兩種翼型螺旋槳ARA-D和S1223的等離子體增效實(shí)驗(yàn)研究

張立志，李修乾，陳慶亞，聶萬(wàn)勝，車學(xué)科

（1.裝備學(xué)院 研究生院；2.裝備學(xué)院 航天裝備系：北京101416）

兩種翼型螺旋槳ARA-D和S1223的等離子體增效實(shí)驗(yàn)研究

張立志1，李修乾2，陳慶亞1，聶萬(wàn)勝2，車學(xué)科2

（1.裝備學(xué)院 研究生院；2.裝備學(xué)院 航天裝備系：北京101416）

文章首先基于雷諾相似理論，在地面螺旋槳實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開展ARA-D翼型螺旋槳微秒脈沖等離子體增效三維實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，等離子體對(duì)螺旋槳拉力增效效果隨著脈沖頻率增加而減弱，而螺旋槳轉(zhuǎn)矩受等離子體影響隨拉力增效效果增加而減弱，拉力、效率最大增幅分別達(dá)到10.79%、11.56%。而后基于雷諾相似理論及葉素理論，在低湍流度風(fēng)洞開展 S1223翼型螺旋槳葉素微秒脈沖等離子體增效二維實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明等離子體激勵(lì)提高了翼型各葉素拉力，其中根部與尖部葉素表現(xiàn)尤為明顯。二維實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為三維實(shí)驗(yàn)激勵(lì)器展向排布方案提供理論依據(jù)。2種實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，等離子體射流可以有效抑制翼型表面流動(dòng)分離。

螺旋槳；等離子體；葉素理論；流動(dòng)控制；邊界層分離

0 引言

臨近空間是指距地面20～100km的空域，在電子對(duì)抗、情報(bào)收集、通信保障、近地觀測(cè)等方面有巨大的應(yīng)用潛力。以螺旋槳為推進(jìn)力的平流層飛艇是低動(dòng)態(tài)平流層飛行器的代表，其具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、滯空時(shí)間長(zhǎng)、載荷能力大、飛行高度高等特點(diǎn)，空間優(yōu)勢(shì)明顯。由于平流層大氣環(huán)境雷諾數(shù)低，使得葉素翼型的升阻比較低，螺旋槳效率也得不到保證。表面介質(zhì)阻擋放電（surface dielectric barrier discharge, SDBD）的等離子體流動(dòng)控制是一項(xiàng)基于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的新技術(shù)，近些年得到了廣泛關(guān)注并已經(jīng)被應(yīng)用于改善飛行器氣動(dòng)性能[1]。等離子體流動(dòng)控制具有質(zhì)量小、無(wú)活動(dòng)部件、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。有研究表明，在平流層稀薄的大氣環(huán)境下，空氣擊穿效果更佳[4]。

為充分利用平流層環(huán)境，程鈺鋒等人[5]運(yùn)用數(shù)值方法，通過(guò)比較8種翼型不同攻角和不同速度下升阻比大小和氣動(dòng)穩(wěn)定性，最終選取 SD8000-PT為合適的平流層螺旋槳翼型。國(guó)防科技大學(xué)雷光新等人[6]通過(guò)分析葉素效率確定設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍，提出平流層飛艇螺旋槳的初步設(shè)計(jì)流程，并優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使螺旋槳效率得到了提高。針對(duì)SDBD等離子體流動(dòng)控制在改善旋轉(zhuǎn)翼型性能方面，Corke等的研究[7]表明SDBD等離子體對(duì)于風(fēng)力機(jī)翼型和渦輪葉柵流場(chǎng)流動(dòng)分離的抑制方面有很好的效果；Visbal等人[8-9]針對(duì)NACA0015翼型利用唯象學(xué)模型研究了激勵(lì)器不同工作模式下等離子體對(duì)邊界層的影響，并考察了等離子體控制湍流分離的能力；程鈺鋒等人[10]通過(guò)仿真，研究了基于二維流場(chǎng)的2種SDBD激勵(lì)器布置方案對(duì)Eppler387翼型螺旋槳根部處于負(fù)攻角工況下葉素氣動(dòng)性能的改善效果。

目前采用實(shí)驗(yàn)方法研究平流層螺旋槳的公開文獻(xiàn)少之又少，因?yàn)殚_展平流層螺旋槳實(shí)驗(yàn)主要有地面低密度風(fēng)洞和高空飛行器實(shí)物搭載等方法，雖然此類實(shí)驗(yàn)精度較好，但是成本太高不容易實(shí)現(xiàn)。因此，運(yùn)用地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)平流層螺旋槳等離子體流動(dòng)控制進(jìn)行定量評(píng)估，便成為一種可行性較高的方法。中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院李喜樂(lè)等人[11]通過(guò)車載螺旋槳實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)臨近空間螺旋槳進(jìn)行了地面模擬實(shí)驗(yàn)并取得了較好的效果，進(jìn)一步驗(yàn)證了地面螺旋槳平臺(tái)實(shí)驗(yàn)的可行性。

本文首先利用裝備學(xué)院的螺旋槳等離子體流動(dòng)控制地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用微秒脈沖等離子體激勵(lì)的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究等離子體對(duì)螺旋槳三維流動(dòng)控制以及氣動(dòng)性能提高的效果。其次在車學(xué)科等人[12]地面模擬高空等離子體對(duì)流動(dòng)控制研究的基礎(chǔ)上，基于螺旋槳葉素理論和雷諾相似理論，運(yùn)用裝備學(xué)院低湍流度風(fēng)洞進(jìn)行等離子體流動(dòng)控制增效的二維實(shí)驗(yàn)，以對(duì)地面平臺(tái)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證補(bǔ)充。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 螺旋槳平臺(tái)實(shí)驗(yàn)方案

螺旋槳平臺(tái)實(shí)驗(yàn)方案是基于臨近空間螺旋槳試驗(yàn)相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的[12]。螺旋槳選用在低雷諾數(shù)下升力特性良好的雙槳葉ARA-D翼型，槳徑為2 m，槳轂旋轉(zhuǎn)直徑為0.24 m，采用環(huán)氧樹脂高溫成型而成。螺旋槳平臺(tái)實(shí)驗(yàn)采用高壓導(dǎo)線和碳刷滑環(huán)將高頻高壓電源與槳葉上的激勵(lì)電極組相連接。每個(gè)槳葉上鋪設(shè)3組電極，每組包含1個(gè)暴露電極和1個(gè)植入電極，其寬度分別為5 mm和10 mm，長(zhǎng)度均為600 mm，2個(gè)電極的橫向間隙為0 mm[13]。阻擋層采用3層Kapton膠帶。3組電極分別布置于槳葉表面，距離前緣10%、30%、50%弦長(zhǎng)處。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖1所示，構(gòu)成如圖2所示。

螺旋槳轉(zhuǎn)速為300 r/min。激勵(lì)器采用脈沖工作模式，載波頻率6 kHz，電壓峰峰值為8.5 kV，脈沖頻率10～160 Hz。用JN-338型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x測(cè)量轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，用 TS-5B智能測(cè)試儀采集拉力數(shù)據(jù)。為減小周期性誤差，重復(fù)取樣600次，以均值作為測(cè)量結(jié)果。

1.2 葉素實(shí)驗(yàn)（二維實(shí)驗(yàn)）方案

二維實(shí)驗(yàn)方案是基于平流層螺旋槳地面實(shí)驗(yàn)原理與葉素理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的[12]。SDBD等離子體葉素增效實(shí)驗(yàn)依托裝備學(xué)院低湍流度風(fēng)洞進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取由環(huán)氧樹脂加工而成的S1223翼型，弦長(zhǎng)200 mm，展長(zhǎng)790 mm。實(shí)驗(yàn)用激勵(lì)器的上、下兩電極長(zhǎng)度均為500 mm，重合長(zhǎng)度230 mm，電極間隙0 mm。在上表面距離前緣5 mm和下表面距離后緣5 mm處各布置1個(gè)激勵(lì)器，采用并聯(lián)連接以保證工作同步性。其中前緣激勵(lì)器植入電極處于暴露電極之后，后緣激勵(lì)器植入電極處于暴露電極之前，即來(lái)流方向?yàn)橛汕熬壌迪蚝缶?，前緣激?lì)器誘導(dǎo)射流與來(lái)流方向相同，后緣激勵(lì)器則反之[14]。

S1223翼型及激勵(lì)器布置見(jiàn)圖3。

實(shí)驗(yàn)中模擬螺旋槳的轉(zhuǎn)速300 r/min，分別選取頻率為10、40、80、120 Hz時(shí)的葉素拉力進(jìn)行比較。

1.3 高頻高壓電源與測(cè)量設(shè)備

螺旋槳平臺(tái)實(shí)驗(yàn)與二維實(shí)驗(yàn)中的SDBD等離子體激勵(lì)器電源均采用 HFHV30-1高頻高壓交流電源，輸出電壓±15 kV，輸出頻率1～50 kHz。螺旋槳平臺(tái)實(shí)驗(yàn)用Agilent N2771B高壓探頭測(cè)量電壓，采用Pearson 6595電流線圈測(cè)量電流，測(cè)量結(jié)果使用Agilent DSO-X 3024A示波器進(jìn)行顯示和記錄[12]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 螺旋槳平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4所示為轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)，在SDBD等離子體作用下，10～160 Hz不同脈沖頻率下螺旋槳拉力、轉(zhuǎn)矩、效率的變化情況。

由圖4(a)可知，激勵(lì)器開啟對(duì)拉力產(chǎn)生了較大影響，證明等離子體氣動(dòng)激勵(lì)影響了螺旋槳三維流場(chǎng)。未開啟激勵(lì)器時(shí)，拉力為69.440 N；當(dāng)開啟激勵(lì)器時(shí)，拉力顯著提高，并于激勵(lì)器脈沖頻率為10 Hz時(shí)達(dá)到最大值76.950 N，相比未施加等離子體激勵(lì)時(shí)增加了 10.79%；在脈沖頻率不斷增大的過(guò)程中，拉力的增幅整體呈減小的趨勢(shì)，并伴有局部振蕩，這可能是由空氣阻力造成螺旋槳各個(gè)葉素表面拉力不穩(wěn)定，產(chǎn)生沿槳葉方向微小力矩作用，積累后引起整體拉力脈動(dòng)。脈沖頻率160 Hz時(shí)，拉力變?yōu)?9.760 N，相比未施加等離子體激勵(lì)時(shí)增加了0.43%。由此可以看出，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)提高了螺旋槳拉力；而激勵(lì)效果隨脈沖頻率的增加而逐漸減弱，而在脈沖頻率較低時(shí)可能存在一個(gè)最佳脈沖頻率（本文中最佳頻率為10 Hz）。

由圖4(b)中螺旋槳轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率變化的曲線可以看出，隨著脈沖頻率的增大，轉(zhuǎn)矩呈無(wú)規(guī)則跳動(dòng)。其原因可能是由于螺旋槳前緣與后緣的壓差阻力受外界環(huán)境的影響較大，流場(chǎng)周圍空氣流動(dòng)對(duì)前、后緣壓差阻力造成了不規(guī)則的干擾；此外，槳葉上、下表面的摩擦阻力也是很重要的影響因素。從另一個(gè)角度看，除脈沖頻率20 Hz以外，其余各點(diǎn)較未施加等離子體激勵(lì)時(shí)脈沖頻率均有減小，最大幅度出現(xiàn)在160 Hz處，幅度為1.25%；最小為50 Hz處，幅度為0.04%。雖然轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率增加呈不規(guī)則振蕩，但由幾個(gè)振蕩的極低點(diǎn)（分別對(duì)應(yīng)10、40、90、160 Hz）不難推測(cè)，螺旋槳拉力增效效果與轉(zhuǎn)矩控制效果呈負(fù)相關(guān)，即拉力增效明顯時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)矩的控制能力便會(huì)減弱，反之亦然。

圖4(c)為螺旋槳效率隨脈沖頻率變化，可以看出開啟激勵(lì)器后每一個(gè)脈沖頻率下效率相比未施加等離子體激勵(lì)時(shí)都有所提高。效率同時(shí)受拉力和功率的影響，盡管功率呈不規(guī)則跳動(dòng)，但拉力增效效果更加明顯，因此效率改善效果整體上隨脈沖頻率增大而減弱，過(guò)程中伴有小幅振蕩。其中效率增幅最高值出現(xiàn)在10 Hz處，達(dá)到了11.56%；最低值出現(xiàn)于150 Hz處，為1.64%。

2.2 二維實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及分析

風(fēng)洞等離子增效實(shí)驗(yàn)?zāi)M螺旋槳轉(zhuǎn)速為300 r/min，激勵(lì)器開啟，設(shè)定占空比為10%，脈沖頻率分別為10、40、80、120 Hz時(shí)翼型各個(gè)相對(duì)半徑處的拉力值如圖5所示，其中黑色線為非激勵(lì)狀態(tài)。

由圖5可知，開啟等離子激勵(lì)器后，螺旋槳各個(gè)葉素拉力均有不同程度的提高，表明等離子體氣動(dòng)激勵(lì)顯著改變了S1223翼型的二維流場(chǎng)。其中相對(duì)半徑r/R在0.3～0.55范圍內(nèi)時(shí)，拉力增效明顯，最大增幅出現(xiàn)在r/R=0.45處，其中脈沖頻率為40 Hz時(shí)拉力增幅達(dá)到12.339 N；r/R在0.9～0.975范圍內(nèi)，拉力增效大體呈增強(qiáng)趨勢(shì)，并于r/R=0.95處達(dá)到最大，其中脈沖頻率為80 Hz時(shí)增幅達(dá)到16.453 N；整個(gè)實(shí)驗(yàn)中拉力最大增加了 40.94%?？梢?jiàn)等離子體氣動(dòng)激勵(lì)有效改變了翼型周圍的流場(chǎng)，改善了翼型氣動(dòng)性能。增效效果突出在槳根與槳尖，分析其原因?yàn)椋簶幱谳^大攻角條件下，而槳尖存在較大誘導(dǎo)阻力作用且表面積較小，它們的表面雷諾數(shù)較?。幌鄬?duì)于中間部位，槳根與槳尖局部流場(chǎng)的流動(dòng)分離狀況更加明顯，氣動(dòng)效率較低，可優(yōu)化的空間較中間部位更大。二維實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以為三維實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)器展向排布提供支持。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中還發(fā)現(xiàn)，在r/R=0.55以及0.9附近拉力出現(xiàn)了降低的情況，其中最大降幅為-2.570 N，相比未施加等離子體激勵(lì)時(shí)降低4.4%；最小降幅為0.034%。分析其原因可能是空氣阻力干擾造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，有待于進(jìn)一步探究。

不同脈沖頻率下，r/R=0.3～0.35附近，槳根端低頻脈沖激勵(lì)效果稍高于高頻，翼型其余部分均為高頻脈沖激勵(lì)效果稍好于低頻，但二者差別并不明顯。三維實(shí)驗(yàn)中螺旋槳拉力隨脈沖頻率變化大體呈線性規(guī)律，但在二維實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有體現(xiàn)，可能是由于三維實(shí)驗(yàn)中螺旋槳存在表面展向速度以及翼尖誘導(dǎo)速度，這些速度之間或存在某種耦合關(guān)系。

3 結(jié)論

1）運(yùn)用低湍流度風(fēng)洞進(jìn)行S1223翼型等離子體二維增效實(shí)驗(yàn)，基于葉素理論與雷諾相似理論研究了 S1223翼型螺旋槳在低雷諾數(shù)環(huán)境下的工作特性。結(jié)果表明：SDBD等離子體激勵(lì)優(yōu)化了S1223翼型二維流場(chǎng)，提高了翼型氣動(dòng)性能，其中拉力最大提高40.94%；槳根與槳尖處拉力提高幅度較大，中間部位激勵(lì)效果不明顯。二維實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為三維實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)器展向排布方案提供理論依據(jù)。

2）基于翼型雷諾相似以及等離子體射流雷諾相似理論，運(yùn)用地面螺旋槳實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了等離子體增效三維實(shí)驗(yàn)，模擬ARA-D翼型螺旋槳在平流層低雷諾數(shù)環(huán)境下的工作狀況。結(jié)果表明，拉力增幅最大達(dá) 10.79%，最小 0.43%；效率增幅最大達(dá)11.56%，最小1.64%；等離子體激勵(lì)效果隨脈沖頻率的增加而逐漸減弱，在脈沖頻率較低時(shí)可能存在一個(gè)最佳脈沖頻率，本文中最佳脈沖頻率為10 Hz。

3）2種實(shí)驗(yàn)都證明了等離子體射流可以抑制翼型表面流動(dòng)分離，改善翼型表面流場(chǎng)，提高螺旋槳的工作效率。

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（編輯：肖福根）

Experimental study of the enhancement of plasma flow control of ARA-D and S1223 propeller airfoils

ZHANG Lizhi1, LI Xiuqian2, CHEN Qingya1, NIE Wansheng2, CHE Xueke2
(1.Graduate School, The Academy of Equipment; 2.Department of Space Equipment, The Academy of Equipment: Beijing 101416, China)

Based on the Reynolds-Similarity Theory, an experiment is carried out for the ARA-D propeller airfoil to study the microsecond pulse plasma flow control supported by the ground test platform for the propeller.It is found that the synergy of the thrust decreases with the increase of the actuation frequency.The thrust increases by 10.79% and the efficiency increases by 11.56%.Based on the Reynolds-Similarity Theory and the Blade Element Theory, an experiment is carried out for the S1223 propeller airfoil to study the enhancement performance of the microsecond pulse plasma flow control supported by the low-turbulence wind tunnel.It is found that the plasma actuation improves the thrust of the blade elements, especially in the root and the tip, and the result provides a theoretical basis for the actuator distribution in the span direction in ARA-D experiments.The results of both experiments show that the plasma jet restrains the boundary layer separation on the airfoil surface effectively.

propeller; plasma; blade element theory; flow control; boundary layer separation

P354.4

：A

：1673-1379(2017)01-0081-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.013

張立志（1992—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榈入x子體流動(dòng)控制技術(shù)；E-mail: zlzsaysffndm@163.com。指導(dǎo)教師：李修乾（1977—），男，副研究員，研究方向?yàn)楹教焱七M(jìn)與流動(dòng)控制。

2016-10-14；

：2017-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：11205244）；“高分”專項(xiàng)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目（編號(hào)：GFZX04060103-5）

張立志,李修乾,陳慶亞,等.兩種翼型螺旋槳ARA-D和S1223的等離子體增效實(shí)驗(yàn)研究[J].航天器環(huán)境工程, 2017, 34(1): 81-85

ZHANG L Z, LI X Q, CHEN Q Y, et al.Experimental study of the enhancement of plasma flow control of ARA-D and S1223 propeller airfoils[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 81-85