介質(zhì)阻擋放電等離子體對NACA0015翼型流動控制的PIV實驗研究

王萬波，黃 勇，黃宗波，張 鑫，王勛年，沈志洪

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

流動控制作為流體力學(xué)的重要分支和研究前沿，其目的是為了改善物體的受力狀態(tài)，進(jìn)而獲得減小阻力、提高升力和拓寬穩(wěn)定工作范圍等效果。常規(guī)的流動控制如壁面開槽、加肋、邊界層吹／吸氣、布置渦流發(fā)生器等改變了飛行器的氣動外形，從而影響了總體氣動性能或隱身性能，使其工程應(yīng)用受到限制，因此航空發(fā)達(dá)國家正積極創(chuàng)新技術(shù)手段，發(fā)展新型的流動主動控制技術(shù)。

等離子體流動主動控制技術(shù)是一種新型流動主動控制技術(shù)，通過在飛行器翼面布置電極，在高電壓激勵下產(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)不需要活動的氣動控制面，對飛行器的結(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、成本低等突出優(yōu)點，因此具有很好的應(yīng)用前景。近年來國內(nèi)外開展了大量介質(zhì)阻擋放電等離子體對邊界層控制［1－2］、翼型氣流分離控制［3－5］、壓氣機(jī)葉柵穩(wěn)定性控制［6］、翼型動態(tài)失速控制［7］、圓柱尾渦控制［8］、噪聲控制［9］和大展弦比飛行器氣流分離控制［10－11］等的研究。

作者通過PIV實驗，研究了電極電壓、電極布置方式及電極位置等參數(shù)對翼型氣流分離控制的影響規(guī)律，并初步分析了控制機(jī)理。

1 實驗原理和系統(tǒng)

1.1 等離子體流動控制基本工作原理

等離子體對翼型流動控制的布局形式如圖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)電場作用下被電離產(chǎn)生等離子體，等離子體中的離子在電場力作用下進(jìn)行定向運動，與環(huán)境空氣分子碰撞，發(fā)生動量交換或?qū)饬餍纬蓴_動，從而實現(xiàn)對翼型流動的控制。

圖1 等離子體流動控制布局示意圖Fig.1 Plasma flow control layout

1.2 PIV測量系統(tǒng)

PIV測量系統(tǒng)實驗布局如圖2所示，系統(tǒng)由激光器、CCD相機(jī)、同步器、發(fā)煙器、控制和分析軟件及計算機(jī)等組成。

激光器光源為脈沖式雙Nd：Yag激光器，每個脈沖能量為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Insight3.0；發(fā)煙器為ROSCO1700型粒子發(fā)生器，示蹤粒子原料為橄欖油。

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

1.3 風(fēng) 洞

實驗所用風(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。試驗段尺寸為：700mm×700mm×1050mm，風(fēng)洞全長約11.5m。

1.4 電 源

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

1.5 模 型

實驗?zāi)Ｐ蜑镹ACA0015翼型，弦長100mm，展長480mm，金屬鋁材料。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2mm寬電極。布置電極的翼型如圖3所示。

圖3 布置等離子體激勵器的實驗?zāi)Ｐ虵ig.3 Experimental model with plasma actuator

對電極位置進(jìn)行描述時，以電極中心線位置和翼型弦長之比為參考，在壓力面為負(fù)，在吸力面為正。如x／c＝－1%表示：電極位于壓力面，電極中心線位于1%弦長處。圖4給出了電極位置示意圖。

圖4 電極位置示意圖Fig.4 Electrode position layout

2 實驗結(jié)果和分析

來流風(fēng)速20m／s，進(jìn)行了不同迎角，有無等離子體控制的NACA0015翼型PIV對比實驗（off表示無控制，on表示有控制）。

圖5為電極位于x／c＝1%時施加控制前后的速度流線對比圖，其中施加控制的電壓為4kV，頻率為3kHz。由圖5可以看出，翼型在迎角小于15°時未發(fā)生明顯分離；在迎角15°時開始出現(xiàn)大面積分離，施加控制后，流動分離基本消失，氣流附著在翼型吸力面；迎角19°，施加控制后，分離點位置后延至翼型后緣，分離區(qū)域大大減小，氣流基本重附在翼型吸力面，控制效果依然顯著；進(jìn)一步增大翼型迎角，迎角20°時，施加控制后氣流不能附著在翼型吸力面，控制失效。從15°～19°，等離子體控制能夠?qū)饬鞣蛛x的迎角推遲5°。

2.1 電壓影響

電極位于x／c＝1%處、電源頻率固定為3kHz時，分別研究了電壓為3kV和4kV時的控制效果。由圖5（g）、（h）（4kV）和圖6（a）（3kV）可以看出，在迎角18°，3kV和4kV電壓都能使氣流分離完全消失，控制效果相當(dāng)。由圖5（i）、（j）（4kV）和圖6（b）（3kV）可以看出，在迎角19°，電壓為4kV時，分離雖然沒有得到完全消除，但是分離區(qū)旋渦明顯減小，控制效果依然顯著；電壓為3kV時，分離位置有所后延，但是已經(jīng)不能有效控制分離。由此可以看出，4kV電壓比3kV電壓控制范圍更寬，控制效果更好。

2.2 電極布置方式及位置影響

不同的電極布置方式，以及不同的電極位置，其控制效果也不同。對多組電極和單組電極進(jìn)行了研究。實驗中電壓為4kV，頻率為3kHz。

在翼型吸力面布置10組電極，電極寬度為2mm，電極間距為6mm，第一條電極位于x／c＝1%處，由圖7可以看出，未施加控制時，在迎角16°時出現(xiàn)顯著的氣流分離和回流渦，施加控制后，分離完全消失；在迎角20°時，分離區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，分離加劇，施加控制后，分離得到抑制，氣流重附在翼型表面。從16°～20°，等離子體控制能夠?qū)饬髟俑街挠翘岣?°。

在x／c＝1%處布置一條電極，由圖5可以看出，等離子體控制基本上將氣流再附著的迎角提高了5°。

多組電極和單組電極的控制效果相當(dāng)，可以看出翼型前緣的電極起主要控制作用。

在翼型吸力面3.5%弦長處（x／c＝3.5%）布置一條電極，由圖8可以看出，未施加控制時，流動在迎角15°時已經(jīng)出現(xiàn)大面積分離。施加控制后，從迎角15°～19°，分離完全消失，氣流完全重附在翼型表面。在迎角20°時，施加控制后，分離未能得到抑制，控制失效。等離子體控制能夠?qū)饬髟俑街挠翘岣?°。

圖9為電極位于翼型壓力面前緣（x／c＝－1%）時施加控制前后的速度流線對比圖。由圖可知，迎角18°時，施加控制后，分離點位置后延至翼型后緣，分離區(qū)域大大減小，氣流基本重附在翼型吸力面，流動分離得到有效抑制。從15°到18°，等離子體控制能夠?qū)饬鞣蛛x的迎角推遲4°。

在前緣壓力面（x／c＝－1%）處施加控制，等離子體控制能夠?qū)饬髟俑街挠翘岣?°，在前緣吸力面（x／c＝1%和3.5%）處施加控制，等離子體控制基本能夠?qū)饬髟俑街挠翘岣?°。在前緣吸力面（x／c＝1%）處施加控制，翼型在迎角19°時發(fā)生微小分離；而在3.5%弦長處（x／c＝3.5%）處施加控制，翼型在迎角19°時分離基本完全消失。由此可知，在3.5%弦長處（x／c＝3.5%）施加控制的效果要優(yōu)于在前緣（x／c＝－1%和1%）處施加控制的效果。

3 機(jī)理初步分析

介質(zhì)阻擋放電等離子體控制機(jī)理比較復(fù)雜，目前從國際上發(fā)表的文獻(xiàn)看，報道實驗現(xiàn)象的多，研究分析機(jī)理的少。

圖10為施加控制前后翼型吸力面不同位置處速度分布。迎角14°時，氣流未發(fā)生分離（如圖5（a）所示），x／c＝1%處施加控制后翼型吸力面位置x＝21.38和51.93處速度無明顯變化；迎角16°時，翼型吸力面出現(xiàn)大面積分離（如圖5（e）所示），x／c＝1%處施加控制后，x＝21.38、31.56、41.75和51.93處速度都有了顯著增加。初步分析認(rèn)為施加介質(zhì)阻擋放電等離子體控制后，在氣流中增加了擾動，使高低速氣流摻混，邊界層外部的高速氣流進(jìn)入到邊界層中，向邊界層注入了能量，達(dá)到了推遲邊界層分離和消除旋渦的控制效果。

下一步將針對介質(zhì)阻擋放電等離子體對氣流作用的詳細(xì)機(jī)理、邊界層內(nèi)流動的微觀結(jié)構(gòu)變化以及推遲氣流分離的作用過程進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

通過PIV實驗，研究了來流風(fēng)速為20m／s時，等離子體對翼型流動分離控制的特性。

（1）等離子體能夠有效地抑制翼型流動分離，消除旋渦，實現(xiàn)流動的完全再附著；

（2）電源頻率為3kHz時，4kV電壓要比3kV電壓的控制效果顯著；

圖10 施加控制前后翼型吸力面不同位置處速度分布Fig.10 X－velocity distribution at different locations before and after control

（3）多組電極和單組電極的控制效果相當(dāng)；在3.5%弦長處（x／c＝3.5%）施加控制的效果要優(yōu)于在前緣（x／c＝1%和x／c＝－1%）處施加控制的效果；

（4）初步分析認(rèn)為施加介質(zhì)阻擋放電等離子體控制后，在氣流中增加了擾動，使高低速氣流摻混，邊界層外部的高速氣流進(jìn)入到邊界層中，向邊界層注入了能量，達(dá)到了推遲附面層分離和消除旋渦的控制效果。

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