兩電極等離子體高能合成射流流場及其沖量實驗研究

張 宇，羅振兵，王 澈，王 林，夏智勛

（1.國防科學技術大學航天科學與工程學院，長沙 410073；2.空軍工程大學，西安 710051）

兩電極等離子體高能合成射流流場及其沖量實驗研究

張 宇1，羅振兵1，王 澈2，王 林1，夏智勛1

（1.國防科學技術大學航天科學與工程學院，長沙 410073；2.空軍工程大學，西安 710051）

兩電極等離子體高能合成射流激勵器通過腔體內電極間的瞬時電弧放電加熱腔內氣體，在激勵器出口產生壓差并噴出高速射流，從而產生反作用力和沖量。針對兩電極等離子體高能合成射流響應快、持續時間短的特點，設計了單絲扭擺式微沖量測量系統，并結合高速陰影系統，對兩電極等離子體高能合成射流的流場發展過程及其單脈沖沖量特性進行了實驗研究。實驗結果表明，兩電極等離子體高能合成射流響應時間小于10μs，射流持續時間約為1ms，射流前鋒最大速度約為190m／s，射流流場發展過程中存在多道強壓縮波，并以當地聲速向下游傳播。單絲扭擺式微沖量測量系統可實現μN·s量級沖量測量精度，單脈沖沖量約為32μN·s，并且在低頻狀態下射流總沖量隨激勵器放電頻率成線性增加。

等離子體；高能合成射流；微沖量；高速陰影；單絲扭擺

0 引 言

流動控制技術是流體力學研究的前沿和熱點。高效的流動控制方式對于保證飛行器飛行安全性、改善飛行器可操作性和提高飛行器推進效率具有重要意義［1］。等離子體激勵器作為一種新型的流動控制方式，以其結構簡單、響應迅速、工作頻帶寬、適應多工況等優點正受到越來越多的關注，有望成為主動流動控制技術的新突破［2］。

目前廣泛研究的等離子體激勵器主要包括介質阻擋放電（DBD）等離子體激勵器［3-4］、直流／準直流電弧放電等離子體激勵器［5-6］和等離子體合成射流激勵器［7］（又稱為火花放電式等離子體激勵器）。DBD放電產生的體積力較小，誘導形成的射流速度較低，主要用于低速流動控制［8］。直流／準直流電弧放電等離子體激勵器通過對放電區域及其附近氣體進行快速加熱實現對高速流的流動控制，但需要較大的功率輸入［5］，能量效率較低。等離子體高能合成射流激勵器最早由美國霍普金斯大學應用物理實驗室在2003年提出［9-10］，德克薩斯大學［11-12］、佛羅里達州立大學［13-14］、法國航天航空研究中心［15］以及國內國防科學技術大學［1-2］、空軍工程大學［16］等單位開展了相關研究。等離子體高能合成射流激勵器具有快響應、無移動部件、質量輕、射流穿透能力強等特點，同時也存在有理論模型不完善、實驗測量難度大、電源系統復雜等亟待解決的問題，是目前等離子體流動控制技術研究的熱點和難點。

典型的等離子體高能合成射流激勵器為兩電極結構。如圖1所示，兩電極等離子體高能合成射流激勵器由一個帶出口孔縫的絕緣腔體和一對電極組成，在兩電極間加脈沖高壓擊穿空氣形成電弧放電，電弧加熱作用使得腔體內氣體的溫度和壓力快速升高，升溫加壓的腔內氣體從出口高速噴出，形成等離子體高能合成射流，之后由于等離子體高速射流的引射導致腔內形成負壓，以及腔內氣體溫度降低，外部氣體重新回填腔體，準備進入下一個工作周期。目前實驗獲得的兩電極等離子體合成射流速度超過100m／s［17-18］，而且通過驅動參數控制，可以方便實現兩電極等離子體高能合成射流激勵器輸出動量大小和工作頻率的改變，滿足高速飛行器不同的控制需求。

圖1 兩電極等離子體高能合成射流激勵器結構及工作過程Fig.1 Schematic andoperation cycle of the two-electrode plasma high energy synthetic jet actuator

鑒于等離子體高能合成射流激勵器對流場的控制能力正比于激勵器所產生射流的動量通量，設計了單絲扭擺式微沖量測量系統［19］，并結合高速陰影系統，對兩電極等離子體高能合成射流的流場發展過程及其單脈沖沖量特性進行研究。

1 實驗系統及測量

1.1 電源系統

兩電極等離子體高能合成射流激勵器驅動電源采用西安交通大學高電壓實驗室研制的KD-1型基于磁壓縮技術的脈沖電源。電源系統通過工頻整流將380V交流動力電調整為直流電，并為放電電容充電。兩電極等離子體高能合成射流激勵器與放電電容相連，當電容兩端電壓達到電極間擊穿電壓時，激勵器工作產生高能合成射流。該電源系統最大輸出電壓為0～10k V，工作頻率為1～50Hz可調，最大輸出能量為10J。

1.2 高速陰影系統

實驗中采用高速激光陰影系統研究兩電極等離子體高能合成射流的流場結構及其發展過程。整個系統由光源、凹面鏡、高速相機與一系列反射鏡組成，整個系統如圖2所示。點光源發出的光線經過擴束鏡投射到凹面鏡，經凹面鏡反射后形成平行光打到平面鏡上，由平面鏡反射經過實驗段后由另一側平面鏡接收并反射，再通過凹面鏡反射匯聚后進入相機。陰影測量是一種非接觸式測量，對流場沒有影響。相對于紋影技術，陰影技術對于具有較大密度梯度變化的強激波結構具有很好的顯示效果，在超聲速流動實驗中，常被用來確定激波的形狀和位置。對于本實驗中由強烈電弧加熱產生的等離子體高能合成射流，密度場變化劇烈，并伴隨有較強壓縮激波結構，陰影技術能夠得到全面的流場發展變化信息。

圖2 高速陰影觀測示意圖Fig.2 Sketch of the high-speed shadowgraphy

實驗中采用半導體激光器產生連續激光，出光直徑1mm，輸出波長532nm，最大輸出功率100m W。采用激光光源一方面可以使光源強度足夠大，減小相機曝光時間以提高時間分辨率，另一方面，可以濾除環境光線的干擾。

系統中采用的高速相機為Photron Fastcam SA-1.1高速彩色數字攝影儀，該攝影儀采用高靈敏度CMOS非增強型圖像傳感器，主機最大容量8GB，1024pixel×1024pixel圖像的拍攝速率可達5400fps，其最高拍攝速率可達1×106fps，最短曝光時間達1／（2.73×106）s，具有很高的時間分辨率。這對于觀察快速發展的等離子體高能合成射流是至關重要的。相機拍攝由激勵器放電電壓下降沿觸發，保證激勵器放電與相機拍攝的同步性。

1.3 單絲扭擺式微沖量測量系統

為研究兩電極等離子體合成射流的沖量特性，設計了單絲扭擺式微沖量測量系統［19］，能夠實現μN·s量級微沖量測量精度。單絲扭擺式微沖量測量裝置結構如圖3所示，扭絲兩端固定于扭擺架，中部連接扭擺桿，平面鏡貼于扭絲中部的扭擺桿上。激勵器工作產生噴流反作用力直接作用于扭擺桿，導致扭擺桿發生偏轉，激光器發射光線經平面鏡反射后在標尺上產生位移，并由高速相機記錄。

圖3 單絲扭擺式微沖量測量裝置結構圖Fig.3 Structure of the single line torsion pendulum

兩電極等離子體高能合成射流持續時間約為1ms，遠小于扭擺振動周期，故建立不考慮力參數的微沖量計算方法［20］：

式中：I—單脈沖沖量；J—系統轉動慣量；wn—無阻尼固有頻率；R—射流中心距扭絲的距離；ξ—系統阻尼系數；wd—有阻尼固有頻率；θmax—扭擺最大扭轉角。可見測量的單脈沖沖量I與扭擺在單脈沖作用后的最大偏轉角θmax成正比，本文利用垂直撞擊激勵器噴口中心的已知沖量I0，及扭擺最大偏轉角θ0，得到兩電極等離子體高能合成射流激勵器單脈沖沖量計算公式：

該公式結構簡單、計算方便且計算精度高，避免了扭擺系統轉動慣量J、阻尼系數ξ、振動周期T等參數的測量，減少誤差源項。式中θmax可由激光光斑在標尺上移動最大位移Smax計算得出。標尺擺放與平面鏡反射光線垂直，標尺與光線在平面鏡反射點的距離為L，如圖4所示。故得扭擺最大偏轉角計算公式：

將公式（3）代入公式（2）中可得兩電極等離子體高能合成射流激勵器單脈沖沖量計算公式：

圖4 單絲扭擺微沖量測量示意圖Fig.4 Sketch of the single linetorsion pendulum for micro-impulse measurement

單絲扭擺式微沖量測量系統誤差由3部分組成：標定誤差、計算方法誤差和實驗測量誤差。標定誤差是由力錘的精度以及敲擊位置偏移射流中心造成的；計算方法誤差是由于高能合成射流瞬間作用單絲扭擺的假設造成的；實驗測量誤差是由于環境振動以及氣流擾動造成的。單個工況下，進行多次重復實驗以減小微沖量測量誤差。結果表明，兩電極等離子體高能合成射流單脈沖沖量測量誤差約為2%。

2 實驗結果與分析

2.1 高能合成射流流場結構分析

采用高速陰影系統獲取了從放電開始的兩電極等離子體高能合成射流流場發展演變過程，圖5為放電發生后100μs等離子體高能合成射流典型流場結構，實驗條件為：電極間距3mm，激勵器腔體體積1750mm3，腔體孔徑3mm，放電頻率1Hz，激勵器工作環境壓強1標準大氣壓。為減小激勵器工作過程中電極的電弧燒蝕，電極選用直徑1mm的鎢棒。由圖5可見兩電極等離子體高能合成射流呈蘑菇狀結構發展，在射流前緣上方有一道呈球對稱型的被稱之為前驅激波的壓縮波，同時發現流場中還有多道壓縮波。圖5中射流結構中沒有馬赫盤的存在，這表明射流為亞聲速流動。

圖5 放電開始后100μs典型的等離子體高能合成射流流場Fig.5 The typical configuration of the plasma high energy synthetic jet att=100μs after the start of the discharge

圖6為放電開始以后的兩電極等離子體高能合成射流流場發展過程，相鄰2幅圖的時間間隔為12.5μs。當t=12.5μs時，激勵器出口處已有明顯的射流出現，前驅激波已經離開激勵器出口，這表明兩電極等離子體高能合成射流響應非常快。當t=25μs時，射流流場呈現出明顯的渦環結構，且流場中出現第2道強度相當的壓縮波，而流場中所形成的第1道前驅激波強度變弱；當t=50μs時，流場中出現第3道強度相當的壓縮波；當t=87.5μs時，流場中出現第4道壓縮波，但強度明顯弱于前3道壓縮波。圖6還顯示隨著時間的推移，前驅激波和射流前鋒間的距離在增大，表明射流速度低于前驅激波速度（聲速）。

圖6 等離子體高能合成射流流場發展過程Fig.6 Shadowgraph images of the plasma synthetic jet captured at specific time steps

圖7（a）為兩電極等離子體高能合成射流前驅激波與射流前鋒距激勵器出口距離隨時間的變化曲線。由圖可知3道壓縮波隨時間依次產生并發展，至激勵器出口的距離與時間幾乎成正比，且3道壓縮波之間的距離幾乎不隨時間變化，曲線斜率相同，即3道壓縮波的傳播速度基本一致。由此可以判斷在射流噴出過程中，前驅激波以相同的速度向下游傳播。射流前鋒至激勵器出口的距離則呈先快后慢的增長趨勢，曲線斜率先增后降，即射流速度先增后降。這是由于射流噴出初始階段，激勵器腔體內壓強高于環境壓強，射流加速噴出，射流前鋒速度增加；隨著射流的噴出，激勵器腔體內壓強降低，射流向下游發展耗散，射流前鋒速度降低。依據圖7（a）射流前鋒曲線，還可推測出兩電極等離子體高能合成射流響應時間小于10μs。圖7（b）為根據圖7（a）所推算的前驅激波和射流前鋒速度。通過計算可得前驅激波速度約為343m／s，這一速度即是當地聲速，因此前驅激波就是一道以當地聲速傳播的壓縮波。射流前鋒速度先增后降，射流前鋒最大速度約為190m／s。

圖7 射流前鋒及前驅激波距離出口的距離及其速度隨時間的變化Fig.7 Trajectory and velocity of the plasma synthetic jet shocks and front jet

2.2 高能合成射流激勵器單脈沖沖量測量結果分析

圖8 力錘作用曲線Fig.8 The typical force curve of hammer

表1 單脈沖沖量測量結果Table 1 The measurement results of the single pulse impulse

本文還研究了激勵器放電頻率對射流沖量的影響。實驗測得射流總沖量隨放電頻率的變化，以及放電頻率分別為5、10、20、30和50Hz時激勵器的單脈沖射流沖量，如圖9所示。激勵器單脈沖射流沖量定義如式，I′為激勵器單脈沖射流沖量，It為單位時間內激勵器產生的射流總沖量，C為單位時間內激勵器放電次數。兩電極等離子體高能合成射流總沖量隨激勵器放電次數成線性增加。表明在低頻狀態下，激勵器工作穩定，射流流場持續時間短，相鄰放電脈沖間射流流場影響微弱，不會造成射流沖量的損失。激勵器單脈沖射流沖量隨放電頻率增加，這是由于激勵器放電頻率增加，相鄰放電脈沖時間間隔降低，激勵器放電對腔內氣體的加熱效應影響下一次放電，從而增加腔內氣體溫度，增大射流沖量。為驗證該結論，在激勵器放電頻率為50Hz條件下，繪得激勵器單脈沖射流沖量隨放電次數的變化曲線，如圖10所示。單脈沖射流沖量隨放電次數線性增加，這是由于放電次數增加，對激勵器腔內氣體的加熱效應積累，射流總沖量增大，從而計算得激勵器單脈沖射流沖量增大。

圖9 射流總沖量和單脈沖射流沖量隨放電頻率的變化Fig.9 Variation of the total impulse and singlepulse impulse with increasing frequency

圖10 激勵器單脈沖射流沖量隨放電次數的變化Fig.10 Variation of the single-pulse impulse with the number of discharge times

圖9中激勵器單脈沖射流沖量增長速率隨放電頻率降低，表明激勵器單脈沖射流沖量并不會隨放電頻率的增加而無限增長。文獻［21］數值計算結果表明兩電極等離子體高能合成射流激勵器工作存在飽和頻率，超過該頻率會出現相鄰脈沖射流周期的重疊，導致腔體內放電的“啞火”；文獻［18］實驗結果表明，當激勵器放電頻率超到5k Hz，則由于激勵器得不到有效吸氣復原而導致放電“啞火”。下一步工作將對更高放電頻率的激勵器沖量進行實驗測量，以研究高頻狀態下激勵器放電頻率對射流沖量的影響規律，并獲得最大射流沖量放電頻率，為工程應用提供參考依據。

3 結 論

設計了單絲扭擺式微沖量測量系統，并結合高速陰影系統，對兩電極等離子體高能合成射流的流場發展過程及其沖量特性進行了實驗研究，主要結論如下：

（1）兩電極等離子體高能合成射流響應非常迅速，時間小于10μs。

（2）兩電極等離子體高能合成射流流場中存在多道以聲速傳播的壓縮波。

（3）兩電極等離子體高能合成射流流場發展過程表明，激勵器工作后首先產生前驅激波，隨后高能合成射流噴出，前驅激波以當地聲速向下游運動，約為343m／s，高能合成射流前鋒速度先增后減，本實驗條件下射流前鋒最大速度約為190m／s。

（4）本實驗條件下兩電極等離子體高能合成射流激勵器單脈沖沖量約為32μN·s，在低頻狀態下，射流總沖量隨放電頻率成線性增長，同時激勵器單脈沖射流沖量增加。

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Experimental study on the flow field and impulse of a two-electrode plasma high energy synthetic jet

Zhang Yu1，Luo Zhenbing1，Wang Che2，Wang Lin1，Xia Zhixun1
（1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The gas inside the cavity of the two-electrode plasma high energy synthetic jet actuator is electrothermally heated by the transient discharge of electric arc，that leads to a rapid increase in pressure within the cavity.This high-pressure gas ejects through the orifice and forms the high-speed jet.Considering the fast response character of the high energy synthetic jet，a single line torsion pendulum system for the impulse measurement is designed.Combined with the high-speed shadowgraphy，the development of the flow field and the impulse of the plasma jet are experimentally studied.The results show that the response time of the two-electrode plasma high energy synthetic jet is less than 10μs，and the duration time of the single-pulse jet is about 1ms.The maximum velocity of the jet front is about 190m／s，and there are shocks spreading at the speed of sound.The measurement accuracy of the single line torsion pendulum system isμN·s.The impulse of the two-electrode plasma high energy synthetic jet actuator is about 32μN·s.The total impulse increases linearly with the discharge frequency when the discharge frequency is low.

plasma；high energy synthetic jet；micro-impulse；high speed shadowgraph；single line torsion pendulum

V211.1

：A

1672-9897（2014）06-0039-06doi：10.11729／syltlx20140054

（編輯：李金勇）

2014-05-07；

：2014-06-25

國家自然科學基金（11372349）；全國優秀博士論文作者專項資金（201058）

羅振兵，E-mail：luozhenbing＠163.com

ZhangY，LuoZB，WangC，etal.Experimentalstudyonflowfieldandimpulseofatwo-electrodeplasmahighenergysyntheticjet.

JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（6）：39-44.張 宇，羅振兵，王 澈，等.兩電極等離子體高能合成射流流場及其沖量實驗研究.實驗流體力學，2014，28（6）：39-44.

張 宇（1990-），男，吉林長春人，碩士研究生。研究方向：等離子體高能合成射流。通信地址：湖南省長沙市開福區德雅路109號，國防科學技術大學航天科學與工程學院（410073）。E-mail：zhangyuenglish＠163.com