亞大氣壓六相交流電弧等離子體射流特性研究:實(shí)驗(yàn)測(cè)量?

郭恒 蘇運(yùn)波 李和平 曾實(shí) 聶秋月 李占賢 李志輝

1)(清華大學(xué)工程物理系,北京 100084)

2)(華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,唐山 063500)

3)(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,哈爾濱 150001)

4)(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所,綿陽(yáng) 621000)

5)(國(guó)家計(jì)算流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191)

1 引 言

距海平面20—100 km的臨近空間區(qū)域是人類航空與航天活動(dòng)的過(guò)渡區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)相對(duì)稀薄的大氣環(huán)境有效減小了飛行器所受的空氣阻力,使得飛行器容易實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行,具有廣闊的商業(yè)和軍事應(yīng)用前景.但同時(shí),臨近空間飛行器在高超聲速飛行過(guò)程中也面臨著復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境的強(qiáng)烈影響,特別是其表面激波熱致高密度、強(qiáng)碰撞、非均勻和非平衡(包括熱力學(xué)和化學(xué)非平衡效應(yīng))等離子體的產(chǎn)生[1,2].一方面,能量的注入和等離子體的存在使得飛行器周圍局部區(qū)域的當(dāng)?shù)芈曀僭黾?邊界層特性(如局部流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的空間分布、當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)的變化以及邊界層分離特性等)與常溫空氣相比將發(fā)生顯著變化,從而導(dǎo)致飛行器飛行阻力的變化[3];另一方面,包覆飛行器表面的等離子體鞘套環(huán)境對(duì)電磁波的吸收、散射和折射,會(huì)引發(fā)“黑障”效應(yīng)[4?6],從而影響飛行器的通信和控制系統(tǒng).因此,開(kāi)展高超聲速飛行器與其周圍復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境間相互作用機(jī)理的研究對(duì)于指導(dǎo)飛行器的設(shè)計(jì)具有重要意義.

目前,有關(guān)飛行器特性的研究主要采用飛行試驗(yàn)、地面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法.飛行試驗(yàn)是直接對(duì)飛行器在空間飛行過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線診斷,包括美國(guó)的無(wú)線傳輸衰減測(cè)量(Radio At-tenuation Measurements,RAM)、日本的超高速飛行試驗(yàn)(Hypersonic Flight Experiment,HYFLEX)以及俄羅斯(前蘇聯(lián))的載人航空航天器(Manned Aero-Space Vehicle,VKA)等飛行試驗(yàn)項(xiàng)目[7?11].但這種方法代價(jià)高昂,且在這種極端條件下的實(shí)驗(yàn)診斷手段也比較匱乏,一般通過(guò)探針或者電磁波測(cè)量飛行器壁面附近等離子體鞘套的電子數(shù)密度.因此,測(cè)量數(shù)據(jù),特別是公開(kāi)發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分有限.自20世紀(jì)60年代以來(lái),地面模擬就成了研究空間飛行器與其周圍環(huán)境相互作用過(guò)程的重要手段之一.其中,用來(lái)產(chǎn)生復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境的模擬設(shè)備主要為風(fēng)洞(如等離子體風(fēng)洞、激波風(fēng)洞等)和能夠引出高速、強(qiáng)束流的等離子體發(fā)生器[12?14].此類大型地面模擬裝置的建設(shè)和維護(hù)成本,特別是大型風(fēng)洞的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行成本也同樣非常昂貴,開(kāi)展大量重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)仍然具有一定的困難.近年來(lái),隨著氣體放電理論和等離子體源技術(shù)的不斷發(fā)展,涌現(xiàn)出了不少小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室模擬裝置,比如螺旋波等離子體源、電弧等離子體源、輝光放電、電感／電容耦合放電等離子體源等模擬裝置[15?18].盡管這些等離子體源的產(chǎn)生方式和產(chǎn)生條件與飛行器實(shí)際飛行過(guò)程中強(qiáng)激波所產(chǎn)生的等離子體環(huán)境并不完全相同,但從模擬飛行器與其周圍復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境在某些方面的相互作用過(guò)程,如“黑障”中等離子體-波相互作用過(guò)程的研究依然是十分有意義的.

從臨近空間飛行器“黑障”問(wèn)題研究的需求來(lái)看,需要在地面模擬實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生具有足夠大體積(如有效試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度L3=30—50 cm)、足夠厚(如鞘套厚度δ=5—10 cm)以及足夠高的等離子體密度(如電子數(shù)密度ne=108—1012cm?3)的包覆飛行器表面的等離子體鞘套環(huán)境(如圖1所示),進(jìn)而能夠研究等離子體鞘套特性及其與入射電磁波間的相互作用規(guī)律.在大氣壓或亞大氣壓條件下,盡管熱等離子體的電子數(shù)密度相對(duì)輝光放電要高得多,但產(chǎn)生大體積、穩(wěn)定的電弧等離子體通常十分困難,例如在等離子體材料處理應(yīng)用中所產(chǎn)生的直流電弧放電等離子體射流盡管在層流條件下其射流的長(zhǎng)度可以達(dá)到1 m量級(jí)[19],但其徑向尺寸通常在1 cm量級(jí)或更小[20?23];采用電感耦合方式所產(chǎn)生的放電等離子體的直徑盡管相對(duì)直流放電要大得多,但也往往限于幾個(gè)厘米之內(nèi)[20,24],很難產(chǎn)生更大直徑的等離子體射流.日本的Watanabe教授研究組[25,26]在進(jìn)行玻璃粉末的熱等離子體球化處理時(shí)提出了采用多相交流電弧放電裝置產(chǎn)生直徑可達(dá)10 cm、厚度可達(dá)15 cm的片狀高溫等離子體放電區(qū).這種放電裝置從電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上解決了在大氣壓或亞大氣壓條件下產(chǎn)生大直徑電弧放電等離子體的問(wèn)題,但依然無(wú)法產(chǎn)生用于模擬包覆飛行器表面的、具有足夠長(zhǎng)度的大體積等離子體環(huán)境.在本研究中,我們將雙射流直流電弧放電等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)理念[27]與上述多相交流電弧放電等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)理念[25,26]相結(jié)合,建立了能夠在大氣壓和亞大氣壓條件下放電的六相交流電弧等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái),產(chǎn)生了大體積等離子體電弧射流,并研究了不同工作參數(shù)對(duì)等離子體射流特性的影響規(guī)律,為下一步開(kāi)展臨近空間高超聲速飛行器以及航天器再入大氣環(huán)境飛行過(guò)程中“黑障”問(wèn)題的研究準(zhǔn)備了良好的條件.

圖1 包覆飛行器的等離子體鞘套示意圖Fig.1.Schematic of the plasma layer surrounding an aerocraft.

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

2.1 物理設(shè)計(jì)的基本思路

在大氣壓及亞大氣壓條件下產(chǎn)生包覆飛行器的大體積等離子體鞘套,必須產(chǎn)生大體積的非平衡態(tài)等離子體.而在中高氣壓條件下,由于氣體的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)較大(如在大氣壓條件下該值通常在105—106V/m量級(jí)[28]),等離子體發(fā)生器的特征尺度(此處以發(fā)生器電極間距表征)較小(通常在毫米—厘米量級(jí)),導(dǎo)致很難產(chǎn)生大體積(如本研究中所需要的直徑在10—20 cm、長(zhǎng)度在30—50 cm以上)的非平衡等離子體射流.研究中我們提出以文獻(xiàn)[25,26]所報(bào)道的多相交流電弧放電等離子體源為原型(如圖2(a)所示),結(jié)合雙射流直流電弧等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)理念(如圖2(b)所示)[27],通過(guò)增加電極區(qū)水冷約束管和電極上游冷氣體注入噴嘴(如圖2(c)所示)獲得大體積等離子體射流.

圖2 新型六相交流電弧放電等離子體射流源設(shè)計(jì)思路示意圖 (a)文獻(xiàn)[25,26]中的電弧等離子體源;(b)多射流直流電弧等離子體源;(c)本文提出的新型電弧等離子體源Fig.2.Schematics for the design of the new type sixphase arc discharge plasma jet source:(a)Plasma source presented in Refs.[25,26];(b)multi-jet direct current arc plasma source;(c)new type plasma source proposed in this study.

具體的物理設(shè)計(jì)思路是如下.

1)采用文獻(xiàn)[25,26]所報(bào)道的多相交流電弧放電等離子體源獲得較大的放電區(qū)直徑.當(dāng)采用如圖2(a)所示的多電極、多相放電發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),一方面,在保持相鄰電極間的距離為厘米量級(jí)的同時(shí),可以使得所有電極所形成的放電區(qū)直徑隨著電極數(shù)目的增加而顯著增加,通?？梢赃_(dá)到數(shù)十厘米量級(jí);而另一方面,由于采用了多相交流電源驅(qū)動(dòng)放電,不僅避免了單相交流放電時(shí)電流過(guò)零所造成的熄弧問(wèn)題,而且可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的電極放電時(shí)序來(lái)調(diào)整放電所形成的高溫區(qū)位置[26].如圖2(a)所示,當(dāng)采用相鄰電極順序放電的連接方式時(shí),將形成類似環(huán)狀的等離子體高溫區(qū),這有利于在鈍體表面形成具有一定厚度的等離子體鞘套.

2)盡管采用如圖2(a)所示的等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以獲得具有較大放電區(qū)直徑的等離子體,但弧柱區(qū)的高溫部分電離氣體在發(fā)生器幾何軸線方向均勻膨脹,無(wú)法獲得長(zhǎng)等離子體射流,所形成的等離子體區(qū)厚度較小.為此,Yao等[25]提出將12個(gè)電極分成兩組,分兩層進(jìn)行布置,通過(guò)調(diào)整層間距(給定的層間距為15 cm)從而在放電區(qū)獲得具有一定厚度的等離子體,但該方法依然無(wú)法在電極區(qū)下游的射流區(qū)形成長(zhǎng)而穩(wěn)定的等離子體射流.為此,我們借鑒雙射流直流電弧等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路,即將電極幾何軸線與發(fā)生器幾何軸線間的夾角由圖2(a)的90°變?yōu)?0°,從而通過(guò)電極尖下游區(qū)等離子體射流的相互作用形成具有一定長(zhǎng)度的、總體上沿發(fā)生器幾何軸線流動(dòng)的高溫等離子體射流(如圖2(b)所示)[29].

3)為了進(jìn)一步約束放電區(qū)高溫部分電離氣體的自由膨脹,我們?cè)趫D2(b)的基礎(chǔ)上增加水冷約束管和電極平面上游的冷氣體注入噴嘴.如圖2(c)所示,增加上述部件后,不僅約束了高溫電弧等離子體的自由膨脹,而且通過(guò)電極平面上游冷氣體的注入,使得更多的冷氣體被電弧加熱后沿發(fā)生器幾何軸線向電極平面的下游流動(dòng),從而在保證放電區(qū)直徑基本不變的情況下有利于形成更長(zhǎng)的等離子體射流[27].

2.2 六相交流電弧放電等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 MPX-2015 (a)示意圖;(b)實(shí)物照片F(xiàn)ig.3.Schematic(a)and picture(b)of MPX-2015.

按照上述設(shè)計(jì)思路,我們?cè)O(shè)計(jì)了多相交流電弧等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(multiphase gas discharge plasma experimental platform-2015,MPX-2015).圖3(a)和圖3(b)分別為該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的示意圖和實(shí)物圖,包括真空腔體及其內(nèi)部的等離子體發(fā)生器、電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總長(zhǎng)1.7 m,總高約2 m.真空腔由兩段組成,其中前段真空腔側(cè)壁安裝有6個(gè)伺服電動(dòng)缸,每個(gè)電動(dòng)缸帶動(dòng)一個(gè)電極做直線運(yùn)動(dòng);前段真空腔的內(nèi)部安裝有一個(gè)內(nèi)徑為100 mm、采用水冷結(jié)構(gòu)的約束管,主要起到對(duì)等離子體射流的約束作用.該約束管為不銹鋼材料,亦可作為與6個(gè)電極相對(duì)應(yīng)的地電極.在前段真空腔的端部中心位置安裝有1個(gè)伺服電動(dòng)缸,用以帶動(dòng)冷氣體進(jìn)氣噴嘴做直線運(yùn)動(dòng).后段真空腔采用雙層水冷結(jié)構(gòu),在其側(cè)壁上開(kāi)有2個(gè)長(zhǎng)方形觀察窗和2個(gè)圓形觀察窗,以及1個(gè)連接真空泵的法蘭.2個(gè)長(zhǎng)方形觀察窗的長(zhǎng)度均為380 mm,靠近真空泵法蘭的長(zhǎng)方形觀察窗寬70 mm,而該窗口對(duì)面的長(zhǎng)方形觀察窗的寬度則為130 mm;兩個(gè)圓形觀察窗直徑均為150 mm.另外,真空腔底部觀察窗也可以更換為安裝用于固定鈍體的軌道臺(tái)架.

MPX-2015的電源系統(tǒng)主要由6個(gè)弧焊電源和1個(gè)6相隔離變壓器組成,同時(shí)也包括了用于非接觸引弧的高頻引弧器和用于抑制變壓器涌流的軟啟動(dòng)電路.該電源系統(tǒng)以六個(gè)單相交流弧焊變壓器為主功率源,采用六相隔離變壓器將三相交流電變換成為具有60°相位差的六相交流電,為六個(gè)單相交流弧焊電源供電,并采用如圖4所示的線路連接方式將等離子體發(fā)生器的6個(gè)電極與6臺(tái)單相交流弧焊機(jī)連接.放電過(guò)程中,相鄰兩個(gè)電極間所加交流電壓的相位差為60°;每相電流的波形均為標(biāo)準(zhǔn)正弦波,當(dāng)其中1相電流過(guò)零時(shí),其他5相的電流并不會(huì)同時(shí)經(jīng)過(guò)零點(diǎn).于是,盡管當(dāng)電流過(guò)零時(shí)電弧會(huì)熄滅,但之后電流會(huì)持續(xù)增大,并依靠其他5相完成自燃,從而保證電弧的持續(xù)和一定程度上的穩(wěn)定.由于在放電過(guò)程中沒(méi)有中心點(diǎn),因此,每一電極在充當(dāng)功率電極的同時(shí)也在輪流地充當(dāng)?shù)仉姌O.在發(fā)生器穩(wěn)定放電的情況下,每相的電流在70—110 A的范圍內(nèi)變化,兩相之間的工作電壓則維持在24 V左右.

MPX-2015的控制系統(tǒng)由三菱Q系列可編程邏輯控制器(PLC)、三菱伺服電機(jī)、觸摸屏和上位機(jī)組成.PLC和觸摸屏之間采用RS422數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議通訊,PLC和上位機(jī)之間則采用RS232數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議通訊.在放電過(guò)程中,觸摸屏通過(guò)PLC主要進(jìn)行系統(tǒng)的啟動(dòng)和監(jiān)控,7個(gè)伺服電機(jī)分別帶動(dòng)等離子體發(fā)生器的6個(gè)電極和1個(gè)冷氣體進(jìn)氣噴嘴運(yùn)動(dòng),并采用2個(gè)QD75D4運(yùn)動(dòng)控制模塊對(duì)7個(gè)電機(jī)進(jìn)行定位運(yùn)動(dòng)控制.上位機(jī)則使用LabVIEW程序,主要用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集.

2.3 等離子體射流關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法概述

我們采用發(fā)射光譜法來(lái)測(cè)量等離子體射流區(qū)的氣體溫度(Th)、電子激發(fā)溫度(Te)和電子數(shù)密度(ne)這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù).其中,采用Boltzmann圖法測(cè)量了等離子體的電子激發(fā)溫度(Te)[30];采用OH(羥基)基團(tuán)在306—310 nm間的發(fā)射光譜測(cè)量了氣體的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度(Trot)[31],并假定Th≈Trot;采用等離子體在380—430 nm間的連續(xù)輻射譜測(cè)量了電子數(shù)密度(ne)[32].根據(jù)第1節(jié)所述,包覆飛行器表面的等離子體鞘套環(huán)境需要有足夠高的電子密度(ne=108—1012cm?3).因此,為了定量確定等離子體射流的尺寸,包括最大射流直徑(d)和射流長(zhǎng)度(l),我們以等離子體電子數(shù)密度1010cm?3為界限(記為ne,crt),待每次放電穩(wěn)定之后,通過(guò)對(duì)等離子體射流進(jìn)行徑向和軸向二維掃描測(cè)量,得到所測(cè)電子數(shù)密度大于ne,crt的等離子體射流區(qū)尺寸.

圖4 MPX-2015電源系統(tǒng)電路連接圖Fig.4.Circuit for the MPX-2015.

3 等離子體自由射流特性的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 典型實(shí)驗(yàn)工況下的等離子體自由射流特性

圖5給出了等離子體自由射流形貌(曝光時(shí)間texp=50 ms),實(shí)驗(yàn)條件為:氬-氮混合氣體(氮含量10%)作為等離子體工作氣體,總流量(Qtot)為16.0 slpm(其中從每個(gè)電極環(huán)縫注入的氣體流量(Qe)為1.0 slpm(標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘),電極平面上游的冷氣體注入量(Qc)為10.0 slpm)、單相弧電流峰值(I)為80 A,相鄰兩電極間距(le)為40 cm,水冷約束管出口內(nèi)徑(r1)為2.5 cm,真空腔壓強(qiáng)(p)為1000 Pa.為了便于后續(xù)分析,以水冷約束管出口中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)(O),以發(fā)生器幾何軸線作為z軸,并將等離子體射流的流動(dòng)方向定義為z軸正方向,與之相垂直的方向定義為徑向(r軸).從圖5可以看到,從水冷約束管噴出的等離子體射流沿流動(dòng)方向逐漸擴(kuò)張.圖6則給出了相同工況下等離子體發(fā)生器軸線上z=10.0 cm處的發(fā)射光譜.利用這些譜線,可以得到等離子體射流關(guān)鍵參數(shù)的空間分布規(guī)律.

圖5 典型工況下的等離子體自由射流照片F(xiàn)ig.5.Image of the plasma free jet under a typical operating condition.

圖6 發(fā)生器軸線上z=10.0 cm處的等離子體發(fā)射光譜圖Fig.6.Emission spectrum of the plasma jet at the location z=10.0 cm on the jet axis.

圖7給出了相同工況下實(shí)驗(yàn)測(cè)量與采用非平衡等離子體模型計(jì)算[33]得到的等離子體自由射流區(qū)氣體溫度、電子激發(fā)溫度和電子數(shù)密度沿發(fā)生器幾何軸線的變化規(guī)律,其中有關(guān)非平衡態(tài)等離子體數(shù)值模擬物理數(shù)學(xué)模型的具體介紹可參見(jiàn)文獻(xiàn)[33].可以看到:1)上述三個(gè)特征參數(shù)(Th,Te和ne)均沿射流流動(dòng)方向在z=0—50.0 cm的范圍內(nèi)逐漸降低,實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的電子激發(fā)溫度和重粒子溫度分別從水冷約束管出口處的7601 K和3600 K降低到了3037 K和1100 K,而電子數(shù)密度則從出口處的1.25×1015cm?3下降到了1.1×1011cm?3;數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果在定性的變化趨勢(shì)上是完全一致的;在z=50.0 cm處,實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到電子溫度和重粒子溫度較數(shù)值模擬結(jié)果分別低22%和26%,實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的電子數(shù)密度與計(jì)算結(jié)果相差約18%,這在一定程度上驗(yàn)證了本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的可靠性;2)相應(yīng)地,等離子體射流區(qū)電子數(shù)密度大于ne,crt(=1010cm?3)的射流直徑亦從水冷約束管出口處的6.0 cm擴(kuò)大到了11.6 cm(如圖8所示).

圖7 等離子體射流區(qū)氣體溫度、電子激發(fā)溫度和數(shù)密度沿軸線的變化規(guī)律Fig.7.Pro files of Th,Teand nealong the geometrical axis of the plasma jet.

圖8 等離子體射流直徑沿軸線的變化規(guī)律Fig.8.Variations of the diameter of the plasma jet along the axis.

3.2 主要工作參數(shù)對(duì)等離子體自由射流特性的影響

為了進(jìn)一步研究不同放電參數(shù)(如真空腔壓強(qiáng)、電極間距、弧電流、等離子體工作氣體流量等)對(duì)自由射流特性的影響規(guī)律,針對(duì)圖5所對(duì)應(yīng)的典型工況設(shè)計(jì)了如表1所列的16組實(shí)驗(yàn)條件,其中水冷約束管內(nèi)徑以及從電極平面上游注入的冷氣體量均保持不變,即r1=2.5 cm,Qc=10.0 slpm.

表1 自由射流特性研究實(shí)驗(yàn)工況表Table 1.Operating conditions for the plasma free jets.

圖9和圖10分別給出了對(duì)應(yīng)于表1不同放電工況下的等離子體射流長(zhǎng)度和最大直徑.其中,從圖5中O點(diǎn)開(kāi)始,軸向方向每隔5.0 cm,徑向方向每隔1.0 cm進(jìn)行等離子體射流光譜空間分布的掃描測(cè)量,射流長(zhǎng)度和直徑均以電子密度約為ne,crt為邊界得到的最大直徑以及長(zhǎng)度定義.實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明:1)真空腔壓強(qiáng)(p)會(huì)對(duì)等離子體射流尺度產(chǎn)生顯著的影響,隨著壓強(qiáng)的降低,等離子體射流長(zhǎng)度與直徑均有所增加;2)在弧電流(I)保持不變的情況下,相鄰兩電極間的距離(le)對(duì)放電穩(wěn)定性有明顯的影響,隨著弧電流的降低,放電穩(wěn)定性變差;且真空腔壓強(qiáng)越低,這種變化越明顯;3)其他條件保持不變的情況下,增加弧電流(I)和沿電極環(huán)縫注入的氣流量(Qe)均有利于提高放電的穩(wěn)定性、增大射流尺度,并且也使得擊穿氣體產(chǎn)生放電變得更加容易.在本文所涉及的工況范圍內(nèi),等離子體射流的直徑和長(zhǎng)度分別在10.0—14.0 cm以及42.0—60.0 cm的范圍內(nèi)變化.

圖9 不同放電工況下的等離子體射流的最大直徑Fig.9.Maximum values of the plasma jet diameter under different operating conditions.

圖10 不同放電工況下的等離子體射流長(zhǎng)度Fig.10.Lengths of the plasma jet under different operating conditions.

4 等離子體沖擊射流特性的實(shí)驗(yàn)研究

4.1 典型實(shí)驗(yàn)工況下的等離子體沖擊射流特性

圖11給出了典型工況(Qe=1.0 slpm,Qc=10.0 slpm,I=100 A,le=30 mm,r1=4.0 cm,p=1000 Pa)、有鈍體存在條件下氬-氮混合氣體(氮含量10%)放電所產(chǎn)生的等離子體沖擊射流的形貌(texp=20 ms).由于MPX-2015真空腔測(cè)試段長(zhǎng)度的限制,所采用的鈍體長(zhǎng)度為35.0 cm,最大直徑為5.0 cm,鈍體尖端與發(fā)生器水冷約束管出口之間的距離(L1)為8.0 cm.從圖11可以看到,從水冷約束管噴出的等離子體射流在沿流動(dòng)方向緊貼鈍體逐漸擴(kuò)張,整個(gè)鈍體全部被包覆在等離子體射流區(qū)內(nèi).

圖12給出了相同工況下距離鈍體表面2.0 cm處等離子體射流區(qū)氣體溫度、電子激發(fā)溫度和電子數(shù)密度沿射流流向的變化規(guī)律(以鈍體尖端為坐標(biāo)零點(diǎn)).可以看到:1)上述三個(gè)特征參數(shù)(Th,Te和ne)均沿射流的流動(dòng)方向在z=0—40.0 cm的范圍內(nèi)逐漸降低,其中,電子激發(fā)溫度和重粒子溫度分別從尖端處的6120 K和3050 K降低到了3100 K和1020 K,而電子數(shù)密度則從4.00×1014cm?3下降到了1.40×1011cm?3;2)相應(yīng)地,等離子體射流區(qū)電子數(shù)密度大于ne,crt(=1010cm?3)的等離子體鞘套厚度亦從鈍體尖端處的4.7 cm擴(kuò)大到了7.6 cm(如圖13所示),有效覆蓋長(zhǎng)度可以達(dá)到約33.0 cm,占鈍體總長(zhǎng)度(35.0 cm)的94.2%.

圖11 典型工況有鈍體存在條件下的等離子體沖擊射流照片F(xiàn)ig.11.Image of the plasma impinging jet upon a bluffbody under a typical operating condition.

圖12 距鈍體表面2.0 cm處等離子體射流區(qū)氣體溫度、電子激發(fā)溫度和數(shù)密度沿軸線的變化Fig.12.Distributions of Th,Teand nealong the geometrical axis of the plasma jet and 2.0 cm away from the surface of the bluffbody.

4.2 主要工作參數(shù)對(duì)等離子體沖擊射流特性的影響

表2列出了電極間距、水冷約束管內(nèi)徑、從電極平面上游注入的冷氣體量以及鈍體半徑(r2)均保持不變的條件下(le=3.0 cm,r1=4.0 cm,Qc=10.0 slpm,r2=2.5 cm)研究真空腔壓強(qiáng)、弧電流、等離子體工作氣體流量對(duì)等離子體沖擊射流特性影響規(guī)律的8組實(shí)驗(yàn)工況.

圖13 等離子體鞘套厚度沿發(fā)生器幾何軸線的變化規(guī)律(δcrit為等離子體射流有效覆蓋厚度下限)Fig.13.Variations of the plasma layer thickness along the geometrical axis of the plasma jet(δcritis the lower limit of the effective plasma layer thickness).

表2 沖擊射流特性研究實(shí)驗(yàn)工況表Table 2.Operating conditions for the plasma impinging jets.

圖14和圖15分別給出了對(duì)應(yīng)于表2中不同工況下所形成的等離子體鞘套有效工作長(zhǎng)度和最大厚度,其中,從圖11中O點(diǎn)開(kāi)始至鈍體根部,軸向方向每隔5.0 cm、徑向方向每隔1.0 cm進(jìn)行等離子體射流的光譜空間分布掃描測(cè)量,射流長(zhǎng)度和直徑均以電子密度約ne,crt為邊界得到的最大直徑以及長(zhǎng)度定義.實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明:1)真空腔壓強(qiáng)(p)會(huì)對(duì)鈍體區(qū)的等離子體鞘套厚度產(chǎn)生顯著的影響,隨著壓強(qiáng)的升高,等離子體鞘套的有效工作長(zhǎng)度和厚度均減小;2)相同真空腔壓強(qiáng)條件下,增大弧電流(I)和沿電極環(huán)縫注入的氣流量(Qe)均會(huì)使得所形成的等離子體鞘套長(zhǎng)度和厚度有所增加,同時(shí)也使擊穿氣體產(chǎn)生放電變得更加容易,但相比真空腔壓強(qiáng)的影響要小得多.在本文所研究的參數(shù)范圍內(nèi),等離子體射流包覆長(zhǎng)35.0 cm、半徑2.5 cm的鈍體后所形成的等離子體鞘套的最大厚度和長(zhǎng)度分別在7.2—8.6 cm以及27.0—35.0 cm的范圍內(nèi)變化.

圖14 不同放電工況下的等離子體鞘套厚度Fig.14.Plasma layer thicknesses surrounding the bluffbody under different operating conditions.

圖15 不同放電工況下的等離子體鞘套長(zhǎng)度Fig.15.Plasma layer lengths surrounding the bluffbody under different operating conditions.

5 結(jié)論與展望

本文以臨近空間高超聲速飛行器以及航天器再入大氣環(huán)境飛行過(guò)程中的“黑障”問(wèn)題為研究背景,建立了六相交流電弧等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(MPX-2015),對(duì)其所產(chǎn)生的等離子體自由射流和有鈍體存在條件下的沖擊射流特性進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究.在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)得到的主要結(jié)論為:

1)采用本文所提出的六相交流電弧放電等離子體射流源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),能夠在中等壓力范圍(500—1000 Pa)內(nèi)獲得比常規(guī)直流電弧放電和射頻感應(yīng)耦合放電等離子體源更大尺寸的等離子體射流;

2)等離子體工作氣體流量、真空腔壓強(qiáng)、電極間距以及弧電流等因素均會(huì)對(duì)等離子體射流特性產(chǎn)生一定的影響,其中,真空腔壓強(qiáng)對(duì)等離子體射流特性的影響最為顯著,隨著壓強(qiáng)由500 Pa升高到1000 Pa,電子與中性粒子間的碰撞頻率提高,電子數(shù)密度沿軸向迅速衰減,等離子體自由射流長(zhǎng)度和最大直徑減小;在沖擊鈍體條件下所形成的等離子體鞘套的有效工作長(zhǎng)度和厚度均減小;而相同氣壓條件下,提高沿電極環(huán)縫注入的等離子體工作氣體流量(由0.5 slpm增加到1.0 slpm)或放電的弧電流(由80 A增加到100 A)均有利于等離子體鞘套尺寸的增大.

本文著重研究了當(dāng)放電達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí),不同工況下時(shí)間平均的等離子體射流長(zhǎng)度、直徑以及射流區(qū)氣體溫度、電子激發(fā)溫度和電子數(shù)密度等關(guān)鍵參數(shù),但并未對(duì)等離子體射流隨時(shí)間的演化特性以及時(shí)間平均的等離子體射流速度分布等進(jìn)行深入的研究.今后應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展如下研究工作:設(shè)計(jì)由信號(hào)發(fā)生器控制的放電圖像與光譜信號(hào)采集系統(tǒng)[34?36],研究發(fā)生器的放電特性以及放電過(guò)程中等離子體電弧射流特性隨時(shí)間的變化規(guī)律;設(shè)計(jì)具有不同型線的水冷約束管獲得超聲速的等離子體射流,以期更好地模擬臨近空間飛行器與其周圍復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境間的氣動(dòng)熱效應(yīng)和“黑障”問(wèn)題.

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