等離子體對(duì)翼型流動(dòng)分離控制歷程的PIV試驗(yàn)研究

黃 勇，王萬(wàn)波，黃宗波，張 鑫，王勛年，沈志洪

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000）

等離子體對(duì)翼型流動(dòng)分離控制歷程的PIV試驗(yàn)研究

黃 勇，王萬(wàn)波，黃宗波，張 鑫，王勛年，沈志洪

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000）

采用粒子圖像測(cè)速 （Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)，研究了介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)對(duì)NACA0015翼型表面流動(dòng)分離的控制特性及控制效果隨時(shí)間歷程的變化規(guī)律。結(jié)果表明，激勵(lì)電壓存在一個(gè)閾值，當(dāng)電壓小于閾值時(shí)，控制無(wú)效或效果不明顯；當(dāng)電壓接近閾值時(shí)，控制表現(xiàn)出不穩(wěn)定性并最終趨于穩(wěn)定；當(dāng)電壓大于閾值時(shí)，控制效果穩(wěn)定且顯著，氣流能夠很好地重附在翼型表面。

介質(zhì)阻擋放電；等離子體；流動(dòng)控制；粒子圖像測(cè)速儀；風(fēng)洞試驗(yàn)

0 引 言

等離子體流動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)是一種新型流動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)在飛行器翼面布置電極，在高電壓激勵(lì)下產(chǎn)生等離子體，能夠有效控制飛行器翼面繞流邊界層的分離，提高飛行器升阻比和失速迎角。該技術(shù)不需要活動(dòng)的氣動(dòng)控制面，對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很小，并且具有控制響應(yīng)快、控制位置靈活、可靠性高、成本低、能效比高等突出優(yōu)點(diǎn)，因此具有很好的應(yīng)用前景［1－5］。

文獻(xiàn)［4］得出了激勵(lì)電壓存在一個(gè)閾值，當(dāng)電壓大于閾值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)氣流的完全再附著；文獻(xiàn)［6］利用PIV技術(shù)對(duì)EHD控制下NACA0015翼型繞流流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量；張攀峰等［7］通過(guò)風(fēng)洞流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)，研究了等離子體激勵(lì)低速條件下對(duì)平板表面分離剪切層的控制特性；李應(yīng)紅等［8］利用煙流流動(dòng)顯示的方法得出在給定的流動(dòng)分離狀態(tài)下，等離子體激勵(lì)的電壓存在一個(gè)閾值；鐘誠(chéng)文等［9］利用PIV系統(tǒng)，在靜止空氣中，定量測(cè)量了等離子體激勵(lì)器的誘導(dǎo)速度場(chǎng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在激勵(lì)頻率固定的情況下，誘導(dǎo)氣流速度隨著電壓的升高逐漸增大。

目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)大多研究等離子體穩(wěn)定后對(duì)氣流的控制特性。本文通過(guò)PIV試驗(yàn)，從流場(chǎng)特性出發(fā)，研究了等離子體對(duì)氣流分離控制特性隨時(shí)間歷程的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)原理和系統(tǒng)

1.1 等離子體流動(dòng)控制基本原理

等離子體對(duì)翼型流動(dòng)控制的原理如圖1所示。在翼型表面布置電極，電極與高壓電源相連，電極附近的空氣在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被電離，等離子體中的離子在空間不均勻電場(chǎng)的作用下，向電場(chǎng)梯度方向進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，離子在定向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與環(huán)境空氣分子碰撞，發(fā)生動(dòng)量交換或?qū)饬餍纬蓴_動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)翼型流動(dòng)的控制。

圖1 等離子體對(duì)翼型流動(dòng)控制布局示意圖Fig.1 Plasma flow control on airfoil layout form

1.2 PIV測(cè)量系統(tǒng)

PIV試驗(yàn)原理如圖2所示，PIV系統(tǒng)由激光器、CCD相機(jī)、同步器、發(fā)煙器、控制和分析軟件、計(jì)算機(jī)等組成。

圖2 PIV測(cè)量系統(tǒng)布局圖Fig.2 Sketch map of the PIV system

激光器光源為脈沖式雙Nd：Yag激光器，每個(gè)脈沖能量為120mJ，脈沖寬度為9ns，兩激光器脈沖間隔可調(diào)整；相機(jī)為RS－170式互／自相關(guān)CCD，其分辨率為1024pixel×1024pixel，采集速度為30f／s；控制和分析軟件為TSI公司的Insight 3.0；發(fā)煙器為ROSCO1700型粒子發(fā)生器，示蹤粒子原料為橄欖油。

1.3 風(fēng)洞

風(fēng)洞為下吹式開口直流風(fēng)洞，主要由收縮段、擴(kuò)散段、駐室、風(fēng)機(jī)等部分組成，風(fēng)洞主體由玻璃鋼制造，最高風(fēng)速53m／s。試驗(yàn)段尺寸為：700mm×700mm×1050mm，風(fēng)洞全長(zhǎng)約11.5m。

1.4 電源

多相位電源主要由多相位信號(hào)發(fā)生器、SPWM正弦波調(diào)制器、多相位信號(hào)功率放大器和升壓變壓器等部分組成。輸出電壓有8個(gè)相位，每個(gè)相位相差45°。本次試驗(yàn)采用單相位，輸出電壓0～5kVrms連續(xù)可調(diào)，輸出頻率0.1～6kHz連續(xù)可調(diào)。

1.5 模型

試驗(yàn)翼型為NACA0015翼型，弦長(zhǎng)100mm，展長(zhǎng)480mm，材料為金屬鋁。在翼型表面粘貼聚酰亞胺膠帶作為絕緣層，在膠帶上面布置電極，模型如圖3所示。

圖3 布置等離子體激勵(lì)器的試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Test airfoil with plasma actuator

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

電極位于翼型壓力面前緣，電極寬度為2mm，電極中心線位于1%弦長(zhǎng)處。來(lái)流風(fēng)速為20m／s。

2.1 激勵(lì)電壓的影響

為研究激勵(lì)電壓對(duì)控制效果的影響，固定激勵(lì)頻率為3.0kHz，施加的激勵(lì)電壓分別為1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6和4.0kV。

圖4 α＝16°不同電壓控制下的速度流線圖Fig.4 The results with different forcing voltages（α＝16°）

當(dāng)α＝16°時(shí)，未加控制時(shí)翼型上表面出現(xiàn)大面積分離，如圖4（a）所示；激勵(lì)電壓為1.2和1.6kV 時(shí)，分離不能得到有效抑制，基本上無(wú)控制效果；激勵(lì)電壓為2.0kV時(shí)，如圖4（b）所示，渦心位置前移，但是分離區(qū)無(wú)明顯減??；由圖4（c）可知，激勵(lì)電壓為2.4kV時(shí)，流線基本重附在翼型表面，分離旋渦消失，分離得到有效抑制；激勵(lì)電壓進(jìn)一步增大，當(dāng)電壓為2.8、3.2、3.6和4.0kV 時(shí)（激勵(lì)電壓為2.8kV 時(shí)的控制效果如圖4（d）所示），控制效果與電壓為2.4kV時(shí)的控制效果相當(dāng)。由此可見，α＝16°，激勵(lì)頻率為3.0kHz時(shí)，激勵(lì)電壓在2.4kV附近存在一個(gè)閾值，當(dāng)電壓小于閾值時(shí)，無(wú)控制效果或控制效果不明顯；當(dāng)電壓大于閾值時(shí)，控制效果顯著，電壓繼續(xù)增加，控制效果無(wú)進(jìn)一步改善。

由圖5可知，α＝17°時(shí)電壓閾值為3.2kV，α＝18°時(shí)電壓閾值為4.0kV，不同迎角電壓閾值不同，迎角越大，氣流分離越嚴(yán)重，需要的控制強(qiáng)度也越大，因此閾值也越高。

2.2 控制效果隨時(shí)間歷程變化特性

圖6為α＝16°，激勵(lì)電壓為2.4kV、激勵(lì)頻率為3.0kHz時(shí)，施加控制后流場(chǎng)隨時(shí)間歷程的變化特性。由圖可知，施加控制的瞬間（t＝1／15s），流線附著在翼型表面，氣流基本上無(wú)分離。t＝2／15s時(shí)，雖然大面積分離消失，但是翼型表面還有輕微的分離；t＝7／15s、2／3s時(shí)，翼型出現(xiàn)大面積分離，分離未得到有效抑制；t＝11／15s時(shí)，流線基本重附在翼型表面，分離得到有效抑制；t＝7／5s時(shí)，翼型前緣分離得到抑制，分離區(qū)域減小，但在翼型后緣出現(xiàn)旋渦，分離未得到完全控制；t＝28／15s時(shí)，翼型出現(xiàn)大面積分離，控制失效；t＝29／15s、2s、31／15s時(shí)，流線附著在翼型表面，分離得到完全控制。施加等離子體激勵(lì)后，控制首先經(jīng)過(guò)一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程，然后達(dá)到穩(wěn)定有效；α＝16°，激勵(lì)電壓為2.4kV、激勵(lì)頻率為3.0kHz時(shí)，等離子體控制從施加到穩(wěn)定有效，大約需要2s。

翼型前緣上表面（30.1，62.2mm）位置處（如圖6（j）所示）的x向速度和y向速度隨時(shí)間的變化如圖7所示。由圖可知，未施加控制時(shí)，x向速度在22m／s附近波動(dòng)，施加控制后，x向速度有了顯著的增加，在27m／s附近波動(dòng)，經(jīng)歷大約2s后，基本維持在30m／s。x向速度隨時(shí)間的變化與流線隨時(shí)間變化規(guī)律一致，未加控制時(shí)，氣流分離最嚴(yán)重，速度也最??；施加控制后速度經(jīng)歷一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程，大約2s后，維持在最大值附近。施加控制后y向速度有了顯著的減小，變化規(guī)律與x向速度相似。

圖8為α＝16°，激勵(lì)電壓為2.8kV、激勵(lì)頻率為3.0kHz時(shí)，施加控制后流場(chǎng)隨時(shí)間的變化過(guò)程。施加控制的瞬間（t＝1／15s），翼型的大面積分離消失，流線基本重附在翼型表面，控制效果十分顯著，控制過(guò)程中，未出現(xiàn)控制不穩(wěn)定現(xiàn)象。

α＝16°，激勵(lì)電壓為2.8kV、激勵(lì)頻率為3.0kHz時(shí)，翼型前緣上表面（30.1，62.2mm）位置處（如圖6（j）所示）的x向速度和y向速度隨時(shí)間的變化如圖9所示。由圖可知，施加控制后，x向速度基本維持在30m／s，y向速度基本維持在0.5m／s，隨著時(shí)間的增加，速度未出現(xiàn)激勵(lì)電壓為2.4kV時(shí)那樣大的波動(dòng)。

圖9 施加控制前后位置（30.1，62.2mm）處x向速度（a）和y向速度（b）隨時(shí)間變化曲線（V＝2.8kV）Fig.9 X－velocity（a）and y－velocity（b）at position（30.1，62.2mm）change with time after control（V＝2.8kV）

激勵(lì)電壓接近閾值時(shí)，施加控制的瞬間，等離子體的產(chǎn)生對(duì)氣流產(chǎn)生一定的沖擊作用，控制效果比較明顯；等離子體產(chǎn)生后，在流場(chǎng)的非定常變化和離子遷移過(guò)程中，激勵(lì)電壓不足以把等離子體維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，控制效果在一定時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，離子累積到一定密度，基本達(dá)到平衡，控制效果達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)激勵(lì)電壓大于閾值時(shí)，等離子體一直維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，施加控制的強(qiáng)度足夠大，流動(dòng)控制呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。激勵(lì)電壓越高，控制越穩(wěn)定有效，消耗的功率也越大。

3 結(jié) 論

通過(guò)PIV試驗(yàn)，研究了來(lái)流風(fēng)速為20m／s時(shí)，等離子體對(duì)翼型流動(dòng)分離控制的特性。研究結(jié)果表明：激勵(lì)電壓存在一個(gè)閾值，不同迎角電壓閾值不同，迎角越大，氣流分離越嚴(yán)重，需要的控制強(qiáng)度也越大，因此閾值也越高。當(dāng)電壓小于閾值時(shí)，控制無(wú)效或效果不明顯；當(dāng)電壓接近閾值時(shí)，控制表現(xiàn)出不穩(wěn)定性并最終趨于穩(wěn)定；當(dāng)電壓大于閾值時(shí)，控制效果穩(wěn)定 有效，氣流能夠很好地重附在翼型表面。施加控制后，翼型前緣上表面x向速度顯著增加，y向速度顯著減小，減小了逆壓梯度，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)分離的有效控制。

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黃 勇（1973－），男，四川德陽(yáng)人，副研究員。研究方向：流動(dòng)控制和動(dòng)力模擬。通信地址：四川綿陽(yáng)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心（621000）。 聯(lián) 系 電 話：0816－2461241。E－mail：dragonhy＠163.com

PIV measurement on airfoil flow separation control course by plasma actuation

HUANG Yong，WANG Wan－bo，HUANG Zong－bo，ZHANG Xin，WANG Xun－nian，SHEN Zhi－h(huán)ong
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

Particle Image Velocimetry（PIV）technology was applied to investigate the flow separation control around the NACA0015airfoil by dielectric barrier discharge（DBD）plasma actuator.The wind tunnel test was carried out to investigate the forcing voltage and the character of flow separation control effect changing with time.The results showed that there was threshold value of actuator voltage.When the voltage was lower than the threshold value，the control was effectless or the control was not visible.When the voltage was near the threshold value，the control effect was unsteady and finally went steady.When the voltage was higher than the threshold value，the control was prominent and steady and flow separation could reattach to the airfoil suction surface very well.

DBD；plasma；flow control；PIV；wind tunnel test

V211.73

A

1672－9897（2011）06－0023－05

2011－04－25；

2011－08－17