兩種翼型螺旋槳ARA-D和S1223的等離子體增效實驗研究

張立志，李修乾，陳慶亞，聶萬勝，車學科

（1.裝備學院 研究生院；2.裝備學院 航天裝備系：北京101416）

兩種翼型螺旋槳ARA-D和S1223的等離子體增效實驗研究

張立志1，李修乾2，陳慶亞1，聶萬勝2，車學科2

（1.裝備學院 研究生院；2.裝備學院 航天裝備系：北京101416）

文章首先基于雷諾相似理論，在地面螺旋槳實驗平臺上開展ARA-D翼型螺旋槳微秒脈沖等離子體增效三維實驗，結果表明，等離子體對螺旋槳拉力增效效果隨著脈沖頻率增加而減弱，而螺旋槳轉矩受等離子體影響隨拉力增效效果增加而減弱，拉力、效率最大增幅分別達到10.79%、11.56%。而后基于雷諾相似理論及葉素理論，在低湍流度風洞開展 S1223翼型螺旋槳葉素微秒脈沖等離子體增效二維實驗，結果表明等離子體激勵提高了翼型各葉素拉力，其中根部與尖部葉素表現尤為明顯。二維實驗結果可為三維實驗激勵器展向排布方案提供理論依據。2種實驗結果均表明，等離子體射流可以有效抑制翼型表面流動分離。

螺旋槳；等離子體；葉素理論；流動控制；邊界層分離

0 引言

臨近空間是指距地面20～100km的空域，在電子對抗、情報收集、通信保障、近地觀測等方面有巨大的應用潛力。以螺旋槳為推進力的平流層飛艇是低動態平流層飛行器的代表，其具有結構相對簡單、滯空時間長、載荷能力大、飛行高度高等特點，空間優勢明顯。由于平流層大氣環境雷諾數低，使得葉素翼型的升阻比較低，螺旋槳效率也得不到保證。表面介質阻擋放電（surface dielectric barrier discharge, SDBD）的等離子體流動控制是一項基于等離子體氣動激勵的新技術，近些年得到了廣泛關注并已經被應用于改善飛行器氣動性能[1]。等離子體流動控制具有質量小、無活動部件、響應速度快等優點[2-3]。有研究表明，在平流層稀薄的大氣環境下，空氣擊穿效果更佳[4]。

為充分利用平流層環境，程鈺鋒等人[5]運用數值方法，通過比較8種翼型不同攻角和不同速度下升阻比大小和氣動穩定性，最終選取 SD8000-PT為合適的平流層螺旋槳翼型。國防科技大學雷光新等人[6]通過分析葉素效率確定設計參數的取值范圍，提出平流層飛艇螺旋槳的初步設計流程，并優化設計方法，使螺旋槳效率得到了提高。針對SDBD等離子體流動控制在改善旋轉翼型性能方面，Corke等的研究[7]表明SDBD等離子體對于風力機翼型和渦輪葉柵流場流動分離的抑制方面有很好的效果；Visbal等人[8-9]針對NACA0015翼型利用唯象學模型研究了激勵器不同工作模式下等離子體對邊界層的影響，并考察了等離子體控制湍流分離的能力；程鈺鋒等人[10]通過仿真，研究了基于二維流場的2種SDBD激勵器布置方案對Eppler387翼型螺旋槳根部處于負攻角工況下葉素氣動性能的改善效果。

目前采用實驗方法研究平流層螺旋槳的公開文獻少之又少，因為開展平流層螺旋槳實驗主要有地面低密度風洞和高空飛行器實物搭載等方法，雖然此類實驗精度較好，但是成本太高不容易實現。因此，運用地面實驗平臺對平流層螺旋槳等離子體流動控制進行定量評估，便成為一種可行性較高的方法。中國航天空氣動力技術研究院李喜樂等人[11]通過車載螺旋槳實驗平臺對臨近空間螺旋槳進行了地面模擬實驗并取得了較好的效果，進一步驗證了地面螺旋槳平臺實驗的可行性。

本文首先利用裝備學院的螺旋槳等離子體流動控制地面實驗平臺，采用微秒脈沖等離子體激勵的實驗來研究等離子體對螺旋槳三維流動控制以及氣動性能提高的效果。其次在車學科等人[12]地面模擬高空等離子體對流動控制研究的基礎上，基于螺旋槳葉素理論和雷諾相似理論，運用裝備學院低湍流度風洞進行等離子體流動控制增效的二維實驗，以對地面平臺實驗進行驗證補充。

1 實驗方案

1.1 螺旋槳平臺實驗方案

螺旋槳平臺實驗方案是基于臨近空間螺旋槳試驗相似準則進行設計的[12]。螺旋槳選用在低雷諾數下升力特性良好的雙槳葉ARA-D翼型，槳徑為2 m，槳轂旋轉直徑為0.24 m，采用環氧樹脂高溫成型而成。螺旋槳平臺實驗采用高壓導線和碳刷滑環將高頻高壓電源與槳葉上的激勵電極組相連接。每個槳葉上鋪設3組電極，每組包含1個暴露電極和1個植入電極，其寬度分別為5 mm和10 mm，長度均為600 mm，2個電極的橫向間隙為0 mm[13]。阻擋層采用3層Kapton膠帶。3組電極分別布置于槳葉表面，距離前緣10%、30%、50%弦長處。實驗平臺實物如圖1所示，構成如圖2所示。

螺旋槳轉速為300 r/min。激勵器采用脈沖工作模式，載波頻率6 kHz，電壓峰峰值為8.5 kV，脈沖頻率10～160 Hz。用JN-338型轉速轉矩測量儀測量轉速、轉矩，用 TS-5B智能測試儀采集拉力數據。為減小周期性誤差，重復取樣600次，以均值作為測量結果。

1.2 葉素實驗（二維實驗）方案

二維實驗方案是基于平流層螺旋槳地面實驗原理與葉素理論進行設計的[12]。SDBD等離子體葉素增效實驗依托裝備學院低湍流度風洞進行，實驗模型選取由環氧樹脂加工而成的S1223翼型，弦長200 mm，展長790 mm。實驗用激勵器的上、下兩電極長度均為500 mm，重合長度230 mm，電極間隙0 mm。在上表面距離前緣5 mm和下表面距離后緣5 mm處各布置1個激勵器，采用并聯連接以保證工作同步性。其中前緣激勵器植入電極處于暴露電極之后，后緣激勵器植入電極處于暴露電極之前，即來流方向為由前緣吹向后緣，前緣激勵器誘導射流與來流方向相同，后緣激勵器則反之[14]。

S1223翼型及激勵器布置見圖3。

實驗中模擬螺旋槳的轉速300 r/min，分別選取頻率為10、40、80、120 Hz時的葉素拉力進行比較。

1.3 高頻高壓電源與測量設備

螺旋槳平臺實驗與二維實驗中的SDBD等離子體激勵器電源均采用 HFHV30-1高頻高壓交流電源，輸出電壓±15 kV，輸出頻率1～50 kHz。螺旋槳平臺實驗用Agilent N2771B高壓探頭測量電壓，采用Pearson 6595電流線圈測量電流，測量結果使用Agilent DSO-X 3024A示波器進行顯示和記錄[12]。

2 實驗結果及分析

2.1 螺旋槳平臺實驗結果及分析

圖4所示為轉速300 r/min時，在SDBD等離子體作用下，10～160 Hz不同脈沖頻率下螺旋槳拉力、轉矩、效率的變化情況。

由圖4(a)可知，激勵器開啟對拉力產生了較大影響，證明等離子體氣動激勵影響了螺旋槳三維流場。未開啟激勵器時，拉力為69.440 N；當開啟激勵器時，拉力顯著提高，并于激勵器脈沖頻率為10 Hz時達到最大值76.950 N，相比未施加等離子體激勵時增加了 10.79%；在脈沖頻率不斷增大的過程中，拉力的增幅整體呈減小的趨勢，并伴有局部振蕩，這可能是由空氣阻力造成螺旋槳各個葉素表面拉力不穩定，產生沿槳葉方向微小力矩作用，積累后引起整體拉力脈動。脈沖頻率160 Hz時，拉力變為69.760 N，相比未施加等離子體激勵時增加了0.43%。由此可以看出，等離子體氣動激勵提高了螺旋槳拉力；而激勵效果隨脈沖頻率的增加而逐漸減弱，而在脈沖頻率較低時可能存在一個最佳脈沖頻率（本文中最佳頻率為10 Hz）。

由圖4(b)中螺旋槳轉矩隨脈沖頻率變化的曲線可以看出，隨著脈沖頻率的增大，轉矩呈無規則跳動。其原因可能是由于螺旋槳前緣與后緣的壓差阻力受外界環境的影響較大，流場周圍空氣流動對前、后緣壓差阻力造成了不規則的干擾；此外，槳葉上、下表面的摩擦阻力也是很重要的影響因素。從另一個角度看，除脈沖頻率20 Hz以外，其余各點較未施加等離子體激勵時脈沖頻率均有減小，最大幅度出現在160 Hz處，幅度為1.25%；最小為50 Hz處，幅度為0.04%。雖然轉矩隨脈沖頻率增加呈不規則振蕩，但由幾個振蕩的極低點（分別對應10、40、90、160 Hz）不難推測，螺旋槳拉力增效效果與轉矩控制效果呈負相關，即拉力增效明顯時，對于轉矩的控制能力便會減弱，反之亦然。

圖4(c)為螺旋槳效率隨脈沖頻率變化，可以看出開啟激勵器后每一個脈沖頻率下效率相比未施加等離子體激勵時都有所提高。效率同時受拉力和功率的影響，盡管功率呈不規則跳動，但拉力增效效果更加明顯，因此效率改善效果整體上隨脈沖頻率增大而減弱，過程中伴有小幅振蕩。其中效率增幅最高值出現在10 Hz處，達到了11.56%；最低值出現于150 Hz處，為1.64%。

2.2 二維實驗的結果及分析

風洞等離子增效實驗模擬螺旋槳轉速為300 r/min，激勵器開啟，設定占空比為10%，脈沖頻率分別為10、40、80、120 Hz時翼型各個相對半徑處的拉力值如圖5所示，其中黑色線為非激勵狀態。

由圖5可知，開啟等離子激勵器后，螺旋槳各個葉素拉力均有不同程度的提高，表明等離子體氣動激勵顯著改變了S1223翼型的二維流場。其中相對半徑r/R在0.3～0.55范圍內時，拉力增效明顯，最大增幅出現在r/R=0.45處，其中脈沖頻率為40 Hz時拉力增幅達到12.339 N；r/R在0.9～0.975范圍內，拉力增效大體呈增強趨勢，并于r/R=0.95處達到最大，其中脈沖頻率為80 Hz時增幅達到16.453 N；整個實驗中拉力最大增加了 40.94%。可見等離子體氣動激勵有效改變了翼型周圍的流場，改善了翼型氣動性能。增效效果突出在槳根與槳尖，分析其原因為：槳根處于較大攻角條件下，而槳尖存在較大誘導阻力作用且表面積較小，它們的表面雷諾數較小；相對于中間部位，槳根與槳尖局部流場的流動分離狀況更加明顯，氣動效率較低，可優化的空間較中間部位更大。二維實驗的結果可以為三維實驗的激勵器展向排布提供支持。從實驗數據中還發現，在r/R=0.55以及0.9附近拉力出現了降低的情況，其中最大降幅為-2.570 N，相比未施加等離子體激勵時降低4.4%；最小降幅為0.034%。分析其原因可能是空氣阻力干擾造成實驗結果不穩定，有待于進一步探究。

不同脈沖頻率下，r/R=0.3～0.35附近，槳根端低頻脈沖激勵效果稍高于高頻，翼型其余部分均為高頻脈沖激勵效果稍好于低頻，但二者差別并不明顯。三維實驗中螺旋槳拉力隨脈沖頻率變化大體呈線性規律，但在二維實驗中沒有體現，可能是由于三維實驗中螺旋槳存在表面展向速度以及翼尖誘導速度，這些速度之間或存在某種耦合關系。

3 結論

1）運用低湍流度風洞進行S1223翼型等離子體二維增效實驗，基于葉素理論與雷諾相似理論研究了 S1223翼型螺旋槳在低雷諾數環境下的工作特性。結果表明：SDBD等離子體激勵優化了S1223翼型二維流場，提高了翼型氣動性能，其中拉力最大提高40.94%；槳根與槳尖處拉力提高幅度較大，中間部位激勵效果不明顯。二維實驗結果可為三維實驗中激勵器展向排布方案提供理論依據。

2）基于翼型雷諾相似以及等離子體射流雷諾相似理論，運用地面螺旋槳實驗平臺進行了等離子體增效三維實驗，模擬ARA-D翼型螺旋槳在平流層低雷諾數環境下的工作狀況。結果表明，拉力增幅最大達 10.79%，最小 0.43%；效率增幅最大達11.56%，最小1.64%；等離子體激勵效果隨脈沖頻率的增加而逐漸減弱，在脈沖頻率較低時可能存在一個最佳脈沖頻率，本文中最佳脈沖頻率為10 Hz。

3）2種實驗都證明了等離子體射流可以抑制翼型表面流動分離，改善翼型表面流場，提高螺旋槳的工作效率。

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（編輯：肖福根）

Experimental study of the enhancement of plasma flow control of ARA-D and S1223 propeller airfoils

ZHANG Lizhi1, LI Xiuqian2, CHEN Qingya1, NIE Wansheng2, CHE Xueke2
(1.Graduate School, The Academy of Equipment; 2.Department of Space Equipment, The Academy of Equipment: Beijing 101416, China)

Based on the Reynolds-Similarity Theory, an experiment is carried out for the ARA-D propeller airfoil to study the microsecond pulse plasma flow control supported by the ground test platform for the propeller.It is found that the synergy of the thrust decreases with the increase of the actuation frequency.The thrust increases by 10.79% and the efficiency increases by 11.56%.Based on the Reynolds-Similarity Theory and the Blade Element Theory, an experiment is carried out for the S1223 propeller airfoil to study the enhancement performance of the microsecond pulse plasma flow control supported by the low-turbulence wind tunnel.It is found that the plasma actuation improves the thrust of the blade elements, especially in the root and the tip, and the result provides a theoretical basis for the actuator distribution in the span direction in ARA-D experiments.The results of both experiments show that the plasma jet restrains the boundary layer separation on the airfoil surface effectively.

propeller; plasma; blade element theory; flow control; boundary layer separation

P354.4

：A

：1673-1379(2017)01-0081-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.013

張立志（1992—），男，碩士研究生，研究方向為等離子體流動控制技術；E-mail: zlzsaysffndm@163.com。指導教師：李修乾（1977—），男，副研究員，研究方向為航天推進與流動控制。

2016-10-14；

：2017-01-13

國家自然科學基金項目（編號：11205244）；“高分”專項青年創新基金項目（編號：GFZX04060103-5）

張立志,李修乾,陳慶亞,等.兩種翼型螺旋槳ARA-D和S1223的等離子體增效實驗研究[J].航天器環境工程, 2017, 34(1): 81-85

ZHANG L Z, LI X Q, CHEN Q Y, et al.Experimental study of the enhancement of plasma flow control of ARA-D and S1223 propeller airfoils[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 81-85