梁 華，李應(yīng)紅，宋慧敏，賈 敏，吳 云

（1.空軍第五飛行學(xué)院，甘肅 武威 733003；2.空軍工程大學(xué)航空等離子體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，西安 710038）

等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)空氣流動(dòng)的PIV研究

梁 華1，2，李應(yīng)紅2，宋慧敏2，賈 敏2，吳 云2

（1.空軍第五飛行學(xué)院，甘肅 武威 733003；2.空軍工程大學(xué)航空等離子體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，西安 710038）

為了揭示等離子體氣動(dòng)激勵(lì)與邊界層相互作用的物理機(jī)制，作者進(jìn)行了等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)空氣流動(dòng)的PIV研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：毫秒、微秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)空氣流動(dòng)以“啟動(dòng)渦”和“壁面射流”的形式出現(xiàn)；當(dāng)激勵(lì)電壓為12kV時(shí)，最大誘導(dǎo)速度約為3m／s；激勵(lì)電壓越大，“啟動(dòng)渦”和“壁面射流”的強(qiáng)度越大；脈沖激勵(lì)的作用強(qiáng)度和作用范圍要強(qiáng)于定常激勵(lì)。該結(jié)論為提高等離子體流動(dòng)控制的作用能力提供了指導(dǎo)。

介質(zhì)阻擋放電；流動(dòng)控制；等離子體氣動(dòng)激勵(lì)；粒子圖像測(cè)速；誘導(dǎo)流動(dòng)

0 引 言

作為一種新概念的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，等離子體流動(dòng)控制在飛行器增升減阻、發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)穩(wěn)增效等方面具有潛在的廣闊應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和仿真研究［1－9］。目前，等離子體流動(dòng)控制已成為國(guó)際上空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)熱力學(xué)領(lǐng)域新興的研究熱點(diǎn)。但是目前國(guó)際上對(duì)等離子體流動(dòng)控制“如何起作用”的機(jī)理性問題還不明晰。

等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)空氣流動(dòng)的本質(zhì)是非定常的，要揭示等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的作用原理，必須從非定常的角度開展研究，研究氣動(dòng)激勵(lì)不同時(shí)間的各種特性，而目前國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)大多只是從定常的角度研究等離子體氣動(dòng)激勵(lì)。文獻(xiàn)［10］對(duì)氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)邊界層的宏觀加速效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，文獻(xiàn)［11］利用PIV對(duì)等離子體氣動(dòng)激勵(lì)作用對(duì)邊界層的定常速度剖面進(jìn)行了測(cè)試，文獻(xiàn)［12］利用PIV對(duì)等離子體用于圓柱繞流分離流控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)［13］利用皮托管對(duì)等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)邊界層的加速效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，研究表明最大誘導(dǎo)速度約為7m／s。

利用PIV對(duì)等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)空氣流動(dòng)特性隨時(shí)間的變化進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究表明：等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)空氣流動(dòng)是非定常的，在激勵(lì)的起始階段以"啟動(dòng)渦"出現(xiàn)，最后衍化成壁面射流，還研究得到了流動(dòng)特性隨各種激勵(lì)參數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)論有助于揭示等離子體流動(dòng)控制的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)原理和系統(tǒng)

1.1 等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的基本工作原理

介質(zhì)阻擋表面放電等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的布局形式如圖1所示。將上下表面的電極與高壓高頻電源相連接，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器表面附近的空氣在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被電離，等離子體中的離子在空間不均勻電場(chǎng)的作用下，向電場(chǎng)梯度方向進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，離子在定向運(yùn)動(dòng)的過程中與環(huán)境空氣分子碰撞，發(fā)生動(dòng)量交換，誘導(dǎo)激勵(lì)器表面的空氣發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，通過向邊界層注入能量，改變其空氣動(dòng)力特性。

圖1 一種典型的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器布局形式Fig.1 One typical plasma actuator layout form

本研究中，激勵(lì)器采用聚四氟乙烯作為絕緣介質(zhì)，銅箔為電極，絕緣材料的厚度為1mm，銅箔電極的厚0.018mm，寬2mm，長(zhǎng)50mm，上下電極間距為0mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

PIV測(cè)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)布局如圖2所示，系統(tǒng)由激光器、片光源調(diào)節(jié)鏡頭組、同步及多路觸發(fā)控制單元、CCD圖像采集系統(tǒng)、PIV數(shù)據(jù)處理軟件、計(jì)算機(jī)等組成。

圖2 PIV測(cè)速系統(tǒng)布局圖Fig.2 Sketch map of the PIV system

系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下。測(cè)試區(qū)域：不小于35mm×35mm；測(cè)速范圍：0～300m／s，測(cè)量距離可以由激光出口距離0.3～2m任意可調(diào)；采用雙脈沖的Nd：YAG激光器，脈沖激光能量最大可達(dá)135mJ，脈沖頻率為15Hz，由同步器控制兩激光脈沖的時(shí)間間隔，CCD最短跨幀時(shí)間為120ns；CCD像素為1.6k×1.2k；示蹤粒子為丙三醇霧化顆粒，直徑約為10μm左右；后處理軟件為Davis7.0。

1.3 示蹤粒子的合理性驗(yàn)證

PIV實(shí)驗(yàn)中示蹤粒子的比重、大小、密度、均勻度以及顆粒的跟隨性等都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，示蹤粒子選擇不合適會(huì)導(dǎo)致圖像的相關(guān)性很差，測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)量級(jí)上的錯(cuò)誤?？梢酝ㄟ^圖像的互相關(guān)性來考查示蹤粒子的合理性，利用Davis7.0軟件自帶的圖像互相關(guān)函數(shù)計(jì)算模塊驗(yàn)證了示蹤粒子的合理性，互相關(guān)量的計(jì)算原理、計(jì)算方法和評(píng)判準(zhǔn)則見文獻(xiàn)［14－15］。

在拍攝的圖像上選取兩個(gè)點(diǎn)，一個(gè)在圖像中心，一個(gè)在靠近壁面處，兩個(gè)點(diǎn)在平面位移上互相關(guān)量的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖可見，圖像上各點(diǎn)互相關(guān)函數(shù)的峰值特征特別明顯，這表明示蹤粒子的質(zhì)量較好，測(cè)量結(jié)果精度高。

圖3 互相關(guān)量的計(jì)算結(jié)果Fig.3 The computational results of the correlation function

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 毫秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的測(cè)試結(jié)果

圖4是激勵(lì)電壓為12kV，激勵(lì)頻率為23kHz，定常毫秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)空氣流動(dòng)的速度矢量和渦量云圖，氣動(dòng)激勵(lì)器的位置在x＝50mm處。最大誘導(dǎo)速度約為3m／s，出現(xiàn)在激勵(lì)器下游約5mm處。在毫秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的開始階段會(huì)誘導(dǎo)出啟動(dòng)渦，啟動(dòng)渦約出現(xiàn)在t＝1／3s時(shí)，到t＝2.5s時(shí)最終衍化成向右的近壁面射流，啟動(dòng)渦階段的誘導(dǎo)速度和渦量的大小以及作用范圍均比壁面射流階段要大，即毫秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)放電起始階段的激勵(lì)強(qiáng)度要大于穩(wěn)定階段。

圖5為激勵(lì)電壓變化時(shí)毫秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)流場(chǎng)的PIV測(cè)試結(jié)果圖，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的位置在x＝80mm處。由圖可見，激勵(lì)電壓為11kV時(shí)毫秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)啟動(dòng)渦的渦量值、壁面射流的速度均比激勵(lì)電壓為12kV時(shí)要小，即激勵(lì)電壓增大，氣動(dòng)激勵(lì)的強(qiáng)度增大。

圖6是激勵(lì)電壓為13kV時(shí)，定常等離子體激勵(lì)和脈沖等離子體激勵(lì)特性的PIV測(cè)試結(jié)果圖，激勵(lì)器位置在x＝50mm處。圖7為在Y＝0mm處，誘導(dǎo)速度沿X方向的變化曲線。

由圖6和7可見，脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)在啟動(dòng)渦和壁面射流階段的誘導(dǎo)速度在X方向分量分別為2.0m／s和3.0m／s，而定常激勵(lì)僅為1.5m／s和2.2 m／s，這表明脈沖激勵(lì)的啟動(dòng)渦和壁面射流的強(qiáng)度比定常激勵(lì)大；且脈沖激勵(lì)的啟動(dòng)渦和壁面射流的這表明作用范圍都要明顯大于定常激勵(lì)。這是因?yàn)閷⒌入x子體氣動(dòng)激勵(lì)脈沖化后，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的非定常性更強(qiáng)，瞬時(shí)作用強(qiáng)度變大，所以誘導(dǎo)速度比定常激勵(lì)要大。

圖4 毫秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)流動(dòng)特性PIV實(shí)驗(yàn)速度矢量和渦量云圖Fig.4 PIV test results of airflow induced by millisecond plasma aerodynamic actuation

圖5 不同激勵(lì)電壓下的速度矢量和速度云圖Fig.5 The test results of different actuation voltages

圖6 定常、脈沖毫秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)流動(dòng)速度矢量圖Fig.6 The test results for steady and pulse actuations

圖7 定常、脈沖的誘導(dǎo)速度沿X方向的速度分布Fig.7 The induced velocity along x direction for pulse and steady actuations

2.2 微秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的測(cè)試結(jié)果

激勵(lì)電壓為12kV、脈沖頻率為1000Hz、等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的位置位于x＝50mm處時(shí)，微秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)流動(dòng)特性的PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖可見，微秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)流動(dòng)特性和毫秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)相差不大，最大誘導(dǎo)速度約為3m／s。不同激勵(lì)參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)研究表明，微秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)流動(dòng)特性隨激勵(lì)電壓和脈沖頻率等的變化規(guī)律和毫秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)一樣，即激勵(lì)電壓越大，微秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的啟動(dòng)渦和壁面射流越強(qiáng)。

圖8 微秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)流場(chǎng)PIV測(cè)量速度矢量和渦量云圖Fig.8 PIV results of airflow induced by microsecond plasma aerodynamic actuation

2.3 等離子體流動(dòng)控制作用機(jī)理分析

目前，國(guó)際上普遍認(rèn)為等離子體氣動(dòng)激勵(lì)抑制亞聲速流動(dòng)分離，起主導(dǎo)作用的是等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)邊界層氣流的加速作用，受氣動(dòng)激勵(lì)器絕緣材料抗擊穿性能的制約，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)氣流速度很?。ㄗ畲鬄?m／s左右）。

本研究發(fā)現(xiàn)，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)邊界層不僅是簡(jiǎn)單的加速作用，而且還會(huì)在流場(chǎng)局部誘導(dǎo)出旋渦，而且脈沖作用方式產(chǎn)生的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)會(huì)在流場(chǎng)局部誘導(dǎo)出更強(qiáng)的旋渦，誘導(dǎo)旋渦一方面可以提高增加邊界層內(nèi)的速度，另外，最重要的是旋渦的擾動(dòng)作用可以增強(qiáng)邊界層內(nèi)部以及邊界層低能流和主流高能流之間質(zhì)量和能量的摻混，主流的能量更多的被引入邊界層，通過向邊界層內(nèi)注入新的能量，增加邊界層內(nèi)的流動(dòng)速度，減小了逆壓梯度和低能氣流堆積，有效阻止了因逆壓梯度增大而形成邊界層分離及由逆壓梯度造成的邊界層厚度增長(zhǎng)，達(dá)到了抑制和減緩邊界層分離、增升減阻的控制效果。

要提高等離子體流動(dòng)控制的作用能力，必須從非定常的角度尋求等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)的最佳作用方式，變定常等離子體氣動(dòng)激勵(lì)為非定常的脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)。實(shí)驗(yàn)研究表明［4］：利用非定常的激勵(lì)可將等離子體氣動(dòng)激勵(lì)有效控制邊界層的來流速度范圍由50m／s提高到75m／s。

3 結(jié) 論

通過進(jìn)行毫秒、微秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)空氣流動(dòng)特性的PIV測(cè)試診斷研究，主要結(jié)論如下：

（1）采用丙三醇霧化顆粒作為PIV實(shí)驗(yàn)的示蹤粒子是可行的；

（2）在放電起始階段，毫秒、微秒等離子體氣動(dòng)激勵(lì)會(huì)誘導(dǎo)出啟動(dòng)渦，并最終轉(zhuǎn)變成近壁面射流；當(dāng)激勵(lì)電壓為12kV時(shí)，最大誘導(dǎo)速度約為3m／s；

（3）啟動(dòng)渦階段的誘導(dǎo)速度和渦量的大小以及作用范圍均比壁面射流階段要大；

（4）激勵(lì)電壓增大，啟動(dòng)渦的渦量值和壁面射流的速度增大；

（5）非定常的毫秒、微秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的啟動(dòng)渦和壁面射流的強(qiáng)度及作用范圍都要明顯大于定常激勵(lì)。

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梁 華（1978－），男，湖北荊州人，空軍第五飛行學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性與等離子體動(dòng)力學(xué)。Tel：029－84787527；E－mail：lianghua82702＠tom.com。

PIV investigation on flow induced by plasma aerodynamic actuation

LIANG Hua1，LI Ying－h(huán)ong2，SONG Hui－min2，JIA Min2，WU Yun2
（1.The Fifth Flight College of the Air Force，Wuwei Gansu 733003，China；2.Laboratory of Aero Plasma Dynamics，Air Force Engineering University，Xi＇an 710038，China）

PIV investigation on flow induced by plasma aerodynamic actuation was presented in the paper to reveal the operation mechanism between plasma aerodynamic actuation and airflow.The experimental results show that the flow induced by millisecond and microsecond plasma aerodynamic actuation come out as starting vortex and wall jet.The maximal induced velocity is about 3m／s when the actuation voltage is 12kV.The higher the voltage is，the stronger the starting vortex and the wall jet.The intensity and the influence of the pulse actuation are higher than that of the steady actuation.The results are instructional for increasing the ability of plasma flow control.

dielectric barrier discharge；flow control；plasma aerodynamic actuation；PIV；induced flow

O351.3

A

1672－9897（2011）04－0022－05

2010－08－20；

2010－12－02

國(guó)家自然科學(xué)基金（10972236，50906100）