高速風(fēng)洞等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究

李 峰, 高 超, 鄭博睿, 王玉帥

(西北工業(yè)大學(xué) 翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072)

0 引 言

等離子體流動(dòng)控制以其響應(yīng)時(shí)間短、無(wú)需移動(dòng)部件、作用頻帶寬等優(yōu)勢(shì)已成為國(guó)際空氣動(dòng)力學(xué)和等離子物理領(lǐng)域的新興重點(diǎn)研究方向，并很可能成為導(dǎo)致飛行器性能發(fā)生重大突破的關(guān)鍵性技術(shù)[1-3]。因此，深入研究等離子體流動(dòng)控制機(jī)理，發(fā)展精確、可靠的等離子體流動(dòng)控制技術(shù)對(duì)緊扣國(guó)際科技前沿、研制下一代戰(zhàn)斗機(jī)和導(dǎo)彈等先進(jìn)武器裝備具有非常重要的戰(zhàn)略意義和工程應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)等離子體流動(dòng)控制技術(shù)的研究還處于初步探索階段，美國(guó)、俄羅斯等國(guó)的科研機(jī)構(gòu)對(duì)等離子體流動(dòng)控制技術(shù)及其在抑制翼型失速分離等方面的應(yīng)用開展了大量研究，可控的流動(dòng)速度范圍與實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距。美國(guó)報(bào)道最大可控風(fēng)速為60m/s[4-7]；俄羅斯用納秒電源激勵(lì)產(chǎn)生等離子體，嘗試了對(duì)Ma=0.8的流動(dòng)進(jìn)行控制，但沒有得到實(shí)用的結(jié)果[8]；國(guó)內(nèi)空軍工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中科院、北京航空航天大學(xué)等單位也開展了等離子體流動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，但來(lái)流速度均小于100m/s[9-13]?？傮w來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)等離子體流動(dòng)控制技術(shù)的研究目前還局限于低速流動(dòng)(已有研究基本都是在來(lái)流速度不超過(guò)100m/s、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速不超過(guò)3000r/min的條件下開展的，而實(shí)際飛行器飛行速度多在100m/s以上、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速在104r/min 以上)，國(guó)內(nèi)在高馬赫數(shù)、高雷諾數(shù)等離子體流動(dòng)控制方面的研究尚不多見。因此，為了探明等離子體流動(dòng)控制的作用機(jī)理，摸清等離子體激勵(lì)在高速流動(dòng)狀態(tài)下的控制規(guī)律和特性，迫切需要發(fā)展一套適用于高速風(fēng)洞的等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)技術(shù)，從而推動(dòng)這種新型流動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

開展等離子體流動(dòng)控制研究主要有兩個(gè)途徑：一是研制等離子體風(fēng)洞，建立等離子體流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境；二是將小型等離子體激勵(lì)器安裝在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕?，在常?guī)風(fēng)洞中進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)。美國(guó)普林斯頓大學(xué)、斯維爾德魯普技術(shù)有限公司等科研機(jī)構(gòu)曾嘗試過(guò)等離子體風(fēng)洞的研制，但由于風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸過(guò)小，目前還沒有在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。常規(guī)風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸大、吹風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)、來(lái)流馬赫數(shù)和雷諾數(shù)易于控制，是一種很利于開展等離子體流動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究進(jìn)展情況，并針對(duì)高速流動(dòng)等離子體流動(dòng)控制的發(fā)展趨勢(shì)，在西北工業(yè)大學(xué)NF-6增壓連續(xù)式高速風(fēng)洞上設(shè)計(jì)1套用于高速翼型實(shí)驗(yàn)的等離子體流動(dòng)控制系統(tǒng)，為我國(guó)開展高速流動(dòng)的等離子體流動(dòng)控制研究創(chuàng)立了必備的技術(shù)手段。

1 高速風(fēng)洞等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)存在的問題、技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)等離子體激勵(lì)系統(tǒng)和高速風(fēng)洞的固有特點(diǎn)，在高速風(fēng)洞開展等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)主要存在以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

(1) 風(fēng)洞洞體、模型及其支撐機(jī)構(gòu)的裝配和絕緣問題。傳統(tǒng)金屬模型及支撐機(jī)構(gòu)無(wú)法使用，即使采用橡膠、普通絕緣膠布進(jìn)行絕緣保護(hù)，風(fēng)洞洞體感應(yīng)電壓也可達(dá)200V以上。

(2) 測(cè)控儀器、設(shè)備的電磁干擾問題。天平、編碼器反饋等弱電信號(hào)對(duì)電磁干擾特別敏感，如不采取相應(yīng)保護(hù)措施，激勵(lì)器高壓放電時(shí)此類儀器無(wú)法正常工作。此外，高壓電磁干擾會(huì)導(dǎo)致模型姿態(tài)角控制系統(tǒng)的精度降低、壓力分布紊亂等問題。

(3) 等離子體激勵(lì)器高壓電纜的密封、絕緣走線問題。高速風(fēng)洞一般均為鋼制結(jié)構(gòu)，在增壓實(shí)驗(yàn)時(shí)還需保證洞體的氣密性，因此必須解決高壓電纜過(guò)洞壁的絕緣和密封問題。

(4) 等離子體流動(dòng)控制風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的技術(shù)規(guī)范和運(yùn)行策略問題。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考慮，高速風(fēng)洞及模型一般均為金屬材質(zhì)，而等離子體激勵(lì)器又必須在上萬(wàn)伏的高電壓激勵(lì)下方可有效，因此，既要保證模型的裝配精度和支撐機(jī)構(gòu)的剛度，又要充分考慮絕緣問題，確保實(shí)驗(yàn)人員和設(shè)備的安全。

2.1模型設(shè)計(jì)

為了滿足高速風(fēng)洞大動(dòng)壓實(shí)驗(yàn)條件的要求，模型選用鋼制二元測(cè)壓翼型。等離子體激勵(lì)器由上電極、絕緣層和下電極組成，整體激勵(lì)器沿翼展方向安裝在翼型前緣。其中，上電極裸露在空氣中，下電極嵌在絕緣材料里，在高壓重復(fù)納秒脈沖電壓作用下， 通過(guò)介質(zhì)阻擋放電方式產(chǎn)生等離子體。模型及激勵(lì)器的示意圖和實(shí)物圖如圖1所示。上述設(shè)計(jì)方式可滿足模型的剛度要求和等離子體的有效發(fā)生，但可能會(huì)在翼型表面及耳片、測(cè)壓管等金屬部件上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，因此需要專門設(shè)計(jì)耐高壓的支撐機(jī)構(gòu)，以解決模型與風(fēng)洞洞體及測(cè)控儀器的絕緣問題。

圖1 等離子體激勵(lì)器示意圖

2.2支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在二維翼型實(shí)驗(yàn)中，與模型連接的機(jī)構(gòu)是側(cè)壁轉(zhuǎn)窗和迎角機(jī)構(gòu)支撐平臺(tái)。其中，迎角機(jī)構(gòu)支撐平臺(tái)用來(lái)支撐模型和控制模型的迎角；側(cè)壁轉(zhuǎn)窗則起到密封的作用，為了保證流動(dòng)的二維性，側(cè)壁轉(zhuǎn)窗必須緊貼在翼型的兩個(gè)端面。因此，在等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中必須要解決模型與側(cè)壁轉(zhuǎn)窗、支撐平臺(tái)的絕緣問題。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)于側(cè)壁轉(zhuǎn)窗設(shè)計(jì)，綜合考慮材料的強(qiáng)度、絕緣性及是否便于加工等多方面的因素，選用環(huán)氧樹脂材料一次加工成形(見圖2)。對(duì)于支撐平臺(tái)和翼型耳片通過(guò)金屬螺釘連接定位，因此要同時(shí)考慮接觸面和連接螺釘?shù)慕^緣問題。為此，在支撐平臺(tái)和翼型耳片的接觸面上粘貼可耐15000V高壓的Kapton絕緣膠帶，然后再安裝由環(huán)氧樹脂層壓板制成的耳片墊板，螺釘上專門設(shè)計(jì)了聚四氟乙烯襯套和墊片，從而實(shí)現(xiàn)支撐平臺(tái)和翼型耳片的完全隔離(見圖3)。

圖2 模型與試驗(yàn)段側(cè)壁轉(zhuǎn)窗的連接方式

圖3 模型與支撐平臺(tái)的連接方式

2.3絕緣、密封走線技術(shù)

等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的走線技術(shù)主要涉及測(cè)壓管和高壓電纜過(guò)洞壁的問題。測(cè)壓管為塑料軟管，不存在絕緣問題，通過(guò)安裝在風(fēng)洞洞體上的轉(zhuǎn)接頭過(guò)洞壁，密封性的問題也可得到解決。因此，主要的技術(shù)難點(diǎn)集中在高壓電纜的過(guò)洞壁問題上，如果采用焊接的方式，則無(wú)法保證絕緣性；如果采用線管的方式，盡管線管與風(fēng)洞洞壁之間的密封問題可以解決，但線管內(nèi)部存在電纜與線管內(nèi)壁的密封問題。為此，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)動(dòng)態(tài)壓力環(huán)境下密封、絕緣走線問題，專門設(shè)計(jì)了一種帶絕緣保護(hù)的密封接頭(見圖4)。該密封接頭由底座、O型橡膠密封圈和壓絲組成。其中，底座是由鋼質(zhì)材料制成的中間留有圓形通孔的圓柱體支撐底座，底座小頭用來(lái)連接風(fēng)洞洞壁，大頭用來(lái)連接壓絲；O型橡膠密封圈置于壓絲與底座內(nèi)螺紋孔底部端面之間，利用螺紋的拉緊力形成的機(jī)械擠壓使O型密封圈變形抱緊電纜線的同時(shí)擠緊底座內(nèi)腔，從而既實(shí)現(xiàn)了高壓電纜與風(fēng)洞洞壁的完全隔離又解決了電纜的密封走線問題。

1 Base 2 O seal ring 3 Pressure screw 4 Side wall 5 High tension wires

2.4電磁屏蔽技術(shù)

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，最易受到電磁干擾的儀器是反饋迎角信息的光電編碼器和電子壓力掃描閥，因此必須采取相應(yīng)的電磁屏蔽措施進(jìn)行防護(hù)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)以下兩個(gè)技術(shù)手段解決了這一難題。

(1)多層電磁屏蔽技術(shù)

等離子體激勵(lì)器導(dǎo)線的脈沖電壓一般都在10000V以上，普通導(dǎo)線顯然無(wú)法滿足電磁屏蔽的要求。為此，經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)摸索，提出了一種多層電磁屏蔽技術(shù)，即對(duì)高壓導(dǎo)線實(shí)施多層屏蔽保護(hù)，使感應(yīng)電磁場(chǎng)逐層衰減，最后達(dá)到測(cè)控儀器的安全耐壓和電磁屏蔽要求。經(jīng)過(guò)多層屏蔽保護(hù)的高壓電纜如圖5所示，緊貼導(dǎo)線的是同軸電纜，第二層是銅網(wǎng)衣，第三層是塑料軟管，最外層是金屬軟管，以防止電纜折斷。

圖5 多層電磁屏蔽技術(shù)原理圖

(2)銅箔寬帶接地技術(shù)

除了激勵(lì)器導(dǎo)線本身的電磁干擾，翼型表面及耳片、測(cè)壓管等金屬部件上也會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)強(qiáng)的感應(yīng)電壓，因此，必須采取可靠的接地措施。研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的接地線無(wú)法滿足要求，接地后感應(yīng)產(chǎn)生的電壓仍可達(dá)上千伏。為此，我們專門設(shè)計(jì)了一種阻值更小的寬帶接地技術(shù)，即用100mm寬、0.03mm厚的銅箔寬帶作為地線，將模型上的感應(yīng)電壓導(dǎo)入大地，如圖6所示。

圖6 銅箔寬帶接地技術(shù)

經(jīng)測(cè)試，采用多層電磁屏蔽和寬帶接地技術(shù)之后，相應(yīng)部件的感應(yīng)電壓大幅減小(見表1)，風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)工作正常，靜態(tài)和吹風(fēng)時(shí)的壓力信號(hào)均未出現(xiàn)壞點(diǎn)，壓力分布曲線光滑、趨勢(shì)正確，光電編碼器反饋信號(hào)準(zhǔn)確，迎角控制精度未受干擾(仍可達(dá)0.3′)，從而保證了人員的安全性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

表1 不同接地技術(shù)結(jié)果對(duì)比

3 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)策略

等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)是伴隨有高壓、高溫的精細(xì)化特種實(shí)驗(yàn)，因此在風(fēng)洞性能和實(shí)驗(yàn)策略方面必須要有專門的考慮，歸納如下：

(1) 高品質(zhì)的流場(chǎng)，包括背景噪聲、湍流度及馬赫數(shù)控制精度等方面。等離子體對(duì)邊界層流動(dòng)的誘導(dǎo)加速屬于小擾動(dòng)，如果流場(chǎng)的壓力或速度脈動(dòng)過(guò)大，則等離子體本身對(duì)氣流的主控作用將會(huì)被弱化，這將非常不利于控制機(jī)理的辨識(shí)。

(2) 連續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行能力。等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)需要對(duì)比研究不同電壓、頻率及占空比等激勵(lì)參數(shù)對(duì)控制效果的影響，這就要求盡可能在一個(gè)車次中完成所有的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，否則將給數(shù)據(jù)的銜接帶來(lái)困難；另外，激勵(lì)電極處于高壓、高溫的工作狀態(tài)，頻繁的開關(guān)也會(huì)大大減小電極的工作壽命。

(3) 寬泛的變馬赫數(shù)、變雷諾數(shù)能力。目前的研究表明，等離子體流動(dòng)控制的原理是其對(duì)邊界層流動(dòng)加速的結(jié)果，而雷諾數(shù)又是與邊界層密切相關(guān)的參數(shù)，因此需要進(jìn)一步開展不同馬赫數(shù)和不同雷諾數(shù)下的實(shí)驗(yàn)研究，摸清等離子體的可控速度范圍，總結(jié)激勵(lì)電參數(shù)和氣動(dòng)性能的耦合關(guān)系，為等離子體流動(dòng)控制的機(jī)理研究提供必要依據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)NF-6高速風(fēng)洞進(jìn)行。該風(fēng)洞是國(guó)內(nèi)首座增壓連續(xù)式高速風(fēng)洞，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)，實(shí)驗(yàn)馬赫數(shù)范圍為0.2～1.2，最高翼型雷諾數(shù)可達(dá)15×106，并通過(guò)增壓方式可進(jìn)行固定馬赫數(shù)變雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)，背景噪聲、湍流度、馬赫數(shù)控制精度等流場(chǎng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)軍標(biāo)合格指標(biāo)，接近先進(jìn)指標(biāo)。風(fēng)洞配有PIV、紅外熱像儀、紋影儀等高精度非接觸測(cè)量?jī)x器，可實(shí)現(xiàn)繞流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、邊界層轉(zhuǎn)捩、渦系結(jié)構(gòu)以及激波位置的精細(xì)化測(cè)量。該風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)良，配套設(shè)備齊全，是開展等離子體高速流動(dòng)控制技術(shù)研究的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用NACA0012標(biāo)準(zhǔn)翼型，等離子體激勵(lì)系統(tǒng)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)的工作狀態(tài)如圖7所示。該圖來(lái)源于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)的視頻截圖，故分辨率稍差，但可以看到激勵(lì)器放電時(shí)的輝光效果。該系統(tǒng)在高速來(lái)流的情況下可正常工作，滿足高速風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)要求。

圖7 等離子體激勵(lì)系統(tǒng)工作圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8、9及圖2給出了α=20°，Ma=0.2時(shí)NACA0012翼型施加等離子體激勵(lì)前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖8的翼面壓力分布曲線可以看出，等離子體激勵(lì)對(duì)翼型繞流的控制作用主要體現(xiàn)在上翼面，施加等離子體激勵(lì)之后，上翼面的流速增快，前緣吸力顯著增大，升力增大；從圖9所示的等離子體激勵(lì)前后尾跡動(dòng)量損失分布來(lái)看，等離子體激勵(lì)有效控制了背風(fēng)面的流動(dòng)分離，尾跡區(qū)的動(dòng)量損失明顯降低，阻力減小，整體升阻性能得以提升。

圖8 等離子體激勵(lì)前后翼面壓力分布

圖9 等離子體激勵(lì)前后尾跡動(dòng)量損失

通過(guò)壓力分布積分可得到NACA0012翼型的升力系數(shù)(見圖10)。可以看出等離子體激勵(lì)有效抑制了翼型吸力面的流動(dòng)分離，提高了翼型的臨界失速迎角。當(dāng)Ma=0.2時(shí)，臨界失速迎角增大2°(由14°增大到16°)，最大升力增大4%。

圖10 等離子體激勵(lì)前后翼型升力系數(shù)曲線

5 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適用于高速風(fēng)洞的等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為開展高速風(fēng)洞等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)創(chuàng)立了一種新的技術(shù)手段。

(2) 初步探明了等離子體主動(dòng)控制技術(shù)在高速流動(dòng)中的可行性，為進(jìn)一步的機(jī)理研究和工程應(yīng)用提供了重要參考。

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作者簡(jiǎn)介:

李峰(1981-)，男，博士，陜西清澗人，工程師。研究方向：空氣動(dòng)力學(xué)。通訊地址：陜西省西安市友誼西路127號(hào)西北工業(yè)大學(xué)114#信箱(710072)。E-mail：lf3158@nwpu.edu.cn