滑動(dòng)放電等離子體控制細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦實(shí)驗(yàn)研究

金元中，鄭博睿,*，喻明浩,*，劉園鵬，張倩，孫正中，于濤

1. 西安理工大學(xué)，西安 710048 2. 倫敦大學(xué) 城市學(xué)院，倫敦 EC1V 0HB 3. 重慶交通大學(xué) 綠色航空技術(shù)研究院，重慶 401135

0 引 言

戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)性和敏捷性是決定空戰(zhàn)勝負(fù)的關(guān)鍵因素，其中機(jī)動(dòng)性已成為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一[1]。為了獲得戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)，要求飛行器能在大迎角甚至在過(guò)失速條件下機(jī)動(dòng)飛行。當(dāng)細(xì)長(zhǎng)體飛行器大迎角機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，其繞流流場(chǎng)呈現(xiàn)出復(fù)雜多渦流動(dòng)現(xiàn)象，流場(chǎng)參數(shù)變化迅速，邊界層的分離，旋渦的形成、發(fā)展和破裂以及不對(duì)稱渦的產(chǎn)生，導(dǎo)致氣動(dòng)力和力矩出現(xiàn)很強(qiáng)的非定常非線性特性，最終在大迎角無(wú)側(cè)滑狀態(tài)下，產(chǎn)生強(qiáng)度很大、隨機(jī)出現(xiàn)的側(cè)向力和偏航力矩，影響飛行性能[2-4]。

已有研究發(fā)現(xiàn)：飛行器細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)的非對(duì)稱渦是產(chǎn)生這些隨機(jī)側(cè)向力的直接原因，側(cè)向力的方向和大小均由這些強(qiáng)度和位置不對(duì)稱的旋渦決定[5]。因此，需要尋求有效的控制手段抑制細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦的形成與發(fā)展，控制側(cè)向力和偏航力矩，為提升飛行器大迎角飛行時(shí)的操縱性和穩(wěn)定性提供技術(shù)支撐。

對(duì)于大迎角下細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦的成因，目前主要有兩個(gè)觀點(diǎn)[6-9]：1）黏性觀點(diǎn)。在黏性作用下，細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩點(diǎn)不對(duì)稱，造成該區(qū)域分離點(diǎn)不對(duì)稱，從而導(dǎo)致渦脫落點(diǎn)不對(duì)稱，進(jìn)而演化為非對(duì)稱渦，最終產(chǎn)生方向和大小隨機(jī)的側(cè)向力。2）無(wú)黏觀點(diǎn)。細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)旋渦在空間上存在不穩(wěn)定性，造成旋渦的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不對(duì)稱，進(jìn)而誘發(fā)背風(fēng)區(qū)流動(dòng)不對(duì)稱，最終產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的側(cè)向力。

部分學(xué)者傾向于認(rèn)同無(wú)黏觀點(diǎn)[9]。本文基于“無(wú)黏觀點(diǎn)”設(shè)計(jì)了順流式滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器，旨在沿來(lái)流方向在細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生對(duì)稱的等離子體激勵(lì)，在附壁效應(yīng)作用下，細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)兩側(cè)的等離子體射流在背風(fēng)區(qū)中心位置匯聚為一股合成射流，起到類似三角翼背鰭將渦對(duì)隔離的效果，削弱非對(duì)稱渦之間的相互作用，提高旋渦的穩(wěn)定性。

根據(jù)有無(wú)外在能量輸入，細(xì)長(zhǎng)體非對(duì)稱渦控制技術(shù)可分為被動(dòng)控制技術(shù)和主動(dòng)控制技術(shù)。被動(dòng)控制技術(shù)主要有邊界層轉(zhuǎn)捩帶、微鼓包、微凹坑、邊條、頭部鈍化、自激振蕩旗幟和渦流發(fā)生器等。主動(dòng)控制技術(shù)主要有等離子體發(fā)生器、單孔位微吹氣、頭部軸向吹氣、合成射流激勵(lì)器、非定常小擺振片和微充氣邊條等[10]。與主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)相比，被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)需要改變細(xì)長(zhǎng)體外部構(gòu)型，導(dǎo)致成本增加；同時(shí)，當(dāng)外部流場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，被動(dòng)控制技術(shù)不能根據(jù)流場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，控制效果降低。因此，近年來(lái)主動(dòng)控制技術(shù)得到了更多的關(guān)注[11]。

等離子體流動(dòng)控制技術(shù)是利用等離子體氣動(dòng)激勵(lì)改善氣動(dòng)特性的新概念主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，具有響應(yīng)時(shí)間短、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、激勵(lì)頻帶寬等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已在機(jī)翼增升減阻、壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)增效和激波特性控制等方面取得重要進(jìn)展[12]。近年來(lái)，等離子體控制細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注。孟宣市[13-14]、鄭博睿[15]、王健磊[16]、龍玥霄[17]等對(duì)采用等離子體流動(dòng)控制技術(shù)的非對(duì)稱渦流動(dòng)控制機(jī)理進(jìn)行了深入研究，在提高可控來(lái)流雷諾數(shù)、電參數(shù)最優(yōu)化（激勵(lì)電壓、脈沖頻率和占空比）、激勵(lì)器幾何參數(shù)最優(yōu)化（激勵(lì)器尺寸、結(jié)構(gòu)和放電類型）等方面取得了一定成果[18-20]。

近年來(lái)，在介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器（Dielectric Barrier Discharge，DBD）研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列等離子體滑動(dòng)放電（sliding discharge）方面的研究[21-23]：通過(guò)給DBD 增加滑動(dòng)電極、接入高壓直流，提升DBD 激勵(lì)器表面電場(chǎng)；激勵(lì)器上表面中性粒子在更強(qiáng)的電場(chǎng)作用下，進(jìn)一步促進(jìn)DBD 表面空氣電離；帶電離子在電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)下，向滑動(dòng)電極加速運(yùn)動(dòng)；隨著直流電壓增強(qiáng)，等離子體放電面積增大，產(chǎn)生滑動(dòng)放電效果。研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)DBD 相比，滑動(dòng)放電可以增大流動(dòng)控制有效區(qū)域（dm2量級(jí)），提升最大誘導(dǎo)速度（同比提升1.5 倍），實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)射流方向可控（0°～180°可調(diào)），極大改善等離子體流動(dòng)控制效果[24-26]。

為進(jìn)一步改善等離子體流動(dòng)控制效果，本文根據(jù)非對(duì)稱渦成因假設(shè)，設(shè)計(jì)了順流式四電極滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器，即在常規(guī)介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器（DBD）基礎(chǔ)上增加2 個(gè)裸露電極作為滑動(dòng)電極，目的是擴(kuò)大等離子體放電面積以增強(qiáng)等離子體誘導(dǎo)產(chǎn)生的體積力。

本文通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究不同激勵(lì)電壓、不同來(lái)流速度對(duì)細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦控制效果的影響規(guī)律。根據(jù)測(cè)壓系統(tǒng)和粒子圖像測(cè)速儀（PIV）的同步測(cè)量，分析等離子體激勵(lì)誘導(dǎo)的旋渦與非對(duì)稱渦之間動(dòng)態(tài)相互作用的時(shí)空演變規(guī)律，進(jìn)一步闡明等離子體放電對(duì)細(xì)長(zhǎng)體繞流流場(chǎng)和非對(duì)稱渦空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的作用效果。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及模型

1.1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞及模型

實(shí)驗(yàn)在空軍工程大學(xué)低速閉環(huán)回流式風(fēng)洞（圖1）中開(kāi)展。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)1.0 m、寬1.2 m、高1.0 m，風(fēng)速可調(diào)范圍5～75 m/s，湍流度小于0.2%。

細(xì)長(zhǎng)體圓錐實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞恐睆?20 mm、圓錐半頂角10°，圓錐可拆卸頭部長(zhǎng)150 mm。安裝初始迎角45°，側(cè)滑角0°，可通過(guò)迎角機(jī)構(gòu)精確調(diào)節(jié)，誤差為0.2°，如圖2 所示。模型表面測(cè)壓系統(tǒng)采用PSI 公司的9816 壓力傳感器，采樣頻率為100 Hz，壓力誤差為0.1% FS，采集量程為±1 psi（6.895 kPa）。實(shí)驗(yàn)中，壓力傳感器對(duì)每個(gè)狀態(tài)均采集10 s。

圖2 細(xì)長(zhǎng)體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图澳Ｐ褪疽鈭D[25]Fig. 2 Schematic diagram of slender body[25]

采用二維PIV 對(duì)細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦的精細(xì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量研究。使用2048 像素×2048 像素的CCD 相機(jī)進(jìn)行拍攝，拍攝截面為測(cè)壓截面①，距離細(xì)長(zhǎng)體頂點(diǎn)170 mm，如圖2（b）所示，圖像采集頻率為5 Hz。激光以45°角照射于測(cè)壓截面①。為避免模型表面反光影響拍攝效果，在細(xì)長(zhǎng)體可拆卸頭部之外的表面均勻噴涂啞光黑漆。PIV 示蹤粒子判定準(zhǔn)則為[27]：

式中：τp、ρp和dp分別為示蹤粒子的響應(yīng)時(shí)間、密度和直徑；μ為空氣動(dòng)力黏度；τf為外流特征時(shí)間；Lref為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞卣鞒叨?；uref為實(shí)驗(yàn)主流速度。當(dāng)斯托克斯數(shù)St<0.1 時(shí)，示蹤粒子和外界流動(dòng)有較高的同步性。經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用煙餅產(chǎn)生直徑為2 μm、密度為1000 kg/m3的示蹤粒子，投放于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段前端拐角處。根據(jù)相機(jī)成像原理，有如下公式[27]：

式中：l 為相機(jī)焦距；do為物距，di為像距；M 為成像放大倍數(shù)；Spixel為像素點(diǎn)面積，Npixel為像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；SFOV為被測(cè)流場(chǎng)面積。經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定了成像放大倍數(shù)（M=0.1）和相機(jī)布置位置（與測(cè)壓截面①距離675 mm 處，如圖3 所示）。

圖3 PIV 實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig. 3 Schematic diagram of PIV experiment layout

PIV 實(shí)驗(yàn)布局如圖3 所示?；谇捌陲L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[25]，選擇CTP-2000K 電源作為脈沖高壓電源，選取流動(dòng)控制效果較好的激勵(lì)參數(shù)開(kāi)展本次實(shí)驗(yàn)研究（脈沖頻率f=300 Hz，占空比τ=30%）。實(shí)驗(yàn)中的其他電參數(shù)：載波頻率fc=7.45 kHz，高壓直流電壓UDC=–6.2 kV。

1.2 滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器

本實(shí)驗(yàn)采用四電極滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器，與常規(guī)DBD 激勵(lì)器相比，可以產(chǎn)生更大面積的等離子體放電。

首先，將一對(duì)裸露的帶狀電極（長(zhǎng)70 mm、寬1 mm，以厚度0.03 mm 的銅箔制成）對(duì)稱布置于細(xì)長(zhǎng)體圓錐實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖^部表面（沿圓錐母線布置，周向角度θ分別為+90°和–90°），在2 個(gè)裸露電極之間的絕緣層下方布置扇形覆蓋電極，形成常規(guī)DBD 激勵(lì)器。絕緣層由厚度1 mm、相對(duì)介電常數(shù)2.17 的聚四氟乙烯薄絕緣材料制成。前期研究發(fā)現(xiàn)：激勵(lì)器位置越接近圓錐頂點(diǎn)，流動(dòng)控制效果越好；但若過(guò)于接近，激勵(lì)器前端容易產(chǎn)生電弧放電。為兼顧激勵(lì)器“盡量接近圓錐頂點(diǎn)”和“避免前端產(chǎn)生電弧放電”這兩個(gè)原則，本實(shí)驗(yàn)中帶狀電極前端距圓錐頂點(diǎn)20 mm。為進(jìn)一步改善DBD 激勵(lì)器的流動(dòng)控制效果，在2 個(gè)帶狀電極正中間、絕緣層上表面增加1 個(gè)等腰三角形的裸露電極作為滑動(dòng)電極（以厚度0.03 mm 的銅箔制成），其兩側(cè)與帶狀電極均相距10 mm?；瑒?dòng)電極邊長(zhǎng)約30 mm，底邊長(zhǎng)約15 mm，前端距圓錐頂點(diǎn)60 mm。在2 個(gè)帶狀電極上施加交流電，滑動(dòng)電極連接至高壓直流，在圓錐可拆卸頭部即可產(chǎn)生大面積的滑動(dòng)放電。為防止滑動(dòng)電極產(chǎn)生尖端放電，將其3 個(gè)角手工修剪出平滑圓形倒角。滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器示意圖及實(shí)物圖如圖4 所示。

圖4 滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器示意圖及實(shí)物圖Fig. 4 Schematic diagram and image of sliding discharge plasma actuator

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 激勵(lì)電壓的影響

保持來(lái)流速度u∞=10 m/s 和迎角α=45°，選取脈沖頻率f=300 Hz（歸一化頻率f+=1.96）、占空比τ=0.3、直流電壓UDC=–6.2 kV，研究不同激勵(lì)電壓Up-p（8、10、12、14 和16 kV）對(duì)細(xì)長(zhǎng)體表面壓力Cp分布的影響，結(jié)果如圖5 所示。在關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí)（Plasma off），左側(cè)吸力峰值較高（|Cp|=0.8969，θ=75°處），右側(cè)吸力峰值較低（|Cp|=0.1221，θ=195°處），說(shuō)明此時(shí)細(xì)長(zhǎng)體背部左側(cè)旋渦距表面更近，右側(cè)旋渦距表面較遠(yuǎn)，表現(xiàn)為明顯的非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)。

圖5 不同激勵(lì)電壓下的細(xì)長(zhǎng)體表面壓力分布Fig. 5 The pressure distribution with different actuation voltages

與關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí)相比，當(dāng)激勵(lì)電壓增大至8 kV，細(xì)長(zhǎng)體表面壓力分布曲線左右兩側(cè)壓力分布變化不大，仍表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)；當(dāng)激勵(lì)電壓增大至10 kV，左側(cè)吸力峰值（|Cp|）有所降低，右側(cè) 吸 力 峰 值 有 所 上 升，從0.1221 變 化 至0.1547（θ=195°處），兩側(cè)壓力分布向?qū)ΨQ趨勢(shì)發(fā)展；當(dāng)激勵(lì)電壓增大至14 kV，左右兩側(cè)吸力峰值之差大幅減小，左 側(cè) 吸 力 峰 值 從0.8969 變 化 至0.8491（θ=75°處），右側(cè)吸力峰值有所上升，從0.1221 變化至0.2935（θ=195°處），非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)向?qū)ΨQ狀態(tài)演變；當(dāng)激勵(lì)電壓增大至16 kV，從圖5（b）可明顯看到：兩側(cè)壓力分布接近對(duì)稱；左側(cè)吸力峰值從0.8969 變化至0.4872（θ=75°處），右側(cè)吸力峰值從0.1221 變化至0.4146（θ=195°處）；兩側(cè)最大峰值之差從初始的0.7718 降低至0.0726，降幅達(dá)90.6%，表明此時(shí)細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)由原本的非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)演變?yōu)閷?duì)稱渦結(jié)構(gòu)。

對(duì)比圖5（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)：隨著激勵(lì)電壓的升高，右側(cè)吸力峰值上升，左側(cè)吸力峰值降低，兩側(cè)壓力分布趨于對(duì)稱，細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)由原本的非對(duì)稱渦向?qū)ΨQ渦演變。其機(jī)理在于：

1）細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)左右兩側(cè)對(duì)稱布置的等離子體激勵(lì)器沿來(lái)流方向產(chǎn)生兩組等量的誘導(dǎo)射流，由于附壁效應(yīng)，誘導(dǎo)射流會(huì)貼著細(xì)長(zhǎng)體背部曲面向背部中央運(yùn)動(dòng)，最終在背部中央?yún)R聚為合成射流，阻斷非對(duì)稱渦之間的相互干擾，形成了新的渦系結(jié)構(gòu)空間分布。

2）等離子體激勵(lì)電壓越高，激勵(lì)能量越強(qiáng)，邊界層與主流之間的動(dòng)量交換更強(qiáng)，導(dǎo)致分離點(diǎn)后移，同時(shí)在細(xì)長(zhǎng)體背部中央?yún)R聚為合成射流的能量增強(qiáng)，對(duì)非對(duì)稱渦之間動(dòng)態(tài)干擾的抑制效果加強(qiáng)，使得背風(fēng)區(qū)旋渦更貼近細(xì)長(zhǎng)體表面，重新形成穩(wěn)定的非對(duì)稱渦空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，流動(dòng)更不易分離。

圖6 為測(cè)壓截面①處不同激勵(lì)電壓下非對(duì)稱渦空間結(jié)構(gòu)的PIV 流場(chǎng)顯示結(jié)果。圖中，藍(lán)色代表順時(shí)針正渦量，紅色代表逆時(shí)針負(fù)渦量。當(dāng)關(guān)閉滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)時(shí)，左側(cè)藍(lán)色旋渦離表面較近，右側(cè)紅色旋渦離表面較遠(yuǎn)，形成非對(duì)稱空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開(kāi)啟等離子激勵(lì)時(shí)，左側(cè)旋渦位置變化不大，右側(cè)旋渦向表面靠近。當(dāng)激勵(lì)電壓增大至10 kV 時(shí)，左側(cè)旋渦開(kāi)始遠(yuǎn)離表面；繼續(xù)增大至12 kV，左右兩側(cè)旋渦高度差縮小，旋渦的空間非對(duì)稱性得到抑制；當(dāng)激勵(lì)電壓增大至16 kV 時(shí)，右側(cè)旋渦從高位渦演化為低位渦，兩側(cè)旋渦空間位置趨于對(duì)稱，旋渦的空間非對(duì)稱性基本得到抑制。

圖6 不同激勵(lì)電壓下的等離子體流動(dòng)控制PIV 測(cè)量結(jié)果Fig. 6 PIV measurement plasma flow control results at different actuation voltages

為分析不同激勵(lì)電壓下滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器的控制效果，對(duì)截面壓力系數(shù)積分，求得局部側(cè)向力系數(shù)。側(cè)向力系數(shù)CC計(jì)算公式如下：

式中：Cn為第n 個(gè)截面局部側(cè)向力，選定測(cè)量截面①（n=1）；來(lái)流動(dòng)壓q∞=1/（2ρ∞u∞2），p∞為來(lái)流參考靜壓；截面直徑d=19.1 mm；測(cè)壓孔個(gè)數(shù)k=24；下標(biāo)i 表示測(cè)壓孔編號(hào)，pni表示第n 個(gè)測(cè)壓截面第i 個(gè)測(cè)壓孔的壓力值；測(cè)壓孔間隔角度Δθ=15°。定義側(cè)向力指向細(xì)長(zhǎng)體右側(cè)時(shí)為正（逆流向右側(cè)），可求得關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí)的局部側(cè)向力系數(shù)CC=0.643。

為便于評(píng)估等離子體激勵(lì)器的控制效率，將施加/未施加控制的側(cè)向力系數(shù)之差ΔCC與未施加控制的側(cè)向力系數(shù)CC，off的比值定義為側(cè)向力控制效率η：

表1 不同激勵(lì)電壓對(duì)側(cè)向力控制的影響分析Table 1 Analysis of the influence of different actuation voltages on lateral force control

2.2 不同來(lái)流速度對(duì)側(cè)向力控制的影響

研究不同來(lái)流速度u∞（10、15、20 和25 m/s）下滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器對(duì)細(xì)長(zhǎng)體表面壓力分布的影響。保持激勵(lì)電壓Up-p=16 kV、脈沖頻率f=300 Hz（歸一化頻率f+=1.96）、占空比τ=0.3、直流電壓UDC=–6.2 kV、細(xì)長(zhǎng)體迎角α=45°。測(cè)壓結(jié)果如圖7 所示。

由圖7（a）可見(jiàn)：當(dāng)u∞=10 m/s、關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí)，左側(cè)吸力峰較低（|Cp|=0.0613，θ=75°），右側(cè)吸力峰較高（|Cp|=0.6232，θ=285°），兩側(cè)峰值差值為0.5619，呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)。開(kāi)啟等離子體激勵(lì)后，左側(cè)吸力峰值上升，而右側(cè)吸力峰值降低，兩側(cè)峰值差值從0.5619 減小為0.0932，即兩側(cè)壓力分布接近對(duì)稱，表明在u∞=10 m/s 時(shí)，原本明顯的空間非對(duì)稱渦受到等離子體激勵(lì)的抑制。在此工況下，通過(guò)滑動(dòng)放電在細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生體積力，向邊界層注入流場(chǎng)動(dòng)量，產(chǎn)生誘導(dǎo)旋渦，形成合成射流，改變了非對(duì)稱渦空間結(jié)構(gòu)，有效地抑制了側(cè)向力。

圖7 不同來(lái)流速度下的壓力分布對(duì)比Fig. 7 Comparison of pressure distributions at different wind speeds

由圖7（b）可見(jiàn)：當(dāng)u∞=15 m/s 時(shí)，左側(cè)吸力峰值有所上升，右側(cè)吸力峰值有一定程度降低。施加控制可以改善吸力峰值不對(duì)稱狀況。對(duì)比圖7（a）發(fā)現(xiàn)：隨著來(lái)流速度增大，非對(duì)稱渦控制效果減弱。當(dāng)u∞=20 m/s 時(shí)，施加控制后的吸力峰值不對(duì)稱狀況被輕微抑制，與u∞=10 m/s 時(shí)相比，控制效果進(jìn)一步減弱。如圖7（d）所示，當(dāng)u∞=25 m/s 時(shí)，控制基本趨于無(wú)效，施加控制后的流場(chǎng)接近未施加控制時(shí)的狀態(tài)。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：隨著來(lái)流速度增大，細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)邊界層分離線向上游移動(dòng)，分離區(qū)變大，細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱分離渦增強(qiáng)；而等離子體放電產(chǎn)生的動(dòng)量并未隨之而動(dòng)態(tài)改變，脈沖激勵(lì)注入的能量不足以幫助流體克服隨來(lái)流速度增大而逐漸增強(qiáng)的逆壓梯度，細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱分離渦的位置未發(fā)生變化，等離子體控制隨來(lái)流速度增大而逐漸失效。

圖8 為測(cè)壓截面①處不同來(lái)流速度下非對(duì)稱渦空間結(jié)構(gòu)分布的PIV 流場(chǎng)顯示結(jié)果。當(dāng)u∞=10 m/s、關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí)，左側(cè)藍(lán)色旋渦離表面較遠(yuǎn)，右側(cè)紅色旋渦離表面較近，形成非對(duì)稱空間旋渦結(jié)構(gòu)。開(kāi)啟激勵(lì)后，左側(cè)旋渦和右側(cè)旋渦空間位置趨于對(duì)稱，與圖7（a）測(cè)壓曲線結(jié)果契合，表明滑動(dòng)放電等離子激勵(lì)在此工況下有較好的控制效果。當(dāng)u∞=15 m/s、開(kāi)啟激勵(lì)時(shí)，左側(cè)旋渦得到抑制，控制效果與u∞=10 m/s 時(shí)近似。對(duì)比圖7（a）和（b）的測(cè)壓結(jié)果可知：u∞=10 m/s 的控制效果更好，壓力分布更加對(duì)稱；繼續(xù)增大u∞至20 m/s，控制效果變差，非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)和不施加控制的狀態(tài)接近；繼續(xù)增大u∞至25 m/s，非對(duì)稱渦系結(jié)構(gòu)趨于未施加控制的狀態(tài)，可以認(rèn)為等離子體控制基本無(wú)效。

圖8 不同來(lái)流速度下的等離子體流動(dòng)控制PIV 測(cè)量結(jié)果Fig. 8 PIV measurement results of plasma flow control with different incoming wind speeds

根據(jù)式（3）計(jì)算不同來(lái)流速度下施加等離子體控制時(shí)的局部側(cè)向力系數(shù)，根據(jù)式（4）計(jì)算滑動(dòng)放電的側(cè)向力控制效率。如表2 所示，當(dāng)u∞=10 m/s、開(kāi)啟等離子體激勵(lì)時(shí)，滑動(dòng)放電具有較大的控制效率，最高可達(dá)83.48%。隨著u∞增大，控制效率逐漸降低。u∞=25 m/s 時(shí)，控制效率僅為5.95%。預(yù)測(cè)在u∞=26 m/s 左右時(shí)，等離子體控制細(xì)長(zhǎng)體非對(duì)稱渦無(wú)效。因此，還需進(jìn)一步改善控制手段和方法。

表2 不同來(lái)流速度對(duì)側(cè)向力控制的影響分析Table 2 The influence of different wind speeds on lateral force control

3 結(jié) 論

基于滑動(dòng)放電等離子體控制非對(duì)稱渦的應(yīng)用前景，本文深入研究分析了激勵(lì)電壓、來(lái)流速度對(duì)非對(duì)稱渦控制效果的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）PIV 流場(chǎng)結(jié)果顯示：非對(duì)稱側(cè)向力的產(chǎn)生是由模型背風(fēng)區(qū)流場(chǎng)中旋渦的非對(duì)稱分布導(dǎo)致；抑制非對(duì)稱渦的空間不對(duì)稱性是減小側(cè)向力的主要方法。本文實(shí)驗(yàn)中，激勵(lì)電壓16 kV、脈沖頻率300 Hz（歸一化頻率1.96）、占空比0.3 及直流電壓–6.2 kV是控制細(xì)長(zhǎng)體非對(duì)稱渦的最優(yōu)參數(shù)，最大控制效率可達(dá)83.48%。

2）實(shí)驗(yàn)所采用的順流式滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器沿來(lái)流方向在細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生對(duì)稱的等離子激勵(lì)，在附壁效應(yīng)作用下，兩側(cè)等離子體射流在細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)中心位置匯聚為一股合成射流，削弱非對(duì)稱渦之間的相互作用，改變非對(duì)稱渦空間結(jié)構(gòu)，提高旋渦的穩(wěn)定性，抑制較大的側(cè)向力。

3）激勵(lì)電壓是影響等離子體激勵(lì)器控制效果的主要因素。相同激勵(lì)條件下，放電強(qiáng)度與激勵(lì)電壓的大小呈正比。增大激勵(lì)電壓可以有效提升體積力，為激勵(lì)器附近流場(chǎng)注入更多的動(dòng)量，從而改變細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦形態(tài)。

4）自由來(lái)流速度對(duì)激勵(lì)器控制效果有較大影響。相同激勵(lì)條件下，自由來(lái)流速度越高，控制效果越差。

目前的研究主要集中于中低雷諾數(shù)范圍，與實(shí)際工程應(yīng)用仍有較大差距。為實(shí)現(xiàn)等離子體流動(dòng)控制技術(shù)的工程應(yīng)用，仍需進(jìn)一步創(chuàng)新控制方法。