“高壓放電”對空氣作用的試驗研究

張 鑫 ,黃 勇 ,黃宗波,王勛年,沈志洪

(中國空氣動力研究與發展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

“高壓放電”流動主動控制技術是一種新型流動主動控制技術,通過在飛行器翼面布置細絲和寬箔式電極組,在直流高電壓激勵下形成貼翼面流動的空氣,能夠有效控制飛行器表面繞流邊界層的轉捩和分離,提高飛行器升阻比和失速迎角。可以根據不同的飛行狀態和要求對“高壓放電”激勵的位置、強度等進行調節,實現最佳的流動控制效果。相比改進飛行器氣動性能的其它方法,該技術不需要活動的氣動控制面,并且具有控制響應快、流動控制位置靈活,飛行器任何位置都可以布置、成本低等突出優點。因此,該技術已成為國內外研究的熱點。

德國科學家在2004年應用“高壓放電”流動控制技術進行了翼型減阻測力試驗研究,結果表明：在較低風速下(6.6m/s),阻力系數最大減小18%,失速迎角從11°提高到19°,極間空氣流動速度為1.5m/s。

西北工業大學定性地研究了等離子體激勵對平板表面邊界層的加速機制,驗證了誘導空氣射流的作用。中國空氣動力研究與發展中心低速所在國內率先開展了“高壓放電”流動主動控制領域的研究,建立了相關試驗技術和設備,研究了“高壓放電”對平板邊界層以及翼型升阻比的影響,證實了該技術對模型繞流有顯著的控制作用。

從國內外的研究文獻來看,“高壓放電”流動主動控制技術的研究多數停留在低雷諾數范圍內,來流馬赫數不超過0.1。無論是介質阻擋放電還是多相位蠕動加速,目前誘導空氣速度最多達到6m/s,注入邊界層的能量較低,限制了該技術在高雷諾數下的發展。

Roth指出,利用等離子體介質阻擋放電最多可以使靜止空氣加速到10m/s的速度,要想通過氣體放電穩定有效地控制翼面氣流分離,誘導空氣速度必須達到30～60m/s。因此如何進一步提高“高壓放電”對靜止空氣加速能力是電空氣動力學研究的關鍵目標之一,也是進行較高風速下翼型和機翼流動與氣動性能控制的基礎。筆者主要研究“高壓放電”對空氣加速的作用,采用PIV測量技術,分析了電極形狀、電壓、電極間距、布置方式等激勵參數對氣流的加速度和最終速度的作用規律。

1 “高壓放電”對空氣作用的試驗研究

1.1 “高壓放電”的物理機制以及對空氣作用的基本原理

當在曲率半徑很小的電極兩端加上高電壓時,電極表面附近的電場(局部電場)很強,則電極附近的氣體介質會被局部擊穿而產生“高壓放電”現象(如圖1所示)。電場的不均勻性把主要的電離過程局限于局部電場很高的電極附近,氣體發光也只發生在這個區域里,這個區域稱為電離區域。在這區域之外,由于電場弱,不發生或很少發生電離,電流的傳導依靠正離子和負離子或電子的遷移運動,因此電離區域之外的區域稱為遷移區域。

圖1 高壓放電圖Fig.1 The high-voltage discharge

典型的“高壓放電”氣動激勵的布局形式如圖2所示。在絕緣平板上布置細絲極和寬箔極。由于細絲極曲率半徑小,其周圍的電場強度大,以致首先達到或超過了空氣擊穿的閥值,使空氣電離。產生的離子在不均勻電場的作用下,向電場梯度方向定向運動。離子在定向運動的過程中與空氣分子碰撞,發生動量交換,誘導電極間空氣發生定向運動。

圖2 “高壓放電”對空氣作用的原理圖Fig.2 The principle of high voltage discharge effect on the air

1.2 試驗系統

試驗系統包括高壓直流電源、電極對、PIV系統等。

高壓直流電源由直流電源、激勵源、升壓變壓器、高壓硅堆等部分組成,如圖3。

試驗中所用的各種電極如圖4所示,其中細絲極有絲狀式、梳狀式、針式等,寬箔極有不同前緣曲率的板式箔極、管式箔極、柱式箔極等。

采用型號為MicroVec SM-11M500的PIV系統。激光器的單脈沖能量達到 500mJ,工作頻率10Hz;CCD 相機分辨率：4008pixels×2672pixels,最高采集頻率4.6幀/s,靈敏度達到12bit。

圖3 高壓直流電源Fig.3 The high voltage DC power supply

圖4 各種電極形式Fig.4 Kinds of electrode

1.3 試驗結果與分析

1.3.1 電極形狀的影響

試驗中采用細絲-寬箔的組合方式,不同形狀電極如表1所示。激勵電壓為60kV,極間距為75mm。

表1 不同電極組合Table 1 Different kinds of electrode combination

由圖5可以看出,7號電極對極間空氣加速速度最大,1號電極對極間誘導空氣速度最小。

圖5 不同電極組合的電極間空氣誘導速度Fig.5 The induced air speed for different electrodes

保持絲極不變,通過選用3種不同的箔極組成1、2、3號電極對。如圖5所示,通過試驗研究發現,2號電極對的極間空氣速度最大,其次是3號電極對,1號電極對的誘導速度最小。結果表明,在保持絲極不變的情況下,隨著箔極前緣曲率半徑的增大,極間誘導空氣速度逐漸提高。

保持箔極不變,通過選用3種不同的絲極組成2、6、7號電極對。由圖5可知,通過試驗研究得到,7號電極對的極間空氣加速速度最大,其次是6號電極對,2號電極對的誘導空氣速度最小。結果表明,在保持箔極不變的情況下,隨著絲極曲率半徑的減小,極間空氣加速速度逐漸增大。

根據"離子風"的特性,“高壓放電”時,相對曲率較大電極附近產生大量離子射流運動,離子射流對周圍流體流動產生強烈的擾動,形成由曲率較大電極到曲率較小電極方向的流體運動,即“電誘導二次流”。所以盡可能提高絲極-箔極電極對的曲率比,是提高誘導空氣速度的有效途徑,同時能延長激勵器的工作壽命,減小消耗功率。

1.3.2 激勵參數影響

(1)激勵電壓的影響

圖6～9分別給出了在不同激勵電壓情況下,采用針式電極作為電極對,保持電極間距為75mm,電極間的誘導空氣速度分布。如圖7所示,當極間電壓為80kV的情況下,針極附近的空氣誘導速度較高,但隨著離針極的距離逐漸增大,誘導速度迅速衰減,大部分區域的速度在8m/s左右。圖10給出了空氣加速度隨激勵電壓變化的曲線。結果表明,在電極間距保持75mm不變的情況下,隨著激勵電壓的提高,靜止空氣獲得的速度逐漸增大,試驗中測量到的靜止空氣獲得的最大速度為36m/s。試驗研究表明,當電源頻率固定的情況下,誘導的空氣速度與電壓近似呈線性增大的關系,因此,當繼續增大電壓、調整電極間距以及優化電極形狀,有可能使空氣誘導速度繼續增大,預期空氣誘導速度能達到工程應用目標。

圖6 空氣速度分布(激勵電壓60kV)Fig.6 The induced air velocity vector under 60kV voltage

圖7 空氣速度分布(激勵電壓80kV)Fig.7 The induced air velocity vector under 80kV voltage

圖8 空氣速度分布(激勵電壓88kV)Fig.8 The induced air velocity vector under 88kV voltage

圖9 空氣速度分布(激勵電壓100kV)Fig.9 The induced air velocity vector under 100kV voltage

圖10 加速區域最大速度隨激勵電壓變化曲線Fig.10 The maximum induced air velocity under varying voltage

(2)電極間距的影響

如圖11所示,采用針式電極-管式箔極電極對,在保持激勵電壓40kV不變的情況下,電極間距存在一個臨界值使得空氣誘導速度達到最大。當小于臨界值時,電極發生電弧放電,空氣擊穿,電極間隙形成放電通道,電流增大,空氣誘導速度急劇減小;當大于臨界值時,放電區域的電場強度隨著極間距的增加而逐漸減弱,空氣加速速度減小。

圖11 電極間誘導空氣最大速度隨極間距變化Fig.11 The maximum induced air velocity under varying interval

1.3.3 多組電極組合的影響

圖12給出了單組電極和兩組電極布置示意圖,相鄰電極間距均為75mm。試驗中,第1個電極和第3個電極接正極,電位相同,第2個電極接負極。圖13～14分別給出了單組電極和兩組電極的極間空氣加速情況。由圖13～14可以看出,在相同的激勵條件下,兩組電極接力加速時,第1組電極對空氣的加速效果有所增強,說明第3極影響了前兩個電極的極間電場分布,使得電場畸變加大,空氣誘導速度提高。圖15～16分別給出了單組電極和兩組電極在寬箔極后方的空氣速度分布,結果表明,兩組電極接力加速時,箔極后方空氣速度加快,但是作用有限,多組電極的布置型式需要進一步地探討和優化。

圖12 單組電極和兩組電極布置示意圖Fig.12 Schematic of electrode arrangement

圖13 電極間空氣速度分布(單組電極)Fig.13 The induced air velocity vector between electrodes(one pair electrodes)

圖14 電極間空氣速度分布(兩組電極)Fig.14 The induced air velocity vector between electrodes(two pair electrodes)

圖15 電極后空氣速度分布(單組電極)Fig.15 The induced air velocity vector behind electrodes(one pair electrodes)

圖16 電極后空氣速度分布(兩組電極)Fig.16 The induced air velocity vector behind electrodes(two pair electrodes)

2 結 論

通過試驗研究激勵參數對極間空氣誘導速度的影響規律,可以得到以下結論：

(1)采用針式電極-管式箔極電極對獲得了較高的極間空氣誘導速度;

(2)保持其他參數不變,在電極對未發生電弧放電的情況下,靜止空氣加速速度隨著激勵電壓的增加而逐漸提高;

(3)在固定其他參數不變的情況下,當電極間距小于某臨界值時,電極發生電弧放電,空氣誘導速度急劇減小;當大于某臨界值時,隨著電極間距的增加,空氣加速速度減小;

(4)研究多組電極型式,在相同的激勵條件下,兩組電極接力加速時,第1組電極對空氣的加速效果有所增強,第2組電極對空氣有加速作用,但是作用有限。

進一步研究需要考慮環境參數,包括溫度、濕度、大氣壓等等對誘導空氣速度的影響。

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