孔亞康, 唐冰亮， 梁 華， 郭善廣

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

引 言

需求推動(dòng)技術(shù)發(fā)展, 在航空航天探索中, 對(duì)速度更快、 航程更遠(yuǎn)的飛行器的需求越來越強(qiáng). 而制約飛行器速度和航程提升的一個(gè)重要因素就是激波阻力[1-2]. 在以超聲速和高超聲速飛行的可重復(fù)使用運(yùn)載器的設(shè)計(jì)中, 鈍頭體是常見的氣動(dòng)布局形式, 其在進(jìn)行超聲速飛行時(shí), 在頭部位置會(huì)產(chǎn)生一道強(qiáng)弓形激波, 由此產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力大幅增加, 還會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的氣動(dòng)加熱現(xiàn)象[3-4]. 氣動(dòng)阻力的增加必然引起飛行器機(jī)械能的損失, 導(dǎo)致航程的急劇減小. 在超聲速/高超聲速流動(dòng)控制領(lǐng)域, 一個(gè)重要的研究方向就是激波的控制[5-6]. 高效的控制方式對(duì)提高飛行器飛行速度、 增加航程以及提高飛行器的推進(jìn)效率具有重要意義, 因此迫切需要選用高效的控制方式對(duì)激波進(jìn)行控制.

等離子體流動(dòng)控制是一種新型主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù), 其優(yōu)勢特點(diǎn)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單、 響應(yīng)快、 作用頻帶寬、 強(qiáng)度可調(diào)[7-8]. 近年來國內(nèi)外對(duì)等離子體激勵(lì)控制脫體激波開展了大量基礎(chǔ)研究. 結(jié)果證實(shí)等離子體激勵(lì)能夠減弱激波強(qiáng)度, 改變激波形態(tài). Shang等[9-12]開展了等離子體合成射流激勵(lì)控制鈍頭體激波的實(shí)驗(yàn)研究, 認(rèn)為控制機(jī)理是放電產(chǎn)生的擾動(dòng)引起黏性流動(dòng)與無黏流動(dòng)相互摻混從而導(dǎo)致激波強(qiáng)度減弱. Wang等[13-14]開展了逆向等離子體合成射流控制圓柱激波的實(shí)驗(yàn)研究, 發(fā)現(xiàn)等離子體合成射流放電產(chǎn)生的含能渦能夠促進(jìn)流體摻混、 增加湍流度, 并顯著削弱了圓柱激波的強(qiáng)度.

目前常用的等離子體激勵(lì)方式主要有介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)(DBD激勵(lì))[15-17]、 等離子體合成射流激勵(lì)[18-19]、 微波放電激勵(lì)[20]、 表面電弧放電等離子體激勵(lì)[21-22]等. 其中介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)強(qiáng)度小, 不適合高速流動(dòng)控制[23-24]; 等離子體合成射流激勵(lì)有效驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器不多于3組, 因而控制范圍有限[25-27]; 微波放電等離子體激勵(lì)雖然強(qiáng)度大, 但存在功耗大且多組激勵(lì)布局困難的問題[28-29].

表面電弧等離子體激勵(lì)器由絕緣材料和兩個(gè)金屬電極組成, 能產(chǎn)生明顯的沖擊波和熱氣團(tuán), 對(duì)流動(dòng)的沖擊效應(yīng)和熱效應(yīng)顯著[30-32], 所以其優(yōu)勢在于激勵(lì)強(qiáng)度大, 并且在超聲速流動(dòng)中控制效果強(qiáng). 針對(duì)表面電弧等離子體激勵(lì)在圓柱激波控制中表現(xiàn)出的控制難度大、 效果不明顯等問題, 本文通過改變放電回路參數(shù)即增大直流源電壓和放電電容, 提出高能表面電弧控制圓柱脫體激波的新方法.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 超聲速風(fēng)洞和高速紋影系統(tǒng)

本文實(shí)驗(yàn)都在空軍工程大學(xué)Ma=2的暫沖抽吸自由射流超聲速風(fēng)洞里進(jìn)行, 流動(dòng)維持Ma=2的時(shí)間為2～3 s. 來流總溫為環(huán)境總溫T0=300×(1±3%) K. 本實(shí)驗(yàn)通過反射式高速紋影系統(tǒng)對(duì)流場流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量. 為獲取精細(xì)的流動(dòng)結(jié)構(gòu), 高速相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)為1 μs、 采樣頻率設(shè)置為5×104f/s、 幀間隔為20 μs、 分辨率設(shè)為512×512.圖1為風(fēng)洞紋影系統(tǒng)示意圖.

1.2 激勵(lì)器與放電電路

圖2為激勵(lì)器示意圖, 表面電弧等離子體激勵(lì)器由金屬電極和絕緣介質(zhì)組成, 選用直徑為1 mm的銅針作電極, 絕緣介質(zhì)為亞克力平板用于固定電極. 電極插入特氟龍圓柱然后嵌入平板中, 并與平板表面平齊, 避免對(duì)流場產(chǎn)生影響. 左端電極與電源高壓端連接, 右端電極接地, 電極間距為5 mm.

圖1 風(fēng)洞紋影系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of wind tunnel schlieren system

圖2 激勵(lì)器示意圖Fig. 2 Schematic diagram of exciter

圖3為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒季质疽鈭D, 激勵(lì)器放電電極距平板前緣245 mm. 平板上板面設(shè)計(jì)尺寸為400 mm ×110 mm, 圓柱直徑為15 mm, 高度分別為10， 15, 20 mm, 固定在靠近平板后緣位置且與前緣距離為285 mm.

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D(單位: mm)Fig. 3 Schematic diagram of experimental model(unit: mm)

1.3 放電電路

圖4為放電電路示意圖, 驅(qū)動(dòng)電源由微秒脈沖電源和高壓小功率直流源組成, 兩者的輸出電壓分別為0～20 kV和0～10 kV可調(diào). 電容分別選用4 μF和10 μF. 電路工作過程簡單敘述為直流源給電容充電, 微秒源擊穿電極間的空氣后放電回路導(dǎo)通, 電容開始放電并在電極間形成高能等離子體電弧. 二極管和限流電阻用于保護(hù)電源, 防止電容電流回流或電流過大將電源燒壞.

圖4 放電電路示意圖Fig. 4 Schematic diagram of discharge circuit

電參數(shù)測試系統(tǒng)主要由示波器(Tektronix DPO4140)、 電流環(huán)(Pearson 6600)和高壓探針(Tektronix P6015A)組成.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 初始流場分析

沒有施加高能表面電弧等離子體激勵(lì)時(shí), 3種不同高度的圓柱產(chǎn)生激波如圖5所示. 從圖中看到圓柱前端出現(xiàn)了清晰的三叉點(diǎn)和一系列激波結(jié)構(gòu), 即分離區(qū)前的分離激波、 弓形激波以及圓柱后方的一道再附激波. 并且圓柱高度分別為10, 15, 20 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的弓形激波角分別為40°, 43°, 46°, 說明圓柱越高, 其上方的弓形激波角越大, 激波強(qiáng)度越強(qiáng).

2.2 放電電容對(duì)圓柱激波控制效果的影響

在放電過程中電極間空氣被擊穿后, 電容放電然后形成高能等離子體電弧放電, 因此不同電容放電時(shí), 高能表面電弧等離子體激勵(lì)對(duì)激波的控制效果也將不同. 實(shí)驗(yàn)中選取4 μF和10 μF的電容, 研究不同放電電容對(duì)激波控制效果的影響. 直流源電壓為4 kV, 圓柱高度為15 mm.圖6為不同放電電容條件下高能表面電弧激勵(lì)控制效果紋影圖. 如圖所示, 熱氣團(tuán)完全覆蓋圓柱的時(shí)刻分別為140 μs和120 μs; 激波控制效果最佳的時(shí)刻分別為160 μs和200 μs.

圖5 圓柱激波初始流場Fig. 5 Initial flow field of cylindrical shock

圖6 不同放電電容控制效果紋影圖Fig. 6 Schlieren diagram of control effect of different discharge capacitors

對(duì)比熱氣團(tuán)完全覆蓋圓柱時(shí)刻可以發(fā)現(xiàn)放電電容越大, 激勵(lì)器放電產(chǎn)生的熱氣團(tuán)覆蓋范圍越大, 并且沖擊波的傳播速度越快, 熱氣團(tuán)完全覆蓋圓柱所需的時(shí)間越短. 觀察兩種流場情況, 由于熱氣團(tuán)的熱效應(yīng)分離激波和三叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)消失, 弓形激波均發(fā)生變形, 放電電容越大熱氣團(tuán)越高, 因此弓形激波消波范圍越大; 此外, 放電電容分別為4 μF和10 μF 時(shí)弓形激波角減小為42.8°和42.5°, 因此放電電容越大, 弓形激波角越小, 激波強(qiáng)度越弱. 根據(jù)最佳控制時(shí)刻的差異并結(jié)合紋影圖像分析, 放電電容越大, 激勵(lì)強(qiáng)度越大, 有效控制時(shí)間越長. 總地來說, 在圓柱激波控制中, 放電電容越大, 放電產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度越強(qiáng), 熱氣團(tuán)影響范圍越大, 對(duì)激波的控制效果越好.

2.3 直流源電壓對(duì)圓柱激波控制效果的影響

為研究不同直流源電壓對(duì)圓柱激波控制效果的影響, 選取直流源電壓分別為2 kV和4 kV、 圓柱高度為15 mm、 放電電容為10 μF進(jìn)行實(shí)驗(yàn).圖7是不同直流源電壓條件下, 高能表面電弧激勵(lì)等離子體控制效果紋影圖. 如圖所示, 熱氣團(tuán)完全覆蓋圓柱的時(shí)刻分別為140 μs和120 μs, 激波控制效果最佳的時(shí)刻分別是180 μs和200 μs.

圖7 不同直流源電壓控制效果紋影圖Fig. 7 Schlieren diagram of control effect of different DC source voltages

對(duì)比熱氣團(tuán)完全覆蓋圓柱的時(shí)刻, 可以發(fā)現(xiàn)直流源電壓越大, 激勵(lì)器放電產(chǎn)生的熱氣團(tuán)影響范圍越大、 高度越高, 沖擊波的傳播速度越快, 直流源電壓為4 kV時(shí)放電產(chǎn)生的熱氣團(tuán)完全覆蓋圓柱所需的時(shí)間越短. 如前所述, 由于熱氣團(tuán)的熱效應(yīng), 三叉點(diǎn)和激波結(jié)構(gòu)消失, 弓形激波均發(fā)生變形, 并且直流源電壓為4 kV時(shí)弓形激波消波更大. 直流源電壓為2 kV和4 kV時(shí), 弓形激波角分別減小為42.7°和42.5°, 所以直流源電壓越大, 弓形激波角越小, 弓形激波強(qiáng)度越弱. 直流源電壓為2 kV時(shí), 圓柱右上方仍然存在一道較強(qiáng)的弓形激波; 而直流源電壓為4 kV時(shí)弓形激波的強(qiáng)度明顯更弱. 根據(jù)最佳控制時(shí)刻的差異并結(jié)合紋影圖像分析, 直流源電壓越大, 激勵(lì)強(qiáng)度越大, 有效控制時(shí)間越長. 總之, 在圓柱激波控制中, 直流源電壓越大, 放電產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度越強(qiáng), 熱氣團(tuán)影響范圍越大, 對(duì)激波的控制效果越好.

2.4 圓柱高度對(duì)圓柱激波控制效果的影響

圖8為不同圓柱高度條件下高能表面電弧激勵(lì)控制效果紋影圖, 放電電容為10 μF的直流源電壓為4 kV.圖中3個(gè)不同圓柱高度熱氣團(tuán)完全覆蓋圓柱的時(shí)刻分別為100, 120， 140 μs, 可以清楚地看到?jīng)_擊波和熱氣團(tuán)特征結(jié)構(gòu), 沖擊波向四周傳播, 而熱氣團(tuán)將隨來流向下游傳播. 在熱氣團(tuán)完全覆蓋圓柱的時(shí)刻, 由于熱氣團(tuán)的熱效應(yīng)和沖擊波的沖擊效應(yīng), 分離區(qū)、 分離激波以及三叉點(diǎn)消失, 弓形激波彎曲變形, 弓形激波角減小, 激波強(qiáng)度減弱.

圖8 不同圓柱高度控制效果紋影圖Fig. 8 Schlieren diagram of control effect of different cylinder heights

在熱氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)到圓柱后的時(shí)刻即220, 200, 180 μs, 此時(shí)流場范圍內(nèi)已經(jīng)觀察不到弓形激波, 由于沖擊波和熱氣團(tuán)的作用出現(xiàn)了明顯的消波現(xiàn)象, 激波強(qiáng)度顯著降低; 再附激波也出現(xiàn)了消波現(xiàn)象, 激波強(qiáng)度減弱. 此時(shí)為激波控制的最佳時(shí)刻. 對(duì)比熱氣團(tuán)完全覆蓋圓柱的時(shí)刻， 發(fā)現(xiàn)圓柱高度越高, 熱氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)相同的行程所需時(shí)間越長, 分析原因主要是因?yàn)閳A柱越高, 產(chǎn)生的激波越強(qiáng), 波后壓力越大, 因此減小了熱氣團(tuán)的流向速度. 根據(jù)激波控制最佳時(shí)刻的差異并結(jié)合紋影圖像分析, 圓柱高度越高, 激波強(qiáng)度越大, 有效控制作用時(shí)間越短.

3 結(jié)論

通過高速紋影系統(tǒng)開展了高能表面電弧等離子體激勵(lì)控制圓柱激波實(shí)驗(yàn)研究, 獲得了不同圓柱高度的初始流場特征; 分析獲得了放電電容、 直流源電壓和圓柱高度對(duì)圓柱激波控制效果的影響規(guī)律. 主要結(jié)論如下:

(1)圓柱高度越高, 其上方的弓形激波角越大, 弓形激波越強(qiáng). 激波控制效果減弱, 控制作用時(shí)間減小.

(2)施加高能表面等離子體激勵(lì)后, 由于沖擊波和熱氣團(tuán)的作用， 分離激波和柱前激波均消失, 弓形激波會(huì)發(fā)生變形, 并且弓形激波角減小, 激波強(qiáng)度減弱.

(3)放電電容和直流源電壓對(duì)激波控制效果的影響均呈正相關(guān)關(guān)系. 放電電容越大, 直流源電壓越大, 產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度和傳播速度越大, 熱氣團(tuán)的高度和影響范圍越大, 控制效果增強(qiáng), 控制作用時(shí)間增加. 因此在實(shí)際應(yīng)用中可以通過增加放電容或提高直流源電壓來增強(qiáng)流動(dòng)控制效果.