亞大氣壓六相交流電弧等離子體射流特性研究:實驗測量?

郭恒 蘇運波 李和平 曾實 聶秋月 李占賢 李志輝

1)(清華大學工程物理系,北京 100084)

2)(華北理工大學機械工程學院,唐山 063500)

3)(哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院,哈爾濱 150001)

4)(中國空氣動力研究與發展中心超高速所,綿陽 621000)

5)(國家計算流體力學實驗室,北京 100191)

1 引 言

距海平面20—100 km的臨近空間區域是人類航空與航天活動的過渡區域,該區域內相對稀薄的大氣環境有效減小了飛行器所受的空氣阻力,使得飛行器容易實現高超聲速飛行,具有廣闊的商業和軍事應用前景.但同時,臨近空間飛行器在高超聲速飛行過程中也面臨著復雜介質環境的強烈影響,特別是其表面激波熱致高密度、強碰撞、非均勻和非平衡(包括熱力學和化學非平衡效應)等離子體的產生[1,2].一方面,能量的注入和等離子體的存在使得飛行器周圍局部區域的當地聲速增加,邊界層特性(如局部流場和壓力場的空間分布、當地馬赫數的變化以及邊界層分離特性等)與常溫空氣相比將發生顯著變化,從而導致飛行器飛行阻力的變化[3];另一方面,包覆飛行器表面的等離子體鞘套環境對電磁波的吸收、散射和折射,會引發“黑障”效應[4?6],從而影響飛行器的通信和控制系統.因此,開展高超聲速飛行器與其周圍復雜介質環境間相互作用機理的研究對于指導飛行器的設計具有重要意義.

目前,有關飛行器特性的研究主要采用飛行試驗、地面風洞實驗和數值模擬方法.飛行試驗是直接對飛行器在空間飛行過程中的關鍵參數進行在線診斷,包括美國的無線傳輸衰減測量(Radio At-tenuation Measurements,RAM)、日本的超高速飛行試驗(Hypersonic Flight Experiment,HYFLEX)以及俄羅斯(前蘇聯)的載人航空航天器(Manned Aero-Space Vehicle,VKA)等飛行試驗項目[7?11].但這種方法代價高昂,且在這種極端條件下的實驗診斷手段也比較匱乏,一般通過探針或者電磁波測量飛行器壁面附近等離子體鞘套的電子數密度.因此,測量數據,特別是公開發表的實驗數據十分有限.自20世紀60年代以來,地面模擬就成了研究空間飛行器與其周圍環境相互作用過程的重要手段之一.其中,用來產生復雜介質環境的模擬設備主要為風洞(如等離子體風洞、激波風洞等)和能夠引出高速、強束流的等離子體發生器[12?14].此類大型地面模擬裝置的建設和維護成本,特別是大型風洞的建設費用和運行成本也同樣非常昂貴,開展大量重復性的實驗仍然具有一定的困難.近年來,隨著氣體放電理論和等離子體源技術的不斷發展,涌現出了不少小規模實驗室模擬裝置,比如螺旋波等離子體源、電弧等離子體源、輝光放電、電感／電容耦合放電等離子體源等模擬裝置[15?18].盡管這些等離子體源的產生方式和產生條件與飛行器實際飛行過程中強激波所產生的等離子體環境并不完全相同,但從模擬飛行器與其周圍復雜介質環境在某些方面的相互作用過程,如“黑障”中等離子體-波相互作用過程的研究依然是十分有意義的.

從臨近空間飛行器“黑障”問題研究的需求來看,需要在地面模擬實驗中產生具有足夠大體積(如有效試驗區長度L3=30—50 cm)、足夠厚(如鞘套厚度δ=5—10 cm)以及足夠高的等離子體密度(如電子數密度ne=108—1012cm?3)的包覆飛行器表面的等離子體鞘套環境(如圖1所示),進而能夠研究等離子體鞘套特性及其與入射電磁波間的相互作用規律.在大氣壓或亞大氣壓條件下,盡管熱等離子體的電子數密度相對輝光放電要高得多,但產生大體積、穩定的電弧等離子體通常十分困難,例如在等離子體材料處理應用中所產生的直流電弧放電等離子體射流盡管在層流條件下其射流的長度可以達到1 m量級[19],但其徑向尺寸通常在1 cm量級或更小[20?23];采用電感耦合方式所產生的放電等離子體的直徑盡管相對直流放電要大得多,但也往往限于幾個厘米之內[20,24],很難產生更大直徑的等離子體射流.日本的Watanabe教授研究組[25,26]在進行玻璃粉末的熱等離子體球化處理時提出了采用多相交流電弧放電裝置產生直徑可達10 cm、厚度可達15 cm的片狀高溫等離子體放電區.這種放電裝置從電極結構的設計上解決了在大氣壓或亞大氣壓條件下產生大直徑電弧放電等離子體的問題,但依然無法產生用于模擬包覆飛行器表面的、具有足夠長度的大體積等離子體環境.在本研究中,我們將雙射流直流電弧放電等離子體發生器的設計理念[27]與上述多相交流電弧放電等離子體發生器的設計理念[25,26]相結合,建立了能夠在大氣壓和亞大氣壓條件下放電的六相交流電弧等離子體實驗平臺,產生了大體積等離子體電弧射流,并研究了不同工作參數對等離子體射流特性的影響規律,為下一步開展臨近空間高超聲速飛行器以及航天器再入大氣環境飛行過程中“黑障”問題的研究準備了良好的條件.

圖1 包覆飛行器的等離子體鞘套示意圖Fig.1.Schematic of the plasma layer surrounding an aerocraft.

2 實驗平臺介紹

2.1 物理設計的基本思路

在大氣壓及亞大氣壓條件下產生包覆飛行器的大體積等離子體鞘套,必須產生大體積的非平衡態等離子體.而在中高氣壓條件下,由于氣體的臨界擊穿場強較大(如在大氣壓條件下該值通常在105—106V/m量級[28]),等離子體發生器的特征尺度(此處以發生器電極間距表征)較小(通常在毫米—厘米量級),導致很難產生大體積(如本研究中所需要的直徑在10—20 cm、長度在30—50 cm以上)的非平衡等離子體射流.研究中我們提出以文獻[25,26]所報道的多相交流電弧放電等離子體源為原型(如圖2(a)所示),結合雙射流直流電弧等離子體發生器的設計理念(如圖2(b)所示)[27],通過增加電極區水冷約束管和電極上游冷氣體注入噴嘴(如圖2(c)所示)獲得大體積等離子體射流.

圖2 新型六相交流電弧放電等離子體射流源設計思路示意圖 (a)文獻[25,26]中的電弧等離子體源;(b)多射流直流電弧等離子體源;(c)本文提出的新型電弧等離子體源Fig.2.Schematics for the design of the new type sixphase arc discharge plasma jet source:(a)Plasma source presented in Refs.[25,26];(b)multi-jet direct current arc plasma source;(c)new type plasma source proposed in this study.

具體的物理設計思路是如下.

1)采用文獻[25,26]所報道的多相交流電弧放電等離子體源獲得較大的放電區直徑.當采用如圖2(a)所示的多電極、多相放電發生器結構設計時,一方面,在保持相鄰電極間的距離為厘米量級的同時,可以使得所有電極所形成的放電區直徑隨著電極數目的增加而顯著增加,通常可以達到數十厘米量級;而另一方面,由于采用了多相交流電源驅動放電,不僅避免了單相交流放電時電流過零所造成的熄弧問題,而且可以通過設計不同的電極放電時序來調整放電所形成的高溫區位置[26].如圖2(a)所示,當采用相鄰電極順序放電的連接方式時,將形成類似環狀的等離子體高溫區,這有利于在鈍體表面形成具有一定厚度的等離子體鞘套.

2)盡管采用如圖2(a)所示的等離子體發生器結構設計可以獲得具有較大放電區直徑的等離子體,但弧柱區的高溫部分電離氣體在發生器幾何軸線方向均勻膨脹,無法獲得長等離子體射流,所形成的等離子體區厚度較小.為此,Yao等[25]提出將12個電極分成兩組,分兩層進行布置,通過調整層間距(給定的層間距為15 cm)從而在放電區獲得具有一定厚度的等離子體,但該方法依然無法在電極區下游的射流區形成長而穩定的等離子體射流.為此,我們借鑒雙射流直流電弧等離子體發生器的設計思路,即將電極幾何軸線與發生器幾何軸線間的夾角由圖2(a)的90°變為40°,從而通過電極尖下游區等離子體射流的相互作用形成具有一定長度的、總體上沿發生器幾何軸線流動的高溫等離子體射流(如圖2(b)所示)[29].

3)為了進一步約束放電區高溫部分電離氣體的自由膨脹,我們在圖2(b)的基礎上增加水冷約束管和電極平面上游的冷氣體注入噴嘴.如圖2(c)所示,增加上述部件后,不僅約束了高溫電弧等離子體的自由膨脹,而且通過電極平面上游冷氣體的注入,使得更多的冷氣體被電弧加熱后沿發生器幾何軸線向電極平面的下游流動,從而在保證放電區直徑基本不變的情況下有利于形成更長的等離子體射流[27].

2.2 六相交流電弧放電等離子體實驗平臺

圖3 MPX-2015 (a)示意圖;(b)實物照片Fig.3.Schematic(a)and picture(b)of MPX-2015.

按照上述設計思路,我們設計了多相交流電弧等離子體實驗平臺(multiphase gas discharge plasma experimental platform-2015,MPX-2015).圖3(a)和圖3(b)分別為該實驗平臺的示意圖和實物圖,包括真空腔體及其內部的等離子體發生器、電源系統和控制系統.實驗平臺總長1.7 m,總高約2 m.真空腔由兩段組成,其中前段真空腔側壁安裝有6個伺服電動缸,每個電動缸帶動一個電極做直線運動;前段真空腔的內部安裝有一個內徑為100 mm、采用水冷結構的約束管,主要起到對等離子體射流的約束作用.該約束管為不銹鋼材料,亦可作為與6個電極相對應的地電極.在前段真空腔的端部中心位置安裝有1個伺服電動缸,用以帶動冷氣體進氣噴嘴做直線運動.后段真空腔采用雙層水冷結構,在其側壁上開有2個長方形觀察窗和2個圓形觀察窗,以及1個連接真空泵的法蘭.2個長方形觀察窗的長度均為380 mm,靠近真空泵法蘭的長方形觀察窗寬70 mm,而該窗口對面的長方形觀察窗的寬度則為130 mm;兩個圓形觀察窗直徑均為150 mm.另外,真空腔底部觀察窗也可以更換為安裝用于固定鈍體的軌道臺架.

MPX-2015的電源系統主要由6個弧焊電源和1個6相隔離變壓器組成,同時也包括了用于非接觸引弧的高頻引弧器和用于抑制變壓器涌流的軟啟動電路.該電源系統以六個單相交流弧焊變壓器為主功率源,采用六相隔離變壓器將三相交流電變換成為具有60°相位差的六相交流電,為六個單相交流弧焊電源供電,并采用如圖4所示的線路連接方式將等離子體發生器的6個電極與6臺單相交流弧焊機連接.放電過程中,相鄰兩個電極間所加交流電壓的相位差為60°;每相電流的波形均為標準正弦波,當其中1相電流過零時,其他5相的電流并不會同時經過零點.于是,盡管當電流過零時電弧會熄滅,但之后電流會持續增大,并依靠其他5相完成自燃,從而保證電弧的持續和一定程度上的穩定.由于在放電過程中沒有中心點,因此,每一電極在充當功率電極的同時也在輪流地充當地電極.在發生器穩定放電的情況下,每相的電流在70—110 A的范圍內變化,兩相之間的工作電壓則維持在24 V左右.

MPX-2015的控制系統由三菱Q系列可編程邏輯控制器(PLC)、三菱伺服電機、觸摸屏和上位機組成.PLC和觸摸屏之間采用RS422數據傳輸協議通訊,PLC和上位機之間則采用RS232數據傳輸協議通訊.在放電過程中,觸摸屏通過PLC主要進行系統的啟動和監控,7個伺服電機分別帶動等離子體發生器的6個電極和1個冷氣體進氣噴嘴運動,并采用2個QD75D4運動控制模塊對7個電機進行定位運動控制.上位機則使用LabVIEW程序,主要用于后續實驗數據的采集.

2.3 等離子體射流關鍵參數的實驗測量方法概述

我們采用發射光譜法來測量等離子體射流區的氣體溫度(Th)、電子激發溫度(Te)和電子數密度(ne)這三個關鍵參數.其中,采用Boltzmann圖法測量了等離子體的電子激發溫度(Te)[30];采用OH(羥基)基團在306—310 nm間的發射光譜測量了氣體的轉動溫度(Trot)[31],并假定Th≈Trot;采用等離子體在380—430 nm間的連續輻射譜測量了電子數密度(ne)[32].根據第1節所述,包覆飛行器表面的等離子體鞘套環境需要有足夠高的電子密度(ne=108—1012cm?3).因此,為了定量確定等離子體射流的尺寸,包括最大射流直徑(d)和射流長度(l),我們以等離子體電子數密度1010cm?3為界限(記為ne,crt),待每次放電穩定之后,通過對等離子體射流進行徑向和軸向二維掃描測量,得到所測電子數密度大于ne,crt的等離子體射流區尺寸.

圖4 MPX-2015電源系統電路連接圖Fig.4.Circuit for the MPX-2015.

3 等離子體自由射流特性的實驗研究

3.1 典型實驗工況下的等離子體自由射流特性

圖5給出了等離子體自由射流形貌(曝光時間texp=50 ms),實驗條件為:氬-氮混合氣體(氮含量10%)作為等離子體工作氣體,總流量(Qtot)為16.0 slpm(其中從每個電極環縫注入的氣體流量(Qe)為1.0 slpm(標準升每分鐘),電極平面上游的冷氣體注入量(Qc)為10.0 slpm)、單相弧電流峰值(I)為80 A,相鄰兩電極間距(le)為40 cm,水冷約束管出口內徑(r1)為2.5 cm,真空腔壓強(p)為1000 Pa.為了便于后續分析,以水冷約束管出口中心作為坐標原點(O),以發生器幾何軸線作為z軸,并將等離子體射流的流動方向定義為z軸正方向,與之相垂直的方向定義為徑向(r軸).從圖5可以看到,從水冷約束管噴出的等離子體射流沿流動方向逐漸擴張.圖6則給出了相同工況下等離子體發生器軸線上z=10.0 cm處的發射光譜.利用這些譜線,可以得到等離子體射流關鍵參數的空間分布規律.

圖5 典型工況下的等離子體自由射流照片Fig.5.Image of the plasma free jet under a typical operating condition.

圖6 發生器軸線上z=10.0 cm處的等離子體發射光譜圖Fig.6.Emission spectrum of the plasma jet at the location z=10.0 cm on the jet axis.

圖7給出了相同工況下實驗測量與采用非平衡等離子體模型計算[33]得到的等離子體自由射流區氣體溫度、電子激發溫度和電子數密度沿發生器幾何軸線的變化規律,其中有關非平衡態等離子體數值模擬物理數學模型的具體介紹可參見文獻[33].可以看到:1)上述三個特征參數(Th,Te和ne)均沿射流流動方向在z=0—50.0 cm的范圍內逐漸降低,實驗測量得到的電子激發溫度和重粒子溫度分別從水冷約束管出口處的7601 K和3600 K降低到了3037 K和1100 K,而電子數密度則從出口處的1.25×1015cm?3下降到了1.1×1011cm?3;數值模擬結果與實驗測量結果在定性的變化趨勢上是完全一致的;在z=50.0 cm處,實驗測量得到電子溫度和重粒子溫度較數值模擬結果分別低22%和26%,實驗測量得到的電子數密度與計算結果相差約18%,這在一定程度上驗證了本文實驗測量結果的可靠性;2)相應地,等離子體射流區電子數密度大于ne,crt(=1010cm?3)的射流直徑亦從水冷約束管出口處的6.0 cm擴大到了11.6 cm(如圖8所示).

圖7 等離子體射流區氣體溫度、電子激發溫度和數密度沿軸線的變化規律Fig.7.Pro files of Th,Teand nealong the geometrical axis of the plasma jet.

圖8 等離子體射流直徑沿軸線的變化規律Fig.8.Variations of the diameter of the plasma jet along the axis.

3.2 主要工作參數對等離子體自由射流特性的影響

為了進一步研究不同放電參數(如真空腔壓強、電極間距、弧電流、等離子體工作氣體流量等)對自由射流特性的影響規律,針對圖5所對應的典型工況設計了如表1所列的16組實驗條件,其中水冷約束管內徑以及從電極平面上游注入的冷氣體量均保持不變,即r1=2.5 cm,Qc=10.0 slpm.

表1 自由射流特性研究實驗工況表Table 1.Operating conditions for the plasma free jets.

圖9和圖10分別給出了對應于表1不同放電工況下的等離子體射流長度和最大直徑.其中,從圖5中O點開始,軸向方向每隔5.0 cm,徑向方向每隔1.0 cm進行等離子體射流光譜空間分布的掃描測量,射流長度和直徑均以電子密度約為ne,crt為邊界得到的最大直徑以及長度定義.實驗測量結果表明:1)真空腔壓強(p)會對等離子體射流尺度產生顯著的影響,隨著壓強的降低,等離子體射流長度與直徑均有所增加;2)在弧電流(I)保持不變的情況下,相鄰兩電極間的距離(le)對放電穩定性有明顯的影響,隨著弧電流的降低,放電穩定性變差;且真空腔壓強越低,這種變化越明顯;3)其他條件保持不變的情況下,增加弧電流(I)和沿電極環縫注入的氣流量(Qe)均有利于提高放電的穩定性、增大射流尺度,并且也使得擊穿氣體產生放電變得更加容易.在本文所涉及的工況范圍內,等離子體射流的直徑和長度分別在10.0—14.0 cm以及42.0—60.0 cm的范圍內變化.

圖9 不同放電工況下的等離子體射流的最大直徑Fig.9.Maximum values of the plasma jet diameter under different operating conditions.

圖10 不同放電工況下的等離子體射流長度Fig.10.Lengths of the plasma jet under different operating conditions.

4 等離子體沖擊射流特性的實驗研究

4.1 典型實驗工況下的等離子體沖擊射流特性

圖11給出了典型工況(Qe=1.0 slpm,Qc=10.0 slpm,I=100 A,le=30 mm,r1=4.0 cm,p=1000 Pa)、有鈍體存在條件下氬-氮混合氣體(氮含量10%)放電所產生的等離子體沖擊射流的形貌(texp=20 ms).由于MPX-2015真空腔測試段長度的限制,所采用的鈍體長度為35.0 cm,最大直徑為5.0 cm,鈍體尖端與發生器水冷約束管出口之間的距離(L1)為8.0 cm.從圖11可以看到,從水冷約束管噴出的等離子體射流在沿流動方向緊貼鈍體逐漸擴張,整個鈍體全部被包覆在等離子體射流區內.

圖12給出了相同工況下距離鈍體表面2.0 cm處等離子體射流區氣體溫度、電子激發溫度和電子數密度沿射流流向的變化規律(以鈍體尖端為坐標零點).可以看到:1)上述三個特征參數(Th,Te和ne)均沿射流的流動方向在z=0—40.0 cm的范圍內逐漸降低,其中,電子激發溫度和重粒子溫度分別從尖端處的6120 K和3050 K降低到了3100 K和1020 K,而電子數密度則從4.00×1014cm?3下降到了1.40×1011cm?3;2)相應地,等離子體射流區電子數密度大于ne,crt(=1010cm?3)的等離子體鞘套厚度亦從鈍體尖端處的4.7 cm擴大到了7.6 cm(如圖13所示),有效覆蓋長度可以達到約33.0 cm,占鈍體總長度(35.0 cm)的94.2%.

圖11 典型工況有鈍體存在條件下的等離子體沖擊射流照片Fig.11.Image of the plasma impinging jet upon a bluffbody under a typical operating condition.

圖12 距鈍體表面2.0 cm處等離子體射流區氣體溫度、電子激發溫度和數密度沿軸線的變化Fig.12.Distributions of Th,Teand nealong the geometrical axis of the plasma jet and 2.0 cm away from the surface of the bluffbody.

4.2 主要工作參數對等離子體沖擊射流特性的影響

表2列出了電極間距、水冷約束管內徑、從電極平面上游注入的冷氣體量以及鈍體半徑(r2)均保持不變的條件下(le=3.0 cm,r1=4.0 cm,Qc=10.0 slpm,r2=2.5 cm)研究真空腔壓強、弧電流、等離子體工作氣體流量對等離子體沖擊射流特性影響規律的8組實驗工況.

圖13 等離子體鞘套厚度沿發生器幾何軸線的變化規律(δcrit為等離子體射流有效覆蓋厚度下限)Fig.13.Variations of the plasma layer thickness along the geometrical axis of the plasma jet(δcritis the lower limit of the effective plasma layer thickness).

表2 沖擊射流特性研究實驗工況表Table 2.Operating conditions for the plasma impinging jets.

圖14和圖15分別給出了對應于表2中不同工況下所形成的等離子體鞘套有效工作長度和最大厚度,其中,從圖11中O點開始至鈍體根部,軸向方向每隔5.0 cm、徑向方向每隔1.0 cm進行等離子體射流的光譜空間分布掃描測量,射流長度和直徑均以電子密度約ne,crt為邊界得到的最大直徑以及長度定義.實驗測量結果表明:1)真空腔壓強(p)會對鈍體區的等離子體鞘套厚度產生顯著的影響,隨著壓強的升高,等離子體鞘套的有效工作長度和厚度均減小;2)相同真空腔壓強條件下,增大弧電流(I)和沿電極環縫注入的氣流量(Qe)均會使得所形成的等離子體鞘套長度和厚度有所增加,同時也使擊穿氣體產生放電變得更加容易,但相比真空腔壓強的影響要小得多.在本文所研究的參數范圍內,等離子體射流包覆長35.0 cm、半徑2.5 cm的鈍體后所形成的等離子體鞘套的最大厚度和長度分別在7.2—8.6 cm以及27.0—35.0 cm的范圍內變化.

圖14 不同放電工況下的等離子體鞘套厚度Fig.14.Plasma layer thicknesses surrounding the bluffbody under different operating conditions.

圖15 不同放電工況下的等離子體鞘套長度Fig.15.Plasma layer lengths surrounding the bluffbody under different operating conditions.

5 結論與展望

本文以臨近空間高超聲速飛行器以及航天器再入大氣環境飛行過程中的“黑障”問題為研究背景,建立了六相交流電弧等離子體實驗平臺(MPX-2015),對其所產生的等離子體自由射流和有鈍體存在條件下的沖擊射流特性進行了初步實驗研究.在實驗參數范圍內得到的主要結論為:

1)采用本文所提出的六相交流電弧放電等離子體射流源結構設計,能夠在中等壓力范圍(500—1000 Pa)內獲得比常規直流電弧放電和射頻感應耦合放電等離子體源更大尺寸的等離子體射流;

2)等離子體工作氣體流量、真空腔壓強、電極間距以及弧電流等因素均會對等離子體射流特性產生一定的影響,其中,真空腔壓強對等離子體射流特性的影響最為顯著,隨著壓強由500 Pa升高到1000 Pa,電子與中性粒子間的碰撞頻率提高,電子數密度沿軸向迅速衰減,等離子體自由射流長度和最大直徑減小;在沖擊鈍體條件下所形成的等離子體鞘套的有效工作長度和厚度均減小;而相同氣壓條件下,提高沿電極環縫注入的等離子體工作氣體流量(由0.5 slpm增加到1.0 slpm)或放電的弧電流(由80 A增加到100 A)均有利于等離子體鞘套尺寸的增大.

本文著重研究了當放電達到準穩態時,不同工況下時間平均的等離子體射流長度、直徑以及射流區氣體溫度、電子激發溫度和電子數密度等關鍵參數,但并未對等離子體射流隨時間的演化特性以及時間平均的等離子體射流速度分布等進行深入的研究.今后應進一步開展如下研究工作:設計由信號發生器控制的放電圖像與光譜信號采集系統[34?36],研究發生器的放電特性以及放電過程中等離子體電弧射流特性隨時間的變化規律;設計具有不同型線的水冷約束管獲得超聲速的等離子體射流,以期更好地模擬臨近空間飛行器與其周圍復雜介質環境間的氣動熱效應和“黑障”問題.

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