納秒脈沖等離子體合成射流激勵器的流場特性分析

于維鑫, 朱文超, 程 曉, 黃邦斗, 章 程, 邵 濤

(1. 中國科學(xué)院電工研究所等離子體科學(xué)和能源轉(zhuǎn)化北京市國際科技合作基地， 北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京100049； 3. 國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點實驗室， 北京 102205；4. 國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院， 重慶 401121)

引 言

隨著高超聲速飛行器的發(fā)展, 等離子體流動控制技術(shù)作為一種高速流場的主動控制手段, 由于其不需運動部件, 具有響應(yīng)快、 結(jié)構(gòu)簡單、 流場控制能力較強等優(yōu)點, 現(xiàn)已成為各國研究熱門[1-2]. 國內(nèi)外學(xué)者對等離子體流動控制的機(jī)理進(jìn)行過諸多的研究與論述, 主要可以歸納為以下3個方面: 動力效應(yīng), 等離子體在空間電場作用下, 離子與氣體分子發(fā)生碰撞, 交換動能, 誘導(dǎo)中性氣體分子定向運動; 沖擊效應(yīng), 在空間電場作用下, 帶電粒子與中性粒子發(fā)生碰撞, 導(dǎo)致電離、 躍遷等物理化學(xué)變化, 使得局部氣體急速加熱、 壓力驟增, 對局部流場產(chǎn)生擾動, 從而改變流場的分布; 物性改變效應(yīng), 氣體放電產(chǎn)生等離子體的同時還會改變流場的黏滯性、 熱傳導(dǎo)特性等, 對流場的發(fā)展有一定的影響[3-4].

作為等離子體流動控制中最重要的組件, 等離子體流動控制激勵器已有多種類型: 同軸介質(zhì)阻擋激勵器(dielectric barrier discharge, DBD)[5-6]、 表面介質(zhì)阻擋激勵器(surface dielectric barrier discharge, SDBD)[7]以及等離子體合成射流激勵器(plasma synthetic jet, PSJ)[8]. 其中等離子體合成射流激勵器是目前研究最熱門的激勵形式, 它主要由針電極、 放電腔組成, 結(jié)構(gòu)簡單, 控制效果明顯. 等離子體合成射流激勵器本質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置, 通過放電加熱腔體內(nèi)的氣體, 改變腔體內(nèi)氣壓, 使腔體內(nèi)的氣體通過出氣口噴射而出, 實現(xiàn)對流場的控制.

自等離子體合成射流激勵器被約翰霍普金斯大學(xué)首次提出后[9], 國內(nèi)外對于等離子體流動控制開展了大量的研究工作. 美國德克薩斯大學(xué)的Narayanaswamy等通過紋影系統(tǒng)以及發(fā)射光譜對高頻脈沖等離子體合成射流特性進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)脈沖驅(qū)動下, 合成射流的響應(yīng)時延能夠有效降低[10]. 美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)的Emerick等使用微秒脈沖電源驅(qū)動三電極和兩電極合成射流激勵器進(jìn)行風(fēng)洞合成射流實驗, 發(fā)現(xiàn)高重頻以及快上升沿的驅(qū)動下, 等離子體流場控制能力更為穩(wěn)定和顯著[11].

空軍工程大學(xué)的Zhang等[12]通過多電極合成射流激勵器與典型雙電極激勵器的對比實驗, 發(fā)現(xiàn)同樣的放電條件下, 多通道放電下的放電效率和射流速度分別提高200%和47%. 廈門大學(xué)的劉汝兵等提出一種新型火花放電等離子體射流發(fā)生器, 相較于傳統(tǒng)腔式射流發(fā)生器， 新型發(fā)生器在放電后無需進(jìn)行吸氣還原, 工作頻率最高可達(dá)9 kHz, 所產(chǎn)生的持續(xù)射流平均速度可達(dá)40 m/s以上[14]. 國防科技大學(xué)的王林等設(shè)計搭建了三路并聯(lián)微秒脈沖電源驅(qū)動的兩電極合成射流放電, 在1 000 Hz 時實現(xiàn)穩(wěn)定放電, 單路最大電容能量為500 mJ, 提高了激勵器的控制能力和控制范圍[19]. 北京航空航天大學(xué)的張攀峰等基于體積力唯象模型模擬不同激勵強度下等離子體合成射流對周圍流場的誘導(dǎo)作用, 并得出結(jié)論沿軸線流向, 激勵強度較小時, 射流半寬度隨激勵強度增加而增大; 激勵強度很大時, 射流半寬度基本不受激勵強度的影響[21].

相比其他驅(qū)動形式, 納秒脈沖下會產(chǎn)生更多的高能粒子, 快速電離加熱腔體內(nèi)的空氣, 使其膨脹噴出, 形成沖擊效應(yīng), 而且更容易誘導(dǎo)多通道放電的形成, 提高放電效率以及射流速度. 國內(nèi)外對于激勵器結(jié)構(gòu)[8,13-15]、 激勵形式[16-19]、 數(shù)值模擬[20-22]等方面進(jìn)行了大量的研究. 但是目前的研究主要集中在微秒脈沖驅(qū)動下的流動控制研究, 關(guān)于高重頻、 快上升沿的納秒脈沖激勵下的等離子體合成射流流場特性的研究還是很少. 本文利用課題組自研的一臺高重頻、 快上升沿的納秒脈沖電源對典型兩電極合成射流激勵器進(jìn)行放電實驗, 并用粒子圖像測速法(particle image velocimetry, PIV)進(jìn)行了流場分析, 探究了納秒脈沖下放電頻率對合成射流控制能力的影響.

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗設(shè)備

本文采用了典型的雙電極結(jié)構(gòu)的等離子體合成射流激勵器[23]. 如圖1所示, 激勵器主體由圓柱形的腔體以及帶孔堵蓋構(gòu)成, 射流腔為直徑4 mm, 深度10 mm的圓柱形腔體, 整體容量約為503 mm3, 堵蓋中央開有直徑為4 mm的氣孔作為射流出口. 射流產(chǎn)生的沖擊與溫升效應(yīng), 為滿足絕緣性能要求以及耐電弧燒蝕, 選用了耐熱可達(dá)3 000 ℃ 的氮化硼陶瓷作為腔體材料. 采用直徑為1 mm的鎢針電極為放電電極, 電極間距為2 mm. 在進(jìn)行射流實驗時, 須將堵蓋與腔體緊密連接, 并用硅膠密封連接處, 確保氣流由射流孔噴出.

(a) Schematic diagram

(b) Physical map圖1 等離子體合成射流激勵器Fig. 1 Plasma synthetic jet actuator

激勵器的驅(qū)動電源采用本課題組自研的一臺基于固態(tài)開關(guān)切斷原理的頻率可調(diào)、 脈沖數(shù)可調(diào)的快上升沿、 高重頻納秒脈沖電源, 電壓幅值最大可達(dá)20 kV, 重復(fù)頻率1 Hz～5 kHz可調(diào). 相關(guān)電壓輸出波形如圖2(a)所示, 上升沿為20 ns, 半高脈寬為150 ns, 在同一輸入電壓下, 改變重復(fù)頻率, 電壓輸出波形基本保持穩(wěn)定, 畸變率小, 說明電源穩(wěn)壓性能較好, 能夠為等離子體合成射流提供穩(wěn)定的驅(qū)動; 圖2(b)為等離子體合成射流單脈沖放電電壓、 電流、 能量波形圖, 在本電源驅(qū)動下, 合成射流的放電電壓在7 kV左右, 放電電流約30 A, 對電壓電流進(jìn)行積分得到單脈沖輸出總能量約為 1.5 mJ.

(a) Voltage waveforms at different frequencies

(b) PSJ discharge test waveform圖2 電源輸出特性Fig. 2 Power output characteristics

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)實物圖如圖3所示, 主要由計算機(jī)、 密封實驗腔、 激光器(Nd:YAG雙脈沖式激光器)、 同步控制器、 高速相機(jī)以及氣壓控制柜組成. 本文采用激光粒子圖像測速法(PIV)對合成射流各個位置的流場速度進(jìn)行測量, 通過測量結(jié)果對流場的分布進(jìn)行分析. 本實驗PIV系統(tǒng)的激光器為Nd:YAG 雙脈沖式激光器, 曝光模式選用10 Hz的雙幀曝光模式. 采用SM-CMOS1M3K高速相機(jī)拍攝實驗, 拍攝時間尺度設(shè)置為2 000 μs. 示蹤粒子為硫磺鋸沫煙餅經(jīng)充分燃燒后產(chǎn)生的均勻煙霧顆粒.

圖3 PIV實驗裝置Fig. 3 PIV experimental device

PIV的測量原理就是在實驗腔體內(nèi)添加示蹤粒子, 激光器在實驗中進(jìn)行固定時間間隔的曝光, 同時高速相機(jī)同步觸發(fā), 對實驗過程進(jìn)行拍攝, 通過已知曝光間隔測得流場速度分布. 示蹤粒子在二維平面進(jìn)行x，y方向上關(guān)于時間t的位移, 粒子速度可通過以下公式得到[24]

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 變壓流場分布

納秒脈沖電源的脈沖上升沿與脈寬遠(yuǎn)低于微秒脈沖電源, 更快的升壓速度與更短的脈沖寬度增大了放電電極間的折合電場強度, 提高了放電效率, 使得擊穿電壓減小[17]. 但因脈沖寬度的減小, 放電時間被壓縮, 相比微秒脈沖電源驅(qū)動, 單脈沖能量、 放電電流更小[25], 因此須通過PIV對等離子體合成射流的流場進(jìn)行測量, 分析高重頻、 快上升沿納秒電源驅(qū)動對流場分布的影響.

為確定本電源納秒脈沖穩(wěn)定火花放電電壓, 首先進(jìn)行了250 Hz下的變壓實驗. 圖4是PIV實驗腔內(nèi), 由示蹤粒子所呈現(xiàn)的PSJ放電實際圖像.

圖4 實際放電圖Fig. 4 Actual discharge diagram

圖5是電源頻率固定為250 Hz, 激勵電壓幅值分別為5， 6和7 kV時等離子體合成射流的流場分布圖. 由圖5(a)， (b)可以看出在施加電壓幅值較低時, 無法形成火花放電通道, 流場分布呈現(xiàn)為完整的柱狀, 流場線接近平行且流速較小. 這是因為驅(qū)動電壓過低, 腔內(nèi)放電形式為電暈放電, 放電能量不足以加熱壓縮冷空氣, 使其從射流口噴出形成完整的射流. 圖5(c)中當(dāng)電壓升至7 kV 時, 激勵器腔體內(nèi)形成完整的火花放電通道, 完整的等離子體合成射流從射流口噴出, 穩(wěn)態(tài)流速增加到 15.21 m/s. 結(jié)果表明, 納秒脈沖重頻輸出模式激勵下的等離子可以為等離子體合成射流提供足夠的能量, 來進(jìn)行流動控制.

(a) U=5 kV

(b) U=6 kV

(c) U=7 kV圖5 頻率250 Hz不同電壓下流場分布Fig. 5 Flow field distributions with different voltages at a frequency of 250 Hz

2.2 變頻流場分布

等離子體合成射流特性和激勵器的放電頻率有很大關(guān)系, 中國科學(xué)院電工研究所的韓磊等使用一臺電壓幅值0～10 kV， 重復(fù)頻率0～1 000 Hz可調(diào), 脈寬15 μs, 單脈沖放電能量超過150 mJ的微秒脈沖電源進(jìn)行合成射流實驗, 發(fā)現(xiàn)高重頻工作模式下, 流動控制效果更好[17]. 為探究納秒脈沖下重復(fù)頻率對合成射流流場分布的影響, 進(jìn)行改變電壓頻率的放電實驗. 輸入電壓幅值設(shè)置為穩(wěn)定擊穿電壓7 kV, 保證能穩(wěn)定激勵出射流, 脈沖重復(fù)頻率分別為250， 500， 750和1 000 Hz, 分別測試4種頻率下的流場分布.

圖6(a)～(d)為在同一時刻(相機(jī)觸發(fā)后2 000 μs)所拍攝的不同頻率下的流場分布圖. 從圖6可以看出, 不同頻率下的流場分布都呈現(xiàn)出向射流處聚攏的現(xiàn)象, 整體分布差異不大, 射流呈現(xiàn)為湍流狀. 射流噴出后, 激勵器腔體內(nèi)氣壓驟減, 在兩次放電的時間間隔中, 周圍區(qū)域冷空氣被壓縮進(jìn)入激勵器內(nèi), 同時噴口處氣體流速較快, 也使氣壓低于周圍區(qū)域, 這使得水平方向上的流場向射流中心聚攏. 在Y軸方向上因氣體放電產(chǎn)生的熱效應(yīng), 激勵器腔體內(nèi)的空氣得到加熱, 由堵蓋的開孔處噴出, 因此流場線呈現(xiàn)為豎直向上發(fā)展的分布. 中心區(qū)域為射流主流場分布, 流速遠(yuǎn)大于周圍靜態(tài)氣流區(qū)域, 且射流中心的流速最大.

高速粒子均分布在柱狀射流的頂端, 隨著頻率的增加, 高速粒子區(qū)域沿Y軸方向的位移距離也會增加, 即同一時間尺度內(nèi), 射流發(fā)展的距離更遠(yuǎn). 當(dāng)頻率為1 000 Hz時, 通過流場圖可觀察到前一個放電周期射流的消散以及新射流的形成, 相比 250 Hz 的放電實驗, 射流的發(fā)展距離從40 mm增加至120 mm 以上, 同時前后兩次放電沒有出現(xiàn)連續(xù)不斷的射流流場, 有利于避免火花放電轉(zhuǎn)換成電弧放電.

對比結(jié)果直接體現(xiàn)了射流的速度隨著頻率的升高而變快. 不同頻率下, 合成射流的峰值速度對比見圖7.

(a) f=250 Hz

(b) f=500 Hz

(c) f=750 Hz

(d) f=1 000 Hz圖6 不同頻率下流場分布Fig. 6 Flow field distributions at different frequencies

相同電壓下, 頻率為250 Hz時, PIV測得的最大流場平均速度為 15.35 m/s, 當(dāng)頻率升高為1 000 Hz 時, 流場速度增加到28.28 m/s. 雖然隨著頻率的升高, 單次脈沖的能量會減小, 但是由于重復(fù)頻率的提升, 使其在一個時間尺度內(nèi)可以提供更多的脈沖數(shù)量, 更高的激勵總能量, 使得射流發(fā)展速度更快, 即高重頻會對脈沖能量有補償作用.

圖7 不同頻率下射流速度對比Fig. 7 Comparison of jet velocity at different frequencies

2.3 變脈沖數(shù)流場分布

為進(jìn)一步驗證2.2中的結(jié)論, 本文設(shè)計了脈沖數(shù)為控制變量的實驗. 輸入電壓為7 kV, 電源重復(fù)頻率為1 000 Hz, 脈沖數(shù)分別設(shè)置為10, 20, 50和100個, 進(jìn)行放電實驗, 并通過PIV進(jìn)行流場分析. 測量結(jié)果如圖8, 9所示.

(a) 10 pulses

(b) 20 pulses

(c) 50 pulses

(d) 100 pulses圖8 不同脈沖數(shù)流場分布Fig. 8 Flow field distributions at different pulse numbers

圖9 不同脈沖數(shù)射流速度對比Fig. 9 Comparison of jet velocity at different pulse numbers

由圖8(a)～(d)以及圖9可以看出, 脈沖數(shù)由10提升到20時, 射流速度僅提升了0.167 m/s, 而脈沖數(shù)從20提升到50時, 出現(xiàn)了射流速度的驟升, 繼續(xù)增加脈沖數(shù)至100, 合成射流流速增長變緩且趨于穩(wěn)定, 流場線近似于平行. 這說明納秒脈沖激勵下合成射流驅(qū)動能量在一定時間尺度內(nèi)有個閾值, 足夠的能量激勵后, 射流速度會有一個階躍性增加, 并且存在一個流速穩(wěn)定值, 持續(xù)的高重頻激勵可以維持住穩(wěn)定的射流流場. 這說明納秒脈沖激勵次數(shù)增多可以增加放電總能量, 提高流動控制能力, 同時在持續(xù)重頻激勵下可維持穩(wěn)定流場, 有利于流動控制的穩(wěn)定性.

3 結(jié)論

本文采用一臺高重頻、 快上升沿納秒脈沖激勵源, 對典型雙電極合成射流激勵器進(jìn)行放電實驗, 采用PIV測量系統(tǒng)對等離子體合成射流進(jìn)行流場分析. 主要結(jié)論如下:

(1)在上升沿為20 ns, 單脈沖能量為1.5 mJ的納秒脈沖電源驅(qū)動下, 雙電極等離子體合成射流隨著驅(qū)動電壓的升高, 可以形成穩(wěn)定的柱狀流場分布, 并且相鄰兩次放電不會出現(xiàn)連續(xù)不斷的射流流場, 有利于避免火花放電轉(zhuǎn)換成電弧放電.

(2)隨著頻率的升高, 單次脈沖的能量會減小, 但是由于重復(fù)頻率的提升, 使得驅(qū)動電源在單位時間內(nèi)可以提供更多數(shù)量的脈沖, 更高的激勵總能量, 使得射流發(fā)展速度更快. 流場的平均流速峰值隨著頻率的升高而增大, 重復(fù)頻率設(shè)置為1 000 Hz時, 平均流速的峰值為28.28 m/s.

(3)高重復(fù)頻率納秒脈沖驅(qū)動的合成射流放電, 能產(chǎn)生更高的折合電場強度, 提高總輸出能量, 并會對納秒源較低的單脈沖放電能量進(jìn)行有效的補償. 隨著脈沖個數(shù)的增加, 單位時間內(nèi)總輸能量增大, 射流速度也逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定, 此實驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了高重頻可對納秒脈沖能量進(jìn)行補償?shù)慕Y(jié)論, 且表明重復(fù)觸發(fā)下的高重頻、 快上升沿納秒脈沖激勵能實現(xiàn)較為穩(wěn)定的流動控制效果.

致謝本研究獲得國家自然科學(xué)基金項目(51577177)資助.