介質(zhì)阻擋面放電等離子體流動(dòng)控制研究進(jìn)展

倪章松，李國(guó)強(qiáng)，高 超

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000;3.裝備學(xué)院，北京 101416)

0 引言

隨著世界能源危機(jī)的到來(lái)，新型飛行器對(duì)能源和動(dòng)力提出更高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)手段將不能滿足需求，需要采用新的技術(shù)途徑來(lái)改善飛行器的氣動(dòng)性能。主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)是21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ暮娇涨把丶夹g(shù)之一，將作為未來(lái)新型飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)的新手段［1］。

等離子體主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的主要目的是增加飛行器的升力、減小阻力，提高升阻比，從而改善飛行器的氣動(dòng)性能。SDBD是一種重要的大氣壓放電形式，激勵(lì)器電極布置在物體表面，使得邊界層氣體分子加速或局部體積耗散加熱，從而改變邊界層的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和物理特性，抑制飛行器表面流動(dòng)分離，最終實(shí)現(xiàn)飛行器增升減阻和效率增加。

SDBD主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)具有體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、重量輕、功耗低、作用頻帶寬、可靠性高、響應(yīng)快，不使用時(shí)對(duì)流場(chǎng)影響較小等優(yōu)點(diǎn)［2］，而且對(duì)邊界層控制和低雷諾數(shù)下流動(dòng)再附作用很高效［3］，被認(rèn)為是很有前途和價(jià)值的流動(dòng)控制新技術(shù)，得到了非常廣泛的應(yīng)用。

文章主要介紹了國(guó)外針對(duì)SDBD特性、流動(dòng)控制機(jī)理、氣動(dòng)激勵(lì)數(shù)學(xué)模型、流動(dòng)控制影響因素等的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了國(guó)內(nèi)在SDBD等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和機(jī)理研究方面的進(jìn)展，歸納出現(xiàn)階段研究中面臨的問(wèn)題及未來(lái)需要解決的問(wèn)題，并指出提高抑制流動(dòng)分離能力的等離子體沖擊流動(dòng)控制方式是一種重要研究方向。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)研究SDBD流動(dòng)控制的團(tuán)隊(duì)非常多，包括田納西大學(xué)、空軍研究實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)(馬里蘭大學(xué)、俄亥俄州大學(xué)、凱特靈大學(xué)、賴特大學(xué)和加州大學(xué))、圣母大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、空軍學(xué)院、NASA格倫研究中心、肯塔基大學(xué)等，研究的自由流速度跨度大，覆蓋了低速、超聲速、高超聲速。俄羅斯的研究機(jī)構(gòu)主要包括俄羅斯科學(xué)院高溫所(IVTAN)、莫斯科物理和技術(shù)學(xué)院、LENINETZ公司等研究機(jī)構(gòu)，取得了相當(dāng)顯著的成就?？傮w看來(lái)俄羅斯的等離子體流動(dòng)控制研究主要集中在IVTAN，目前IVTAN對(duì)SDBD研究相對(duì)較少。法國(guó)代表了歐洲的研究水平，最主要的研究團(tuán)隊(duì)是由法國(guó)Poitiers大學(xué)和阿根廷Buenos Aires大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)SDBD流動(dòng)控制開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。英國(guó)較早就開(kāi)始了等離子體展向振蕩減阻研究，但是實(shí)驗(yàn)自由流速度仍然很低。意大利的SDBD研究工作基本處于起步和模仿階段，主要研究力量是博洛尼亞大學(xué)Borghi等。瑞士的研究則強(qiáng)調(diào)氣流對(duì)等離子體的影響。另外還有德國(guó)、印度與伊朗進(jìn)行了一些相關(guān)研究［4］。

1.1 SDBD 研究

1857年，西門(mén)子第一次進(jìn)行了 DBD實(shí)驗(yàn)［5］。1933 年，Engle等［6－7］在一個(gè)大氣壓空氣中得到 DC正常輝光放電，由于存在輝光－電弧轉(zhuǎn)化，這個(gè)放電并不穩(wěn)定，很少在工業(yè)或?qū)嶒?yàn)室中得到應(yīng)用。1995年，Roth等［7－8］在電極上使用絕緣平板抑制輝光－電弧轉(zhuǎn)變，從而極大的降低了陰極加熱、腐蝕，以及等離子體污染，還使得等離子體穩(wěn)定，增加了離子數(shù)密度;這類放電稱為大氣壓均勻輝光放電等離子體(One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma，OAUGDPTM，也稱RF輝光放電)，實(shí)際就是SDBD。

Andrey Starikovskiy等［9］發(fā)明了一種二極管介質(zhì)阻擋面放電裝置，測(cè)量表明該裝置可以成功抑制住負(fù)半周期的反向減速作用，增強(qiáng)加速作用，然而，該裝置還處于發(fā)展的初始階段。

1.2 流動(dòng)控制機(jī)理研究

1.2.1 動(dòng)量加速和動(dòng)量摻混

Schatzman等［10］在實(shí)驗(yàn)中用粒子成像測(cè)速技術(shù)(PIV)測(cè)出激勵(lì)器連續(xù)工作和脈沖工作模式下誘導(dǎo)速度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)連續(xù)激勵(lì)時(shí)等離子體與邊界層氣體之間進(jìn)行動(dòng)量交換，誘導(dǎo)出壁面射流;脈沖工作時(shí)等離子體向邊界層輸入動(dòng)量的同時(shí)誘導(dǎo)出旋渦，從而對(duì)激勵(lì)器下游流場(chǎng)的影響范圍更大。Hultgren等［11］在閉式循環(huán)水洞中進(jìn)行了SDBD等離子體主動(dòng)控制邊界層流動(dòng)分離的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明激勵(lì)器通過(guò)促進(jìn)邊界層的提前轉(zhuǎn)捩而使流動(dòng)再附。Enloe等［12］認(rèn)為等離子體－中性分子碰撞造成動(dòng)量傳輸從而產(chǎn)生體積力是主要的能量耦合機(jī)制，激勵(lì)器附近加熱也很重要，但并不是等離子體流動(dòng)控制的主要機(jī)制，Roth等［13］、Jukes 等［14］也得到類似的結(jié)論。Minton 等［15］認(rèn)為進(jìn)入邊界層的能量使得流體加熱膨脹，造成了一個(gè)障礙，從而在放電位置造成流動(dòng)分離，但是這是一個(gè)不愿看到的結(jié)果，據(jù)此推測(cè)認(rèn)為產(chǎn)生控制效果的是體積力。Gaitonde等［16］通過(guò)仿真表明SDBD激勵(lì)器通過(guò)促進(jìn)層流－湍流轉(zhuǎn)捩和增強(qiáng)近壁面動(dòng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制作用，轉(zhuǎn)捩和湍流增強(qiáng)機(jī)制比純粹的壁面動(dòng)量增強(qiáng)更重要。Kengo Asada等［17］用大渦模擬方法研究NACA 0015翼型在脈沖工作模式等離子體控制下的兩種作用機(jī)制:第一種為DBD增強(qiáng)邊界層旋渦，因而避免翼型前緣更大分離渦的形成;第二種為激勵(lì)器通過(guò)抑制翼型分離，從而改善了翼型氣動(dòng)性能。圣母大學(xué)團(tuán)隊(duì)［18］研究NACA 0015機(jī)翼處于振蕩過(guò)程中SDBD對(duì)流動(dòng)分離的控制效果，發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)下一個(gè)單獨(dú)的SDBD激勵(lì)器類似于襟翼或者鼓包，對(duì)機(jī)翼升力具有雙重作用:一是無(wú)粘動(dòng)量添加;二是和粘性流場(chǎng)的相互作用。M.Neumannl等［19］利用激光多普勒測(cè)速儀(LDV)測(cè)出了SDBD激勵(lì)器誘導(dǎo)二分量速度場(chǎng)和拉格朗日加速度，認(rèn)為等離子體誘導(dǎo)體積力存在時(shí)間和空間兩種加速機(jī)制，實(shí)驗(yàn)得出時(shí)間加速機(jī)制起主要作用。

1.2.2 溫升效應(yīng)和熱沖擊效應(yīng)

Correale等［20］通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究納秒脈沖等離子體產(chǎn)生的沖擊波與NACA 63－618翼型流場(chǎng)的相互作用，還在層流條件下進(jìn)行了納秒脈沖等離子體控制翼型失速的研究，以此來(lái)進(jìn)一步探索流動(dòng)控制機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)納秒脈沖等離子體在翼型表面誘導(dǎo)出旋渦是流動(dòng)控制的最主要機(jī)制。Roupassov等［21］研究表明激勵(lì)器放電產(chǎn)生的納秒脈沖等離子體在激勵(lì)器表面誘導(dǎo)出沖擊波，沖擊波誘導(dǎo)旋渦對(duì)主流產(chǎn)生擾動(dòng)，從而促進(jìn)主流和邊界層之間的動(dòng)量交換，使得翼面流動(dòng)再附。Jonathan Poggie等［22］對(duì)DBD納秒脈沖放電的作用機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值研究，仿真的結(jié)果很好的再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象。認(rèn)為納秒脈沖可用于高速流動(dòng)控制，作用機(jī)理主要在于激勵(lì)器迅速將電能轉(zhuǎn)化為快速釋放的熱能，以及隨之而產(chǎn)生的沖擊波對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用。

Munetake Nishihara等［23］在小尺寸的超音速風(fēng)洞中研究了納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電(NS－DBD)等離子體對(duì)斜激波和激波邊界層的相互作用。

1.2.3 綜合觀點(diǎn)

目前還存在一些綜合觀點(diǎn)，比如Menier等［24］提出亞聲速條件下適用動(dòng)量傳輸機(jī)理，超聲速條件下則主要為加熱機(jī)制，二者更可能同時(shí)存在，放電位置的不同導(dǎo)致動(dòng)量傳輸和加熱作用可能疊加，也可能互相抵消。Roupassov等［21］認(rèn)為能量耦合機(jī)制與所使用的激勵(lì)電源有關(guān)，對(duì)于交流放電來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的動(dòng)量輸入和近壁面流動(dòng)加速是主要影響機(jī)制，對(duì)于納秒脈沖SDBD來(lái)說(shuō)，主要機(jī)制是能量傳輸?shù)浇诿鏆怏w以及邊界層的快速加熱。

1.3 氣動(dòng)激勵(lì)數(shù)學(xué)模型研究

1.3.1 唯象學(xué)模型

目前許多流體力學(xué)數(shù)值研究工作都是基于唯象學(xué)模型。唯象學(xué)模型不考慮等離子體的實(shí)際作用過(guò)程，直接假設(shè)電場(chǎng)分布、等離子體密度以及導(dǎo)電率等從而求出體積力，將體積力作為源項(xiàng)添加到N－S方程中去，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。

Shyy等［25］提出了一個(gè)包括電場(chǎng)和電場(chǎng)力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(1)。

Suzen等［26］將等離子體簡(jiǎn)化為一個(gè)體積力加入N－S方程，發(fā)展了計(jì)算等離子體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證、校正模型，對(duì)低壓渦輪分離流動(dòng)進(jìn)行了模擬。

Gaitonde等［27］利用唯象學(xué)模型研究了不同模式下等離子體對(duì)邊界層的影響并考察了等離子體控制流動(dòng)分離的能力。

1.3.2 集總電路模型

通過(guò)模擬集總電路研究等離子體體積力的大小及方向。這種方法利用等離子體放電過(guò)程中電流與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，將等離子體激勵(lì)器看成一個(gè)集總電路元件，研究體積力與放電參數(shù)之間的關(guān)系。Orlov等［28］采用該方法得出體積力與V7/2呈正比(V為加載電壓)，并用光電倍增管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性。

1.3.3 粒子群－蒙特卡洛法模擬

Font等［29］研究了不同的電壓下正、負(fù)離子的相互作用，研究表明負(fù)離子產(chǎn)生負(fù)拉力減小了等離子體的體積力，純氧的等離子體體積力沒(méi)有純氮的體積力大。Shoichi Ebato等［30］以 N2與 CO2為放電介質(zhì)研究了體積力隨環(huán)境壓力的變化，結(jié)果顯示，環(huán)境壓力減小，等離子體體積力增大，最大可以增大10倍以上。

1.3.4 流動(dòng)和放電的多物理仿真

這種方法耦合了電勢(shì)場(chǎng)、化學(xué)輸運(yùn)和動(dòng)量輸運(yùn)，能夠得出電荷密度等電場(chǎng)參數(shù)、等離子體的電動(dòng)體積力、放電空間的能量及誘導(dǎo)速度等流場(chǎng)參數(shù)等。由于不同物理過(guò)程在時(shí)間尺度等方面存在較大的差別，所以該方法較難實(shí)現(xiàn)。

1.4 流動(dòng)控制影響因素研究

影響SDBD激勵(lì)器流動(dòng)控制效果的因素很多，比如電極結(jié)構(gòu)、電源參數(shù)、激勵(lì)器布置、激勵(lì)器工作模式和來(lái)流速度等。

J.Jolibois等［31］研究了影響單個(gè)激勵(lì)器將空氣電離化效果的三個(gè)參數(shù):電壓波型、介質(zhì)厚度、激勵(lì)電壓。在給定電功率下，研究發(fā)現(xiàn)正弦波和三角波相對(duì)于方波對(duì)流放電(electric wind)的誘導(dǎo)速度較大，這是由于方波有極大的正向或負(fù)向變化梯度，雖然產(chǎn)生很高的電流峰值，但對(duì)等離子體放電產(chǎn)生的貢獻(xiàn)卻很小;采用相對(duì)較厚的介質(zhì)層(幾毫米)在幾十千伏電壓和適當(dāng)激勵(lì)頻率下(約1 kHz)誘導(dǎo)速度較大。

Roth等［32］認(rèn)為雖然單個(gè)激勵(lì)器誘導(dǎo)離子風(fēng)速度較低，但激勵(lì)器陣列能夠產(chǎn)生杠桿作用可使更高速度的流動(dòng)再附;另外，在分離點(diǎn)起始位置附近布置激勵(lì)器效果比較好。

P.Audier等［33］用 DBD 抑制翼型 NACA 0012前緣處發(fā)生的流動(dòng)分離，改善了翼型的氣動(dòng)性能，并且根據(jù)旋渦的自然脫落頻率來(lái)選擇受迫振動(dòng)頻率即激勵(lì)頻率，用PIV和熱線風(fēng)力測(cè)定法(hot－wire anemometry)測(cè)量出接近邊界層和較遠(yuǎn)誘導(dǎo)渦位置處的流動(dòng)在DBD控制下的改善效果，結(jié)果表明，當(dāng)二者的頻率很相近的時(shí)候可以使升力大幅增加。

Schatzman等［10］研究了定常模式和非定常模式激勵(lì)，認(rèn)為非定常模式激勵(lì)比定常模式激勵(lì)的流動(dòng)控制效果好。

Jochen Kriegseis等［34］用一種新的診斷技術(shù)來(lái)量化SDBD等離子體激勵(lì)器的放電特性，研究表明在高馬赫數(shù)下的激勵(lì)效果比在靜止空氣中的明顯下降。隨著流場(chǎng)速度的變化，這種新的激勵(lì)器放電監(jiān)測(cè)途徑可以為電系統(tǒng)阻抗的匹配和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)的預(yù)估提供清晰的參考。

John P.Murphy等［35］采用 PIV 技術(shù)對(duì)靜止空氣中的SDBD激勵(lì)器誘導(dǎo)流場(chǎng)的特性進(jìn)行了研究，并在一定的電壓和消耗功率下建立了準(zhǔn)確的最大誘導(dǎo)速度和體積力發(fā)展模型的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)針對(duì)等離子體流動(dòng)控制進(jìn)行了數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)方面的研究，對(duì)等離子體流動(dòng)控制機(jī)理進(jìn)行了深入的探討，在飛行器減阻增升、壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)、平流層螺旋槳增效等方面展開(kāi)了應(yīng)用研究，但是離工程化還有很大差距。

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

空軍工程大學(xué)李應(yīng)紅等［36－37］利用 PIV、天平、探針、皮托管和光譜儀等實(shí)驗(yàn)手段研究等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的放電特性與加速效果，研究NACA 0015翼型升阻特性受激勵(lì)電壓、激勵(lì)電極數(shù)目、激勵(lì)位置、輸入電壓波形等激勵(lì)參數(shù)的影響，進(jìn)行微秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)抑制翼型吸力面流動(dòng)分離的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明:等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)了啟動(dòng)渦，啟動(dòng)渦隨后發(fā)展成近壁面射流，等離子體脈沖激勵(lì)的消耗功率比連續(xù)正弦波減小約30%，占空比和脈沖頻率等對(duì)流動(dòng)分離抑制效果有影響［38］。岳太鵬等［39］利用自行研制的速度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)納秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)氣流速度進(jìn)行了測(cè)量，研究表明:納秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)作用效果明顯強(qiáng)于微秒脈沖放電。

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心張?chǎng)蔚龋?0］、王萬(wàn)波等［41］通過(guò)測(cè)力試驗(yàn)證明了在高風(fēng)速條件下介質(zhì)阻擋放電等離子體氣動(dòng)激勵(lì)能夠有效地抑制翼－身組合體的流動(dòng)分離，從而提高升阻比;采用PIV技術(shù)研究了SDBD等離子體激勵(lì)對(duì)NACA 0015翼型流動(dòng)分離的控制特性，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了電極電壓、電極位置和布置方式等參數(shù)對(duì)翼型分離控制的影響規(guī)律，初步分析了等離子體流動(dòng)控制機(jī)理，研究表明:等離子體激勵(lì)在失速迎角附近可以有效抑制流動(dòng)分離，實(shí)現(xiàn)氣流完全再附，在來(lái)流速度為20 m/s時(shí)，將氣流再附著的迎角提高了5°。

西北工業(yè)大學(xué)高榮隆等［42］、劉萬(wàn)剛等［43］利用研制的大氣壓下輝光放電等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生表面等離子體，揭示了表面等離子體對(duì)流場(chǎng)以及電磁場(chǎng)的影響。鄭博睿等［44］對(duì)施加脈沖周期SDBD的電圓錐前體進(jìn)行了PIV實(shí)驗(yàn)，研究表明:脈沖周期放電引發(fā)動(dòng)量轉(zhuǎn)移的主要機(jī)制是渦的增強(qiáng)而非氣流加速。王健磊等［45］通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了SDBD激勵(lì)器在不同狀態(tài)下對(duì)大迎角模型前體的非對(duì)稱氣動(dòng)載荷的控制作用，研究表明:通過(guò)控制等離子體激勵(lì)器的開(kāi)閉可以使得圓錐圓柱組合體在大實(shí)際攻角下出現(xiàn)的側(cè)力改變方向。

南京理工大學(xué)傅鑫等［46］對(duì)貼敷了等離子體激活板的NACA 0015翼型進(jìn)行了吹風(fēng)試驗(yàn)，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上獲得了等離子體減阻特性規(guī)律，并認(rèn)為低溫等離子體能夠有效抑制邊界層流動(dòng)分離，在一定條件下能夠大幅降低流動(dòng)阻力，且其效果與加載電壓和頻率呈線性關(guān)系。

中國(guó)科學(xué)院李剛等［47］利用PIV技術(shù)在低速風(fēng)洞中研究了SDBD等離子體對(duì)圓柱繞流尾跡區(qū)流場(chǎng)的影響，分析表明:激勵(lì)器可在圓柱尾跡區(qū)形成射流，進(jìn)而改變尾跡區(qū)的速度分布和渦量分布;還實(shí)驗(yàn)研究了非定常等離子體射流對(duì)低速單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的影響［48］，并實(shí)現(xiàn)了壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明:需要協(xié)調(diào)好激勵(lì)器布置位置和激勵(lì)強(qiáng)度之間的矛盾。并發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子前緣19 mm布置激勵(lì)器時(shí)不會(huì)發(fā)生爬電且擴(kuò)穩(wěn)效果比較理想。另外，邵濤等［49］在空氣中對(duì)納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電進(jìn)行了高速攝影，結(jié)果表明:大氣壓空氣中，水電極結(jié)構(gòu)納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電能夠產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的放電等離子體，且存在二次放電，放電首先由電極中部開(kāi)始發(fā)展，徑向擴(kuò)展至整個(gè)電極范圍。

2.2 數(shù)值研究

宋慧敏等［50］采用 PSpice軟件、Matlab/Simulink［51］研究了SDBD電特性。還根據(jù)體積力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行等離子體氣動(dòng)激勵(lì)特性“唯象”建模，將等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)流體的宏觀作用等效成體積力，與N－S方程耦合求解，得出等離子體氣動(dòng)加速特性［1］，其優(yōu)勢(shì)是容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是物理過(guò)程不清晰;梁華等［52］通過(guò)求解SDBD二維流體體力和熱量分布模型，與N－S方程耦合建立了翼型等離子體流動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型，在低雷諾數(shù)條件下，研究了等離子體激勵(lì)強(qiáng)度、激勵(lì)電極數(shù)量和位置對(duì)翼型NACA 0009流動(dòng)分離抑制和升阻特性的影響。提出了等離子體沖擊流動(dòng)控制原理和方法，包括沖擊激勵(lì)、擾動(dòng)禍流和頻率耦合3個(gè)內(nèi)涵［1］，在100 m/s條件下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用等離子體沖擊氣動(dòng)激勵(lì)提高抑制流動(dòng)分離能力的有效性，并認(rèn)為存在有效抑制流動(dòng)分離的最佳非定常脈沖頻率［53］。

毛枚良等［54］、王江南等［55］、張攀峰等［56］基于Shyy線性簡(jiǎn)化電場(chǎng)模型對(duì)等離子體流動(dòng)控制進(jìn)行了數(shù)值仿真。薛幫猛等［57］、梁華等［58］、李剛等［59］和程鈺鋒等［60］根據(jù)Y.B.Suzen等的分析方法，求解電勢(shì)方程和電荷密度方程得到體積力，并將體積力以源項(xiàng)形式加入到N－S方程進(jìn)行求解，來(lái)研究等離子流動(dòng)體控制。

程鈺鋒等［61］仿真研究了等離子體增升減阻技術(shù)對(duì)沿螺旋槳槳徑方向均勻分布的10個(gè)葉素氣動(dòng)特性的改善效果。采用葉素理論，分析了等離子體對(duì)螺旋槳整體氣動(dòng)性能的提高效果。結(jié)果表明采用介質(zhì)阻擋面放電等離子體流動(dòng)控制技術(shù)可以提高螺旋槳的氣動(dòng)性能。

2.3 機(jī)理研究

李剛等［62］將等離子體流動(dòng)控制機(jī)理歸納為撞擊效應(yīng)、溫升效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)，并認(rèn)為其中起主導(dǎo)作用的是撞擊效應(yīng)。

聶萬(wàn)勝等［63］總結(jié)提出了等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的三個(gè)主要機(jī)理:基于放電過(guò)程的物性變化效應(yīng)，基于電動(dòng)力學(xué)的動(dòng)力效應(yīng)，基于歐姆加熱、電子與振蕩鞘層的碰撞及介質(zhì)擋板熱損失等過(guò)程的能量沖擊效應(yīng)。

車學(xué)科［4］認(rèn)為流動(dòng)控制機(jī)制包括體積力加速機(jī)制與渦相干機(jī)制兩種，前者適于低速流動(dòng)，通過(guò)消耗分離渦能量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制效果，后者則在高速流動(dòng)控制中發(fā)揮主要作用。

3 研究現(xiàn)狀分析與展望

SDBD成為目前最常用的等離子體流動(dòng)控制方法之一［64］。美國(guó)、俄羅斯、歐洲及其他國(guó)家和地區(qū)競(jìng)相研究SDBD等離子體流動(dòng)控制技術(shù)。美國(guó)、俄羅斯等國(guó)等離子體流動(dòng)控制技術(shù)研究起步較早，如今已經(jīng)比較成熟，正在逐漸走向工程應(yīng)用。國(guó)內(nèi)針對(duì)等離子體流動(dòng)控制進(jìn)行了數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)方面的研究，主要單位有空軍工程大學(xué)、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、裝備學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南京理工大學(xué)，在等離子體流動(dòng)控制機(jī)理和應(yīng)用上進(jìn)行了研究探索?？傮w來(lái)看，國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有形成一個(gè)被廣為接受和認(rèn)同的等離子體流動(dòng)控制機(jī)理，對(duì)等離子體流動(dòng)控制的具體過(guò)程認(rèn)識(shí)還不是很清晰。當(dāng)然，主要針對(duì)等離子體流動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)翼型或機(jī)身增升減阻和增效方面開(kāi)展了綜合研究，等離子體還在渦輪壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)、風(fēng)力機(jī)槳葉增效、等離子體助燃、等離子體消音管等方面有重要應(yīng)用，此不再贅述。

由于SDBD激勵(lì)器連續(xù)工作模式下誘導(dǎo)的電場(chǎng)強(qiáng)度比較低，屬于弱電離放電，SDBD誘導(dǎo)氣流速度低(最大只有8 m/s)，可以控制的來(lái)流速度只有每秒幾十米，嚴(yán)重限制了其在較高速度范圍的應(yīng)用，未來(lái)還需要進(jìn)一步探索如何增加等離子體激勵(lì)強(qiáng)度，提高等離子體的氣動(dòng)激勵(lì)性能。

針對(duì)現(xiàn)階段等離子體氣動(dòng)激勵(lì)強(qiáng)度不高和工程化應(yīng)用不夠，總結(jié)提出以下建議:(1)高壓納秒脈沖SDBD是一種提高抑制流動(dòng)分離能力的等離子體沖擊流動(dòng)控制方式，近年來(lái)成為流動(dòng)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但是納秒脈沖作用周期的占空比小，能否產(chǎn)生一個(gè)更高的作用效率值得深入的探討;(2)還應(yīng)該進(jìn)一步開(kāi)展SDBD等離子體流動(dòng)控制影響因素的研究，為等離子體控制走向工程應(yīng)用打下基礎(chǔ);比如，開(kāi)展不同海拔高度、氣候及氣象條件下等離子體流動(dòng)控制的研究。據(jù)研究表明，SDBD等離子體適用于控制平流層環(huán)境低雷諾數(shù)流動(dòng)，應(yīng)該加強(qiáng)這方面的研究。

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