等離子體增強(qiáng)射流摻混的激勵參數(shù)影響研究

李 亮, 李修乾,*, 車學(xué)科, 鄭體凱, 李金龍, 聶萬勝

(1.航天工程大學(xué) 研究生院, 北京 101416; 2.航天工程大學(xué) 宇航科學(xué)與技術(shù)系, 北京 101416)

0 引 言

航天技術(shù)發(fā)展日新月異，航空航天飛行器動力系統(tǒng)的重要性日益凸顯。液體火箭發(fā)動機(jī)，特別是小推力姿軌控發(fā)動機(jī)液體燃料摻混的效果對燃燒過程至關(guān)重要。對燃料噴注射流進(jìn)行主動控制可以提高摻混效果，特別是對變推力發(fā)動機(jī)具有重要意義。

在主動控制過程中使用何種激勵器是國內(nèi)外研究者關(guān)注的重點。目前研究中使用的有流體式激勵器、機(jī)械式激勵器和等離子體激勵器等類型。Davis[1]使用控制射流摻入被控射流來改變主流的摻混特性，并且認(rèn)為非穩(wěn)態(tài)激勵的控制效果優(yōu)于穩(wěn)態(tài)激勵，該結(jié)論在Raman等[2]的實驗中也得到了驗證。流體式激勵器的不足之處在于，控制射流本身的狀態(tài)很難精確控制。國內(nèi)羅振兵、李丙乾等[3-4]提出使用合成射流和脈沖微射流來達(dá)到流動控制的目的，在一定程度上克服了傳統(tǒng)流體式激勵器的不足。 Jun等[5]提出并設(shè)計了一種燃料驅(qū)動的形狀記憶合金激勵器系統(tǒng)，實驗表明該系統(tǒng)對射流摻混有較好的控制效果，且與仿真結(jié)果相吻合。但是機(jī)械式激勵器較大的質(zhì)量和復(fù)雜的機(jī)構(gòu)阻礙了其工程化應(yīng)用。

等離子體流動控制技術(shù)是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ闹鲃涌刂萍夹g(shù)[6]，利用激勵器產(chǎn)生等離子體誘導(dǎo)射流對流體進(jìn)行主動控制。該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、附加質(zhì)量小等優(yōu)點[8]，在促進(jìn)射流摻混方面有較大優(yōu)勢。國外在這方面的研究起步較早，在射流控制方面，Samimy等[9-10]提出一種局部電弧等離子體激勵器(Localized Arc Filament Plasma Actuators, LAFPA)控制亞聲速和超聲速射流的概念，實驗結(jié)果顯示，如果激勵頻率處在最優(yōu)時，射流的摻混性能將會顯著增強(qiáng)，與不施加等離子體時相比，射流核心區(qū)長度減少6～8個特征長度。Benard等[11-12]在表面介質(zhì)阻擋放電(Surface Dielectric Barrier Discharge，SDBD)等離子體激勵器對噴管擴(kuò)張段流動施加控制方面做了大量研究，證明單個激勵器能夠有效進(jìn)行噴管推力矢量控制，同時給予多個激勵信號合適的相位可以有效增強(qiáng)摻混特性。

國內(nèi)等離子體流動控制技術(shù)研究起步較晚，吳云等[13]對現(xiàn)有的幾類等離子體激勵器作了詳細(xì)的介紹。航天工程大學(xué)車學(xué)科、聶萬勝等[14-15]開展了一系列研究等離子體流動控制的實驗和模擬工作，初步揭示了等離子體體積力的作用機(jī)理。王斌等[16]利用粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry， PIV)技術(shù)研究了介質(zhì)阻擋放電等離子體對流動湍動特性的控制效果，開啟激勵器后剪切層及其附近區(qū)域雷諾應(yīng)力和湍動能都發(fā)生較為明顯的變化，證明等離子體對流動的湍動特性產(chǎn)生了較大的影響。李剛等[17]將等離子體激勵器沿軸向放置來產(chǎn)生周向旋流，通過激勵器實現(xiàn)機(jī)械式旋流器的效果，取得較好的控制效果。

基于上述研究，本文利用SDBD激勵器對低壓條件下的射流控制效果進(jìn)行實驗研究，探究不同激勵參數(shù)對射流摻混特性的影響。

1 實驗系統(tǒng)與實驗方法

實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由低壓實驗艙及氣壓控制系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)、激勵電源系統(tǒng)、射流發(fā)生器和激勵器組成。低壓實驗艙呈圓柱形，長800mm，內(nèi)部直徑600mm，實驗艙附屬設(shè)備有充放氣閥門及控制柜、薄膜規(guī)、溫度傳感器、隔斷室和高壓氮氣瓶等。低壓艙壓力控制柜通過真空泵和放氣閥調(diào)節(jié)氣壓，抽氣速度為14L/s，精度為100Pa。激勵電流通過2個銅質(zhì)高壓接線柱引入實驗艙，接線柱表面為聚四氟乙烯制作的絕緣外層，表面加工為螺紋狀以防止爬電現(xiàn)象。實驗艙側(cè)面和頂部分布的3個觀察窗安裝了5mm厚的石英玻璃，頂部觀察窗用于透過激光器產(chǎn)生的激光，側(cè)面觀察窗用于CCD相機(jī)拍攝。

PIV系統(tǒng)主要由Nd:YAG雙脈沖式激光器、同步控制器、Kodak科研級芯片CCD相機(jī)(分辨率為2048×2048px/in)、計算機(jī)和圖像處理軟件組成。激光重復(fù)頻率為5Hz。PIV拍攝得到的圖像使用MicroVec V3.1.1計算軟件進(jìn)行處理，空間分辨率為2.62mm。電壓測量使用安捷倫N2271B高壓探頭，電流測量采用皮爾森電流線圈6595，示波器為安捷倫DSO3024A。

激勵電源采用中國科學(xué)院電工研究所研制的HFHV30-1型高頻高壓電源[18]，工作模式有連續(xù)和脈沖2種可選。脈沖模式下工作頻率可在10～3000Hz之間調(diào)節(jié)，占空比可在10%～90%間調(diào)節(jié)。本文使用脈沖工作模式，電源載波頻率為10kHz。

以矩形射流為研究對象，單個噴口為寬27mm、高3mm的矩形，寬高比為9，噴口設(shè)計便于電極的布置(見圖2(a))。射流發(fā)生器整體使用石英材質(zhì)制作以達(dá)到絕緣的目的。噴口采用上下雙通道設(shè)計以適應(yīng)后續(xù)實驗要求，本文實驗采用單通道。激勵器布置在射流發(fā)生器上方氣流通道出口內(nèi)側(cè)(下表面)，電極采用銅箔制作，實驗時根據(jù)需要可調(diào)節(jié)暴露電極和植入電極的間距，本實驗中暴露電極寬5mm，植入電極寬9mm，兩電極長均為27mm,電極在x方向間隙為0，構(gòu)型為逆向構(gòu)型(見圖2(b)上方構(gòu)型)。示蹤粒子使用煙餅燃燒產(chǎn)生，利用低壓艙內(nèi)外壓力差產(chǎn)生射流噴入低壓艙。

進(jìn)行實驗時，關(guān)閉低壓艙所有閥門，將壓力調(diào)節(jié)至80.0kPa，打開進(jìn)氣管閥門使煙氣進(jìn)入低壓艙，煙氣流量大小使用加裝在閥門入口處的孔板進(jìn)行調(diào)節(jié)。待射流穩(wěn)定后利用PIV記錄，記錄完成后使用后處理軟件進(jìn)行流場處理計算。

2 實驗結(jié)果分析

湍射流具有復(fù)雜的擬序結(jié)構(gòu)，其形成和發(fā)展過程會與周圍流體發(fā)生卷吸作用，存在較強(qiáng)的動量和質(zhì)量交換和輸運(yùn)[19]。與此同時，在射流發(fā)展過程中，射流邊界剪切層中的漩渦會出現(xiàn)生成、配對、合并等復(fù)雜現(xiàn)象[20]。射流的發(fā)展一般分為核心區(qū)、過渡段和充分發(fā)展段3個階段，其中充分發(fā)展段射流湍流度很高，與周圍流體的摻混效果最佳。對于單股射流，可以用來考量其湍流程度的量很多，如中心線速度衰減率、湍動能變化情況、雷諾應(yīng)力[21]及流場中渦量變化等。矩形射流屬于非圓型射流，在射流發(fā)展過程中會出現(xiàn)“轉(zhuǎn)軸”現(xiàn)象，即沿流向的切面形狀在發(fā)展過程中，出口較窄的方向距離會急劇擴(kuò)大，湍射流不斷與周圍流體摻混和卷吸，由此產(chǎn)生的旋渦具有促湍效果，中心線速度衰減的程度則表明湍流程度的高低。根據(jù)本實驗測得的實際效果，選取中心線速度衰減率[21]和射流中心線速度一半處的總寬度b0.5(Full Width at Half Maximum,FWHM)[22]作為評價標(biāo)準(zhǔn)對施加等離子體控制前后的效果進(jìn)行對比。

定義射流中心線速度衰減率K為：

(1)

(2)

其中，A為過流面積，L為潤濕周長。對于本實驗所用的矩形噴口，可以得到其當(dāng)量直徑的表達(dá)式為：

(3)

a和b分別是矩形噴口的寬和高，利用式(3)計算得到D=5.4mm。

圖3為未施加激勵和6kV-50Hz-50%(激勵電壓-脈沖頻率-占空比)2種工況下，對不同流向位置(沿x/D軸)的速度剖面(平行于y/D軸)進(jìn)行積分的曲線。從絕對值來看，施加激勵后整體速度積分?jǐn)?shù)值升高，這是由于流場密度分布近似，故流場動量在施加激勵后升高，符合激勵器對射流流場的作用機(jī)理。從單個工況變化情況看，無激勵工況速度積分略有升高趨勢，但是幅度不大；而有激勵工況速度積分相對平穩(wěn)。出現(xiàn)這種情況的原因是：無激勵工況下，射流在前半段還有較強(qiáng)的三維特性，部分動量PIV捕捉效果不佳；而有激勵情況下，射流在分析位置時已經(jīng)大部分變?yōu)槎S特性較強(qiáng)，動量捕捉效果較好。所以認(rèn)為在射流發(fā)展過程中，動量損失較小，基本保持不變，說明使用中心線速度衰減率來反映射流摻混程度的高低較為合理。

實驗艙內(nèi)初始壓強(qiáng)80.0kPa，實驗結(jié)束時壓力升高至約80.6kPa，理論射流出口速度為5.97m/s。由于設(shè)備性能限制，不能對核心區(qū)進(jìn)行直接觀察得到其長度。文獻(xiàn)[24]選取了保持初始速度96%以上的軸線區(qū)域為核心區(qū)，可以在有效反映核心區(qū)長度的基礎(chǔ)上簡化測量工作。本文在分析實驗結(jié)果時參照這種選取方法；對于射流半寬度的分析也從x/D=10.0之后開始。

2.1 激勵電壓影響

實驗時保持占空比為50%，脈沖頻率為50Hz，施加的激勵電壓分別為5、6和7kV，選取未施加等離子體控制的情況作為對照，時均流場如圖4所示，其中，U為流場速度。

由于噴口出口處示蹤粒子濃度較高，PIV系統(tǒng)的識別效果不佳，加上實驗系統(tǒng)(如噴口內(nèi)表面平整度)、示蹤粒子對射流質(zhì)量的影響等，相機(jī)拍攝到的最大速度相比理論計算值均有衰減。由圖4可以看出，相比未施加等離子體的情況(圖4(a))，施加等離子體之后射流流場有明顯的變化?？疾焖俣却笥?.4m/s的區(qū)域長度，并將其定義為高速核心區(qū)長度。當(dāng)流場未受等離子體控制時，高速核心區(qū)長度可以達(dá)到x/D=14.0左右；當(dāng)施加等離子體激勵，使激勵電壓分別為5、6和7kV時，該長度分別為x/D=11.5、10.5和9.0，可見施加等離子體激勵后，高速核心區(qū)長度發(fā)生了較為明顯的變化，由此可知，核心區(qū)長度也受等離子體激勵的影響縮短了。同時，施加等離子體激勵之后，射流的發(fā)展速度變快，直接導(dǎo)致射流寬度隨著電壓升高逐漸變大，表明射流摻混效果得到增強(qiáng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：等離子體誘導(dǎo)流體與射流摻混，導(dǎo)致射流速度迅速衰減，射流核心區(qū)和過渡段結(jié)束位置提前，射流提前進(jìn)入充分發(fā)展階段。而當(dāng)激勵電壓升高時，注入射流邊界的能量增加，這種衰減效果更加明顯。

從射流受擾動的角度分析，等離子體激勵器開啟后產(chǎn)生體積力，形成誘導(dǎo)流動(見圖5 (a)、(b)，其中，F(xiàn)為流場體積力)。并向射流邊界層直接注入能量，使射流上下邊界產(chǎn)生一定速度差，這樣射流發(fā)展過程中就會形成非對稱結(jié)構(gòu)，這是改變射流形態(tài)的主要原因。當(dāng)電壓較低時，注入能量較低，不能造成射流出現(xiàn)強(qiáng)烈非對稱變化，但是能使射流中心線速度衰減延緩。當(dāng)電壓升高到一定程度后，注入能量足夠引起上下邊界顯著差異時，射流將會產(chǎn)生大尺度渦結(jié)構(gòu)(見圖5(c)，以槽道流動的壁面流動為例，L和H分別代表高速區(qū)域和低速區(qū)域，δ代表近槽道半寬，μτ為壁面摩擦系數(shù)，υ為運(yùn)動粘度)，射流湍流特性增強(qiáng)，這些大尺度渦結(jié)構(gòu)將會相互作用、破裂而后再配對，與周圍流體質(zhì)量交換增強(qiáng)[25]，從而使得射流在發(fā)展過程中寬度顯著增大，摻混能力得到增強(qiáng)。這是等離子體激勵器改變射流湍流特性的重要原因。

對射流寬度進(jìn)行提取并進(jìn)行定量分析，如圖6(a)所示。圖6(a)展示了射流主體段不同激勵電壓下射流寬度的變化趨勢。施加等離子體后的射流與原射流相比，寬度均有所增大。隨著電壓的升高，射流寬度不斷增大，特別是射流中后段(x/D=17.0～25.0)，在激勵電壓為7.0kV時，射流寬度變?yōu)闊o激勵情況的200%以上。射流寬度大幅度增大，射流剪切層的卷吸摻混作用也同時增加，增強(qiáng)了射流的摻混能力。說明電壓的升高，激勵能量增大，使激勵器的控制能力提高。

圖6(b)顯示了不同情況下中心線速度衰減率K的變化情況?？傮w來看，施加等離子體激勵后，隨著激勵電壓升高，射流中心線速度的衰減率增大。在x/D=15.0處，激勵電壓為5、6和7kV時，速度衰減率相對未施加等離子體激勵時分別增長了10.3%、13.4%和15.1%左右，證明電壓越高，等離子體對中心線速度衰減作用越大。

圖5 等離子體激勵器誘導(dǎo)流流場與體積力分布(7.0kV-50%-50Hz)及湍流流場中大尺度結(jié)構(gòu)的影響

Fig.5Flowfieldinducedbyplasma,bodyforceandlargescalestructuresinturbulentflowfield

2.2 占空比影響

固定激勵電壓為6.0kV、脈沖頻率為50Hz，占空比分別為10%、50%、90%時，流場的變化如圖7(a)、圖4(c)和圖7(b)所示。開啟激勵器后，高速核心區(qū)長度相比未開啟激勵器時有所縮短。當(dāng)占空比增加時，高速核心區(qū)長度呈現(xiàn)先縮短后變長的變化趨勢。證明占空比對于射流的衰減效果不是與占空比增長成正相關(guān)的，而是存在一個最佳占空比區(qū)間使得衰減作用最強(qiáng)。

圖8所示為不同占空比下的射流寬度和射流中心線速度衰減率變化。圖8(a)中不同占空比下射流寬度的變化表明，當(dāng)占空比為50%和70%時，射流寬度增加幅度最大；而當(dāng)占空比小于50%或大于70%時，射流寬度雖然有增加但是幅度變小?？梢猿醪娇闯龅入x子體激勵器對射流的控制作用在50%～70%占空比時效果較好。在圖8(b)中也可以看出此種趨勢。等離子體激勵器的控制效果隨占空比先升后降的這種趨勢機(jī)理尚不明確，但是包括文獻(xiàn)[14]在內(nèi)的研究表明，等離子體誘導(dǎo)流動在占空比變化時均存在一個最佳效果區(qū)間，當(dāng)占空比低于這個區(qū)間時，一個完整激勵周期內(nèi)有效注入射流邊界層的能量較少，不足以造成射流邊界層與周圍流體較強(qiáng)的卷吸效果；當(dāng)占空比高于這個區(qū)間時，激勵更加接近穩(wěn)態(tài)激勵，激勵效果反而不如非穩(wěn)態(tài)激勵，導(dǎo)致控制效果不升反降，該機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

2.3 脈沖頻率影響

固定激勵電壓為6.0kV、電源占空比為50%，分別測得脈沖頻率為10、50、90和130Hz時的射流流場，結(jié)果如圖9(a)、圖4(c)、圖9(b)和(c)所示。

當(dāng)脈沖頻率變大時，圖中高速核心區(qū)域長度明顯縮短，在圖4(a)中，未開啟激勵器時的高速核心區(qū)域長度在x/D=20.0左右，激勵器開啟后，這一長度均縮短到了x/D=13.0左右，證明等離子體對于射流有明顯的衰減效果，但是圖9無法定量表明脈沖頻率增加對于衰減效果的影響，仍需進(jìn)一步分析。

對于不同脈沖頻率下的流場，提取位置x/D=10.0之后的射流寬度與中心線速度衰減率如圖10所示。從圖10(a)中可以看出，在x/D=20.0之前，隨著脈沖頻率增加，射流寬度不斷增大。這是由于脈沖頻率增大后，相同時間內(nèi)脈沖數(shù)量增加導(dǎo)致產(chǎn)生誘導(dǎo)射流的能量增加，射流剪切層失穩(wěn)加劇且與周圍流體卷吸強(qiáng)度增加，產(chǎn)生渦結(jié)構(gòu)使得射流主流能量加快耗散；脈沖頻率為50和90Hz時，等離子體對射流寬度增加作用差別不大；當(dāng)脈沖頻率進(jìn)一步增大至130Hz時，寬度增加明顯。在x/D=20.0之后的區(qū)域，各個脈沖頻率下的射流寬度增加效果差別減小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是該段區(qū)域受激勵器影響微弱，所以射流寬度變化趨勢主要受湍流自身發(fā)展規(guī)律影響。

射流中心線速度衰減率同樣呈現(xiàn)出上述規(guī)律。在x/D=20.0之前的區(qū)域，隨著脈沖頻率不斷增加，速度的衰減率也隨之增大，當(dāng)脈沖頻率為130Hz時，衰減率明顯增加。在x/D=20.0之后的區(qū)域，隨著激勵器誘導(dǎo)射流能量的耗盡，衰減率不再隨脈沖頻率的變化而產(chǎn)生明顯的差異。

3 結(jié) 論

(1) 激勵電壓增大，射流中心線速度呈現(xiàn)減小趨勢，射流寬度呈現(xiàn)增大趨勢，有利于射流發(fā)展為湍流，增強(qiáng)其摻混特性。

(2) 隨著占空比的增加，射流寬度增加效果呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，中心線速度的衰減率先變大后減小，證明存在最佳的占空比區(qū)間使得控制效果最優(yōu)。本實驗中該區(qū)間為50%～70%。

(3) 實驗研究范圍內(nèi)，脈沖頻率增加，等離子體對射流的衰減作用隨之增加；當(dāng)脈沖頻率達(dá)到130Hz時，控制效果有明顯提升。