激勵(lì)器結(jié)構(gòu)對(duì)三電極等離子體高能合成射流流場及其沖量特性的影響

張 宇羅振兵李海鵬王 林夏智勛

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙 410073;2.中國國防科技信息中心,北京 100142)

激勵(lì)器結(jié)構(gòu)對(duì)三電極等離子體高能合成射流流場及其沖量特性的影響

張 宇1,羅振兵1,*,李海鵬2,王 林1,夏智勛1

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙 410073;2.中國國防科技信息中心,北京 100142)

等離子體激勵(lì)器以其結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢,已成為主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)和流體力學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)兩電極激勵(lì)器,三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器具有更高的能量效率,形成射流沖量更大,有望成為新型快響應(yīng)直接力產(chǎn)生裝置。為揭示激勵(lì)器結(jié)構(gòu)對(duì)射流流場和沖量特性的影響規(guī)律,進(jìn)而優(yōu)化激勵(lì)器結(jié)構(gòu)參數(shù),利用電參數(shù)測量裝置、高速陰影系統(tǒng)及自主設(shè)計(jì)的單絲扭擺式微沖量測量系統(tǒng)對(duì)不同射流孔徑、腔體體積和電極間距的三電極激勵(lì)器放電特性、射流流場及其沖量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。為對(duì)比激勵(lì)器在不同工況條件下的工作特性,定義無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*,并分析了激勵(lì)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)ε和I*的影響。結(jié)果表明對(duì)于給定無量綱能量沉積ε,激勵(lì)器存在最優(yōu)射流孔徑;激勵(lì)器無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*隨腔體體積增加而減小,隨激勵(lì)器電極間距增加而增加;射流強(qiáng)度及其流場影響區(qū)域隨腔體體積增加而減小,隨激勵(lì)器電極間距增加而增加。對(duì)比不同腔體體積和電極間距工況條件下I*隨ε的變化可知,為設(shè)計(jì)具有較好射流沖量水平的激勵(lì)器,在相同無量綱能量沉積ε條件下,應(yīng)盡量增大激勵(lì)器無量綱射流沖量I*。當(dāng)設(shè)計(jì)激勵(lì)器無量綱能量沉積ε小于初始工況時(shí),應(yīng)增大初始工況激勵(lì)器腔體體積使無量綱能量沉積ε降低至設(shè)計(jì)值;當(dāng)設(shè)計(jì)激勵(lì)器無量綱能量沉積ε大于初始工況時(shí),應(yīng)增大初始工況激勵(lì)器電極間距使無量綱能量沉積ε增加至設(shè)計(jì)值,使設(shè)計(jì)激勵(lì)器具有較好的射流沖量水平。

等離子體合成射流;高速陰影;單絲扭擺;結(jié)構(gòu)參數(shù);主動(dòng)流動(dòng)控制;能量沉積;射流沖量;射流流場

0 引 言

等離子體激勵(lì)器作為一種新型的流動(dòng)控制方式,以其結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、工作頻帶寬、適應(yīng)多工況等優(yōu)點(diǎn)正受到越來越多的關(guān)注,極有可能成為主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的新突破[1-4]。目前廣泛研究的等離子體激勵(lì)器主要包括介質(zhì)阻擋放電(DBD)激勵(lì)器[1,5]、直流/準(zhǔn)直流電弧放電激勵(lì)器[6-7]和等離子體合成射流(PSJ)激勵(lì)器[8-11]。其中介質(zhì)阻擋放電激勵(lì)器放電產(chǎn)生的體積力較小,誘導(dǎo)形成的射流速度較低,主要用于低速流動(dòng)控制[4,12]。直流/準(zhǔn)直流電弧放電激勵(lì)器通過對(duì)放電區(qū)域及其附近氣體進(jìn)行快速加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)高速流的流動(dòng)控制,但需要較大的功率輸入[13-14]。等離子體合成射流激勵(lì)器既可以產(chǎn)生速度高達(dá)數(shù)百m/s的高速射流[15],同時(shí)射流流場中伴隨較強(qiáng)的壓縮波系[16],可以兼具受控流場動(dòng)量/能量注入的“渦控”和“波控”效果[17],對(duì)于實(shí)現(xiàn)超聲速/高超聲速流主動(dòng)流動(dòng)控制具有重要意義。

雖然經(jīng)歷了十余年的發(fā)展,但目前等離子體合成射流激勵(lì)器仍處于基礎(chǔ)研究階段,其典型的兩電極結(jié)構(gòu)仍存在擊穿電壓高[18]、能量效率低[19]、射流沖量小[20]等不足。針對(duì)兩電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器存在的以上不足,課題組設(shè)計(jì)了用于快響應(yīng)直接力產(chǎn)生裝置的三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器[21],能夠顯著降低激勵(lì)器工作擊穿電壓[17],提高激勵(lì)器電極間放電電流[22],增大激勵(lì)器能量效率和射流速度[16]。鑒于射流對(duì)高速流場的控制能力依賴于射流的沖量水平,為提高三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器對(duì)高速流場的控制能力,需進(jìn)一步優(yōu)化激勵(lì)器結(jié)構(gòu),提高激勵(lì)器射流沖量。

本文利用電參數(shù)測量裝置實(shí)驗(yàn)測量了三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器放電特性,并利用高速陰影系統(tǒng)及自主設(shè)計(jì)的單絲扭擺式微沖量測量系統(tǒng)[23],對(duì)三電極等離子體高能合成射流流場及其射流沖量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量,并研究了激勵(lì)器結(jié)構(gòu)參數(shù)(射流孔徑、腔體體積、電極間距)對(duì)三電極等離子體高能合成射流流場及其沖量特性的影響。為開展三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器應(yīng)用于超聲速/高超聲速主動(dòng)流動(dòng)控制和側(cè)向力控制研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器

三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器由放電電極、絕緣腔體和帶射流出口的堵蓋組成,如圖1所示。其工作分為四個(gè)階段——點(diǎn)火觸發(fā)階段、能量沉積階段、射流噴射階段和吸氣復(fù)原階段[21]。首先在激勵(lì)器觸發(fā)電極和陰極間建立脈沖電子通道,進(jìn)而觸發(fā)陽極與陰極間的電弧放電加熱腔體內(nèi)氣體,升溫加壓的腔內(nèi)氣體從出口高速噴出,形成等離子體合成射流。而后由于等離子體高速射流的引射作用導(dǎo)致腔內(nèi)形成負(fù)壓以及腔內(nèi)氣體溫度降低,外部氣體重新回填腔體,準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)工作周期。

圖1 三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器Fig.1 Three-electrode plasma high-energy synthetic jet actuator

1.2 電源系統(tǒng)及電參數(shù)測量裝置

三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器電源系統(tǒng)及其電參數(shù)測量裝置如圖2所示。電源系統(tǒng)主要包括高壓直流電源、高壓脈沖電源和大小可置換的電容。其中高壓直流電源為變壓器推免式開關(guān)電源,提供激勵(lì)器工作過程中的能量沉積,高壓脈沖電源可以產(chǎn)生一個(gè)電壓高達(dá)20 k V的瞬時(shí)脈沖,用于在激勵(lì)器腔體內(nèi)建立放電通道,觸發(fā)高能量的電弧放電,激勵(lì)器工作頻率的調(diào)節(jié)可以通過高壓脈沖電源的頻率變化實(shí)現(xiàn)。如圖3所示為高壓脈沖電源的點(diǎn)火電路,其由電壓調(diào)節(jié)單元、點(diǎn)火能量單元、點(diǎn)火觸發(fā)單元三部分組成。通過調(diào)節(jié)電位器R1的取樣電壓,可以改變集成電路模塊TL494輸出方波的占空比,從而改變點(diǎn)火電路儲(chǔ)能電容器的輸出電壓。工作時(shí),IGBT功率管在TL494輸出方波的推動(dòng)下,經(jīng)升壓變壓器T1,獲得高壓脈沖輸出,經(jīng)高壓高頻二極管D1整流后,對(duì)儲(chǔ)能電容器C充電。當(dāng)外接觸發(fā)信號(hào)為高電平(或手動(dòng)觸發(fā)開關(guān)K3閉合)時(shí),BG1導(dǎo)通,經(jīng)T2輸出高電平脈沖,觸發(fā)SCR,使得點(diǎn)火儲(chǔ)能電容器上所儲(chǔ)電能經(jīng)觸發(fā)電極放電,形成點(diǎn)火火花放電。

圖2 電源系統(tǒng)及其電參數(shù)測量裝置Fig.2 Power system and electric parameters measurement device

圖3 高壓脈沖點(diǎn)火電路Fig.3 Circuitry of the pulsed high-voltage source

等離子體合成射流激勵(lì)器放電具有電流峰值大、放電時(shí)間短的特點(diǎn),其放電電流采用Pearson電流傳感器搭配10倍電流衰減探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量(響應(yīng)時(shí)間25ns,峰值電流20 k A)。放電電壓采用Tek P6015A高壓探頭(1000×衰減,75 MHz帶寬)進(jìn)行測量,測量電壓-電流信號(hào)采用Tek DPO3014四通道示波器(帶寬100 MHz,單次采樣速率2.5GS/s)采集。

1.3 高速陰影系統(tǒng)

采用高速激光陰影系統(tǒng)對(duì)等離子體合成射流的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。如圖4所示,點(diǎn)光源發(fā)出的光線經(jīng)過擴(kuò)束鏡投射到凹面鏡,經(jīng)凹面鏡反射后形成平行光打到平面鏡上,平面鏡反射后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)段,再由另一側(cè)平面鏡接收并反射,最后通過凹面鏡反射匯聚后進(jìn)入相機(jī)。

圖4 高速陰影觀測示意圖Fig.4 Sketch of high-speed shadowgraphy

實(shí)驗(yàn)中采用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生連續(xù)激光,出光直徑1 mm,輸出波長532 nm,最大輸出功率100 m W。

高速相機(jī)為Photron Fastcam SA-1.1高速彩色數(shù)字?jǐn)z影儀,其最高拍攝速率可達(dá)1000000 fps,最短曝光時(shí)間達(dá)1/2 730 000 s,具有很高的時(shí)間分辨率。相機(jī)由激勵(lì)器放電同步觸發(fā),保證激勵(lì)器放電與相機(jī)拍攝的同步性。

1.4 單絲扭擺式微沖量測量系統(tǒng)

單絲扭擺式微沖量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示,扭絲兩端固定于扭擺架,中部連接扭擺桿,反射鏡貼于扭擺桿中部,等離子體激勵(lì)器固定于扭擺桿一端,激光器出光口、反射鏡和標(biāo)尺在同一水平面上。激勵(lì)器工作產(chǎn)生射流反作用力直接作用于扭擺桿,致使貼于扭擺桿中部的反射鏡隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn),激光器發(fā)射光線經(jīng)反射鏡后落在標(biāo)尺上的光斑產(chǎn)生位移,該位移由高速相機(jī)記錄。

圖5 單絲扭擺式微沖量測量裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of single line torsion pendulum

等離子體合成射流激勵(lì)器單脈沖射流持續(xù)時(shí)間約為1 ms,遠(yuǎn)小于單絲扭擺振動(dòng)周期(≈4.8 s),即認(rèn)為等離子體合成射流激勵(lì)器工作形成的射流反作用力瞬間作用于單絲扭擺裝置,故建立不考慮力參數(shù)的等離子體合成射流沖量計(jì)算公式[24]:

式中:I0為標(biāo)定沖量;θr0為標(biāo)定偏轉(zhuǎn)角;Sr為實(shí)驗(yàn)光斑位移;L為反射鏡距標(biāo)尺的垂直距離。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無量綱參數(shù)與實(shí)驗(yàn)工況

等離子體高能合成射流沖量計(jì)算公式如下:

式中:tf為射流噴射持續(xù)時(shí)間;Ath為射流出口截面積;pth為激勵(lì)器出口壓強(qiáng);p∞為環(huán)境壓強(qiáng);ρth為出口射流密度;vth為出口射流速度。

由式(2)可知激勵(lì)器射流沖量由腔體內(nèi)外壓差和射流動(dòng)量兩部分貢獻(xiàn)。為綜合研究各激勵(lì)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流沖量的影響,定義激勵(lì)器無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*,其中ε表激勵(lì)器腔內(nèi)氣體加熱程度,I*表激勵(lì)器動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率。

式中Q為放電電弧能量;u(t)為放電電壓;i(t)為放電電流;E為腔內(nèi)氣體初始能量;ρ∞為環(huán)境密度, 1.225 kg/m3;V為腔體體積;cv為定容比熱,717 J/(kg·K);T∞為環(huán)境溫度,300 K。

本文對(duì)不同射流孔徑、腔體體積和電極間距激勵(lì)器的射流流場及其沖量特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。具體實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

2.2 射流孔徑的影響

圖6為放電頻率f=1 Hz,環(huán)境壓強(qiáng)P∞=1 atm條件下三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器放電的典型電壓-電流波形圖(整形濾波后)。激勵(lì)器放電電壓、電流均呈振蕩衰減的變化趨勢,且由于激勵(lì)器電源為容性電源[8],其放電電路近似等效為一個(gè)欠阻尼RLC電路。由圖6可知,電極間距4 mm,環(huán)境壓強(qiáng)1atm,放電電容1.6μF條件下三電極激勵(lì)器工作擊穿電壓約為3.5 k V,峰值電流約為3.6 k A,放電時(shí)間約為30μs。由式(3)計(jì)算可得三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器放電電弧能量Q=7.9J,且激勵(lì)器放電電弧能量不隨射流孔徑變化。

表1 不同激勵(lì)器結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)Table 1 Experimental operating conditions of different geometric actuators

圖6 典型放電電壓-電流波形圖Fig.6 Typical oscillogram of discharge voltages and currents

利用電參數(shù)測量裝置及單絲扭擺式微沖量測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測量了三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器放電電壓、電流和單脈沖射流沖量,并通過式(3)、式(4)計(jì)算得無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*。圖7為三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*隨激勵(lì)器射流孔徑的變化。由圖7和式(3)可知,激勵(lì)器無量綱能量沉積ε不隨射流孔徑變化,無量綱射流沖量I*隨射流孔徑先增大后減小,在射流孔徑d=5 mm左右時(shí)無量綱射流沖量I*達(dá)到最大。表明對(duì)于給定ε,激勵(lì)器存在最優(yōu)射流孔徑,孔徑過小會(huì)在激勵(lì)器出口發(fā)生堵塞作用,造成射流動(dòng)量損失;孔徑過大則會(huì)導(dǎo)致射流速度和射流噴射時(shí)間降低,從而造成射流沖量降低[25]。因此在激勵(lì)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇適中的射流孔徑。

圖7 無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*隨射流孔徑的變化Fig.7 Variation of theεand theI*with orifice diameters

2.3 腔體體積的影響

三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器放電電弧能量不隨激勵(lì)器腔體體積變化,放電電弧能量Q=7.9J。

圖8為放電開始后100μs不同腔體體積激勵(lì)器的射流流場,可見三電極等離子體高能合成射流呈蘑菇狀發(fā)展,且在射流鋒面上方有一道呈球?qū)ΨQ的“前驅(qū)激波”。激波強(qiáng)度可由陰影圖像中的激波平均密度梯度差等效表示[26],間接反映了激勵(lì)器腔體內(nèi)外壓比,對(duì)于給定環(huán)境壓強(qiáng),激波強(qiáng)度越大,腔體內(nèi)外壓比越大,則腔體內(nèi)外壓差越大。不同時(shí)刻射流鋒面距激勵(lì)器出口的距離可以反映射流的速度[22]。由圖8可知,隨激勵(lì)器腔體體積增加,激波強(qiáng)度和射流鋒面距激勵(lì)器出口的距離降低,即激勵(lì)器腔體內(nèi)外壓差和射流速度隨腔體體積增加而減小。

圖8 放電開始后100μs不同腔體體積激勵(lì)器的射流流場Fig.8 Flow field of different cavity volumes at 100μs after the start of the discharge

圖9為激勵(lì)器無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*隨腔體體積的變化。由圖9可知,隨激勵(lì)器腔體體積增加,無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*降低,且下降速率逐漸減小。這是由于不同腔體體積條件下激勵(lì)器放電電弧能量不變,隨腔體體積增加,激勵(lì)器放電電弧加熱氣體體積增加,單位體積腔內(nèi)氣體受熱量減小,腔內(nèi)氣體加熱程度降低,無量綱能量沉積ε隨腔體體積增加而減小。且隨激勵(lì)器腔體體積增加,腔體內(nèi)外壓差及射流速度降低,無量綱射流沖量I*減小,激勵(lì)器動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率降低。由圖9和式(3)、式(4)可知,I*和ε隨腔體體積V的變化趨勢一致,表明激勵(lì)器腔體體積V對(duì)射流沖量的影響可以轉(zhuǎn)化為無量綱射流沖量I*隨無量綱能量沉積ε的變化關(guān)系,激勵(lì)器腔體體積越小,無量綱能量沉積ε越大,無量綱射流沖量I*越大,激勵(lì)器動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率越高。因此在激勵(lì)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用小腔體體積。

圖9 無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*隨腔體體積V的變化Fig.9 Variation of theεand the I*with cavity volumes V

2.4 電極間距的影響

圖10為不同電極間距條件下三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器放電電壓-電流隨時(shí)間的變化。由圖可知,隨激勵(lì)器電極間距增加,放電電壓和電流隨之增大。

圖10 不同電極間距激勵(lì)器的放電電壓-電流波形圖Fig.10 Oscillogram of discharge voltages and currents of actuators with different electrode gaps

根據(jù)氣體擊穿的巴申定律:

激勵(lì)器電極間的擊穿電壓是環(huán)境壓強(qiáng)P∞和電極間距l(xiāng)乘積的函數(shù),相同環(huán)境壓強(qiáng)條件下,電極間擊穿電壓隨激勵(lì)器電極間距增加,放電電壓和電流隨之增大。由式(2)計(jì)算得電極間距l(xiāng)=2、3、4、5 mm時(shí)的激勵(lì)器放電電弧能量Q分別為1.9J、4.8J、7.9J和10.1J。

圖11為三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器放電開始后100μs不同電極間距激勵(lì)器射流流場。由圖11可知,隨激勵(lì)器電極間距增加,射流前驅(qū)激波強(qiáng)度和射流鋒面距激勵(lì)器出口的距離增大,激勵(lì)器腔體內(nèi)外壓差和射流速度隨之增加。

圖11 放電開始后100μs不同電極間距激勵(lì)器的射流流場Fig.11 Flow field of different electrode gaps at 100μs after the start of the discharge

圖12為激勵(lì)器無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*隨電極間距的變化。由圖12可知,隨電極間距增加,無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*增大。這是由于激勵(lì)器放電電弧能量隨電極間距增加,腔內(nèi)氣體加熱量隨之增加,相同體積的腔內(nèi)氣體加熱程度增加,無量綱能量沉積ε增大。同時(shí)激勵(lì)器腔體內(nèi)外壓差和射流速度隨電極間距增加,無量綱射流沖量I*增大,表明激勵(lì)器動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率隨之增加。因此在激勵(lì)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增大激勵(lì)器電極間距。

圖12 無量綱能量沉積ε和無量綱射流沖量I*隨電極間距l(xiāng)的變化Fig.12 Variation of theεand the I*with electrode gaps l

為研究激勵(lì)器結(jié)構(gòu)對(duì)其射流沖量的影響關(guān)系,設(shè)定激勵(lì)器初始工況為:環(huán)境壓強(qiáng)1atm,電極間距l(xiāng)=4 mm,腔體體積V=700 mm3。分別調(diào)節(jié)激勵(lì)器腔體體積和電極間距獲得無量綱射流沖量I*隨無量綱能量沉積ε的變化,如圖13所示。由圖13可知,不同腔體體積激勵(lì)器無量綱射流沖量I*隨無量綱能量沉積ε增加,但增長速率逐漸降低;不同電極間距激勵(lì)器無量綱射流沖量I*隨無量綱能量沉積ε增加,且增長速率逐漸增加。當(dāng)無量綱能量沉積ε小于初始工況時(shí),腔體體積對(duì)激勵(lì)器無量射流沖量的影響更顯著;當(dāng)無量綱能量沉積ε大于初始工況時(shí),電極間距對(duì)激勵(lì)器無量綱射流沖量的影響更顯著。由圖13可知,為維持激勵(lì)器較好的射流沖量水平,應(yīng)盡量提高無量綱能量沉積ε,但由式(3)可知,無量綱能量沉積ε受激勵(lì)器放電電弧能量和環(huán)境參數(shù)的限制,隨激勵(lì)器工作環(huán)境的改變,需根據(jù)實(shí)際工況重新設(shè)計(jì)激勵(lì)器結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)計(jì)激勵(lì)器無量綱能量沉積ε小于初始工況時(shí),應(yīng)保持激勵(lì)器電極間距與初始工況一致,增大激勵(lì)器腔體體積使無量綱能量沉積ε降低至設(shè)計(jì)值;當(dāng)設(shè)計(jì)激勵(lì)器無量綱能量沉積ε大于初始工況時(shí),應(yīng)保持激勵(lì)器腔體體積與初始工況一致,增大激勵(lì)器電極間距使無量綱能量沉積ε增加至設(shè)計(jì)值。

圖13 不同腔體體積V和電極間距l(xiāng)條件下I*隨ε的變化Fig.13 Variation of the I*with theεfor different V and different l

3 結(jié) 論

為設(shè)計(jì)更高射流沖量的三電極等離子體高能合成射流激勵(lì)器提供參考依據(jù),本文利用電參數(shù)測量裝置、高速陰影系統(tǒng)和單絲扭擺式微沖量測量系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)器放電電壓-電流、流場結(jié)構(gòu)和射流沖量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量,實(shí)驗(yàn)研究了激勵(lì)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)激勵(lì)器放電特性、射流流場及其沖量特性的影響,主要結(jié)論如下:

1)對(duì)于給定無量綱能量沉積ε,激勵(lì)器存在最優(yōu)射流孔徑,本文實(shí)驗(yàn)條件下射流孔徑d=5 mm左右時(shí)無量綱射流沖量I*最大,即在激勵(lì)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇適中的射流孔徑。

2)激勵(lì)器腔體體積增加,無量綱能量沉積ε減少,腔內(nèi)氣體加熱程度降低,腔體內(nèi)外壓差和射流速度隨之降低,無量綱射流沖量I*減小,激勵(lì)器動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率降低,在激勵(lì)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用小腔體體積。

3)激勵(lì)器電極間距增加,無量綱能量沉積ε增加,腔內(nèi)氣體加熱程度增大,腔體內(nèi)外壓差和射流速度隨之增大,無量綱射流沖量I*增大,激勵(lì)器動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率升高,在能量范圍內(nèi)激勵(lì)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增大激勵(lì)器電極間距。

4)激勵(lì)器腔體體積和電極間距對(duì)射流沖量的影響可以轉(zhuǎn)化為無量綱射流沖量I*隨無量綱能量沉積ε的變化關(guān)系。為設(shè)計(jì)具有較好射流沖量水平的激勵(lì)器,當(dāng)設(shè)計(jì)激勵(lì)器無量綱能量沉積ε小于初始工況時(shí),應(yīng)增大初始工況激勵(lì)器腔體體積使無量綱能量沉積ε降低至設(shè)計(jì)值;當(dāng)設(shè)計(jì)激勵(lì)器無量綱能量沉積ε大于初始工況時(shí),應(yīng)增大初始工況激勵(lì)器電極間距使無量綱能量沉積ε增加至設(shè)計(jì)值。

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Effect of geometric parameters on the flow field and impulse of three-electrode plasma high-energy synthetic jet actuator

Zhang Yu1,Luo Zhenbing1,*,Li Haipeng2,Wang lin1,Xia Zhixun1
(1.College of Aerospace Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha410073,China; 2.China Defense Science and Technology Information Center,Beijing100142,China)

Plasma actuators have been become the research focus in flow control and fluid dynamic fields because of the advantages of simplicity,fast response and robustness.Compared with typical two-electrode actuator,three-electrode Plasma Synthetic Jet Actuator(TE-PSJA) possesses the advantages of higher energy efficiency and bigger jet impulse,and has potential to be adopted as a fast-response direct force generation device.In order to reveal the effects of geometric parameters on the flow field and impulse,discharge characteristic,flow field and impulse of TE-PSJA with different orifices,volumes and electrode gaps were experimentally studied using electric parameter measurement device,high-speed shadowgraphy and single line torsion pendulum system.In order to compared the working characteristics of the actuator in different conditions,dimensionless energy depositionεand dimensionless jet impulseI*were defined,and the effects of geometric parameters onεandI*were analyzed.Results showed thatthe best jet orifice diameter is existed,εand I*decreases as volumes increase,but increases as electrode gaps increase,strength and affected area of the jet decrease as volumes increase,while increase as electrode gaps increase.A similar flow structure which contains a mushroom-shaped jet and a spherically symmetric precursor shock above the jet front was observed.Compared with the variation of I*withεon the different volumes and electrode gaps conditions,it can be concluded that in order to design actuators which possessed better jet impulse level,the dimensionless jet impulse I*should be increased as possible with the sameε.The cavity volume should be increased so as the dimensionless energy depositionεis to be the design value when the dimensionless energy deposition is less than the initial case.On the contrary,the electrode gaps should be increased so as the dimensionless energy depositionεbe the design value when the dimensionless energy deposition is larger than the initial case.

plasma synthetic jet;high speed shadowgraph;single line torsion pendulum; geometric parameters;active flow control;energy deposition;jet impulse;jet flow field

V211.1

Adoi:10.7638/kqdlxxb-2015.0002

0258-1825(2016)06-0783-07

2015-01-05;

2015-05-20

國家自然科學(xué)基金(11372349);全國優(yōu)秀博士論文作者專項(xiàng)資金(201058);國防科技大學(xué)杰出青年基金(CJ110101)

張宇(1990-),男,吉林長春人,碩士研究生,研究方向:等離子體高能合成射流.E-mail:zhangyu_nudt@126.com

羅振兵*(1979-),男,湖北黃石人,教授,研究方向:主動(dòng)流動(dòng)控制.E-mail:luozhenbing@163.com

張宇,羅振兵,李海鵬,等.激勵(lì)器結(jié)構(gòu)對(duì)三電極等離子體高能合成射流流場及其沖量特性的影響[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2016,34 (6):783-789.

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