大迎角分離流場在等離子體控制下的特性研究

王健磊,李華星,孟宣市,劉 鋒,羅時鈞

(1.西北工業(yè)大學(xué)翼型葉柵國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072;2.美國加州大學(xué)爾灣分校機(jī)械與宇航工程系,CA 92697-3975)

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器的高機(jī)動性,通常要求其在大迎角下飛行。此時飛行器的細(xì)長前體會產(chǎn)生一對脫體旋渦,當(dāng)迎角增大到一定程度時,即使無側(cè)滑角,原來對稱的旋渦也會突然變得非對稱[1],給飛行器帶來很大的側(cè)力。此側(cè)力的方向和大小目前還無法預(yù)估和判斷,嚴(yán)重影響了飛行器的穩(wěn)定性。

理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2-7]表明,大迎角下可以通過對飛行器前體接近頭部尖端的區(qū)域進(jìn)行流動控制來影響這對脫體旋渦,從而控制并利用其帶來的非對稱載荷。Hanff等[7]在細(xì)長尖拱體頭部設(shè)置了兩個向前的吹氣孔,并通過控制兩孔吹氣的占空比[7]實(shí)現(xiàn)了對前體側(cè)力的近似線性控制。

使用一對馬蹄形單電極介質(zhì)阻擋放電(Single-Dielectric Barrier Discharge-SDBD)[8]等離子體激勵器來代替Hanff等[7]使用的吹氣孔,為流場注入能量,從而實(shí)現(xiàn)大迎角下圓錐前體的主動流動控制。這是一種純電學(xué)方法,具有物理結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、控制精度高,并且可以對反饋控制做出及時反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。筆者旨在探索采用特定幾何形狀的單電極介質(zhì)阻擋放電(SDBD)等離子體對圓錐前體大迎角下分離流場進(jìn)行主動控制的可行性。

1 模型及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 風(fēng)洞及圓錐模型

實(shí)驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)低速直流風(fēng)洞中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)段截面為3.0m×1.6m。模型由圓錐段、圓弧過渡段和圓柱段三部分組成,圓錐半頂角為 10°,長度463.8mm,底面直徑 163.6mm。圓錐頭部長度為150mm的部分為酚醛樹脂制成,其余部分為金屬制成。模型在風(fēng)洞中的安裝情況如圖1所示。

圖1 風(fēng)洞模型圖Fig.1 The model in the wind tunnel

1.2 單電極介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器

激勵器由兩層銅電極及中間的絕緣層組成。銅片電極厚度為0.03mm,絕緣層為聚酰亞胺(Kapton)材料,將下電極完全覆蓋住。電極長度20mm,距離圓錐頂點(diǎn) 20mm,上、下電極寬度分別為1、2mm(圖2)。因?yàn)殡姌O形式類似馬蹄,故稱為馬蹄形單電極介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器。等離子體在上下電極之間1mm的間隙處產(chǎn)生,等離子體激勵器的作用就是從上電極向下電極方向?yàn)榱鲃幼⑷肽芰縖8],這種方式和在Hanff等[7]所做的在旋成體頭部吹氣類似,但沒有質(zhì)量的注入。

圖2 等離子體激勵器安裝及電極示意圖Fig.2 Sketches of the plasma actuator

兩個等離子體激勵器中心線θ角分別為±145°,θ為截面方位角,面向來流,順時針為正,0°方位角在模型迎風(fēng)面正中,如圖2所示,等離子體激勵器設(shè)計(jì)成馬蹄形的目的是設(shè)法使誘導(dǎo)出方向沿著圓錐頭部母線向前的集中氣流。

實(shí)驗(yàn)等離子體激勵器有3種工作模式,模式1：激勵器關(guān),對應(yīng)的是兩個激勵器都不工作的狀態(tài);模式2：左舷激勵器開,對應(yīng)的是左舷(面向來流左邊)激勵器工作右舷激勵器不工作的狀態(tài);模式3：右舷激勵器開,對應(yīng)的是右舷(面向來流右邊)激勵器工作左舷激勵器不工作的狀態(tài)。圓錐表面的兩個激勵器分別由單獨(dú)的電源驅(qū)動(南京蘇曼電子有限公司生產(chǎn)的CTP-2000K等離子體激勵器電源)。交流電源提供的是正弦波。實(shí)驗(yàn)電壓峰-峰值Vp-p為6～12kV,頻率 f=8.9kHz。輸入功率≦15W。

圖3 靜止大氣中激勵器最大誘導(dǎo)風(fēng)速隨電壓峰-峰值變化Fig.3 Maximum speed induced by plasma in still air for diferent peakto-peak voltages

在地面靜止大氣實(shí)驗(yàn)中,垂直圓錐尖端的最大誘導(dǎo)氣流速度記為Umax,圖3給出了最大風(fēng)速為Umax隨電壓峰-峰值Vp-p的變化圖,其中的風(fēng)速數(shù)據(jù)是用熱線風(fēng)速儀測得的。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)選用了Vp-p=12kV,此時產(chǎn)生的誘導(dǎo)風(fēng)速接近2m/s。

1.3 壓力采集系統(tǒng)

模型圓錐段共設(shè)置了 7個測壓截面,從尖端34%到81.3%處等距分布(如圖4)。每個測壓截面上間隔10°方位角均勻分布36個測壓孔。壓力測量采用PSI公司生產(chǎn)的9816型和8400型壓力掃描閥,采集頻率分別為64Hz和127Hz。給出的結(jié)果均為5秒鐘內(nèi)采集的壓力值的算數(shù)平均值。

圖4 模型測壓截面分布Fig.4 Test stations distrbuted on the cone-cylinder

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在典型的雙穩(wěn)態(tài)模式下,細(xì)長前體在大迎角時受尖端微小擾動或自由來流的條件[10-11]影響,不對稱載荷有可能指向右舷或左舷,利用了雙穩(wěn)態(tài)下流動對接近圓錐尖端部分的小擾動非常敏感這一特性。通過控制安裝在圓錐尖端附近的等離子體激勵器來提供非對稱小擾動,使分離渦得到控制。實(shí)驗(yàn)采用的激勵電源頻率 f≈8.9kHz。

2.1 α=0°迎角下個截面壓力分布特性,模式一

為了檢查模型在風(fēng)洞中安裝的對稱性,在等離子體激勵器關(guān)的情況下對0°迎角進(jìn)行了模型表面壓力測量,風(fēng)速為15m/s。相應(yīng)的基于圓錐底面直徑的雷諾數(shù)為1.5×105。從壓力分布數(shù)據(jù)(圖5)可以看出流動基本上是軸對稱的。

圖5 0°迎角下激勵器關(guān)時的壓力分布Fig.5 Pressure distributions at plasma off(α=0°)

2.2 α=50°迎角下壓力分布特性比較,模式一/二

從圖6可以看出激勵器關(guān)閉時,圓錐左舷受到的吸力更大,從而可以推測出左舷的渦比右舷的渦更靠近圓錐壁面。為了達(dá)到明顯的控制效果,也即使側(cè)力反向,筆者只研究左舷等離子體激勵器開的狀態(tài)。圖6比較了在α=50°,U∞=5m/s狀態(tài)下激勵器關(guān)和左舷激勵器開時第7截面上的壓力分布。左舷激勵器開時的壓力分布與激勵器關(guān)時的壓力分布近似鏡像對稱,可以推測激勵器開啟后產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流使右舷的渦移動到了靠近圓錐壁面的位置,同時左舷的渦移動到了離圓錐壁面較遠(yuǎn)的位置,也即控制使得非對稱渦轉(zhuǎn)向了反向的穩(wěn)態(tài)。這一過程中左舷激勵器向著來流的反方向?yàn)榱鲌鲎⑷肓四芰?這個能量將左舷一側(cè)的渦推開,同時使右舷的渦和其脫出的剪切層更靠近圓錐壁面。圖7給出了局部側(cè)力系數(shù)沿圓錐軸向上的分布情況。各測壓截面當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)CYd由圓錐上各截面的壓力分布沿圓周積分得到,并通過圓錐當(dāng)?shù)刂睆竭M(jìn)行無量綱化,側(cè)力方向指向右舷為正?？梢钥闯黾钇麝P(guān)時的當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)為負(fù)值,左舷激勵器開時當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)變?yōu)檎?這與圖6中給出的壓力分布結(jié)果是一致的。

圖6 等離子體激勵器關(guān)和左舷激勵器開時的壓力分布Fig.6 Pressure distributions for plasma off and port plasma on

圖7 局部側(cè)力系數(shù)沿圓錐軸線分布Fig.7 Local side-force vs.x/L

2.3 α=55°迎角下壓力分布特性比較,模式一/二

圖8比較了 α=55°,U∞=15m/s狀態(tài)下激勵器關(guān)和左舷激勵器開時第7截面上的壓力分布。如圖6一樣,激勵器關(guān)時左舷受到的吸力較大,左舷激勵器開時這個吸力又轉(zhuǎn)換到了右舷。圖9給出了當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)沿圓錐軸線的變化。這個狀態(tài)下沿圓錐軸向的當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)CYd不再保持不變。激勵器關(guān)時各測壓截面當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)都為負(fù)數(shù)并且變化并不大,而左舷激勵器開時各截面當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)均為正數(shù)且沿圓錐軸線的變化相比較激勵器關(guān)時劇烈得多。

圖8 等離子體激勵器關(guān)和左舷激勵器開的壓力分布Fig.8 Pressure distributions for plasma off and port plasma on

圖9 局部側(cè)力系數(shù)沿圓錐軸線分布Fig.9 Local side-force vs.x/L

2.4 各截面壓力分布比較

圖10給出了α=55°,U∞=15m/s的壓力分布用來分析上述局部側(cè)力系數(shù)變化的問題。可以看出壓力分布是隨著圓錐軸線而變化的。而α=50°,U∞=5m/s狀態(tài)下則沒有這種現(xiàn)象。

2.5 不同電壓峰-峰值對流場的作用

由圖7可看出,通過激勵器的不同開關(guān)狀態(tài),可使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系膫?cè)力反向,在此基礎(chǔ)上探索了模型側(cè)力在正負(fù)極值間連續(xù)可控變化的可能性。通過分析可知通過等離子體激勵器控制渦脫體特性的方法至少有兩種：(1)通過兩側(cè)激勵器開閉的時間比例,即改變占空比。(2)通過改變一側(cè)激勵器的電壓峰-峰值。筆者對后者進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)嘗試。圖11給出了在α=50°,U∞=5m/s狀態(tài)下左舷激勵器不同電壓峰-峰值時第7截面壓力分布的變化情況?？梢钥闯鰵饬鲗A錐前體兩側(cè)的吸力與電壓峰-峰值有一定對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)電壓峰-峰值增加到12kV時,壓力系數(shù)接近了激勵器關(guān)時的反向極值。

圖10 左舷激勵器開和激勵器關(guān)狀態(tài)下各截面的壓力系數(shù)Fig.10 Pressure distributions over all stations for plasma off and port plasma on

圖11 不同電壓峰-峰值下左舷激勵器開時的壓力分布Fig.11 Pressure distributions for different peak-to-peak voltages of port plasma on

作用在圓錐前體上的總側(cè)力系數(shù)CYO是圓錐上各截面的局部側(cè)力系數(shù)沿圓錐軸線積分,并通過圓錐底面面積進(jìn)行無量綱化得來的,側(cè)力方向指向右舷為正。圖12給出了左舷激勵器在不同電壓峰-峰值下總側(cè)力系數(shù)CYO在圓錐軸向上的變化結(jié)果。與圖3給出的結(jié)果相對應(yīng),激勵器的最大誘導(dǎo)風(fēng)速與其對圓錐表面的流動影響程度有一定對應(yīng)關(guān)系,隨著激勵電壓的變化,總側(cè)力系數(shù)從約-2.2變?yōu)榧s2.4。實(shí)現(xiàn)了總側(cè)力系數(shù)在正、負(fù)極值之間的中間狀態(tài)。但給出的結(jié)果單調(diào)性不好,分析其原因,一方面是由于實(shí)驗(yàn)點(diǎn)較少,不足以反映完整的控制規(guī)律。另一方面等離子體激勵器激勵電壓控制精度很差也給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來了影響。激勵器電源的電壓通過手動調(diào)節(jié)控制,精度較差。當(dāng)激勵電壓未達(dá)到穩(wěn)定工作峰值時,激勵器處于不穩(wěn)定激勵狀態(tài)。此時由于激勵器與電源產(chǎn)生的耦合作用將會使得電源輸出電壓產(chǎn)生較大的波動,使得激勵電壓無法準(zhǔn)確控制,所以圖12中曲線中部對應(yīng)的名義電壓可能與實(shí)際電壓相差很大。

圖12 左舷激勵器開時側(cè)力系數(shù)隨電壓峰-峰值的變化Fig.12 Overall side-force of port plasma on for diferent peak-to-peak voltages

3 結(jié) 論

(1)實(shí)現(xiàn)了等離子體激勵器對大迎角細(xì)長旋成體非對稱載荷的主動控制。提供了一種有別于頭部吹氣等方法的大迎角主動流動控制方法;

(2)采用馬蹄形單電極介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器,產(chǎn)生了類似噴流的集中誘導(dǎo)氣流,實(shí)現(xiàn)了對大迎角圓錐前體側(cè)力大小及方向的控制;

(3)通過調(diào)節(jié)等離子體激勵器電壓峰-峰值實(shí)現(xiàn)了將圓錐-圓柱組合體前體大迎角非對稱載荷控制在正負(fù)極值之間的狀態(tài),但控制規(guī)律的連續(xù)性尚不好,需做進(jìn)一步細(xì)致研究。

致謝 本文得到了趙子杰、郝江南、李尹喆、羅凱等在實(shí)驗(yàn)方面的幫助,在此向他們致謝。

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