秦立濤，張海燈，汪一舟

(空軍工程大學(xué) 等離子體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710038)

0 引 言

表面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)（surface dielectric barrier discharge，SDBD）[1-3]是一種典型的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、易布設(shè)、響應(yīng)迅速、作用頻帶寬等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于分離流動(dòng)控制[4-5]、邊界層控制[6-7]和噪聲控制[8-9]等領(lǐng)域。

表面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)的作用效果取決于激勵(lì)電源形式，對(duì)于正弦交流電源驅(qū)動(dòng)的表面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)（AC-SDBD），主要是通過(guò)“動(dòng)量效應(yīng)”，即向流場(chǎng)中注入體積力，進(jìn)而誘導(dǎo)氣流加速、提升流場(chǎng)動(dòng)量，達(dá)到流動(dòng)控制的目的[2]?；贏C-SDBD的流動(dòng)控制作用與其誘導(dǎo)氣流加速的能力直接相關(guān)，已有研究表明，AC-SDBD在靜止空氣中誘導(dǎo)形成的壁面射流，最大速度在10 m/s附近，難以在高速環(huán)境下取得顯著的流動(dòng)控制效果。因此，提升AC-SDBD誘導(dǎo)氣流加速的能力，是實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一。圍繞這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了一系列探索，已有研究表明使用多組等離子體激勵(lì)器組合形成的陣列式等離子體激勵(lì)，是提升ACSDBD流動(dòng)控制能力的有效手段。在機(jī)翼流動(dòng)分離抑制方面，Roth 等[10]證明了陣列式AC-SDBD 激勵(lì)器控制機(jī)翼流動(dòng)分離和增大失速攻角的能力；楊雷雷[11]等利用陣列式AC-SDBD 激勵(lì)器有效削弱襟翼吸力面流動(dòng)分離；在壓氣機(jī)內(nèi)流流動(dòng)控制方面，張海燈等[12-13]使用陣列式AC-SDBD有效控制了葉尖泄漏流動(dòng)和葉片角區(qū)分離；GE公司Saddoughi 等[14]則使用陣列式AC-SDBD拓寬了跨聲速壓氣機(jī)失速裕度。

從已有研究結(jié)果來(lái)看，陣列式AC-SDBD可以在高速環(huán)境下取得一定流動(dòng)控制效果，但其流動(dòng)控制能力并不是隨著激勵(lì)器數(shù)目的增加而線性增大的[15-18]，尤其是陣列式AC-SDBD對(duì)流場(chǎng)作用效果對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的依賴性仍有待揭示。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在直流風(fēng)洞中測(cè)試了不同來(lái)流速度下陣列式AC-SDBD對(duì)流場(chǎng)的作用。通過(guò)對(duì)等離子體激勵(lì)下游流場(chǎng)速度和總壓進(jìn)行測(cè)量，分析獲得了陣列式AC-SDBD“動(dòng)量效應(yīng)”隨來(lái)流速度的變化規(guī)律，所得結(jié)論可為基于AC-SDBD的高速等離子體流動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)電源及測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中所使用的交流高壓電源為蘇曼CTP-2000K型低溫等離子體電源，輸出電壓波形為正弦波形，峰值電壓0到30 kV連續(xù)可調(diào)，實(shí)驗(yàn)中電極電壓的頻率固定為11 kHz，最大輸出功率為150 W。

使用皮托管和附面層總壓探針測(cè)量流向速度和附面層總壓，皮托管頭部直徑為1.5 mm，附面層總壓探針頭部厚度為0.5 mm；使用精度為0.01 mm的三坐標(biāo)位移臺(tái)來(lái)控制探針移動(dòng)；壓力傳感器型號(hào)為DAQDAX-16A，量程為±10 kPa，精度為0.25% FS。

1.2 直流風(fēng)洞

如圖1所示，直流風(fēng)洞由以下七部分構(gòu)成：動(dòng)力系統(tǒng)、拐角段、擴(kuò)張段、穩(wěn)流段、過(guò)渡段、靜流段和收縮段。動(dòng)力系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)和控制柜組成；拐角段設(shè)有五個(gè)導(dǎo)流葉片，氣流經(jīng)過(guò)拐角導(dǎo)流后方向向右偏折90°，拐角段出口設(shè)有一道30目阻尼網(wǎng)；由于拐角出口氣流仍有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，擴(kuò)張段下壁更容易產(chǎn)生分離現(xiàn)象，經(jīng)仿真驗(yàn)證，最終確定擴(kuò)張段下壁擴(kuò)張角為2°，上壁擴(kuò)張角為7°，兩側(cè)壁擴(kuò)張角為5°，擴(kuò)張段總長(zhǎng)1000 mm，擴(kuò)張面積比為3.2；穩(wěn)流段橫截面為340 mm×340 mm矩形，穩(wěn)流段入口和出口各設(shè)有40目阻尼網(wǎng)，中段內(nèi)嵌長(zhǎng)細(xì)比為10，厚度為100 mm的不銹鋼蜂窩器；在穩(wěn)流段之后設(shè)置長(zhǎng)度為85 mm過(guò)渡段，在過(guò)渡段出口布設(shè)一道40目阻尼網(wǎng)以進(jìn)一步降低湍流度；在過(guò)渡段之后設(shè)置長(zhǎng)度為170 mm靜流段，目的是使穩(wěn)流段出口氣流得到充分摻混，提升收縮段入口速度均勻度；綜合考慮出口動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)，動(dòng)壓系數(shù)及實(shí)驗(yàn)段軸向靜壓梯度等流場(chǎng)評(píng)定參數(shù)，最終確定收縮段采用維氏曲線，長(zhǎng)度為600 mm，收縮比為11.5。在近出口壁面設(shè)有三排直徑為1 mm的附面層吸除孔，對(duì)出口附面層進(jìn)行吸除。值得說(shuō)明的一點(diǎn)，穩(wěn)定段及其下游風(fēng)洞段各截面四個(gè)直角均用45°切角以改善直角處產(chǎn)生的二次流動(dòng)現(xiàn)象。

圖1 直流風(fēng)洞示意圖Fig. 1 Schematic of the open circuit wind tunnel

為了判斷出口流場(chǎng)品質(zhì)能否滿足實(shí)驗(yàn)要求，使用皮托管對(duì)風(fēng)洞出口（實(shí)驗(yàn)段入口）流場(chǎng)的總壓和速度進(jìn)行測(cè)量，出于簡(jiǎn)化測(cè)量的目的，僅對(duì)出口上半?yún)^(qū)域（80 mm×50 mm）進(jìn)行測(cè)量，原點(diǎn)位于出口上壁面幾何中心位置。具體測(cè)試方案如圖2所示。

圖3為測(cè)得總壓與速度云圖，在主流風(fēng)速v∞= 35 m/s條件下，上壁面測(cè)量中心位置附面層厚度在3.5 mm左右，近切角區(qū)域附面層略薄。定義動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)η和動(dòng)壓系數(shù)μ定量評(píng)定風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)：

圖3 出口截面流場(chǎng)Fig. 3 Flow field at the outlet cross-section

式中，qmax和qmin分別表示中心流場(chǎng)3 min內(nèi)連續(xù)測(cè)得的最大和最小動(dòng)壓；qi和分 別表示第i個(gè)測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓和主流區(qū)域平均動(dòng)壓，測(cè)點(diǎn)布局在圖2中已標(biāo)明，沿展向以20 mm的間隔選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿高度正方向以20 mm的間隔選取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共使用7個(gè)測(cè)點(diǎn)計(jì)算風(fēng)洞出口動(dòng)壓系數(shù)μ。

經(jīng)測(cè)量，主流區(qū)域內(nèi)動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)η為0.1%，動(dòng)壓系數(shù)μ為0.29%，湍流度在0.09%左右，綜合以上技術(shù)指標(biāo)評(píng)定出口流場(chǎng)品質(zhì)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1.3 陣列式AC-SDBD激勵(lì)器

圖4和圖5分別為陣列式AC-SDBD激勵(lì)器實(shí)物圖和激勵(lì)示意圖。陣列式AC-SDBD激勵(lì)器絕緣介質(zhì)的絕緣材料為聚酰亞胺，絕緣介質(zhì)厚度為1 mm，電極材料為銅，暴露電極（高壓電極）寬度為1 mm，掩埋電極（低壓電極）寬度為4 mm，掩埋電極上覆有絕緣綠油，每組電極間距為12.5 mm，第8組暴露電極距激勵(lì)器下緣的距離為6.5 mm，將激勵(lì)器下緣定義為初始位置（流向坐標(biāo)z= 0 mm），陣列式AC-SDBD激勵(lì)器可以由不同組數(shù)的電極組成，如無(wú)特殊說(shuō)明，本文所述陣列式AC-SDBD激勵(lì)器均為8組電極構(gòu)型。

圖4 陣列式AC-SDBD激勵(lì)器實(shí)物圖Fig. 4 Images of the AC-SDBD actuator array

圖5 激勵(lì)示意圖Fig. 5 Schematics of the AC-SDBD actuators

在v∞= 40 m/s條件下，距收縮段出口300 mm流向位置處的附面層厚度達(dá)到8 mm，為了減小附面層厚度，設(shè)置插板使得平板附面層重新發(fā)展，附面層厚度降至5 mm。實(shí)驗(yàn)段如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)段安裝圖Fig. 6 Experimental set-up of the test section

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.1 靜止工況下激勵(lì)的誘導(dǎo)速度特性

為了找到陣列式AC-SDBD激勵(lì)器最大誘導(dǎo)速度對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電壓，定義z= 5 mm、y= 2 mm、x= ?20 mm（即距激勵(lì)器下緣流向距離5 mm、距上壁高度2 mm、展向中心位置處）為P處，對(duì)不同峰值電壓下該位置誘導(dǎo)速度進(jìn)行測(cè)量，以測(cè)量范圍內(nèi)最大速度vmax對(duì)所測(cè)速度進(jìn)行無(wú)量綱化，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 陣列式AC-SDBD誘導(dǎo)速度隨峰值電壓變化圖Fig. 7 Variation of the induced velocity with the peak voltage for the AC-SDBD actuator array

圖7顯示，峰值電壓在10～16 kV范圍內(nèi)時(shí)，隨著激勵(lì)電壓的提高，誘導(dǎo)速度隨之上升，在峰值電壓為14 kV左右達(dá)到最大值，當(dāng)激勵(lì)電壓超過(guò)峰值電壓時(shí)誘導(dǎo)速度下降。

在保證陣列式AC-SDBD激勵(lì)器不擊穿的條件下，陣列式AC-SDBD激勵(lì)器以峰值電壓為14 kV工作時(shí)產(chǎn)生誘導(dǎo)速度最大，下文所有實(shí)驗(yàn)將14 kV峰值電壓作為放電參數(shù)。

下面使用14 kV峰值電壓，在展向位置x= ?20 mm、高度位置y= 2 mm沿流向進(jìn)行誘導(dǎo)速度測(cè)量，以最大誘導(dǎo)速度vmax對(duì)所測(cè)速度進(jìn)行無(wú)量綱化，如圖8所示。從圖8可以看到，陣列式AC-SDBD激勵(lì)器下游15 mm以內(nèi)的誘導(dǎo)速度維持在較高水平，基本上沒(méi)有衰減；15 mm ≤z≤ 35 mm時(shí)，誘導(dǎo)速度快速虧損到最大誘導(dǎo)速度的50%左右；z＞ 35 mm之后，誘導(dǎo)速度緩慢下降。

圖8 AC-SDBD誘導(dǎo)速度沿流向變化圖Fig. 8 Variation of the induced velocity along the streamwise direction for the AC-SDBD actuator

2.2 激勵(lì)在不同主流速度下的作用規(guī)律

2.2.1 激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)瞬態(tài)速度的影響規(guī)律

為了排除激勵(lì)后流場(chǎng)的展向均勻性和可能產(chǎn)生的流場(chǎng)畸變對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾，選取兩個(gè)典型速度v∞= 20 m/s和60 m/s進(jìn)行研究。以P處（x= ?20 mm處）展向位置為中心，對(duì)?40 mm ≤x≤ 0 mm，0.75 mm ≤y≤ 10.75 mm速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量截面流向位置為z= 5 mm，結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看到，兩種工況測(cè)量中心位置區(qū)域激勵(lì)后速度沿展向分布均勻，無(wú)明顯速度畸變。為了定量分析激勵(lì)后不同展向位置速度分布，將展向位置x=?10 mm、?20 mm和?30 mm處速度以測(cè)量范圍最大速度vmax進(jìn)行無(wú)量綱化，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖10所示。

圖9 激勵(lì)前后速度云圖對(duì)比Fig. 9 Comparison between the velocity contours with and without actuation

從圖10可以看到，在不同工況下3個(gè)展向位置速度分布規(guī)律相同，即?30 mm ≤x≤ ?10 mm展向范圍內(nèi)流動(dòng)均勻性較好。

圖10 激勵(lì)后不同展向位置速度分布Fig. 10 Velocity profiles at different spanwise locations with actuation

對(duì)v∞= 20 m/s、30 m/s、40 m/s、60 m/s和80 m/s不同來(lái)流速度下P處速度隨時(shí)間變化進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中對(duì)未激勵(lì)狀態(tài)持續(xù)采樣120 s后施加等離子體激勵(lì)180 s，最后靜置300 s。以vplasma_off（未激勵(lì)狀態(tài)120 s內(nèi)平均速度）對(duì)測(cè)量速度進(jìn)行無(wú)量綱化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 P處流速隨時(shí)間變化圖Fig. 11 Time evolution of the local velocity at position P

施加陣列式AC-SDBD激勵(lì)后，近壁流速與激勵(lì)時(shí)間有關(guān)。不同工況速度變化規(guī)律可以分為以下四個(gè)階段：階段Ⅰ：剛開始施加激勵(lì)時(shí)，近壁流體在電場(chǎng)力的加速作用下，產(chǎn)生貼壁射流使得近壁速度瞬間提升，激勵(lì)瞬時(shí)速度提升量與來(lái)流風(fēng)速密切相關(guān)，v∞=20 m/s時(shí)瞬時(shí)速度提升達(dá)基準(zhǔn)速度的3.5%，隨著主流速度的提高，激勵(lì)瞬時(shí)速度提升幅值下降明顯，80 m/s來(lái)流下瞬時(shí)速度提升基本為零。以上現(xiàn)象主要是由于主流速度的提高使近壁流體受到體積力加速作用的時(shí)間變短，從而造成動(dòng)量提升效果減弱；階段Ⅱ：隨著時(shí)間的推進(jìn)，速度逐漸下降，在激勵(lì)180 s內(nèi)，各主流速度工況下，近壁速度基本達(dá)到平衡速度，主流速度越大，相對(duì)應(yīng)的平衡速度相對(duì)提升量越低，在v∞=60 m/s和80 m/s工況下，平衡速度低于基準(zhǔn)速度，激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)有減速作用，此階段中激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)的減速作用可能與近壁區(qū)域被加熱的空氣引發(fā)的高流動(dòng)損失有關(guān)；階段Ⅲ：關(guān)閉激勵(lì)器后，體積力的誘導(dǎo)加速效應(yīng)消失，近壁速度陡然下降，各工況速度下降幅值和施加激勵(lì)瞬間速度提升幅值基本一致；階段Ⅳ：隨著時(shí)間推進(jìn)，近壁流速逐漸提升并趨向于基準(zhǔn)狀態(tài)。

為了確定上述規(guī)律對(duì)不同組數(shù)的陣列式激勵(lì)器激勵(lì)后流場(chǎng)的適用性，針對(duì)v∞= 20 m/s工況，在P處測(cè)量了2、4、6和8組電極激勵(lì)后單點(diǎn)瞬時(shí)速度變化，以vplasma_off對(duì)測(cè)量速度進(jìn)行無(wú)量綱化，具體見圖12。

圖12 激勵(lì)組數(shù)對(duì)瞬態(tài)流速的影響（v∞ = 20 m/s）Fig. 12 Influence of the number of excited plasma actuators on the time evolution of the local velocity (v∞ = 20 m/s)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與上述對(duì)激勵(lì)后流場(chǎng)瞬態(tài)速度變化規(guī)律的研究結(jié)論相似，不同激勵(lì)組數(shù)速度變化規(guī)律同樣可以分為四個(gè)階段，隨著激勵(lì)組數(shù)的增加，激勵(lì)對(duì)近壁流場(chǎng)加速現(xiàn)象越明顯且激勵(lì)后近壁區(qū)速度隨時(shí)間的階段性變化規(guī)律愈發(fā)顯著。

為了確定上述規(guī)律對(duì)激勵(lì)后不同高度流場(chǎng)的適用性，針對(duì)v∞= 20 m/s工況，固定測(cè)量展向位置x=?20 mm、流向位置z= 5 mm，在y= 2 mm、3 mm、4 mm和5 mm共4個(gè)不同高度位置進(jìn)行速度測(cè)量。以vplasma_off對(duì)測(cè)量速度進(jìn)行無(wú)量綱化，具體見圖13。

圖13 不同高度下流速隨時(shí)間變化圖（v∞ = 20 m/s）Fig. 13 Time evolution of the local velocity at different wallnormal locations (v∞ = 20 m/s)

從圖13中可以看到，隨著高度的増加，階段Ⅰ中瞬時(shí)速度提升減?。辉跀U(kuò)散和黏滯效應(yīng)下，階段Ⅱ中隨高度的提高激勵(lì)后平衡速度相對(duì)提升量越低，且速度緩降相對(duì)幅值減小。

為了研究激勵(lì)后不同流向位置流場(chǎng)速度變化規(guī)律，針對(duì)v∞= 20 m/s工況，在固定測(cè)量展向位置x=?20 mm、高度位置y= 2 mm，在z= 5 mm、40 mm、80 mm、160 mm共4個(gè)流向位置進(jìn)行速度測(cè)量。以vplasma_off對(duì)測(cè)量速度進(jìn)行無(wú)量綱化，具體見圖14。

圖14 不同流向位置下流速隨時(shí)間變化圖（y = 2 mm）Fig. 14 Time evolution of the local velocity at different streamwise locations (y = 2 mm)

對(duì)于不同流向位置來(lái)說(shuō)，激勵(lì)后速度隨時(shí)間變化過(guò)程同樣可分成四個(gè)階段。z≤ 40 mm區(qū)域激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)加速能力基本沒(méi)有衰減。當(dāng)z＞ 40 mm后，隨著流向距離的增大，激勵(lì)對(duì)當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)的影響逐漸減弱，此現(xiàn)象與2.1節(jié)靜止工況激勵(lì)后速度沿流向變化規(guī)律類似。

2.2.2 激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)壓力的影響

為了研究激勵(lì)后流場(chǎng)總壓和速度變化的關(guān)聯(lián)性，以z= 5 mm流向截面為研究對(duì)象，定義速度比γ和總壓損失系數(shù) ω：

式中：vplasma_on表 示激勵(lì)后的當(dāng)?shù)厮俣?，vplasma_off表示未激勵(lì)時(shí)的當(dāng)?shù)厮俣取total_plasma_off表示基準(zhǔn)狀態(tài)總壓，ptotal_plasma_on表示激勵(lì)時(shí)總壓，ρ為空氣密度，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖15 激勵(lì)前后速度比云圖對(duì)比（z = 5 mm）Fig. 15 Comparison between the velocity ratio contours with and without actuation (z = 5 mm)

圖16 激勵(lì)前后總壓損失系數(shù)分布云圖對(duì)比（z = 5 mm）Fig. 16 Comparison between the total pressure loss coefficient contours with and without actuation (z = 5 mm)

從圖15可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于v∞= 20 m/s工況來(lái)說(shuō)，陣列式AC-SDBD激勵(lì)對(duì)高度0.75 mm ≤y≤ 3 mm以內(nèi)有明顯的加速作用，由于角區(qū)及端壁流場(chǎng)影響，使得從展向位置?40 mm ≤x≤ ?30 mm近壁加速區(qū)域范圍逐漸擴(kuò)大；對(duì)于v∞= 60 m/s工況來(lái)說(shuō)，激勵(lì)對(duì)0.75 mm ≤y≤ 4 mm的流體有明顯減速效應(yīng)，并且隨著高度的增加，減速效應(yīng)逐漸減弱。

圖16展現(xiàn)的是激勵(lì)前后總壓損失系數(shù)的變化云圖，其中正值代表激勵(lì)后總壓損失增加，負(fù)值代表激勵(lì)使總壓恢復(fù)。通過(guò)對(duì)比圖15和圖16，可以發(fā)現(xiàn)，總壓損失系數(shù)變化規(guī)律和速度比變化規(guī)律一致。以上研究表明，通過(guò)激勵(lì)前后當(dāng)?shù)乜倝旱淖兓軠?zhǔn)確反應(yīng)激勵(lì)前后速度的變化。

為了精細(xì)化研究激勵(lì)前后附面層內(nèi)總壓的變化，使用頭部較細(xì)的附面層探針進(jìn)行v∞= 20 m/s和60 m/s兩種工況的總壓測(cè)量工作。測(cè)量位置為x= ?20 mm、

z= 5 mm，0 ≤y≤ 10 mm，使用9 mm ＜y＜10 mm范圍內(nèi)平均表總壓對(duì)測(cè)得表總壓進(jìn)行無(wú)量綱化，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖17和圖18。

圖17 激勵(lì)前后附面層總壓分布（v∞ = 20 m/s）Fig. 17 Total pressure distributions in the boundary layer with and without actuation (v∞ = 20 m/s)

圖18 激勵(lì)前后附面層總壓分布（v∞ = 60 m/s）Fig. 18 Total pressure distributions in the boundary layer with and without actuation (v∞ = 60 m/s)

為了更加清晰地對(duì)比兩種工況下附面層總壓變化規(guī)律，使用總壓恢復(fù)系數(shù) σ（式（5））來(lái)表征激勵(lì)前后總壓相對(duì)變化:

式中：ptotal_∞表示主流總壓。

圖19為主流速度對(duì)激勵(lì)后附面層總壓恢復(fù)系數(shù)影響曲線。v∞= 20 m/s工況，相對(duì)于基準(zhǔn)狀態(tài)，激勵(lì)后沿遠(yuǎn)離壁面方向，總壓先降低，再升高，最后不變；在v∞= 60 m/s工況下，整個(gè)附面層內(nèi)總壓水平均低于激勵(lì)前狀態(tài)。兩種工況高度y≤ 0.65 mm區(qū)域內(nèi)的σ均小于0，且在y= 0.4 mm附近總壓虧損達(dá)到最大值，其中高速工況總壓虧損最大值約為低速工況的1.28倍。

圖19 主流速度對(duì)激勵(lì)后附面層總壓恢復(fù)系數(shù)分布影響（z = 5 mm）Fig. 19 Effect of the mainstream velocity on the total pressure recovery coefficient of the boundary layer under plasma actuation (z = 5 mm)

由于低速來(lái)流條件下激勵(lì)器向流場(chǎng)注入動(dòng)量更多,v∞= 20 m/s工況中 σ在0.65 mm ≤y≤ 3.55 mm的區(qū)域內(nèi)大于零，但受限于激勵(lì)強(qiáng)度，σ在y＞ 3.55 mm范圍內(nèi)基本為零。

陣列式AC-SDBD激勵(lì)使v∞= 60 m/s高速工況y≤ 6 mm區(qū)域內(nèi)附面層總壓降低，即減速效應(yīng)，隨著高度的提升， σ緩慢恢復(fù)到激勵(lì)前的狀態(tài)，在y＞6 mm范圍內(nèi) σ基本為零，說(shuō)明激勵(lì)對(duì)該區(qū)域流場(chǎng)沒(méi)有控制作用。

可見，陣列式AC-SDBD激勵(lì)對(duì)附面層總壓的影響規(guī)律不僅和主流速度有關(guān)，與距壁面高度也有關(guān)。

不同流向距離附面層內(nèi)總壓恢復(fù)系數(shù)分布如圖20所示。隨著流向距離的增加，由于激勵(lì)產(chǎn)生的貼壁高能射流逐漸與附近低能流體摻混，流體加速的區(qū)域變大，使得y≤ 0.65 mm以內(nèi)最低總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸恢復(fù)，附面層內(nèi)最大總壓恢復(fù)系數(shù)有減小趨勢(shì)，且最大總壓恢復(fù)系數(shù)對(duì)應(yīng)的法向位置逐漸增大。在v∞= 20 m/s工況下，激勵(lì)沿法向的影響范圍達(dá)到了y= 10 mm高度位置，伴隨著法向影響范圍擴(kuò)大的同時(shí)激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)最大影響能力逐漸減弱。

圖20 激勵(lì)后不同流向位置附面層總壓恢復(fù)系數(shù)分布Fig. 20 Total pressure recovery coefficient of boundary layer at different streamwise locations under plasma actuation

2.2.3 激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)速度的影響規(guī)律

對(duì)v∞= 20 m/s、30 m/s、40 m/s、60 m/s和80 m/s工況下x= ?20 mm、y= 2 mm位置處激勵(lì)后穩(wěn)態(tài)速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，使用相對(duì)速度提升系數(shù) Δv表征激勵(lì)前后速度提升。 Δv定義如式（6）：

圖21為不同主流速度下激勵(lì)后沿流向 Δv分布，v∞= 20 m/s和v∞= 30 m/s工況中激勵(lì)后流向速度均大于基準(zhǔn)速度，加速效果沿流向逐漸降低，有效加速流向距離在170 mm左右；v∞≥ 40 m/s工況中激勵(lì)后流向速度均小于基準(zhǔn)速度，減速效果沿流向逐漸降低。陣列式AC-SDBD激勵(lì)對(duì)近壁流速的影響規(guī)律與主流速度相關(guān)。

圖21 主流速度對(duì)激勵(lì)后速度分布影響（y = 2 mm）Fig. 21 Effect of the mainstream velocity on the velocity distribution along the streamwise direction under plasma actuation (y = 2 mm)

為直觀比較主流速度對(duì)激勵(lì)后速度分布影響，Δvm為5 mm≤z≤ 20 mm范圍內(nèi)各工況平 均相對(duì)速度提升系數(shù)， Δvm隨主流流速變化曲線如圖22所示。

圖22 激勵(lì)后Δ vm隨 主流流速變化Fig. 22 Variation of parameter Δ vm with the mainstream velocity under plasma actuation

從圖22中可以看到，陣列式AC-SDBD激勵(lì)對(duì)近壁流場(chǎng)加速能力隨著主流速度的提高非線性降低，v∞≤ 30 m/s時(shí)，激 勵(lì) 使 得 穩(wěn) 定 后 的 近 壁 區(qū) 速 度 增大。v∞從20 m/s提高到30 m/s過(guò)程中, Δvm從2%突降至0.28%。v∞≥ 40 m/s后，加速效果轉(zhuǎn)變?yōu)闇p速效果，在v∞從40 m/s提高到80 m/s過(guò)程中， Δvm從?0.42%緩降至?1%。

3 結(jié) 論

1）陣列式AC-SDBD激勵(lì)誘導(dǎo)近壁氣流加速規(guī)律與激勵(lì)時(shí)間有關(guān)。在施加激勵(lì)的瞬間，近壁區(qū)速度明顯增大，隨著時(shí)間的推移，近壁區(qū)速度有所下降，最后趨于穩(wěn)定。

2）多組陣列式AC-SDBD激勵(lì)器的動(dòng)量效應(yīng)顯著，隨著激勵(lì)組數(shù)的增加，激勵(lì)誘導(dǎo)近壁流場(chǎng)加速能力越強(qiáng)，且激勵(lì)后近壁區(qū)速度隨時(shí)間的階段性變化規(guī)律愈發(fā)顯著。

3）陣列式AC-SDBD激勵(lì)對(duì)近壁流速的影響規(guī)律與距壁面高度和流向距離相關(guān)。隨著距激勵(lì)器流向距離的增大，激勵(lì)影響流體能力逐漸減弱，在法向上受激勵(lì)影響范圍逐漸擴(kuò)大，且受最大影響法向位置逐漸遠(yuǎn)離壁面。

4）陣列式AC-SDBD激勵(lì)對(duì)近壁流速的影響規(guī)律與主流速度相關(guān)。隨著主流速度的提高，陣列式ACSDBD動(dòng)量效應(yīng)減弱且對(duì)近壁流場(chǎng)加速能力非線性降低，在主流速度從20 m/s提高到80 m/s的過(guò)程中，Δvm從2%緩降至?1%。