等離子體合成射流流動(dòng)控制技術(shù)研究進(jìn)展

程林 楊曉強(qiáng) 賀強(qiáng)

【摘 要】本論文系統(tǒng)回顧了等離子體合成射流流動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史，在介紹了主要的等離子體流動(dòng)控制技術(shù)后，從等離子合成射流技術(shù)的工作特性研究及流動(dòng)控制應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)層面詳細(xì)分析了目前等離子體合成射流的發(fā)展現(xiàn)狀及所遇到的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】等離子合成射流激勵(lì)器；研究進(jìn)展；工作特性；流動(dòng)控制

一、流動(dòng)控制技術(shù)概述

在流體力學(xué)研究領(lǐng)域，主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天流體機(jī)械的外流空氣動(dòng)力性能提升、進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流組織、燃燒穩(wěn)定性控制等多個(gè)方面。主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)通過(guò)向主流流場(chǎng)添加質(zhì)量、動(dòng)量、熱量的微弱擾動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的控制和性能改善[1]。

普朗特于1904年提出了邊界層理論，使得大家對(duì)邊界層與流動(dòng)分離的關(guān)系有了較為清楚的認(rèn)識(shí)，從而使主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)成為可能。同時(shí)也提出了一種目前應(yīng)用最為廣泛的邊界層吹吸技術(shù)[1]。

邊界層吸除技術(shù)通過(guò)狹縫泄除邊界層中的低能流，從而改變邊界層速度型，達(dá)到抑制流動(dòng)分離的目的。邊界層吸除技術(shù)是一種非常實(shí)用，并得到廣泛應(yīng)用的流動(dòng)控制技術(shù)，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)顯著的放氣阻力，降低主流流量。與吸除技術(shù)不同，邊界層吹除技術(shù)沿流向方向注入高速氣流，提高邊界層底層流體的動(dòng)量，從而提高邊界層內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)速度。邊界層吹除技術(shù)需要額外的高壓附加氣源，。

合成射流激勵(lì)器主要依靠機(jī)械振動(dòng)為氣體注入能量，不需要額外的附加氣源。目前，傳統(tǒng)的合成射流激勵(lì)器有壓電膜式[3，4]、活塞式[5，6]、聲激勵(lì)式 [7，8]等。傳統(tǒng)的激勵(lì)方式中，壓電膜式響應(yīng)最為迅速，工作頻帶也最寬[9]。然而，機(jī)械式合成射流激勵(lì)器的誘導(dǎo)速度較低，流動(dòng)控制能力較弱。

等離子體激勵(lì)形式具有激勵(lì)頻帶極寬、激勵(lì)強(qiáng)度無(wú)極可調(diào)（電壓、電流等參數(shù)可控）、低功耗、激勵(lì)形式多樣等諸多優(yōu)點(diǎn)[11]。等離子體流體控制技術(shù)涉及電磁學(xué)、材料學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等諸多方面，是新興的交叉型科學(xué)研究領(lǐng)域，也為研究帶來(lái)較大的難度[10]。

二、等離子體主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外在等離子流動(dòng)控制技術(shù)方面的研究起步較早，早期主要應(yīng)用于高超聲速飛行器減阻方面，近些年來(lái)逐漸開(kāi)始應(yīng)用于亞聲速流動(dòng)控制。流動(dòng)控制對(duì)象涉及流動(dòng)分離控制、激波形狀控制、激波邊界層干擾控制等多個(gè)方面。美國(guó)、俄羅斯、歐洲等各個(gè)國(guó)家均對(duì)等離子流體控制技術(shù)高度重視，相繼開(kāi)展相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)為空軍工程大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、廈門大學(xué)等，近幾年也取得了較大進(jìn)步。目前，應(yīng)用于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的主要有介質(zhì)阻擋放電和電弧放電兩種。

1）介質(zhì)阻擋激勵(lì)器

介質(zhì)阻擋放電是指在陽(yáng)極與陰極之間布置絕緣層的的一種放電方法[11]。早在1960年，蘇聯(lián)就率先開(kāi)展了利用DBD放電控制翼型分離的實(shí)驗(yàn)研究[12]。1998年，美國(guó)羅斯教授通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明DBD放電具有流動(dòng)控制面積大、消耗功率小等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)[13]。

英國(guó)諾丁漢大學(xué)的Richard D. Whalley運(yùn)用PIV激光測(cè)速儀研究發(fā)現(xiàn)DBD激勵(lì)器在激勵(lì)開(kāi)始階段首先形成一個(gè)啟動(dòng)渦，隨后不斷與環(huán)境氣流相互作用，逐漸演化為沿壁面射流[14]。Font G I 發(fā)現(xiàn)DBD激勵(lì)器所消耗的電能只有18%轉(zhuǎn)化為射流的動(dòng)能，說(shuō)明DBD激勵(lì)器性能仍有很大的提升空間[15]。在應(yīng)用方面，研究人員相繼開(kāi)展DBD氣動(dòng)激勵(lì)器抑制翼型流動(dòng)分離、邊界層分離控制、超聲速流動(dòng)控制等應(yīng)用研究[16-21]。國(guó)內(nèi)空軍工程大學(xué)李應(yīng)紅、吳云等運(yùn)用納秒脈沖電源開(kāi)展了關(guān)于納秒脈沖DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的特性研究[22]。

2）電弧放電激勵(lì)器

常用的電弧激勵(lì)器有以下兩種：一是利用溫度擾動(dòng)的表面電弧激勵(lì)器（又稱當(dāng)?shù)仉娀〖?lì)器），二是利用壓力擾動(dòng)的等離子體合成射流氣動(dòng)激勵(lì)器（Plasma synthetic jet actuator簡(jiǎn)稱 PSJA）。

表面電弧氣動(dòng)激勵(lì)器主要是指在主流流過(guò)的壁面布置放電電極，直接對(duì)主流氣體放電，提高主流局部氣體的溫度。該種激勵(lì)器的流動(dòng)控制能力較強(qiáng)，能量注入較多，多用在激波形狀控制、激波邊界層干擾控制、超聲速流動(dòng)分離控制等應(yīng)用場(chǎng)合[24-28]。

等離子體合成射流氣動(dòng)激勵(lì)器（PSJA）是由美國(guó)霍普金斯大學(xué)Grossman在2003年最早提出并設(shè)計(jì)[29]。激勵(lì)器的工作原理：當(dāng)電極間電壓大于氣體的擊穿電壓后，腔體內(nèi)發(fā)生電弧放電。腔體內(nèi)的氣體被迅速加熱，繼而腔內(nèi)壓力升高，由于內(nèi)外壓差作用在上方小孔處形成射流（典型的勵(lì)器如圖1所示）。該種激勵(lì)器具有放電穩(wěn)定、射流速度大、控制能力強(qiáng)、電極壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。

圖1 典型等離子體合成射流氣動(dòng)激勵(lì)器示意圖[29]

三、等離子體合成射流激勵(lì)器工作特性研究

在Grossman提出等離子體合成射流激勵(lì)器之后，流動(dòng)控制領(lǐng)域的學(xué)者相繼開(kāi)展了工作原理[29]、流場(chǎng)特性[30-31]、激勵(lì)器參數(shù)化研究[32-39]、激勵(lì)器工作效率[40-42]、能量沉積率[43]等多種特性研究工作，并出現(xiàn)了三電極[44]、納秒脈沖[45-46]、“補(bǔ)氣式”[47]等新型激勵(lì)器形式。

2003年Grossman首先開(kāi)展了激勵(lì)器工作原理的研究[29]。Grossman提出激勵(lì)器工作過(guò)程由能量沉積階段、噴氣階段、吸氣還原三個(gè)階段組成（圖2）。這也是目前學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)同的對(duì)于激勵(lì)器工作過(guò)程的描述。

在能量沉積階段，腔體內(nèi)的氣體被劇烈加熱。這一階段，腔體內(nèi)氣體壓力升高。由于壓差作用，氣體從上方出口噴出，這被稱為激勵(lì)器的噴氣階段。隨著氣體不斷噴出，射流速度逐漸降低。同時(shí)，腔體在環(huán)境氣體中自然冷卻散熱。當(dāng)射流速度繼續(xù)降低直至降為零，腔內(nèi)壓力低于環(huán)境壓力。激勵(lì)器進(jìn)入吸氣還原階段，環(huán)境氣體進(jìn)入腔體內(nèi)，等待下一次放電。

Laurendeau.F利用PIV技術(shù)開(kāi)展了射流流場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)[30]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)射流流場(chǎng)由多對(duì)渦環(huán)組成。渦環(huán)向下游傳播的過(guò)程與周圍靜止流體發(fā)生卷積作用，進(jìn)行動(dòng)量轉(zhuǎn)換（圖9）。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)射流流場(chǎng)具有明顯的對(duì)稱性，并且與電極形狀無(wú)關(guān)。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)指出PIV流場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)用于觀測(cè)射流激勵(lì)器流場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)了示蹤粒子隨流性不強(qiáng)的問(wèn)題，對(duì)流場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果有較大的影響。

圖3 等離子體合成射流激勵(lì)器PIV流場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果[30]

目前高速紋影是學(xué)者們較為常用的等離子體合成射流激勵(lì)器流場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)。典型的射流流場(chǎng)紋影觀測(cè)圖如圖4所示[31]。流場(chǎng)結(jié)構(gòu)一般由前方壓縮波、反射壓縮波、射流組成。激勵(lì)器產(chǎn)生的是一種高溫射流，密度梯度明顯。因此，高速紋影技術(shù)在射流流場(chǎng)觀測(cè)中具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，但無(wú)法進(jìn)行定量分析，僅能作為定性的流場(chǎng)分析工具。

圖4 典型等離子體合成射流流場(chǎng)紋影圖[31]

學(xué)者們相繼開(kāi)展了激勵(lì)器電參數(shù)、幾何參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的參數(shù)化研究工作[32-39]。空軍工程大學(xué)李應(yīng)紅等開(kāi)展了電參數(shù)對(duì)激勵(lì)器流場(chǎng)特性影響的參數(shù)化研究[32]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工作頻率低于400Hz，射流速度穩(wěn)定在97m/s。射流頻率達(dá)到500Hz時(shí)，射流速度出現(xiàn)較大的下降，速度降為90m/s。此后隨著頻率增高，速度基本保證穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在條件不變的情況下，在兩個(gè)較強(qiáng)射流之間往往會(huì)出現(xiàn)較弱的一次射流。隨著工作頻率升高，不穩(wěn)定的情況逐漸增多。

國(guó)防科技大學(xué)王林等研究了激勵(lì)器幾何參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對(duì)流場(chǎng)特性的影響[35]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小的出口更容易獲得更高的射流速度，腔體體積對(duì)流場(chǎng)演化、射流時(shí)間、初始射流速度均有較大的影響[35]。

能量轉(zhuǎn)化效率是衡量激勵(lì)器實(shí)際應(yīng)用能力的重要參數(shù)。基于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了能量轉(zhuǎn)化效率的研究[40-42]。Haack等運(yùn)用顯微紋影技術(shù)、氣壓測(cè)量、電壓測(cè)量研究激勵(lì)器的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在大氣壓條件下激勵(lì)器的工作效率約為20%-30%[40]。

Belinger等發(fā)現(xiàn)容性電源相較感性電源更容易獲得更高的能量沉積率，可以獲得較快的射流速度[43]。隨著等離子體合成射流激勵(lì)器研究工作的不斷推進(jìn)，為了提高激勵(lì)器工作效率和實(shí)際應(yīng)用能力，近幾年相繼出現(xiàn)了三電極[44]、納秒脈沖[45-46]、“補(bǔ)氣式”[47]等新型激勵(lì)器形式。王林等首先提出了三電極激勵(lì)器的概念 [44]。

空軍工程大學(xué)宗豪華、李應(yīng)紅等提出了納秒脈沖激勵(lì)器[45-46]。納秒脈沖電源的瞬間加熱效應(yīng)極為劇烈，能量沉積率較高，可以獲得更高的射流速度。同時(shí)由于瞬間的劇烈反應(yīng)，激勵(lì)器的沖擊效應(yīng)也更強(qiáng)。

佛羅里達(dá)州立大學(xué)Thomas提出了一種“補(bǔ)氣式”激勵(lì)器 [47]。實(shí)驗(yàn)表明“補(bǔ)氣式”激勵(lì)器可以有效地縮短激勵(lì)器吸氣還原的時(shí)間，提高激勵(lì)器工作的頻率，并且保證每次射流輸出動(dòng)量的穩(wěn)定。

四、等離子體合成射流流動(dòng)控制應(yīng)用研究

等離子體合成射流激勵(lì)器由于出流速度大，輸入動(dòng)量能力強(qiáng)，常用于超聲速流動(dòng)控制。Narayanaswamy等于2010年提出了一種用于超聲速流動(dòng)控制的高頻激勵(lì)器[49]。該激勵(lì)器可以在5kHz的工作頻率時(shí)穩(wěn)定工作，射流速度高達(dá)300m/s，在超聲速流動(dòng)控制中有很好的應(yīng)用前景。

Narayanaswamy利用之前設(shè)計(jì)的激勵(lì)器開(kāi)展了控制超聲速壓縮拐角流動(dòng)分離控制實(shí)驗(yàn)[49]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)激勵(lì)器工作頻率大于2KHz時(shí)，可以有效的抑制分離激波的不穩(wěn)定性，壓力脈動(dòng)范圍減少了30%。

Greene首先開(kāi)展了運(yùn)用等離子體合成射流激勵(lì)器控制入射激波邊界層干擾[50]。實(shí)驗(yàn)由激波發(fā)生器產(chǎn)生一道入射激波，并與下邊界層相互干擾。實(shí)驗(yàn)中使用三個(gè)激勵(lì)器進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于激波引起的總壓損失并沒(méi)有太大的變化。

圖5 入射激波邊界層干擾流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置[50]

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