郝江南，蔡晉生，李文豐

（西北工業(yè)大學(xué) 翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

0 引 言

等離子體激勵(lì)器在流動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。Roth等［1］研究了傳統(tǒng)等離子激勵(lì)器對(duì)平板邊界層的控制作用。Corke等［2］對(duì)傳統(tǒng)的單介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并提出了平板邊界層蠕動(dòng)加速概念。近年來，眾多研究者利用等離子體激勵(lì)器對(duì)翼型分離流動(dòng)控制［3］、鈍頭體減阻［4］、渦輪葉片分離流動(dòng)控制［5］、氣動(dòng)噪聲控制［6-7］、圓柱脫落渦控制［8］等方面進(jìn)行了有效的研究和探索。

但是，等離子體激勵(lì)器也有其自身的缺點(diǎn)。受組成材料特性的限制，傳統(tǒng)等離子體激勵(lì)器產(chǎn)生的體積力非常小，通常在0.10～0.20N 之間，靜止空氣加速能產(chǎn)生的最大速度為3.0～6.0m／s［9］，因此其流動(dòng)控制的作用范圍受到較大限制。為克服傳統(tǒng)等離子體激勵(lì)器的缺點(diǎn)，就必須研究新型等離子體激勵(lì)器。Eric［10］等設(shè)計(jì)了三電極等離子體激勵(lì)器，消除了傳統(tǒng)等離子體激勵(lì)器一個(gè)放電周期內(nèi)“向后拉”的作用，從而提高了激勵(lì)器的工作效率。Benard［11］對(duì)多級(jí)等離子體激勵(lì)器做了探索性研究。Neal［12］利用二氧化鈦?zhàn)鳛榈入x子體激勵(lì)器的催化劑，來提高其工作效率。 提出了一種新型多級(jí)雙級(jí)性等離子體激勵(lì)器，通過粒子示蹤測(cè)速系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)多級(jí)等離子體激勵(lì)器和新型多級(jí)雙極性等離子體激勵(lì)器對(duì)靜止空氣的誘導(dǎo)效果進(jìn)行了對(duì)比分析。同時(shí)，利用該新型等離子體激勵(lì)器對(duì)圓柱尾流流動(dòng)進(jìn)行控制，取得了顯著的控制效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 激勵(lì)器設(shè)計(jì)

圖1為傳統(tǒng)單級(jí)等離子體激勵(lì)器，由上下兩塊電極和在兩電極之間的絕緣層組成，通過在兩電極之間施加高頻高壓交流電源，在上下兩電極之間的絕緣層表面產(chǎn)生等離子體，從而對(duì)流動(dòng)進(jìn)行擾動(dòng)和控制。實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)多級(jí)等離子體激勵(lì)器構(gòu)造如圖2（a）所示，將5個(gè)傳統(tǒng)的單極等離子體激勵(lì)器并聯(lián)起來，均勻分布在平板表面。

圖1 傳統(tǒng)單級(jí)等離子體激勵(lì)器Fig.1 Standard DBD plasma actuator

新型等離子體激勵(lì)器則是在傳統(tǒng)電極的基礎(chǔ)上，不改變電極的前后相對(duì)位置，把5個(gè)傳統(tǒng)的單極等離子體激勵(lì)器串聯(lián)相連，如圖2（b）所示。這樣第一級(jí)的下電極和第二級(jí)的上電極相連形成新的雙極性電極。以此類推，第二級(jí)的下電極與第三級(jí)的上電極相連，第三級(jí)的下電極與第四級(jí)的上電極相連，第四級(jí)的下電極與第五級(jí)的上電極相連。

圖2 平板等離子激勵(lì)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Configurations of two different multiple actuators

1.2 低速風(fēng)洞及圓柱模型

圓柱尾流控制實(shí)驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)系流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室的直流下吹式風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，可控風(fēng)速為3～30m／s，流場(chǎng)湍流度小于1%，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尺寸為700mm（長(zhǎng)）×600mm（寬）×500mm（高）。在本實(shí)驗(yàn)中風(fēng)速為20m／s，風(fēng)洞阻塞度為8.4%，采 用PIV（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)測(cè)量圓柱尾流區(qū)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圓柱采用PCB材質(zhì)，直徑為42mm，在圓柱模型上對(duì)稱布置兩個(gè)雙極性等離子體激勵(lì)器，每個(gè)激勵(lì)器各有3組電極，共6組。電極采用0.02mm 厚的銅箔加工而成，上電極寬2mm，下電極寬6mm，上下電極間距3mm，每組電極之間相距2mm，上下電極之間的阻擋介質(zhì)為厚2mm 硅橡膠。如圖3所示，雙極性等離子體激勵(lì)器布置在圓柱肩部，其中第一級(jí)電極的前端到圓心的連線與垂直氣流方向的夾角為5°，以保證圓柱尾流的分離點(diǎn)落在等離子體激勵(lì)器的有效作用區(qū)域內(nèi)。

圖3 圓柱上等離子體激勵(lì)器的布置Fig.3 Setup of the plasma actuators on cylinder

1.3 PIV 及電源介紹

實(shí)驗(yàn)采用南京蘇曼電子有限公司生產(chǎn)的CTP-2000K 介質(zhì)阻擋放電等離子體電源，其輸出電壓為正弦波，平板實(shí)驗(yàn)的兩種不同結(jié)構(gòu)等離子體激勵(lì)器正負(fù)極兩端峰-峰電壓Vp-p為15kV，頻率f為14.9kHz。圓柱尾流控制實(shí)驗(yàn)采用文獻(xiàn)［13］中的不對(duì)稱非定常激勵(lì)方式，其中占空比為50%，占空頻率為100Hz，正弦電壓的峰-峰值和頻率與平板實(shí)驗(yàn)相同。

流場(chǎng)測(cè)試采用DANTEC 公司二維PIV 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Beamtech公司脈沖固體激光器，其輸出能量≤200 mJ；相機(jī)分辨率1600pixel×1200pixel，像素12bit，拍攝范圍130mm×110mm，采用鏡頭為Nikon 85mm f／1.4。圖像采集頻率為15Hz，平板實(shí)驗(yàn)中激光脈沖間隔為60μs，圓柱尾流控制實(shí)驗(yàn)中激光脈沖間隔為30μs。每個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)連續(xù)采集10s，得到150 幅流場(chǎng)顯示圖像，通過自相關(guān)圖像信號(hào)處理方法得到平板上表面流場(chǎng)的速度分布圖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 等離子體發(fā)光情況

圖4為傳統(tǒng)5級(jí)并聯(lián)等離子體激勵(lì)器與新型5級(jí)雙極性等離子體激勵(lì)器在Vp-p=15kV、激勵(lì)頻率f=14.9kHz下的實(shí)驗(yàn)發(fā)光照片。圖4（a）中，傳統(tǒng)多級(jí)激勵(lì)器上的每一組電極的上電極會(huì)和上一組電極的下電極產(chǎn)生反向放電，即文獻(xiàn)［14］所提到的“cross talk”現(xiàn)象。新型雙極性等離子體激勵(lì)器的前一組電極的下電極與后一組電極的上電級(jí)用導(dǎo)線連接起來，不存在電勢(shì)差，所以圖4（b）中沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)并聯(lián)等離子體激勵(lì)器的上下電極之間反向放電現(xiàn)象。由于第一級(jí)上電極兩端對(duì)相鄰下電極同時(shí)存在壓差，所以兩種電極板在第一級(jí)處同時(shí)產(chǎn)生了雙向放電。

圖4 平板等離子體發(fā)光照片F(xiàn)ig.4 Lightening photos of two different multiple actuators

2.2 流場(chǎng)速度云圖和流線圖結(jié)果分析

圖5為Vp-p=15kV 時(shí)，傳統(tǒng)多級(jí)激勵(lì)器上表面0～40mm 處PIV 測(cè)量結(jié)果。從圖中可以看到，此激勵(lì)器加速空氣作用不連續(xù)，每級(jí)之間都有明顯間斷，每級(jí)電極附近都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部的相對(duì)較大的風(fēng)速。這是因?yàn)槊總€(gè)單極等離子體激勵(lì)器都獨(dú)立放電，在其局部位置處都對(duì)空氣產(chǎn)生了加速作用。由于前一組電極的下電極會(huì)和后一組電極的上電極出現(xiàn)反向放電，即前文提到的“cross talk”現(xiàn)象，使空氣速度在后一組電極前急劇減速。此時(shí)，氣流在達(dá)到下一組電極的加速區(qū)域之前，其速度已大大減小，甚至減小為零，無法達(dá)到逐級(jí)加速的效果。圖5（b）所示的流線分布圖表明，傳統(tǒng)的多級(jí)等離子體激勵(lì)器在平板上表面所產(chǎn)生的等離子體可以誘導(dǎo)靜止空氣流動(dòng)，形成了一系列渦旋對(duì)。這些渦對(duì)包括單級(jí)等離子體激勵(lì)器上電極與下電極之間的正向渦，以及相鄰的后一級(jí)激勵(lì)器的上電極與該級(jí)激勵(lì)器下電極之間相互作用形成的反向渦。該現(xiàn)象在文獻(xiàn)［11］中也被發(fā)現(xiàn)，它是由于相鄰的后一級(jí)激勵(lì)器的上電極與前一級(jí)的下電極通過同樣的高壓放電產(chǎn)生等離子體誘導(dǎo)反向加速氣流，這樣的反向加速氣流與前一級(jí)激勵(lì)器誘導(dǎo)的正向加速氣流相互作用，從而導(dǎo)致上述渦對(duì)的產(chǎn)生。

圖6為Vp-p=15kV 時(shí)，新型多級(jí)激勵(lì)器上表面0～40mm 處PIV 測(cè)量結(jié)果，從中可以看出新型多級(jí)雙極性電極等離子體激勵(lì)器對(duì)空氣的加速作用均勻且連續(xù)。從第一級(jí)開始，等離子體激勵(lì)器開始對(duì)空氣進(jìn)行加速，風(fēng)速在最后一級(jí)達(dá)到最大，等離子體激勵(lì)器所誘導(dǎo)出來的最大風(fēng)速為2.9m／s。在這種新型多級(jí)激勵(lì)器對(duì)空氣的加速過程中，空氣從靜止開始逐級(jí)加速，每一組電極均對(duì)空氣的加速產(chǎn)生了有效作用，由于避免了反向放電產(chǎn)生的“cross talk”現(xiàn)象，此等離子體激勵(lì)器對(duì)空氣的加速效果明顯，避免了空氣先加速再減速的過程。圖6（b）的流線也可以看出，新型雙極性多級(jí)等離子體激勵(lì)器對(duì)于平板上表面空氣加速作用一致指向平板下游，沒有出現(xiàn)圖5中的渦，能在加速空氣后形成有效的“電子風(fēng)”。

圖5 傳統(tǒng)多級(jí)等離子體激勵(lì)器上表面PIV 測(cè)量結(jié)果Fig.5 Results of PIV measurement of standard multi-DBD actuators at Vp-p=15kV

圖6 新型多級(jí)等離子體激勵(lì)器上表面PIV 測(cè)量結(jié)果Fig.6 Results of PIV measurement of multiple bipolar electrodes actuators at Vp-p=15kV

2.3 截面速度分布對(duì)比

圖（7）為Vp-p=15kV 時(shí)不同激勵(lì)器上方0.25mm 處空氣水平方向的速度分布?？梢郧宄吹剑瑐鹘y(tǒng)激勵(lì)器平板上方空氣水平方向速度在第一級(jí)電極后達(dá)到1.5m／s，隨后又在第二級(jí)電極前速度降到0m／s附近?？諝庠诮?jīng)過前一組電極的加速后，又在后一組電極前發(fā)生了減速。在此說明傳統(tǒng)多級(jí)激勵(lì)器下一級(jí)上電極和對(duì)應(yīng)前一級(jí)的下電極出現(xiàn)了干擾放電。而新型激勵(lì)器平板上方空氣水平方向速度從第一組電極開始加速，直到最后一組電極后才開始停止加速。由于新型雙極性電極是多組電極串聯(lián)，施加在每一組電極上的電壓Vp-p約為并聯(lián)電極上的1／5，單級(jí)的加速效果并沒有傳統(tǒng)并聯(lián)激勵(lì)器的效果好。但是由于消除了前后電極之間的干擾現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了多級(jí)逐步加速，相比傳統(tǒng)激勵(lì)器氣流速度仍然維持在一個(gè)相對(duì)較高的絕對(duì)值。

圖7 平板上表面0.25mm 處空氣水平速度分布Fig.7 Horizontal velocity distribution at y=0.25mm over the flat plate

2.4 圓柱尾流控制

圖8 圓柱尾流時(shí)均速度云圖Fig.8 Time-averaged velocity contours of the wake flow

圖8給出了采用雙極性等離子體激勵(lì)器控制的圓柱尾流時(shí)均速度云圖，其中圖8（a）未施加等離子體激勵(lì)，圖8（b）施加等離子體激勵(lì)。對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，沒有施加等離子體激勵(lì)時(shí)，圓柱繞流發(fā)生了明顯流動(dòng)分離，且分離區(qū)較大，分離區(qū)最大寬度約為圓柱直徑的1.5倍。施加等離子體激勵(lì)時(shí)，氣流在等離子體激勵(lì)器前兩級(jí)的位置重新附著，尾流分離區(qū)顯著減小。因此，新型雙極性等離子體激勵(lì)器對(duì)圓柱尾流的流動(dòng)分離控制有明顯效果。

3 結(jié) 論

提出了一種新型多級(jí)雙極性等離子體激勵(lì)器，對(duì)傳統(tǒng)多級(jí)等離子體激勵(lì)器和新型多級(jí)雙極性等離子體激勵(lì)器對(duì)靜止空氣的誘導(dǎo)效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，并在風(fēng)洞中驗(yàn)證了這種新型激勵(lì)器對(duì)圓柱尾流的控制能力。研究結(jié)果表明：

（1）傳統(tǒng)多級(jí)等離子體激勵(lì)器由于后一級(jí)上電級(jí)與其前一級(jí)下電極出現(xiàn)干擾放電作用，平板上表面產(chǎn)生了一系列渦流，并沒有在平板表面產(chǎn)生同一個(gè)方向的“電子風(fēng)”，導(dǎo)致靜止空氣加速作用效果不明顯，在實(shí)際情況中很難得到應(yīng)用；

（2）新型多級(jí)雙極性等離子體激勵(lì)器，由于后一級(jí)的上電極與前一級(jí)的下電極相連，每級(jí)之間電壓逐級(jí)下降，消除了傳統(tǒng)多級(jí)等離子體激勵(lì)器中出現(xiàn)的相互干擾的情況，等離子體激勵(lì)器靜止空氣加速作用顯著； （3）新型多級(jí)雙極性等離子體激勵(lì)器對(duì)圓柱尾流的流動(dòng)分離控制效果明顯，在風(fēng)速20m／s下仍未失效?？梢灶A(yù)測(cè)，新型激勵(lì)器相對(duì)于傳統(tǒng)激勵(lì)器應(yīng)用范圍將會(huì)更廣，效果將會(huì)更好。

［1］ ROTH J R，SHERMAN D M，AWILKINSON S P.Boundary layer flow control with a one atmosphere uniform glow discharge surface plasma［R］.AIAA 98-0328，1998.

［2］ CORKE T C，POST M L，ORLOV D M.SDBD plasma enhanced aerodynamics：concepts，optimization and applications［J］.Progress in Aerospace Sciences，2007，43：193-217.

［3］ POST M，CORKE T.Separation control on high angle of attack airfoil using plasma actuators［J］.AIAA Journal，2004，42：2177.

［4］ THOMAS F O，KOZLOV A，CORKE T C.Plasma actuators for bluff body flow control［R］.AIAA 2006-2845，2006.

［5］ HUANG J，CORKE T C，THOMAS F O.Plasma actuators for separation control of low-pressure turbine blades［J］.AIAA Journal，2006，44（1）：51-57.

［6］ THOMAS F O，KOZLOV A，CORKE T C.Plasma actuators for landing gear noise control［R］.AIAA 2005-3010，2005.

［7］ THOMAS F O，KOZLOV A，CORKE T C.Plasma actuators for cylinder flow control and noise reduction［J］.AIAA Journal，2008，46（8）：1921-1931.

［8］ CORKE T C，ENLOE C L，WILKINSON S P.Dielectric barrier discharge plasma actuators for flow control［J］.Annual Review of Fluid Mechanics，2010，42：505-529.

［9］ 蘇長(zhǎng)兵，宋慧敏，李應(yīng)紅，等.基于等離子體激勵(lì)的圓柱繞流控制實(shí)驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2006，20（4）：45-48.

［10］ERIC M，ROBERTO S，GUILLERMO A.Electric wind produced by surface plasma actuators：a new dielectric barrier discharge based on a three-electrode geometry［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2008，41：115204（12pp）.

［11］BENARD N，MIZUNO A，MOREAU E.A large-scale multiple dielectric barrier discharge actuator based on an innovative three-electrode design［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2009，42：235204（12pp）.

［12］NEAL E F，STEVEN J B.Plasma catalysis for enhancedthrust single dielectric barrier discharge plasma actuators［J］.AIAA Journal，2010，48（12）：Technical Notes.

［13］FLINT O Thomas，ALEXEY Kozlov，THOMAS C Corke.Plasma actuators for cylinder flow control and noise reduction［J］.AIAA Journal，2008，46（8）：1921-1931.

［14］DO H，KIM W，CAPELLI M A，et al.Cross-talk in multiple barrier discharge actuators［J］.Appl.Phys.Lett.，2008，92：071504.