高頻脈沖射流激勵器設(shè)計與動態(tài)特性試驗

李佳威，李明震，趙 超，伍耐明

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

1 前言

S形進氣道由于其具有迎風(fēng)面積較小、可減小飛機雷達散射截面積等特點，越來越多地被應(yīng)用在飛行器設(shè)計中。但由于其幾何形狀特殊，不斷提高的偏置率將使流場的彎道曲率不斷加大。高速氣流在通過彎道時，由于離心力作用以及吸入機身附面層，導(dǎo)致流場中出現(xiàn)二次流動或附面層發(fā)展甚至分離等現(xiàn)象［1］。以上現(xiàn)象隨流動向下游發(fā)展并最終進入發(fā)動機，破壞壓氣機的穩(wěn)定性，嚴重時可造成壓氣機喘振。為了保證發(fā)動機與飛機的運行安全，需要通過對進氣道內(nèi)流場進行流動控制來減小進氣道出口流場的畸變強度。

流動控制是航空航天研究的一個熱點［2，3］，是流體技術(shù)最主要的研究領(lǐng)域之一。流動控制技術(shù)可以分為主動控制與被動控制兩類，但被動控制技術(shù)適應(yīng)性較差，近年來相關(guān)研究重點都集中在主動流動控制技術(shù)領(lǐng)域。

激勵器作為主動流動控制的執(zhí)行機構(gòu)，用于在流場中形成穩(wěn)態(tài)射流、合成射流或脈沖射流等。目前關(guān)于射流激勵器的研究主要集中在合成射流激勵器，而脈沖射流激勵器的研究并不多。脈沖射流激勵器相比其他形式的激勵器具有明顯的優(yōu)勢，其原理是利用高頻脈沖射流在流場主流方向纏繞上流向渦，進而改變流場狀態(tài)。和其他形式的射流進行比較，脈沖射流在占空比為50%，質(zhì)量流量相同的情況下，射流速度更大，更有利于流動摻混，進而對流場產(chǎn)生更大的擾動［4］。由于脈沖射流激勵器可以達到較高的頻率與射流速度，所有該項技術(shù)有望應(yīng)用于航空器S形進氣道內(nèi)流動分離的控制、發(fā)動機推力矢量控制等較高工況的場合。

本文以S形進氣道的主動流動控制要求設(shè)計一種高性能脈沖射流激勵器。并針對激勵器的頻率、氣源壓力等控制參數(shù)對射流出口速度的動態(tài)特性的影響進行試驗。

2 錐管式脈沖射流激勵器設(shè)計

常規(guī)的脈沖射流激勵器主要為電磁閥式與滑片式等［5，6］。但普遍存在激勵器低頻、低速或者泄漏嚴重等問題。本文設(shè)計的錐管式脈沖射流激勵器采用軸向進氣、內(nèi)腔儲壓與徑向排氣的結(jié)構(gòu)形式，有效地提高了激勵器的進排氣效率［6］。同時激勵器定子與轉(zhuǎn)子之間采用圓錐面保證轉(zhuǎn)子定位與密封，解決密封與高速運行穩(wěn)定的問題。

最終設(shè)計出的脈沖射流激勵器具有結(jié)構(gòu)簡單、射流頻率高以及調(diào)控精確等特點，具體結(jié)構(gòu)如圖所示。激勵器主要由固定錐套、轉(zhuǎn)動錐管以及動力系統(tǒng)組成。錐管與錐套內(nèi)腔為錐面，保證激勵器內(nèi)腔密封與同軸定位。在錐管上開有閥門孔，直徑為4 mm，沿軸向間距7 mm均勻布置8組，每組周向均勻布置6個。錐套上開有噴氣孔，直徑為4 mm，沿軸向間距7 mm均勻布置8個，并與錐管的閥門孔位置對應(yīng)。噴氣孔的編號如圖1所示。激勵器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動由直流電機驅(qū)動，通過改變驅(qū)動電壓進行轉(zhuǎn)速控制，并使用轉(zhuǎn)速儀進行電機轉(zhuǎn)速的監(jiān)測。

圖1 激勵器結(jié)構(gòu)示意1～8.噴氣孔

激勵器的工作方式為軸向進氣，由動力系統(tǒng)帶動錐管高速轉(zhuǎn)動，使閥門孔與噴氣孔的相對運動形成高速閉合開關(guān)。在腔內(nèi)壓力與閉合開關(guān)作用下產(chǎn)生的脈沖射流沿徑向噴射。射流高速開關(guān)的頻率f為：

式中 f——射流頻率，Hz

N——錐管周向氣孔數(shù)量

ω——電機轉(zhuǎn)速，r/min

3 試驗測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)如圖2所示，包括射流總壓動態(tài)傳感器、射流靜壓動態(tài)傳感器、激勵器氣源總壓傳感器以及信號處理采集設(shè)備等主要部件。射流總壓動態(tài)傳感器使用kulite XT-190M-50A型傳感器，靜壓動態(tài)傳感器使用kulite XT-140M-20A型傳感器。激勵器氣源總壓傳感器型號為MIK-P300型，量程0～1 MPa。信號處理與采集分別采用DH3840型可編程信號放大器與NI PCI-6255型高速多功能采集板卡進行信號放大與采集。最后通過計算機進行數(shù)據(jù)記錄與分析。本文試驗數(shù)據(jù)的采集頻率設(shè)置為10000 Hz。

圖2 激勵器特性測試系統(tǒng)示意

系統(tǒng)中兩型kulite動態(tài)傳感器采用惠斯登全橋壓力感應(yīng)原理，分辨率可達無限小，綜合誤差為±0.1%（F·S）。氣源總壓傳感器MIK-P300的綜合誤差為±1%（F·S）。DH3840型放大器的增益準(zhǔn)確度為0.5%（F·S），非線性度小于0.05%，失真度不大于1%。在試驗系統(tǒng)搭建完成后，使用標(biāo)準(zhǔn)壓力標(biāo)定儀對測試系統(tǒng)進行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果顯示系統(tǒng)精度、線性度等參數(shù)均符合試驗要求。

4 試驗結(jié)果及分析

本文試驗中，除“射流噴口位置對射流性能的影響”的試驗是對所有噴口射流進行試驗外，其余試驗均只對距離氣源入口56 mm的8號噴口進行試驗測量。試驗中計算機采集到的傳感器數(shù)據(jù)是試驗系統(tǒng)輸出的電壓信號，需要通過數(shù)據(jù)處理得出壓力數(shù)據(jù)。傳感器經(jīng)信號放大器輸出的電壓值Uout與氣流壓力p有以下關(guān)系式：

式中 Uout——采集信號電壓值，mV

a——氣流速度為零時系統(tǒng)輸出電壓，mV

k——輸出電壓與實際壓力的比例系數(shù)

p——試驗測點處壓力，kPa

由于選用的動態(tài)傳感器是絕壓型，a值與試驗時當(dāng)?shù)卮髿鈮簭奝∞有關(guān)，須在每次試驗時實時測定。系數(shù)k為測量系統(tǒng)搭建完成后，使用標(biāo)準(zhǔn)壓力標(biāo)定儀確定。

如圖3所示氣源總壓為265 kPa，激勵器電機轉(zhuǎn)速3070 r/min時，脈沖射流在連續(xù)6個周期的總壓P＊與靜壓P的壓力波形。從圖中可以看出射流效果明顯，且錐管轉(zhuǎn)動一周所形成的6次射流狀態(tài)基本一致，占空比為50%。

圖3 射流總壓、靜壓波形

圖4為對射流總壓數(shù)據(jù)進行頻譜分析，分析結(jié)果顯示在fmax=307時，總壓波形達到最大峰值，與電機轉(zhuǎn)速儀顯示的轉(zhuǎn)速相對應(yīng)，說明激勵器射流頻率可控、穩(wěn)定。

圖4 總壓數(shù)據(jù)頻譜分析

在激勵器使用過程中關(guān)注的是射流速度，所以需要對采集的壓力數(shù)據(jù)進行換算。由于激勵器氣源由處于室溫的壓縮氣罐提供，且激勵器內(nèi)部相對滑動部件均做潤滑處理。所以在速度的合成過程中使氣流總溫近似不變。射流速度v的計算過程如下：

其中

式中 Ma——測點處射流馬赫數(shù)

c——測點處聲速，m/s

R——氣體常熟，J/（kg·K）

T，T＊，T*

∞—— 測點靜溫、射流總溫與環(huán)境溫度，K

P＊——測點的總壓，kPa

P——測點的靜壓，kPa

對于空氣，k=1.4，R=287.06 J/（kg·K）。

4.1 氣源總壓對射流性能的影響

試驗中，激勵器氣源總壓P＊IN被分別設(shè)置為125，200，265和355 kPa。射流頻率固定在200 Hz。通過對試驗數(shù)據(jù)的觀察，發(fā)現(xiàn)不同氣源總壓條件下均可產(chǎn)生穩(wěn)定脈沖射流，但射流達到的最高速度vmax卻有較大的差異。圖5為4種氣源總壓工況下4個連續(xù)周期的射流速度波形曲線，圖6為4組射流所能達到的最高速度vmax。

圖5 不同氣源壓力200 Hz射流速度波形

圖6 200 Hz射流最高速度曲線

通過觀察圖6，可以發(fā)現(xiàn)隨著氣源總壓的提高，速度波形曲線波峰vmax不斷提高，當(dāng)P＊IN為125 kPa時，vmax為112 m/s，當(dāng)P＊IN為355 kPa時，vmax可達360 m/s，證明氣源總壓P＊IN對射流峰值速度vmax影響較大。同時，由于提高氣源總壓P＊

IN導(dǎo)致氣體密度增加，噴嘴在閥門關(guān)閉后泄壓至零過程需要更長時間，因此出現(xiàn)了圖5中速度波形波谷的零點平直段逐漸縮小，甚至還未降為0就進入下一射流周期的現(xiàn)象。

當(dāng)氣源總壓P＊IN提高至400 kPa時，射流的壓力波形出現(xiàn)了圖7所示的現(xiàn)象。圖7中射流總壓P＊與靜壓P的波形曲線每個周期都出現(xiàn)了雙波峰，且每個波形的頻率都為200 Hz。根據(jù)分析，此時在射流中出現(xiàn)了激波現(xiàn)象。當(dāng)射流速度v達到聲速時在探針等迎風(fēng)面出現(xiàn)激波，v繼續(xù)加快，激波強度加大，并移動到探針前，導(dǎo)致探針測點處的壓力下降。當(dāng)v開始下降，激波強度減弱，探針測點處壓力上升。當(dāng)激波消失后，探針又測量到射流的真實壓力。

圖7 氣源總壓400 kPa，頻率200 Hz時射流總壓、靜壓波形

4.2 激勵器頻率對射流性能的影響

試驗分為4組，氣源總壓P＊IN分別保持在125，200，265 和 355 kPa。每組試驗的射流在50～800 Hz中選取10個特征頻率進行采集。

圖8為4種氣源總壓條件下，不同激勵器頻率f對射流最高速度vmax的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，除氣源壓力為355 kPa工況下射流最大速度出現(xiàn)在50 Hz外，其他3個氣源壓力工況下的射流最高速度均有隨頻率先升高后降低的趨勢。其中125 kPa總壓條件下的曲線峰值出現(xiàn)在400 Hz，200 kPa與265 kPa總壓條件下的曲線峰值出現(xiàn)在100 Hz左右。

圖8 不同頻率時最高速度曲線

從圖可看出，4組曲線的下降段基本呈線性，且斜率相同。這說明在氣源總壓P＊IN固定的條件下，曲線下降的原因僅與頻率f有關(guān)。同時，4組曲線出現(xiàn)峰值的頻率有隨P＊IN提高而降低的趨勢，說明曲線的拐點頻率與P＊IN有關(guān)。

圖9為4組試驗中部分頻率下2個射流周期的速度波形。

圖9 4種氣源總壓工況下2個射流周期的速度波形

式中 ρ——密度，kg/m3

V——控制體內(nèi)的微元體積，m3

v——控制面上流體的速度，m/s

A——控制面面積，m2

該式說明控制體內(nèi)流體質(zhì)量的減小率等于通過控制面A流體的凈流出率。由于氣源總壓等參數(shù)在同一組試驗中均保持不變，則可近似認為ρ，A與v條件相同，噴嘴內(nèi)流體質(zhì)量的減小率也為相同的變化規(guī)律。這說明在氣源總壓P＊IN不變的條件下，噴嘴內(nèi)流體質(zhì)量減少或增加多少，只與時間有關(guān)。當(dāng)激勵器頻率f增高，閥門開關(guān)時間縮短，導(dǎo)致了射流速度未到最大，閥門便開始關(guān)閉，此后在波形下降過程中還未降至最低，閥門便進入下一射流周期，出現(xiàn)圖中的波形整體幅值減小的現(xiàn)象。

在對圖8的分析中，還發(fā)現(xiàn)射流最高速度曲線的拐點頻率與氣源總壓有關(guān)。圖10為激勵器閥門開啟過程，如圖所示的閥門在0.5周期完全開啟前，激勵器內(nèi)腔已經(jīng)與外界接通并開始壓力平衡過程。當(dāng)頻率f較低時，這一過程的時間較長，造成激勵器內(nèi)腔較多的流量損失。由于氣源總壓由減壓閥進行調(diào)節(jié)，設(shè)置較低時其輸出的流量也較低，使內(nèi)腔流量無法得到有效補充。因此圖9中50 Hz時速度波形的峰值出現(xiàn)在0.5周期前，且隨閥門開度繼續(xù)加大，射流的速度v提前下降。此時，若需要在相同氣源總壓條件下提高射流速度，則需要減少閥門開啟時間，即提高激勵器頻率f，以減少內(nèi)腔流量損失。另一方面，過高的頻率f會導(dǎo)致射流速度波形幅值降低，因此射流最高速度曲線出現(xiàn)的峰值是氣源總壓與頻率f共同作用的結(jié)果。提高即提高激勵器內(nèi)腔在0.5周期前的流量補充能力，使射流最高速度曲線出現(xiàn)峰值的頻率降低。

圖10 激勵器閥門開啟過程

4.3 射流噴口位置對射流性能的影響

錐管式脈沖射流激勵器沿軸向均勻布置8個射流噴口，每個噴口間距為7 mm。1號孔距離氣源入口7 mm。試驗工況設(shè)定為氣源總壓265 kPa，射流頻率為300 Hz。試驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 265 kPa，300 Hz工況條件下不同位置噴孔最大射流速度

試驗結(jié)果顯示，隨著噴孔至氣源入口的距離的增加，其產(chǎn)生的射流的最高速度也隨之上升。根據(jù)分析，出現(xiàn)這種變化規(guī)律的原因是因為在激勵器運行過程中，隨著射流噴射，激勵器內(nèi)腔內(nèi)流體也在進行著流動。設(shè)軸向第N孔位置的內(nèi)腔橫截面上的流量為mN，則內(nèi)腔流體在沿軸向8號孔位置的流量m8等于8號孔射流所噴射出的流量，在沿軸向7號孔位置的流量m7則等于7號與8號孔射流流量之和。以此類推，內(nèi)腔流體在1號孔位置的流量m1則最大。設(shè)在第N孔位置的內(nèi)腔橫截面上的密度、面積與流速分別為 ρN，AN與VN，而根據(jù)流量公式mN=ρNANVN，內(nèi)腔橫截面積AN與流體密度 ρN近似相等，則流速VN將隨流量mN的增加而加快。根據(jù)伯努利方程，速度VN的增加可導(dǎo)致壁面上的靜壓降低，進而使作用在閥孔上的壓力降低，使射流速度下降。

5 結(jié)論

（3）由于激勵器內(nèi)腔中的氣體流動的原因，距離氣源入口越遠的噴口可以得到更大的射流速度。

通過以上試驗結(jié)果，可在激勵器的使用與改進過程中，根據(jù)需要合理選用氣源總壓與頻率f。為了獲得更高的射流速度，也應(yīng)該盡量選取激勵器內(nèi)腔中最遠端位置的噴口。

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