开始, 此时电极间气体刚被击穿, 并产生电弧. 电弧使放电回路导通, 电源输出电压几乎全部加载到限流电阻两端, 电极间电压从击穿前的最大值直接下掉到接近零. 随后电极间电压逐渐升高, 回路电流则保持在几十毫安量值, 对应图6中第1阶段. 此阶段电流波形稳定, 量值较小, 可认为放电处于正常辉光放电模式, 放电通道大致分为阴极区和正柱区. 阴极区电压在小电流状态时由电极材质决定, 在几百伏量值, 不随电流变化. 在6 kHz低频条件下, 正柱区可等效为一纯电阻, 阻值与放电等离子体密度、 迁移率等参数有关. 因为电极间电压逐渐上升, 而电流基本保持不变, 表明正柱区电阻在不断增大, 推知等离子体密度在逐渐减小. 当等离子体密度减小到一定程度后, 放电通道变得不稳定, 电压波形出现锯齿形波动, 而电流逐渐降低, 随后降为零, 电弧熄灭, 放电

进入如图6所示第2个阶段. 在第2个阶段, 电极间电压逐渐升高, 当达到击穿电压时, 气体再次被击穿, 产生电弧, 放电进入下一个周期.

图6 典型条件下激励器放电电压电流波形Fig. 6 Discharge voltage and current waveform of plasma actuator under typical conditions

以上周期性的放电特征在电弧亮度上也有体现, 图7给出了时间间隔为0.05 ms的一组电弧图像. 从图上可以看出, 电弧亮度呈现强弱交替变化. 由于图像采集频率为20 kHz, 与放电电压频率6 kHz 并不是成倍数, 所以图片展示的电弧亮度变化存在相移, 周期性不明显, 但基本反映了放电的周期性特征. 图7中第7张照片上没有电弧图像, 该拍摄时刻对应放电波形中第2阶段, 此时电流为零, 电弧熄灭. 值得注意的是, 虽然电弧熄灭, 但该区域依然存在放电产生的残余等离子体. 当下一个放电周期的输出电压达到一定幅值时, 残余等离子体会促使电弧在当地产生, 这使得电弧在周期性产生和熄灭的同时依然沿着电极向下移动, 而不至于驻留在电极的喉道.

图7 间隔0.5 ms电弧发光强度变化Fig. 7 Change of arc luminous intensity attime interval of 0.5 ms

2.3.2 不同参数下放电波形

图8为Un=4 000 V,B=400 mT条件得到的多个放电周期波形(Un为电源输出有效电压值,B为施加的磁场强度). 由图可知, 波形的包络也存在周期性. 每个周期内包络的电压逐渐增大, 包络的电流逐渐减小. 这一周期性的变化对应图4中电弧沿电极移动的过程. 电弧向电极末端移动时当地放电间距离增大, 用于维持放电的电压也越大. 当Un降到2 700 V时, 由图9可知, 维持电压的包络周期变短, 此时Un难以维持较大的极间距离放电, 使得电弧未移动到电极的末端就返回电极喉道开始下一个周期的运动.

图8 Un=4 000 V, B=400 mT放电电压电流波形Fig. 8 Discharge voltage and current waveform at Un=4 000 V,B=400 mT

图9 Un=2 700 V, B=400 mT放电电压电流波形Fig. 9 Discharge voltage and current waveform at Un=2 700 V,B=400 mT

当磁场强度由400 mT增加到1 000 mT时, 由图10， 11可知电压波形包络的原有周期性基本消失, 此时电弧不再周期性地沿着电极移动.

图10 Un=3 000 V, B=1 000 mT放电电压电流波形Fig. 10 Discharge voltage and current waveform at Un=3 000 V,B=1 000 mT

图11 Un=4 000 V, B=1 000 mT放电电压电流波形Fig. 11 Discharge voltage and current waveform at Un=4 000 V,B=1 000 mT

根据电压电流波形数据可由公式计算激励器的能耗, 表2展示了4种工况下放电功耗大小, 初步规律是随着Un和B的增大功耗会随之增大. 消耗的能量一部分转化为Joule热, 一部分用于气体电离所需， 一部分能量转化为等离子体以及周围气体的定向运动.

表2 不同激励条件下激励器功耗

3 激励器诱导流场特性

3.1 诱导流场形态

图12给出了流场拍摄截面1的烟流图像. 从图中可以看到激励器诱导的流场包含了不同尺度的旋涡. 这些旋涡在电极周围产生, 并贴着壁面运动, 通过卷入上层气体逐渐变大, 最后脱离壁面向上发展. 另外, 图13和14展示了截面2和3的烟流图像, 同样可以看到有明显的旋涡产生, 但旋涡仅仅分布在靠近阴极的一侧. 对比截面2和3的旋涡区域可知, 该方向的旋涡同时平行于电极向外发展. 结合以上3个截面的烟流图像可知, 激励器诱导的流场区域形状如图15阴影部分所示.

该激励器诱导涡产生的基本原理是通过等离子体定向运动诱导近壁面射流, 射流与周围静止气体相互剪切形成旋涡. 根据横向和纵向截面的烟流图像, 可将激励器诱导的射流细分为两种, 一是电弧沿电极导轨滑动, 带动附近气体运动形成沿纵向射流; 二是电弧形成过程中, 气体击穿产生的大量正离子从阳极迁移到阴极, 带动附近气体运动形成沿横向射流. 两种激励方式同时作用, 使诱导的流场具有较强的三维效应. 另外, 由于激励器工作时等离子体的产生和运动具有明显的周期性, 射流具有脉冲特点, 因此诱导的流场呈现强非定常性.

图12 典型条件下在截面1上的诱导烟流图Fig. 12 Induced flow smoke visualization image of actuator on plane 1 under typical conditions

图13 典型激励条件下在截面2上的诱导烟流图Fig. 13 Induced flow smoke visualization image of conditionson plane 2 under typical condition

图14 典型激励条件下在截面3上的诱导烟流图Fig. 14 Induced flow smoke visualization image of actuator on plane 3 under typical conditions

图15 激励器诱导流场区域形状示意图Fig. 15 Shape of flow field induced by actuator

3.2 诱导流场强度

采用PIV技术获得了激励器诱导流场的速度分布, 以此分析等离子体激励强度. 图16为截面1某个时刻的流场速度云图和流线, 可以看到射流从左向右发展. 由于射流区域靠近壁面且速度变化大, 使得这一区域的示踪粒子浓度非常低, 难以准确计算出射流速度大小. 就当前测试结果, 最大诱导气流速度出现在图中红色区域, 约为 0.15 m/s. 图17为截面3得到的速度场, 得到了类似结果, 最大诱导气流速度约0.2 m/s, 显然测得的最大气流速度并不能反映射流速度大小. 为进一步确定激励产生的射流速度大小, 实验采用了粒子迹线法进行估算. 图18为给定曝光时间典型激励条件下的示踪粒子移动轨迹. 通过轨迹长度(依据壁板尺寸得到)除以曝光时间可大致估算近壁面射流速度大小, 统计结果表明射流速度在1～2 m/s, 与等离子体定向运动速度(3～7 m/s)在一个量级.

图16 典型激励条件下在截面1上的诱导流场速度场图Fig. 16 Velocity field on plane 1 under typical conditions

图17 典型激励条件下在截面3上的诱导流场速度场图Fig. 17 Velocity field on plane 3 under typical conditions

图18 截面1上的粒子迹线图Fig. 18 Particle trace on plane 1

鉴于该激励器诱导的流场伴随大量旋涡, 为高度非定常流, 因此仅通过射流大小评估激励强度显然不够, 对此须引入时间量, 通过诱导流场变化的剧烈程度(扰动能力)来评估激励强度将更为合理, 此项工作要求流场采样频率和精度更高, 有待改进测量手段后进一步开展.

4 结论

当激励器以6 kHz频率工作时, 放电电弧与产生的等离子体在电磁场作用下沿电极定向运动, 运动速度约5 m/s. 激励器诱导流场存在两种作用方式, 一是放电等离子体产生时诱导近壁面横向射流, 二是等离子体沿电极运动时诱导近壁面纵向射流. 诱导射流速度约2 m/s. 两种激励方式同时作用, 诱导的流场具有明显三维特征. 两种激励方式均为周期脉冲, 使得诱导的流场具有显著非定常性.

增大电源输出电压和增大磁场强度可以提高等离子体的激励强度, 所产生的能耗也会随之增大. 之后将通过改变激励器材料、 优化激励器布局、 提高电场强度及磁场强度的方式, 进一步提高磁加速等离子体激励器的扰动强度. 此外, 通过层析PIV对激励器诱导三维流场进行进一步刻画.