等離子體激勵對串列葉柵流動分離抑制效果的數(shù)值仿真

陳景波，丁均梁，張海燈，郭基聯(lián)

（1.浙江省蘭溪市第一中學，浙江蘭溪321100；空軍工程大學等離子動力學重點實驗室2，航空工程學院3:西安710038）

0 引言

串列葉柵能有效抑制和推遲過早的流動分離，大幅度減弱氣流堵塞，進而提高級負荷，擴大喘振裕度，增大壓比。目前等離子體氣動激勵多用于單列葉柵，但單列葉柵在氣流轉折角大的情況下易造成流動分離，因此一般將串列葉柵安裝為末級靜子。研究表明，當2股摻混氣流速度差較大時，摻混造成的損失會增加，導致葉柵總損失增加。通過油流圖譜分析得出在較大攻角下，前排葉片的尾跡會與其相鄰葉片的馬蹄渦壓力面分支交匯對后排葉片流場結構產生影響[1]。串列葉柵在壓氣機中所處的特殊位置導致其狹縫摻混后氣流使角區(qū)分離加重。為了使串列葉柵更好地適應高馬赫數(shù)來流的復雜流場，在串列葉柵上施加等離子體氣動激勵，以抑制其流動分離。相比不斷調整前后排葉片的相對周向位置，這種方式的適用范圍相對廣泛，趙斌等[2]就對高負荷串列葉柵前后排相對位置進行研究，獲得最佳幾何相對位置，提高氣動性能。

等離子體流動控制是1種新的主動控制方式。研究者對介質阻擋放電（DBD）等離子體氣動激勵機理的關注更多的是“動量加速效應”和“溫升及熱沖擊效應”?！皠恿考铀傩钡淖饔梅绞街饕窃诙虝r間內加大電場強度，引發(fā)電子雪崩，離子在電場中加速撞擊中性氣體，增加激勵區(qū)附近的低能流體的能量與動量，誘導氣流加速，從而實現(xiàn)控制的目的。等離子體流動控制裝置結構簡單，響應及時迅速，功率消耗少，在發(fā)動機擴穩(wěn)增效，抑制角區(qū)流動分離等方面有著較好的應用前景[3-6]。Arvind S[7]研究了激勵邊界層的宏觀速度效應；Saddoughi S等[8]對跨聲速軸流壓氣機進行流動控制，分析施加等離子體激勵前后壓氣機性能的改變，發(fā)現(xiàn)激勵后壓氣機的擴穩(wěn)裕度提高4%，且非定常等離子體激勵的流動控制效果優(yōu)于定常激勵的；空軍工程大學等離子重點實驗室對等離子體流動控制的研究較為系統(tǒng)深入；吳云等[9-12]對介質阻擋放電，等離子體激勵抑制翼型失速分離，等離子體氣動激勵抑制流動分離與控制附面層等方面進行試驗；李應紅院士[13-15]對高負荷葉柵的分離拓撲結構及其等離子體流動控制在其上的應用研究，從機理上分析了激勵布局對流動控制的影響。

本文利用數(shù)值模擬的方法研究了等離子體氣動激勵對抑制高速來流的串列葉柵流動分離的影響，對串列葉柵施加不同布局的等離子體激勵，通過極限流線觀察流場結構細節(jié)的變化，通過總壓損失云圖分析其對氣動性能的影響，給出總壓損失系數(shù)的變化，并與基準流場進行對比，進一步分析其作用效果。

1 研究對象與數(shù)值方法

本文針對典型的亞聲速串列葉柵進行仿真，該葉柵的幾何參數(shù)見表1。計算域為單通道模型，采用分塊網格法對整個計算域進行網格劃分，單通道主葉片通道為O4H型網格，葉片表面為蝶形貼體網格，進出口部分均為H型網格。通過對網格的無依賴性驗證，總計算網格為2919400。為了獲得葉頂區(qū)域的精細流場特性，對轉子葉頂間隙區(qū)域的網格進行局部加密。固壁面的最小網格尺度為1×10-6以確保近壁面處的y+＜1。其計算網格如圖1所示。

表1 串列葉柵葉型幾何參數(shù)

圖1 串列葉柵計算網格

DBD等離子體激勵裝置唯象學模型如圖2所示。該模型采用Shyy提出的唯象學模型[16]，給定等離子體作用區(qū)域，在三角形AOB內，電場線沿線性分布。

根據(jù)理論分析和試驗觀測，O點的電場力Feo最大，AB邊緣的電場力最小，電場力的方向平行于AB并指向斜下方，F(xiàn)eo的表達式為

AOB內電場力Fe（x，y）的表達式為

根據(jù)電場力在A點與B點的邊界條件可知:k1=Feo/b，k2=Feo/a，文中假設AB邊緣的電場力大小可忽略不計。根據(jù)電場線性分布可知

式中:Fex為x方向的電場力；Fey為y方向的電場力。

串列葉柵的總壓損失系數(shù)定義為

總壓損失系數(shù)沿柵距方向的平均值

式中:p1、p1*為葉柵進口的靜壓、總壓；p2、p2*為葉柵出口的靜壓、總壓；t為柵距。

此模型利用ANSYSCFX求解器進行分析計算，使用多塊網格分區(qū)技術結合Shear Stress Transport湍流模型求解Navier-Stokes方程。邊界條件設置為進口給定總壓與總溫，出口給定反壓，葉片與端壁設為無滑移壁面。

根據(jù)應力分布圖的結果，在整個撬裝式LNG氣化站中，應力集中主要出現(xiàn)在加熱器所在的部分。在設計之初所考慮的是將加熱器置于BOG處理管系與LNG運輸管系之間以節(jié)省分布空間，但由于兩個部分的管線之間間隔狹小，在考慮了操作空間之后，加熱器的進出管道就變得非常短，加上管道間還布置了閥門以及三通，這無疑增加了管道的受力，最終導致了應力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。

激勵器布置如圖3所示。其中ACU1垂直于葉片表面，產生的壁面射流平行于葉片表面，ACU2與ACU3沿著y軸方向，產生的壁面射流沿著x軸方向。ACU4、ACU5 布局在吸力面上，垂直于端壁，產生的壁面射流與葉片表面成一定角度射入主流。

圖3 激勵器布置位置

2 串列葉柵流場特性

在Ma＝0.5、來流攻角為4°條件下基準流場的極限流線如圖4所示，基準流場周向截面損失沿流向的分布及其不同葉高的總壓損失系數(shù)如圖5、6所示。

圖4 基準流場極限流線

圖5 損失沿流向分布

圖6 不同葉高處總壓損失系數(shù)

原基準流場中各截面處左側為吸力面，右側為壓力面，從圖4中可見，前排葉片在45%弦長處出現(xiàn)流動分離，并延伸至20%葉高處，從前排葉片流出的氣流經過間隙后在后排葉片形成新的附面層，馬蹄渦吸力面分支在45%弦長處形成后排葉片分離點，端壁橫向二次流動卷起不穩(wěn)定的壁面展向渦在吸力面明顯形成尾緣再附線。在葉根上方產生分離泡與集中脫落渦導致部分回流。前排葉片主流區(qū)流體與狹縫氣流摻混后撞擊后排葉片吸力面下游。前排葉片尾緣與后排葉片形成狹縫，在狹縫中氣流與主流摻混使得損失增加，因此圖5中前排葉片吸力面尾緣全葉高損失增加。狹縫形成的摻混流對后排葉片的吸力面與其相鄰葉片的壓力面造成影響，產生流動分離。低能流體在摻混區(qū)聚集，導致逆壓梯度下的流動分離。從后排葉片30%與60%弦長截面的損失云圖中看出在狹縫處摻混后導致后排相鄰葉片壓力面損失范圍擴大，但其損失最大值減小。從圖6中可見在葉根角區(qū)處總壓損失系數(shù)明顯增大。

3 結果分析與討論

3.1 等離子激勵布局對流場結構的影響

葉片表面及下端壁極限流線如圖7所示。ACU1布局如圖7（b）所示。從圖中可見，帶電粒子在空間電場作用下沿電場線方向運動，激勵器附近氣體定向移動，因此端壁激勵產生的射流使氣體加速，削弱進口主流在端壁與葉片形成的附面層的阻滯作用，對前排葉片角區(qū)初始分離點起到抑制作用，經過前后排葉片的狹縫后，狹縫帶來摻混與二次流的形成。此激勵布局對后排葉片的流動分離抑制效果十分微弱。

圖7 葉片表面及下端壁極限流線

ACU2布局如圖7（c）所示。從圖中可見，由于產生的射流朝x軸方向，因此該布局方式中產生的端壁射流對前排葉片有很好的抑制效果，前排葉片的流動分離點后移，前排葉片的吸力面前緣角渦分支也被抑制。ACU2布局方式對端壁處的流動分離也有一定的抑制作用。

ACU3布局如圖7（d）所示。從圖中可見，與基準流場的端壁流線對比，橫向二次流被微弱抑制，端壁處的分離點被推遲，其特別之處在于ACU3是在后排葉片進行激勵產生射流，將能量與動量傳遞給摻混區(qū)聚集的低能流體，端壁附面層的橫向移動使得后排葉片吸力面摻混區(qū)附近低能流體聚集，低能流體被卷入摻混流中，端壁明顯的橫向二次流與部分狹縫氣流相撞，而在端壁處激勵使得端壁摻混區(qū)發(fā)展形成的壁面展向渦在吸力面形成的再附線特別明顯。分析結果表明，端壁激勵器布局中在前排葉片激勵ACU2布局下激勵有著相對好的效果。

ACU4布局如圖7（e）所示。該布局是在前排葉片吸力面流動分離前加等離子激勵。前排葉片S2流面氣體的動量部分增加，導致主流與狹縫氣流速度差增大，后排葉片橫向二次流更加明顯，角區(qū)分離也加重。后排葉柵通道端壁邊界層與狹縫后的摻混區(qū)內氣體流速很低，而其橫向壓力梯度幾乎與主流一致，因周向速度產生的離心力不能使壓力梯度得到平衡，迫使氣流從壓力面流向吸力面，造成攜帶低能流體的橫向二次流撞擊后排葉片角區(qū)，壁面附面層與吸力面附面層相互阻滯，又因受角渦的影響，分離線在后排葉片尾緣有所抬升。

ACU5布局如圖7（f）所示。該布局是在后排葉片分離前加等離子體激勵。從圖中可見后排葉片的分離線被壓低。激勵向低能流體傳遞動量與能量，摻混流托舉形成的集中脫落渦被抑制，因此由逆壓梯度所形成的尾流反向回流減弱。在激勵的影響下，在摻混區(qū)端壁處低能流體橫向二次流形成的端壁展向渦使摻混區(qū)的端壁流線發(fā)生改變。

ACU2-ACU5組合激勵如圖7（g）所示。與基準流場對比可見，前排葉片流動分離被明顯抑制，后排葉片遠離端壁區(qū)域的分離也被抑制，在ACU2的激勵下，角區(qū)低能流體堆積減少，使得后排葉柵通道內的橫向二次流被向后推移。狹縫氣流與主流發(fā)生摻混，在ACU5作用下，由于射流作用在葉片表面，增加葉片表面流體動量與能量，激勵區(qū)附近氣流得以加速，后排葉片的集中脫落渦被向下壓低，吸力面尾緣上部再附線被完全抑制，原45%葉高處的吸力面倒流區(qū)完全消失，吸力面分離線被大大壓低，流場結構得到改善，但對于端壁影響不大。組合激勵中加裝沿y軸方向的激勵產生的射流使近端壁流體加速，從而使前排葉片吸力面處分離被較好抑制。后排葉片流動分離被抑制在45%葉高處，與單獨在吸力面激勵相比，組合激勵的方式對抑制后排葉片吸力面流動分離的效果較好，可提高氣流抵抗逆壓梯度的能力。

3.2 等離子激勵布局對氣動性能的影響

串列葉柵不同端壁激勵布局的軸向損失沿流向的分布如圖8所示。其中SS為吸力面，PS為壓力面。角區(qū)分離是位于末級靜子的串列葉柵損失的主要原因，前后排葉片狹縫造成的摻混也對總壓損失造成一定影響。在前排葉片布置ACU1、ACU2激勵后（如圖8（b）、（c）所示），前排葉片吸力面損失區(qū)最大值普遍減小，在前排葉片激勵產生射流誘導激勵區(qū)部分氣流加速，在一定程度上導致主流與狹縫氣流流速差增大，并導致后排葉片吸力面損失區(qū)范圍依然較大，觀察后排葉片30%與60%弦長截面的損失云圖發(fā)現(xiàn)，后排相鄰葉片壓力面損失范圍沿葉高有所擴大，狹縫處損失最高值有所增大，此激勵方式對前排葉片的氣動性能有一定改善作用，對后排葉片的氣動性能改善作用不理想。由于前排葉片的激勵射流在一定程度上控制尾跡損失，因此后排葉片吸力面靠近端壁處高損失區(qū)影響范圍減小。

圖8 損失沿流向分布

在ACU3激勵布局中，射流誘導部分狹縫氣流加速，使得主流與其速度差減小，因此后排葉片吸力面近端壁處的損失范圍有效減小。但又受其激勵方向的影響，狹縫氣流的方向向相鄰后排葉片壓力面上游產生偏移。之后在下游橫向沖擊后排葉片吸力面，狹縫處與后排葉片30%弦長截面的損失云圖如圖8（d）所示，從圖中可見，此變化造成后排葉片壓力面近端壁處核心區(qū)損失范圍有所擴大。而此激勵方式對狹縫摻混區(qū)與前排葉片吸力面近端壁處造成擾動，使其流場結構發(fā)生變化，導致這2個區(qū)域的損失范圍與損失最大值相應增大。原基準流場摻混區(qū)存在著低能流體的聚集，當?shù)湍芰黧w聚集效應變得明顯時，由內摩擦力造成的損失就越大；當?shù)湍芰黧w聚集量增大時，狹縫氣流與主流摻混效應也相應明顯，此激勵布局改善了摻混區(qū)的低能流體聚集效應，減小了后排葉片端壁下游的損失。

從圖8（e）中可見，ACU4布局前排葉片吸力面激勵后，射流將角渦影響范圍擴大，由于角渦中摻雜部分低能流體，因此前排葉片近摻混區(qū)處的損失沿端壁的范圍擴大。但此激勵布局對摻混后流場的變化不大。

從圖8（f）中可見，ACU5布局中后排葉片吸力面損失范圍顯著縮小，誘導射流加速吸力面處及部分狹縫氣流，后排葉柵通道內橫向二次流變得明顯，狹縫射流與其在狹縫處附近交匯，使得后排葉片60%弦長附近端壁損失增加。

從圖8（g）中可見，在組合激勵情況下，前排葉片產生的射流加速端壁附近流體，使狹縫處端壁的損失降低，前排葉片吸力面靠近端壁附近的核心損失區(qū)范圍縮小，但是整體的損失范圍呈現(xiàn)出擴大趨勢。后排葉片端壁高損失區(qū)的損失影響范圍被有效縮小。由于組合激勵對狹縫氣流與主流同時作用抑制摻混區(qū)端壁低能流體的聚集，從而使后排相鄰葉片壓力面損失降低。后排葉片全葉高損失顯著降低，是因為組合激勵中ACU5激勵布局作用在葉片吸力面的射流抑制角區(qū)流動分離，從而降低損失。

不同激勵條件下不同葉高總壓損失系數(shù)的變化如圖9所示。從圖中可見，在20%葉高處總壓損失系數(shù)有明顯的減小，且在ACU2情況下，20%葉高處下方有較好的流場改善過程。根據(jù)數(shù)值模擬得出基準流場截面、ACU1、ACU2、ACU3條件下總壓損失系數(shù)分別為0.1072、0.0997、0.0968、0.0995， 由 此 得 出 在 ACU1、ACU2、ACU3條件下，總壓損失系數(shù)分別減小7.52%、10.74%、7.74%。對比圖9（a）、（b）可知，ACU2 對減小總壓損失系數(shù)的作用優(yōu)于ACU1和ACU3，且在這3種情況下，端壁處激勵對總壓損失的減小都有不同程度的改善，效率提高。

圖9 在不同激勵條件下不同葉高總壓損失系數(shù)

從圖9（c）中可見，ACU5的后排葉片20%葉高附近總壓損失大大降低。ACU4對前排葉片吸力面的總壓損失降低起到一定作用。對比ACU4和ACU5的總壓損失系數(shù)曲線可見，二者在減小吸力面總壓損失系數(shù)上都起到了一定作用，且效率基本相當。ACU2-ACU5整體效果與ACU4和ACU5相差無幾，但在近端壁處損失系數(shù)有1個減小的過程。根據(jù)仿真結果可知，在ACU4、ACU5、ACU2-ACU5條件下總壓損失系數(shù)分別為0.0921、0.0895、0.0857，分別減小16.40%、19.78%、25.09%。由此可知，組合激勵的布局對總壓損失系數(shù)減小有特別明顯的作用。

4 結論

本文對串列葉柵在不同位置施加等離子體激勵的流場結構及氣動性能進行了研究，得到以下結論:

（1）在來流速度較高的情況下，等離子體氣動激勵對流動控制的效果并不十分明顯，應相應地增強激勵提供的能量。提供能量較大的等離子體激勵對來流速度較高的串列葉柵的流場結構也有一定的改善作用。

（2）在端壁與吸力面施加等離子體激勵產生的動量加速效應與溫升熱沖擊效應，能在一定程度上防止摻混區(qū)低能流體的聚集，從而抑制流動分離。

（3）與在單排葉片上施加等離子激勵不同，在串列葉柵上施加激勵需要考慮主流與狹縫氣流的速度差。

（4）采用組合激勵時，ACU2-ACU5布局使前后排葉片的核心損失區(qū)損失最大值降低，影響范圍減小，端壁的流動分離也得到有效控制。

（5）采用對串列葉柵施加等離子體激勵的主動控制方式來減少損失的關鍵在于減小主流與狹縫氣流的速度差和抑制橫向二次流動，因此在后續(xù)試驗中應考慮在后排葉片流動分離前施加等離子體激勵，使主流與狹縫氣流的速度差減小。

致謝

感謝空軍工程大學吳云教授在論文撰寫中給予的幫助！