AC-DBD等離子體激勵(lì)對(duì)L形截面鈍體風(fēng)荷載減阻的實(shí)驗(yàn)研究

蘭子奇, 史志偉, 孫琪杰, 耿 璽

南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院 非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)與流動(dòng)控制工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016

0 引 言

鈍體是工業(yè)工程中普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，飛行器起落架、高層建筑物、大跨度橋梁等都是典型的鈍體結(jié)構(gòu)[1-2]。在復(fù)雜多變的流場(chǎng)條件中，鈍體上的繞流、渦脫落現(xiàn)象會(huì)形成相當(dāng)大的壓差阻力，引發(fā)鈍體本身強(qiáng)度問題，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形甚至破壞。隨著高新材料越來越廣泛的應(yīng)用，鈍體的抗風(fēng)減阻研究受到越來越多的關(guān)注。

針對(duì)鈍體繞流減阻問題，國內(nèi)外開展了大量研究。在氣動(dòng)方面，主要包括被動(dòng)流動(dòng)控制、主動(dòng)流動(dòng)控制兩種技術(shù)。被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)通過改變結(jié)構(gòu)形狀或其周圍流場(chǎng)邊界來實(shí)現(xiàn)減阻，不需施加額外能量，主要措施包括覆蓋整流罩、設(shè)置分流板、鈍體表面開孔、鈍體尾部布置小型繞流體、改善表面粗糙度、改變橫截面形狀或造型等[3-11]。被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)需要改變鈍體整體構(gòu)型或其所處流動(dòng)環(huán)境，導(dǎo)致成本增加；當(dāng)鈍體所處實(shí)際流場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)周圍其他鈍體結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)有可能達(dá)不到所需效果甚至產(chǎn)生反效果。因此，近年來主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)得到了更多的關(guān)注[12]。

主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)是將輔助能量施加于流場(chǎng)中，在不需改變鈍體幾何形狀結(jié)構(gòu)的情況下，通過適當(dāng)擾動(dòng)與系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)相互耦合來實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的控制。目前，在鈍體構(gòu)型上已進(jìn)行了合成射流、壁面振動(dòng)、聲激勵(lì)、行波壁控制等流動(dòng)控制措施的研究[13-16]。關(guān)于吹吸氣的研究相對(duì)較為成熟[17-19]，具有減阻效果較好、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在氣源規(guī)模大、能量損耗高等缺點(diǎn)。提高現(xiàn)有技術(shù)的控制效率以及研究新的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

在主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)中，等離子體流動(dòng)控制技術(shù)較為新穎。該技術(shù)以局部小范圍動(dòng)量控制流動(dòng)、抑制分離，改變局部乃至整體受力狀態(tài)，具有響應(yīng)迅速、維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)性好、便于控制等優(yōu)點(diǎn)。介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)是產(chǎn)生等離子體的主要方法，介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器是其主要控制裝置。等離子體激勵(lì)器通常由覆蓋于絕緣材料上下的兩層電極組成，電極非對(duì)稱排列，上層電極裸露于空氣，下層電極以絕緣材料覆蓋。在兩電極間施加高壓電以電離空氣，產(chǎn)生的等離子體對(duì)上層電極附近的空氣形成擾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)流動(dòng)控制[20-25]。

目前，對(duì)等離子體流動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于圓柱、方形鈍體模型的研究較多，在航空航天領(lǐng)域已顯現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值，但將等離子體流動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于不規(guī)則截面鈍體仍是一個(gè)較為新穎的課題[26-27]。本文以高層建筑為應(yīng)用背景，選取土木工程中的L形截面高層建筑鈍體模型開展研究，進(jìn)一步分析等離子體流動(dòng)控制減阻機(jī)理，為改善鈍體結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能、拓展等離子體流動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞

實(shí)驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)0.8 m低速直流風(fēng)洞中開展。風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)2 m、寬0.8 m、高0.8 m。來流速度在0.1～40 m/s之間連續(xù)可調(diào)。對(duì)于拐角為90°的L形鈍體，分離點(diǎn)始終位于迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面的拐角位置，不受雷諾數(shù)影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肁BS板制作。以未布置等離子激勵(lì)器的模型作為基準(zhǔn)模型，模型橫截面為L(zhǎng)形，拐角90°，幾何縮尺比1∶300，阻塞率小于5%。風(fēng)向角如圖1所示，本文僅在0°風(fēng)向角(模型窄面迎風(fēng))下開展實(shí)驗(yàn)。迎風(fēng)窄立面為面A，其余各面按順時(shí)針方向分別為面B、C、D、E和F。圖2(a)為模型尺寸標(biāo)注示意圖，模型高度H=240 mm，凸角邊尺寸D=96 mm，凹角邊尺寸d=48 mm。模型沿高度平均分為6層，在每層1/2高度的水平線上布置20個(gè)測(cè)壓點(diǎn)(在各立面上均勻布置，如圖1所示)，共120個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。如圖2(b)所示。

圖1 模型受風(fēng)面編號(hào)、風(fēng)向角定義及測(cè)壓點(diǎn)Fig.1 The number of each surface of the model and the definition of wind direction angle

圖2 模型尺寸與測(cè)壓點(diǎn)示意圖Fig.2 Model size and pressure tap

為便于表述測(cè)壓點(diǎn)及各立面位置，定義如圖1所示的坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于面A和F的拐角處；x軸垂直于來流，沿面A向右(面向來流方向)；y軸與來流方向平行，沿面F向后；z軸沿模型高度方向垂直向上。

1.3 等離子體激勵(lì)器及電源

實(shí)驗(yàn)選用AC-DBD等離子體激勵(lì)器(如圖3所示)。由于激勵(lì)器布置位置離測(cè)壓點(diǎn)較近，為防止激勵(lì)器對(duì)測(cè)壓點(diǎn)放電，選擇裸露電極寬3 mm，覆蓋電極寬4 mm，電極厚0.035 mm；絕緣介質(zhì)選用Kapton膠帶，寬10 mm，厚約0.15 mm，耐壓值15 kV。激勵(lì)器長(zhǎng)220 mm，可完全忽略其厚度對(duì)模型繞流的影響。

圖3 介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器示意圖Fig.3 Dielectric Barrier Discharge plasma actuator

在1.2節(jié)介紹的基準(zhǔn)模型上，按照3種不同形式布置等離子體激勵(lì)器(如圖4所示)：布置于側(cè)風(fēng)面F前緣處，誘導(dǎo)射流順來流方向；布置于側(cè)風(fēng)面F前緣處，誘導(dǎo)射流逆來流方向；布置于迎風(fēng)面A和側(cè)風(fēng)面F之間拐角處。

圖4 不同布置形式的等離子體激勵(lì)器Fig.4 Plasma actuators with different configurations

選用CTP-2000K低溫等離子體實(shí)驗(yàn)電源，電壓調(diào)節(jié)范圍為0～30 kV，中心頻率選擇范圍為1～100 kHz，輸出電壓波形為正弦波。在實(shí)驗(yàn)中，電極電壓的頻率固定為8 kHz。綜合考慮模型、激勵(lì)器材質(zhì)以及表面測(cè)壓點(diǎn)布置位置，將電壓固定為14 kV。

1.4 實(shí)驗(yàn)工況

采用片光流動(dòng)顯示技術(shù)及PIV系統(tǒng)選取實(shí)驗(yàn)工況。在風(fēng)洞試驗(yàn)段上游注入示蹤粒子，以片光源垂直來流照射流場(chǎng)截面。不同布置形式的激勵(lì)器都能產(chǎn)生一定的抑制側(cè)風(fēng)面F流動(dòng)分離的效果，通過比較施加激勵(lì)前后側(cè)風(fēng)面F的剪切流，初步選定能夠有效抑制流動(dòng)分離、增強(qiáng)模型抗風(fēng)性能的來流速度范圍，并通過PIV進(jìn)行驗(yàn)證。最終選定的實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表Table 1 Experimental conditions

1.5 測(cè)量系統(tǒng)

1.5.1 壓力測(cè)量系統(tǒng)

采用PSI公司的壓力掃描閥測(cè)量壓力，最大量程為2490 Pa。測(cè)量過程中，將掃描閥模塊置于金屬屏蔽盒內(nèi)以避免電磁干擾影響。實(shí)驗(yàn)過程中，壓力掃描閥的數(shù)據(jù)采集頻率保持為330 Hz，采集20 000個(gè)數(shù)據(jù)，平均處理后即可得到平均壓力值。

1.5.2 PIV系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)試系統(tǒng)為鐳寶公司生產(chǎn)的PIV激光器系統(tǒng)。該系統(tǒng)由激光器、電源系統(tǒng)和移動(dòng)控制部件組成。其中，Vlite 200 PIV激光器的工作頻率為15 Hz，每個(gè)脈沖能量為200 mJ，脈寬8 ns。電荷耦合元件(CCD)分辨率為2048 pixel×2048 pixel，幀頻為14 幀/s，每2幀圖像的最小時(shí)間間隔約為120 ns。實(shí)驗(yàn)中使用的示蹤粒子為丙三醇霧化粒子，以商業(yè)發(fā)煙器向風(fēng)洞內(nèi)注入。

所得的PIV結(jié)果由35幅瞬時(shí)速度矢量圖平均得到。為避免三維效應(yīng)和測(cè)壓點(diǎn)反光等帶來的干擾，激光測(cè)量平面選擇在模型1/2高度處。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 不同激勵(lì)器布置形式對(duì)減阻的影響

2.1.1 整體阻力的變化

為直觀比較不同激勵(lì)器布置形式下等離子體激勵(lì)對(duì)風(fēng)荷載減阻的影響，將每個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的風(fēng)壓值對(duì)其控制面積加權(quán)積分，得到整體氣動(dòng)力。其中，順來流方向氣動(dòng)力為模型總體順流向氣動(dòng)力，即阻力FD，定義為：

FD=∑pi×Ai×cosαi

(1)

式中，pi、Ai分別為第i號(hào)測(cè)壓點(diǎn)的風(fēng)壓值及其控制面積，αi為測(cè)壓點(diǎn)的壓力方向與流向的夾角。通過比較施加激勵(lì)后的阻力FDa和未施加激勵(lì)時(shí)的阻力FDb，即可得到整體減阻率η：

(2)

圖5給出了不同激勵(lì)器布置形式下整體減阻率隨來流速度的變化規(guī)律。可以看到，不同來流速度下，拐角激勵(lì)的減阻效果最好，在低速下最大減阻率接近14%；隨著流速增大，減阻率基本穩(wěn)定于10%左右；流速進(jìn)一步增大至6 m/s后，減阻率迅速降低。順來流前緣激勵(lì)的減阻效果相對(duì)較差，在2 m/s流速下最大減阻率不超過8%；隨著流速增大，減阻率迅速降低，在流速4 m/s之后，減阻率下降至2%以下，對(duì)分離流的擾動(dòng)趨近于0。逆來流前緣激勵(lì)的減阻效果介于前兩者之間，其變化規(guī)律與拐角激勵(lì)類似。

圖5 不同布置形式的激勵(lì)器施加激勵(lì)后的整體減阻率Fig.5 Drag reduction rate after actuation of different layout actuators

2.1.2 測(cè)壓點(diǎn)阻力的變化

基于上述對(duì)整體阻力的分析，進(jìn)而采用風(fēng)壓折減系數(shù)Cpr[28]表征測(cè)壓點(diǎn)的阻力變化規(guī)律：

Cpr=1-Cpa/Cpb

(3)

式中，Cpa、Cpb分別為施加激勵(lì)后、未施加激勵(lì)時(shí)的測(cè)壓點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)。Cpr數(shù)值越大，說明減阻效果越好；Cpr<0表示風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值不減反增。

由于數(shù)據(jù)量較大，僅選擇來流速度6 m/s、高度z=100 mm處的測(cè)壓點(diǎn)進(jìn)行分析。施加激勵(lì)后，分析背風(fēng)面E、側(cè)風(fēng)面F的測(cè)壓點(diǎn)13～20的風(fēng)壓系數(shù)，得到如圖6所示的風(fēng)壓折減系數(shù)?？梢钥闯觯?)在拐角激勵(lì)下，背風(fēng)面E的測(cè)壓點(diǎn)13～16的Cpr變化趨勢(shì)與逆來流前緣激勵(lì)下基本一致，數(shù)值差距較小，且都遠(yuǎn)高于順來流前緣激勵(lì)；側(cè)風(fēng)面F的Cpr較高，說明拐角激勵(lì)有效抑制了側(cè)風(fēng)面流動(dòng)分離，減阻效果較為明顯。2)在逆來流前緣激勵(lì)下，側(cè)風(fēng)面F的Cpr略小，說明激勵(lì)對(duì)側(cè)風(fēng)面流動(dòng)分離的抑制效果較弱。3)順來流前緣激勵(lì)下，在背風(fēng)面E靠近側(cè)風(fēng)面F的位置(測(cè)壓點(diǎn)16)產(chǎn)生了一定減阻效果，其他位置減阻效果較低；在側(cè)風(fēng)面F前緣處(測(cè)壓點(diǎn)20)Cpr為負(fù)值，風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值有所增大。在3種激勵(lì)情況下，風(fēng)壓折減系數(shù)波動(dòng)都較大，一方面與激勵(lì)器放電的不均勻性有關(guān)，另一方面則與脫落渦的擾動(dòng)有關(guān)。

圖6 不同布置形式的激勵(lì)器施加激勵(lì)后各測(cè)壓點(diǎn)的風(fēng)壓折減系數(shù)Fig.6 The pressure reduction coefficient of each pressure tap after actuation

2.2 施加激勵(lì)前后的平均風(fēng)壓分布

通過風(fēng)壓系數(shù)加權(quán)積分對(duì)整體阻力進(jìn)行分析可知：拐角激勵(lì)的減阻效果最佳，逆來流前緣激勵(lì)次之，順來流前緣激勵(lì)的效果最差。下面對(duì)各立面的風(fēng)壓系數(shù)變化作進(jìn)一步研究。

第一，要在水資源配置中充分考慮農(nóng)業(yè)用水和保障糧食安全的用水需求。水利部會(huì)同發(fā)改委等部門編制了全國水資源綜合規(guī)劃，明確了水資源配置方案，其中充分考慮了近期、中期和遠(yuǎn)期農(nóng)業(yè)用水需求。

在3種激勵(lì)器布置形式下，激勵(lì)器均布置于迎風(fēng)面A和側(cè)風(fēng)面F之間，施加激勵(lì)后，流經(jīng)側(cè)風(fēng)面F和背風(fēng)面E的流場(chǎng)受到較大影響，因此，重點(diǎn)對(duì)側(cè)風(fēng)面F和背風(fēng)面E進(jìn)行分析。以圖1所示坐標(biāo)系定義模型立面，其中面F位于平面oyz內(nèi)(x=0 mm)，面E平行于平面oxz(y=96 mm)。

2.2.1 施加拐角激勵(lì)前后的平均風(fēng)壓分布

將施加激勵(lì)前后側(cè)風(fēng)面F和背風(fēng)面E的平均風(fēng)壓系數(shù)Cp繪制于圖7和8中?？梢钥闯觯何词┘蛹?lì)時(shí)，與來流方向平行的側(cè)風(fēng)面F的平均風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，在2 m/s流速下，風(fēng)壓系數(shù)在-0.8～-0.6之間變化，隨著流速增大，風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值和壓差不斷減??；背風(fēng)面E全為負(fù)壓，總體分布比較均勻，風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律與側(cè)風(fēng)面F相似，絕對(duì)值由左下方向右上方遞減。

圖7 施加激勵(lì)前后不同流速下側(cè)風(fēng)面F平均風(fēng)壓系數(shù)云圖(x=0 mm)Fig.7 The mean pressure coefficient contour maps of surface F under different wind speeds conditions before and after applying actuation(x=0 mm)

圖8 施加激勵(lì)前后不同流速下背風(fēng)面E平均風(fēng)壓系數(shù)云圖(y=96 mm)Fig.8 The mean pressure coefficient contour maps of surface E under different wind speed conditions before and after applying actuation(y=96 mm)

施加激勵(lì)后，側(cè)風(fēng)面F的風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值顯著減小，隨流速增大，其變化趨勢(shì)為由前緣向后緣逐漸降低，在部分位置出現(xiàn)風(fēng)壓突變；背風(fēng)面E始終為負(fù)風(fēng)壓，與未施加激勵(lì)時(shí)相比，背風(fēng)面的風(fēng)壓變化非常劇烈，且遠(yuǎn)小于未施加激勵(lì)時(shí)，隨流速增加，風(fēng)壓波動(dòng)逐漸平緩。背風(fēng)面E的風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律與圖5的減阻率變化規(guī)律是一致的。

2.2.2 不同布置形式激勵(lì)器施加激勵(lì)前后的平均風(fēng)壓分布

為比較不同布置形式激勵(lì)器的流動(dòng)控制效果，選取2、4和6 m/s三個(gè)典型風(fēng)速，將平均風(fēng)壓系數(shù)云圖繪制于圖9和10中。與未施加激勵(lì)時(shí)相比，施加逆來流前緣激勵(lì)后，側(cè)風(fēng)面F、背風(fēng)面E的風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值都有所降低。側(cè)風(fēng)面F的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值在四周邊緣處略小，背風(fēng)面E的邊緣處風(fēng)壓變化劇烈，中部的風(fēng)壓系數(shù)逐漸趨于均勻變化。隨著流速增大，側(cè)風(fēng)面F的風(fēng)壓系數(shù)在-0.3～-0.5之間變化，背風(fēng)面E大部分的風(fēng)壓系數(shù)維持在-0.3～-0.4之間。流速增大至6 m/s時(shí)，施加激勵(lì)后兩個(gè)面的風(fēng)壓系數(shù)值相比于未施加激勵(lì)仍有所增大。

圖10 不同流速下、不同布置形式激勵(lì)器施加激勵(lì)前后的背風(fēng)面E平均風(fēng)壓系數(shù)云圖(y=96 mm)Fig.10 The mean pressure coefficient contour maps of surface E under different wind speed conditions before and after applying actuation(y=96 mm)

施加順來流前緣激勵(lì)后，不同流速下側(cè)風(fēng)面F和背風(fēng)面E的風(fēng)壓分布都具有比較一致的規(guī)律。側(cè)風(fēng)面F前緣處(x=0 mm)風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)最小值，且沿來流方向呈增大趨勢(shì)，后緣處的風(fēng)壓系數(shù)大于同一流速下未施加激勵(lì)時(shí)的風(fēng)壓系數(shù)，且變化非常劇烈。背風(fēng)面E的風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，幅值分布比較均勻，與未施加激勵(lì)相比，風(fēng)壓變化更為平緩，平均風(fēng)壓絕對(duì)值也小于未施加激勵(lì)。隨著流速增大，激勵(lì)器對(duì)側(cè)風(fēng)面繞流的控制能力減弱，施加激勵(lì)前后的側(cè)風(fēng)面F、背風(fēng)面E的風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律趨于一致。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在低速下，等離子體激勵(lì)能夠有效改善背風(fēng)面流動(dòng)分離情況，降低背風(fēng)面E的風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值；在實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，拐角激勵(lì)抑制流動(dòng)分離效果顯著，側(cè)風(fēng)面F和背風(fēng)面E的風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值都小于未施加激勵(lì)時(shí)；逆來流前緣激勵(lì)抑制流動(dòng)分離效果偏弱，側(cè)風(fēng)面F的風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值有一定程度減?。豁榿砹髑熬壖?lì)抑制流動(dòng)分離的效果隨流速增大迅速降低，側(cè)風(fēng)面F的負(fù)壓絕對(duì)值順流向呈減小趨勢(shì)，背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值有所減小。

2.3 不同布置形式激勵(lì)器減阻機(jī)理研究

由圖11(a)和12(a)可知，未施加激勵(lì)時(shí)，氣流在迎風(fēng)面A和側(cè)風(fēng)面F的拐角處發(fā)生大尺度流動(dòng)分離并產(chǎn)生回流渦，施加拐角激勵(lì)后，都產(chǎn)生了顯著的抑制效果。由于激勵(lì)器恰好作用于分離點(diǎn)上，施加激勵(lì)后，通過向邊界層注入能量抑制了側(cè)風(fēng)面F的流動(dòng)分離，流動(dòng)能夠重附于側(cè)風(fēng)面F表面。分離流被完全抑制，回流渦不再對(duì)側(cè)風(fēng)面F形成擾動(dòng)，背風(fēng)面E流速增強(qiáng)。側(cè)風(fēng)面F流動(dòng)再附后，尾流寬度變窄，尾跡縮短，尾流兩側(cè)氣流流動(dòng)加快，尾渦結(jié)構(gòu)的大小和位置相較于未施加激勵(lì)時(shí)都發(fā)生了明顯變化，尾流的能量耗散顯著降低。激勵(lì)有效改善了側(cè)風(fēng)面F和背風(fēng)面E分離區(qū)的氣流分離狀況，使風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值降低，整體阻力進(jìn)一步減小。

圖11(c)顯示逆來流方向的誘導(dǎo)射流運(yùn)動(dòng)至側(cè)風(fēng)面F前緣處時(shí)，進(jìn)一步將分離點(diǎn)處的繞流外推，側(cè)風(fēng)面F的分離流未得到明顯抑制。與圖11(a)未施加激勵(lì)時(shí)相比，雖然激勵(lì)誘導(dǎo)動(dòng)量方向與來流方向相反，但也對(duì)來流形成了一定的逆向擾動(dòng)，剪切層厚度順來流方向逐漸增大，并在下游位置向側(cè)風(fēng)面F內(nèi)偏。激勵(lì)器兩側(cè)電極形成離子層后，側(cè)風(fēng)面F和背風(fēng)面E的分離區(qū)氣流受到誘導(dǎo)，雜亂無章的流動(dòng)產(chǎn)生規(guī)律性變化，回流速度明顯增強(qiáng)，回流區(qū)氣流順電場(chǎng)方向流動(dòng)，形成近壁射流。脫落渦渦核在流動(dòng)分離區(qū)氣流的誘導(dǎo)下逆來流方向運(yùn)動(dòng)，與未施加激勵(lì)時(shí)相比，進(jìn)一步貼近背風(fēng)面E，旋渦強(qiáng)度有所減弱，渦結(jié)構(gòu)得到明顯改善。

圖11 不同布置形式激勵(lì)器施加激勵(lì)前后的速度標(biāo)量圖Fig.11 Speed scalar quantity of the plasma actuator with different configurations before and after applying actuation

施加順來流前緣激勵(lì)時(shí)，向邊界層注入能量，分離剪切層向側(cè)風(fēng)面F附體，如圖11(d)所示。分析渦量圖12(d)可知，激勵(lì)產(chǎn)生的近壁射流促進(jìn)了旋渦發(fā)展，旋渦強(qiáng)度增強(qiáng)，隨剪切層向側(cè)壁面貼附，引起側(cè)風(fēng)面F前緣產(chǎn)生較大的負(fù)風(fēng)壓系數(shù)峰值。結(jié)合圖9可知，激勵(lì)器布置于流動(dòng)分離點(diǎn)時(shí)，施加激勵(lì)后，誘導(dǎo)產(chǎn)生的低速近壁射流沿側(cè)風(fēng)面F流動(dòng)，壁面附近的回流區(qū)得到抑制，負(fù)壓絕對(duì)值順來流方向呈減小趨勢(shì)。順來流前緣激勵(lì)整體上抑制了側(cè)風(fēng)面F的氣流分離，降低了側(cè)風(fēng)面F后緣和背風(fēng)面E的風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值。

圖12 不同布置形式激勵(lì)器施加激勵(lì)前后的渦量圖Fig.12 Vorticity chart of the plasma actuator with different configurations before and after applying actuation

3 結(jié) 論

通過AC-DBD等離子體激勵(lì)對(duì)L形截面鈍體風(fēng)荷載減阻的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1) 不同布置形式的激勵(lì)器都產(chǎn)生了一定的減阻作用；拐角激勵(lì)器、逆來流前緣激勵(lì)器施加激勵(lì)后的減阻效果遠(yuǎn)高于順來流前緣激勵(lì)器。不同的流動(dòng)控制機(jī)理是影響減阻效果的關(guān)鍵因素。

2) 傳統(tǒng)的AC-DBD等離子體激勵(lì)器，等離子體誘導(dǎo)射流速度小，僅能在低速來流條件下產(chǎn)生較好的減阻效果。隨著流速增大，減阻效果迅速降低。

3) 鈍體模型尺寸較小，測(cè)壓點(diǎn)密集，激勵(lì)器電壓最大僅能施加到14 kV，采用新型的等離子體控制方式和控制手段，可以進(jìn)一步提高激勵(lì)能量，實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。