等離子體氣動激勵的加速特性研究

趙小虎 ,李應紅 ,吳 云,李益文 ,賈 敏 ,周 磊

(空軍工程大學工程學院,陜西 西安 710038)

0 引 言

等離子體流動控制是基于等離子體氣動激勵的新概念主動流動控制技術[1-3],是等離子體動力學在空氣動力學領域的典型應用[4-7]。它在改善飛行器和動力裝置空氣動力特性方面具有廣闊的應用前景,目前已經成為空氣動力學領域新興的研究熱點。

鑒于等離子體流動控制在航空領域的重要應用前景,國內外許多研究單位都開展了大量的研究[8-17]。法國普瓦捷大學Moreau等進行了電暈放電和介質阻擋放電等離子體氣動激勵誘導氣流加速的實驗研究[14];肯塔基大學Jacob等使用粒子圖像測速儀(PIV,Particle Image Velocimetry)對復合等離子體氣動激勵誘導的空氣流動進行了測試[15];空軍工程大學的李益文等進行了鋸齒等離子體氣動激勵器放電特性與加速效應的實驗研究[16];加利福尼亞的Baughn等進行了等離子體氣動激勵與控制體邊界層的動量傳遞研究[17]。

本文在靜止條件下利用皮托管和粒子圖像測速儀對等離子體氣動激勵誘導的氣流速度進行了測量與結果分析,得到了激勵器的放電特征以及激勵電壓、頻率和電極組數目變化時加速特性的變化規律,并通過PIV的測量結果進行了等離子體氣動激勵誘導空氣加速機理的討論。

1 實驗系統

1.1 高壓高頻等離子體電源

高壓高頻電源電壓為0kV～40kV連續可調,頻率為6kHz～30kHz連續可調,輸出電壓波形為正弦波。

1.2 等離子體氣動激勵器

實驗中選用了電極為銅箔、絕緣材料為聚四氟乙烯的典型布局的激勵器,結構示意圖見圖1(未按比例),其中圖1(b)為圖1(a)中區域1的結構示意圖。等離子體氣動激勵誘導氣流加速的基本原理是:當等離子體氣動激勵器上下表面電極兩端施加的電壓超過空氣的擊穿電壓時,電極表面附近的空氣電離形成等離子體,其中的帶電粒子在空間不均勻電場作用下,向電場梯度方向定向運動,并在運動過程中與空氣分子發生碰撞,進行動量與能量交換,從而在激勵器表面誘導產生定向的空氣加速運動。

等離子體氣動激勵器的主要參數:電極長度le=100mm,電極偏置長度Δle=10mm,上層電極寬度d1=2mm,下層電極寬度d2=4mm,上下表面電極間距Δd1=0mm,電極組內間距Δd2=10mm,電極厚度he=0.03mm,絕緣介質材料厚度hd=1mm。

1.3 測量系統

圖1 等離子體氣動激勵器結構示意圖Fig.1 Sketch map of plasma aerodynamic actuator

實驗中選用了皮托管測量系統和PIV兩種不同的速度測量系統,其中,皮托管測量系統由皮托管、DPI型差壓傳感器和 USB6008型數據采集器等組成,用于誘導氣流速度水平分量的測量;PIV由Litron激光器、Nikon鏡頭和AB1688型煙霧發生器等組成,用于速度矢量和渦量的測量。圖2為速度測量系統的實物圖。

圖2 速度測量系統Fig.2 Photo of velocity measuring system

電參數測試系統由P6015A型高壓探針、P6022型電流探針和 TDS3012B型示波器組成,分別用于測量等離子體氣動激勵器放電時的電壓、電流和頻率等參數。

2 實驗結果分析

2.1 放電特征

在激勵電壓為 12kV(峰-峰值)、激勵頻率為23kHz的實驗條件下,只接通第一組電極,得到了單個電極組激勵器的放電電壓和電流波形(電流波形經過削波處理)與放電圖像(典型的絲狀放電),結果如圖3所示。

從圖3(a)中可以看出:在一個放電周期內,有一次“強”放電和一次“弱”放電,當處于強放電狀態時,電流幅值比處于弱放電狀態時的電流幅值大,說明了激勵器放電具有不對稱性,電壓上升半周期和下降半周期的帶電粒子密度、動力學行為等均不一致。在電壓的下降半周期,空氣擊穿產生的電子向絕緣材料表面運動并在表面積聚,形成虛擬陰極,空間電荷形成的電場不斷抵消外加電場,因此,放電細絲較少較弱;在電壓的上升半周期,在絕緣材料表面積聚的電子向上表面裸露電極運動,導致電場增強,使得放電的細絲更多更強。

圖3 放電波形圖與放電圖像Fig.3 Wave and Image of discharge

2.2 電壓變化對加速特性的影響

只接通第一組電極,固定激勵頻率為23kHz,使用皮托管對不同激勵電壓下等離子體氣動激勵誘導的氣流速度進行了測量,結果如圖4所示。

圖4 電壓變化時誘導氣流速度的分布圖Fig.4 The profile of induced velocities while voltage changes

由圖4可知,當激勵電壓增大后,等離子體氣動激勵誘導的氣流速度呈明顯的線性增加,并且隨著流向位置的增大,誘導氣流速度逐漸減小。誘導氣流速度相對于激勵電壓的平均增加率分別為18.1%、31.7%和34.7%,說明等離子體氣動激勵誘導氣流加速的能力隨著激勵電壓的增加逐漸增強。

在相同的實驗條件下,使用PIV對等離子體氣動激勵誘導的氣流速度進行了測量,并繪制射流矢量分布如圖5所示。

對比圖5可以發現隨著激勵電壓的增大,近壁面射流的射程逐漸增大,而且其運動更加趨于不規則。在高度上,近壁面射流限于距壁面10mm～15mm的高度范圍內,可以認為等離子體氣動激勵誘導氣流加速主要發生在附面層之內,因此這會對附面層產生重要的影響,可以用于改變邊界層的流動狀態,起到流動控制的作用,如用于增大翼型失速攻角、抑制氣流分離、改善葉柵通道的流場品質等。

圖5 電壓變化時的射流矢量圖Fig.5 The vectorgraph of jet stream while voltage changes

2.3 頻率變化對加速特性的影響

只接通第一組電極,固定激勵電壓為12kV,使用皮托管對不同激勵頻率下的誘導氣流速度進行了測量,結果如圖6所示。

圖6 頻率變化時誘導氣流速度的分布圖Fig.6 The profile of induced velocities while frequency changes

由圖6可知,激勵頻率增大后,等離子體氣動激勵誘導的氣流速度有不同程度的增加,但沿流向逐漸減小,其相對于激勵頻率的平均增加率分別為7.18%、5.04%和4.09%,說明等離子體氣動激勵誘導氣流加速的能力隨著激勵頻率的增加而逐漸減弱。

在相同的實驗條件下,使用PIV對等離子體氣動激勵誘導的氣流速度進行了測量,并繪制射流矢量分布如圖7所示。

圖7結果表明:近壁面射流主要限于距壁面10mm～12mm的高度范圍內,作用范圍比激勵電壓變化時有所減小;同時激勵頻率的增大基本沒有增加近壁面射流的射程和不規則度。綜合激勵電壓與頻率對等離子體氣動激勵誘導氣流加速的結果可以得出:在誘導氣流加速的能力上,激勵電壓強于激勵頻率。

2.4 電極組數目的變化對加速特性的影響

在激勵電壓為12kV、激勵頻率為23kHz實驗條件下,依次接通第一組電極、前兩組電極、前三組電極和全部四組電極,并使用皮托管分別對流向位置x=-19mm、-7mm、5mm、17mm處的誘導氣流速度進行了測量,其結果如圖8所示。

圖8結果表明:當激勵器的電極組數目從單組增加至兩組時誘導氣流速度增加量明顯大于其他情況(例如,在距壁面0.5mm的高度上,誘導氣流速度的相對增加量分別為14.96%、7.84%、5.00%),這說明隨著電極組數目的增加,氣流速度的相對增加量逐漸減小,即等離子體氣動激勵誘導氣流加速的能力逐漸減弱,這主要是由于等離子體氣動激勵誘導的氣流速度的增加量相對于氣流速度的比重逐漸減小的緣故。

圖7 頻率變化時的射流矢量圖Fig.7 The vectorgraph of jet stream while frequency changes

在相同的實驗條件下,接通所有電極組,使用皮托管對高度為0.5mm的誘導氣流速度進行了測量,結果如圖9所示。

從圖9可以看出:多組電極激勵器誘導的氣流速度呈現周期性地先增大后減小的變化規律,4個峰值對應的誘導氣流速度的相對增加量分別為17.86%,15.31%和8.55%,說明隨著流向位置的增大,氣流速度不斷增大,但等離子體氣動激勵誘導氣流加速的能力逐漸下降。

圖8 氣流速度沿高度的分布圖Fig.8 The profile of velocities induced by plasma aerodynamic actuators while height changes

3 氣流加速機理討論

在激勵電壓為12kV、激勵頻率為23kHz的實驗條件下,只接通第一組電極,對等離子體氣動激勵誘導的氣流速度進行了PIV測量,并繪制其速度矢量與渦量圖如圖10所示。

由PIV結果可以知道:在等離子體氣動激勵啟動瞬間,形成啟動渦,隨即旋渦向下游運動,經過約0.5s后,旋渦消失,運動氣流演化為上表面電極下游35mm左右處的近壁面射流。

由圖10(a)可知:在放電初始時刻等離子體氣動激勵誘導形成的旋渦在激勵器電極附近的渦量最大,說明激勵器附近的激勵強度最大。由圖10(b)可以發現:沿流向方向運動的近壁面射流有明顯的分層現象,上層氣流的速度小,下層氣流的速度大,這說明等離子體氣動激勵誘導氣流加速主要作用于靠近激勵器壁面很薄的范圍內,加速氣流與靜止氣流之間會產生剪切力,帶動上層氣流的運動,因此形成了氣流的分層現象。

圖10 PIV測量結果Fig.10 PIV measurement results

施加高壓高頻電源后,激勵器上、下表面電極之間形成不均勻的強電場,通過動量與能量交換加速激勵器表面的氣流,由動量守恒定理可知,電極附近范圍內流體動量的增加必然等于其它地方流體動量的減少,就好像有一個把周圍氣流吸過來的“匯”,然后把集中起來的氣流沿壁面射出去,促成了向下游運動的定向加速射流。

4 結 論

(1)激勵器在一個周期內的放電具有不對稱性,有一次“強”放電和“弱”放電;

(2)激勵電壓、頻率和電極組數目等激勵參數的改變對等離子體氣動激勵的加速特性有不同程度的影響;

(3)等離子體氣動激勵誘導氣流加速是一個由啟動渦向近壁面射流演化的過程;

(4)通過在翼型、起落架和壓氣機葉片表面等飛行器部件上施加等離子體氣動激勵,可以實現減阻增升、減小噪聲和提高壓氣機穩定工作裕度與效率的作用。

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