不同形式等離子體激勵(lì)對(duì)細(xì)長(zhǎng)體分離渦的控制

孟宣市，王健磊，蔡晉生，羅時(shí)鈞，劉 鋒

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院流體力學(xué)系，陜西 西安 710072；2.美國(guó)加州大學(xué) 爾灣分校機(jī)械與宇航工程系，加州 92697－3975）

0 引 言

現(xiàn)代高機(jī)動(dòng)戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器通常具有類似尖頭旋成體的細(xì)長(zhǎng)前體，當(dāng)迎角增大到一定程度，其分離渦流場(chǎng)會(huì)從對(duì)稱變得非對(duì)稱，同時(shí)伴隨有方向和大小均無法預(yù)估的側(cè)向力／力矩，這對(duì)飛行器的操縱性和穩(wěn)定性有很大影響。因而在大迎角下實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)體上側(cè)向力／力矩的比例控制，對(duì)飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)具有重要的意義［1－7］。近年來，研究者應(yīng)用各種新型流動(dòng)控制技術(shù)對(duì)大迎角細(xì)長(zhǎng)體分離渦流動(dòng)進(jìn)行了控制研究［8－9］。研究發(fā)現(xiàn)，非定常主動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)大迎角下細(xì)長(zhǎng)體側(cè)向力／力矩的比例控制［10－11］。

最近，Liu Feng等［12］、孟宣市等［13－14］的研究表明，在大迎角下，通過分布在細(xì)長(zhǎng)圓錐前體尖端處一對(duì)SDBD激勵(lì)器，配合占空循環(huán)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)圓錐前體側(cè)向力和力矩的比例控制。本文在上述工作基礎(chǔ)上，對(duì)兩種不同形式的等離子體激勵(lì)器的激勵(lì)效果進(jìn)行了分析比較，目的是探索通過改變等離子體激勵(lì)器的形式和布置位置來增大有效控制風(fēng)速的可能性并探討其機(jī)理［15］。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、模型及壓力采集

1.1 風(fēng)洞及模型

測(cè)壓實(shí)驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)NF－3直流式低速風(fēng)洞進(jìn)行，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段8m×3m×1.6m，最大風(fēng)速120m／s，氣流湍流度≤0.045%。粒子圖像測(cè)速（PIV）實(shí)驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)系煙風(fēng)洞中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)段為0.6m×0.6m×0.5m，最大風(fēng)速32m／s。測(cè)壓模型由圓錐段、圓弧過渡段和圓柱整流段（圖1）三部分組裝而成。圓錐段半頂角10°，長(zhǎng)度L＝463.8mm，底面直徑D＝163.6mm。沿軸線分布的8個(gè)測(cè)量截面全部集中在圓錐段。每個(gè)測(cè)量截面周向均布36個(gè)測(cè)壓孔。從圓錐尖端頭部處開始150mm長(zhǎng)度部分為絕緣塑料加工制成，用于粘貼等離子體激勵(lì)器。PIV實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎每s比為0.7的圓錐前體模型（圖2），采用環(huán)氧樹脂材料。測(cè)量截面距離模型尖模型尖端位置為167.5mm。

圖1 壓力分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D（單位：mm）Fig.1 Test model sketch for pressure measurements（unit：mm）

圖2 PIV測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D（單位：mm）Fig.2 Test model sketch for PIV measurements（unit：mm）

1.2 激勵(lì)器的設(shè)計(jì)

一對(duì)單電極長(zhǎng)條形等離子體激勵(lì)器對(duì)稱地安裝在圓錐頭部表面（圖3）。以模型迎風(fēng)面正中為0°方位角，逆吹型激勵(lì)器分別位于±120°方位角，等離子體開啟后產(chǎn)生與來流U∞方向相反的誘導(dǎo)氣流；順吹型激勵(lì)器分別位于±70°方位角，等離子體開啟后產(chǎn)生與來流U∞方向一致的誘導(dǎo)氣流。電極沿圓錐母線的長(zhǎng)度為20mm，前緣距圓錐頂點(diǎn)9mm。這種方式與在圓錐表面吸氣或吹氣類似，從而產(chǎn)生從上電極到下電極方向的動(dòng)量，但是沒有質(zhì)量注入。

南京蘇曼電子有限公司生產(chǎn)的2臺(tái)CTP－2000K介質(zhì)阻擋放電等離子體電源為兩個(gè)等離子體激勵(lì)器提供交流電源。等離子體電源輸出電壓波形為正弦波形，峰－峰電壓VP－P≈14kV，頻率F≈8.9kHz。

圖3 兩種不同介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器安裝圖Fig.3 Comparison of upstream and downstream arrangements of SDBD plasma actuators

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

激勵(lì)器有三種工作模式：（1）激勵(lì)器關(guān)閉，指的是左舷和右舷的激勵(lì)器都不工作；（2）左舷等離子激勵(lì)器開啟；（3）右舷等離子激勵(lì)器開啟。以下壓力數(shù)據(jù)為15s采樣時(shí)間段全平均結(jié)果，PIV采集頻率為13Hz，采集時(shí)間10s。

2.1 逆吹型等離子體激勵(lì)器控制實(shí)驗(yàn)

圖4比較了U∞＝5m／s，基于圓錐段底面直徑的Re＝5×104時(shí)，截面2和截面6時(shí)間全平均處理后的壓力分布。

圖4 逆吹型等離子體激勵(lì)器開啟壓力分布比較，U∞＝5m／sFig.4 Time－averaged pressure distributions for upstream type plasma actuators，U∞＝5m／s

Hall［16］基于壓力測(cè)量和空間渦流場(chǎng)顯示結(jié)果，建立了表面壓力分布與空間渦結(jié)構(gòu)之間的直接聯(lián)系。在其工作基礎(chǔ)上，可以通過截面周向壓力分布特征點(diǎn)對(duì)當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)，例如渦心位置、附面層分離點(diǎn)等進(jìn)行推斷。表1給出了截面2、6處附面層分離點(diǎn)的位置和當(dāng)?shù)貍?cè)向力系數(shù)。從該表中可以觀察出逆吹型等離子體激勵(lì)對(duì)附面層分離點(diǎn)的影響規(guī)律。

圖4中，與激勵(lì)器關(guān)閉的情況進(jìn)行對(duì)比，截面2處當(dāng)左舷激勵(lì)器開啟時(shí)，左側(cè)的附面層分離點(diǎn)沒有發(fā)生變化，而右側(cè)的附面層分離點(diǎn)由原來－100°向下移動(dòng)變?yōu)椋?20°。當(dāng)右舷激勵(lì)器開啟時(shí)，右舷附面層分離點(diǎn)并不發(fā)生變化，左側(cè)附面層分離點(diǎn)由原來的90°向下移動(dòng)到110°處。可見，對(duì)于逆吹型等離子體激勵(lì)器，其提供的逆向擾動(dòng)氣流所起的作用是將另一側(cè)的附面層分離點(diǎn)后移，而同側(cè)分離點(diǎn)不變。截面6處的當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)控制規(guī)律與截面2相同，這說明盡管等離子體激勵(lì)器長(zhǎng)度僅為20mm，距離模型尖端處也僅為9mm，但是控制范圍貫穿了整個(gè)圓錐段。當(dāng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)速進(jìn)一步提高后，等離子體流動(dòng)控制變得沒有效果。

表1 逆吹型等離子體激勵(lì)器開啟對(duì)附面層分離點(diǎn)及當(dāng)?shù)貍?cè)向力系數(shù)影響Table 1 Separation locations and local side force coefficients for upstream type plasma actuation

圖5給出了相同風(fēng)速，Re＝4×104時(shí)的PIV測(cè)量結(jié)果，結(jié)果包含了由速度分布計(jì)算得到的渦量分布和流線圖。圖中深色半圓部分為模型，淺色半圓邊界為采集時(shí)的陰影區(qū)和表面反射區(qū)。

觀察PIV測(cè)量結(jié)果，等離子體關(guān)閉，流場(chǎng)左舷渦靠近物面，右舷渦遠(yuǎn)離物面，處于穩(wěn)態(tài)位置。左舷激勵(lì)器開啟后，左舷渦變得遠(yuǎn)離物面，右舷渦變得靠近物面；而當(dāng)右舷激勵(lì)器開啟后，左舷渦變得靠近物面，而右舷渦變得遠(yuǎn)離物面。左、右舷激勵(lì)器開啟下，渦流場(chǎng)基本為鏡像對(duì)稱，反映出流場(chǎng)的雙穩(wěn)態(tài)特性。此時(shí)激勵(lì)器的激勵(lì)作用為提供逆向的誘導(dǎo)氣流，使得同側(cè)分離渦遠(yuǎn)離物面，而另一側(cè)分離渦則靠近物面。這樣的結(jié)果和壓力分布分析結(jié)果是相呼應(yīng)的。

需要指出的是，等離子體關(guān)閉狀態(tài)下，圖4中截面2和6壓力分布測(cè)量結(jié)果顯示，左右壓力系數(shù)接近對(duì)稱；而圖5（a）PIV結(jié)果顯示，此時(shí)渦流場(chǎng)呈現(xiàn)左渦低、右渦高的的流場(chǎng)結(jié)果，從而兩次實(shí)驗(yàn)等離子體關(guān)閉情況下結(jié)果不一致，這是因?yàn)樾审w大迎角分離渦流場(chǎng)很敏感，模型加工、裝配誤差以及流場(chǎng)湍流度等均會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，造成不一致［17－18］。當(dāng)引入等離子體流動(dòng)控制后，壓力分布和PIV測(cè)量結(jié)果是一致的，這正說明了等離子體動(dòng)量注入使得原來不可預(yù)估的流場(chǎng)變化變的可預(yù)估、可重復(fù)，這正是大迎角下細(xì)長(zhǎng)前體流動(dòng)控制的目的。

圖5 順吹型等離子體激勵(lì)器開啟PIV比較，U∞＝5m／sFig.5 Time－averaged PIV results for uptream type plasma actuators，U∞＝5m／s

2.2 順吹型等離子體激勵(lì)器控制實(shí)驗(yàn)

圖6比較了U∞＝15m／s，Re＝0.16×106時(shí)，測(cè)量截面2和截面6在激勵(lì)器關(guān)閉、順吹型左舷和右舷激勵(lì)器開啟下時(shí)間全平均壓力分布。

表2比較了測(cè)量截面2和截面6處順吹型激勵(lì)器關(guān)閉、左舷開啟、右舷開啟三種情況下附面層分離點(diǎn)的位置和當(dāng)?shù)貍?cè)向力系數(shù)。可以看出，在等離子體開和關(guān)控制下，截面2處周向壓力分布的吸力峰位置出現(xiàn)右、左轉(zhuǎn)換。而截面6處周向壓力分布的吸力峰位置則沒有出現(xiàn)左、右舷轉(zhuǎn)換，這說明沿模型軸向等離子體控制效果有所減弱。

圖6 順吹型等離子體激勵(lì)器開啟壓力分布比較，U∞＝15m／sFig.6 Time－averaged pressure distributions for downstream type plasma actuators，U∞＝15m／s

表2 順吹型等離子體激勵(lì)器開啟對(duì)附面層分離點(diǎn)及當(dāng)?shù)貍?cè)向力系數(shù)影響Table 2 Separation locations and local side force coefficients for downstream type plasma actuation

截面2處，與激勵(lì)器關(guān)閉的情況進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)左舷激勵(lì)器開啟時(shí)，左側(cè)和右側(cè)的附面層分離點(diǎn)沒有發(fā)生變化。當(dāng)右舷激勵(lì)器開啟時(shí)，左側(cè)附面層分離點(diǎn)由原來的100°向上游移動(dòng)到90°處，右側(cè)附面層分離點(diǎn)由原來的－100°向下游移動(dòng)到－120°處?？梢?，與逆吹型激勵(lì)器有所不同，順吹型等離子體激勵(lì)器所起的作用是將同側(cè)的附面層分離點(diǎn)延后，而使得另外一側(cè)的附面層分離點(diǎn)提前。這說明順吹型左舷、右舷等離子體激勵(lì)器開啟后相當(dāng)于在當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)的相同方向注入動(dòng)量，使得當(dāng)?shù)乇砻媪鲃?dòng)速度加快，從而延遲了流動(dòng)的分離。

截面6處，與激勵(lì)器關(guān)閉進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)左舷激勵(lì)器開啟時(shí)，左、右側(cè)的附面層分離點(diǎn)沒有發(fā)生變化。當(dāng)右舷激勵(lì)器開啟時(shí)，左側(cè)分離點(diǎn)由原來的90°向上游移動(dòng)到80°處，右側(cè)分離點(diǎn)則沒有變化。

可見，順吹型激勵(lì)器可以通過延遲同側(cè)流動(dòng)分離點(diǎn)、而使得另一側(cè)分離點(diǎn)提前來提高有效控制風(fēng)速，使得有效控制風(fēng)速從5m／s提高到了15m／s，但此時(shí)流動(dòng)控制效果沿模型軸向有所減弱。

觀察PIV測(cè)量結(jié)果（見圖7），等離子體關(guān)閉，流場(chǎng)左舷渦靠近壁面而右舷渦流場(chǎng)高于左舷渦。左舷激勵(lì)器開啟后，左舷渦變得更加靠近物面，右舷渦變得遠(yuǎn)離物面；而右舷激勵(lì)器開啟后的效果與左舷激勵(lì)器開啟效果相反，右舷渦變得靠近物面，左舷渦變得遠(yuǎn)離物面；左、右舷激勵(lì)器開啟下，渦流場(chǎng)基本為鏡像對(duì)稱，反映出流場(chǎng)的雙穩(wěn)態(tài)特性。此時(shí)激勵(lì)器的激勵(lì)作用為提供順主流方向的誘導(dǎo)氣流，使得同側(cè)分離渦緊貼物面，而另一側(cè)分離渦則遠(yuǎn)離物面。這樣的結(jié)果和壓力分布分析結(jié)果是也是相呼應(yīng)的。

圖7 逆吹型等離子體激勵(lì)器開啟PIV比較，U∞＝5m／sFig.7 Time－averaged PIV results for downstream type plasma actuators，U∞＝5m／s

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了順吹型和逆吹型兩種不同激勵(lì)器形式，對(duì)圓錐前體分離渦流場(chǎng)進(jìn)行了單介質(zhì)阻擋放電等離子體主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。對(duì)激勵(lì)器開和關(guān)控制下的表面壓力分布和截面流場(chǎng)進(jìn)行了顯示測(cè)量。研究表明，低速大迎角下，在圓錐頭部尖端處放置一對(duì)單介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器，采用合適的激勵(lì)器形式，并通過適當(dāng)?shù)碾妼W(xué)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓錐前體非對(duì)稱流動(dòng)的有效控制。主要的研究結(jié)論有以下兩點(diǎn)：（1）通過調(diào)節(jié)激勵(lì)器的布置位置和誘導(dǎo)氣流的方向可以提高有效激勵(lì)風(fēng)速；（2）順吹型和逆吹型等離子體激勵(lì)器對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生影響的機(jī)理有所不同。

致謝：在錢學(xué)森誕辰100周年紀(jì)念之際，羅時(shí)鈞謹(jǐn)將此工作獻(xiàn)給他的博士學(xué)位導(dǎo)師錢學(xué)森教授。錢學(xué)森教授的教誨是他終生學(xué)術(shù)領(lǐng)悟的源泉。感謝高永衛(wèi)、惠增宏、肖春生、鄧?yán)?、郝江南等?duì)本研究的幫助。

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