等離子體合成射流對超聲速混合層的混合增強*

王鵬 沈赤兵

(國防科技大學(xué),空天科學(xué)學(xué)院,高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室,長沙 410073)

1 引 言

隨著高超聲速飛行器的發(fā)展,作為實現(xiàn)方式之一的超燃沖壓發(fā)動機成為研究熱點.在超燃沖壓發(fā)動機中,燃料和氧化劑的快速摻混可以減小燃燒室的長度,提高燃燒效率[1-3].由于燃料和空氣在燃燒室內(nèi)停留時間為微秒量級[4],如何快速地實現(xiàn)燃料和氧化劑的混合,是發(fā)展超燃沖壓發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一.以此為背景的超聲速混合層增強混合成為一個研究的熱點.相對于亞聲速混合層,超聲速混合層厚度的空間增長率較低[5],隨著壓縮性增強的混合難度越來越大[2].尋找超聲速混合層增強混合的方法具有十分重要的實際意義.

增強混合的裝置一般是基于加快失穩(wěn)、加快誘導(dǎo)渦結(jié)構(gòu)原理設(shè)計的.混合增強的方式可以分為主動增強和被動增強[6].被動增強是改變尾緣結(jié)構(gòu),常見的被動混合增強構(gòu)型有波瓣、鋸齒等[7-9].主動增強是向流場周期性的注入能量,常見的方式有機械振動、射流擾動和放電激勵[10-12].被動增強混合雖然具有簡單易行的特點,但是不能根據(jù)情況改變.較被動增強混合方式而言,主動增強混合方式可以彌補這一缺陷,并且能在增強混合的同時降低總壓損失.雖然主動增強混合是較為有效的增強混合方式,但傳統(tǒng)的主動增強混合手段仍存在能量較低、響應(yīng)慢、需要附加氣源等方面的不足.

等離子體合成射流是一種新的控制手段,具有能量密度高、響應(yīng)速度快、無需額外的氣源和沒有機械活動部件的優(yōu)勢,彌補傳統(tǒng)主動增強混合的不足[13-15].此外等離子合成射流的擾動還具有一定的方向性.等離子體合成射流工作原理可以簡單表述為: 在激勵器腔內(nèi)放電將氣體加熱,腔體內(nèi)氣體受熱后壓力上升,氣體從小孔噴出對外膨脹做功.等離子體合成射流不同于直接暴露在流場中的放電激勵.等離子體合成射流是通過產(chǎn)生的射流和壓縮波對流場進行擾動.直接暴露在流場中的放電激勵是通過快速局部焦耳熱效應(yīng)產(chǎn)生的壓縮波和電流體動力學(xué)效應(yīng)對流場實現(xiàn)擾動[16].

以等離子體合成射流作為控制手段,在超聲速流動中主要應(yīng)用于邊界層和激波的控制[17-19],對于混合層的控制主要還停留在亞聲速.Hardy等[20]實驗研究了等離子合成射流對亞聲速射流的控制,實驗結(jié)果表明等離子體合成射流誘導(dǎo)出渦結(jié)構(gòu)使射流剪切層變厚.Huet[21]采用數(shù)值仿真方法研究了等離子體合成射流對亞聲速射流的流動控制,實現(xiàn)了降低噪音.Chedevergne等[22]采用實驗加數(shù)值仿真的方法研究了等離子體合成射流對馬赫數(shù)為0.6的高雷諾數(shù)射流的流動控制機理.作為一種對混合層的控制手段,等離子體合成射流在亞聲速中表現(xiàn)出較強的控制能力.

等離子體合成射流用于超聲速混合層的控制目前研究的較少.本文將采用實驗加仿真的方法,驗證等離子合成射流對超聲速混合層控制的有效性,分析對比激勵器布置位置不同對激勵器性能以及混合增強效果的影響,為在超聲速流場中設(shè)計高效的增強混合方案提供參考.

2 實驗設(shè)備

2.1 實驗風(fēng)洞

實驗在低噪聲超聲速混合層風(fēng)洞中進行.混合層風(fēng)洞如圖1所示,實驗段長度為350 mm,高度為60 mm,寬度為200 mm.為消除流向壓力梯度,風(fēng)洞的上下壁面有1°的張角.厚度為10 mm的隔板從風(fēng)洞入口到噴管出口將風(fēng)洞從中間分為兩部分.風(fēng)洞實驗段實物圖如圖2所示.風(fēng)洞上側(cè)噴管馬赫數(shù)為1.37,風(fēng)洞下側(cè)噴管馬赫數(shù)為2.39,根據(jù)對流馬赫數(shù)(Mc)計算公式[23,24]

其中U1是上側(cè)氣流流向速度,U2為下側(cè)氣流流向速度,a1為上側(cè)氣流聲速,a2為下側(cè)氣流聲速.所得對流馬赫數(shù)為0.3,具體參數(shù)見表1.上側(cè)氣流的總壓調(diào)節(jié)器用于在實驗段實現(xiàn)靜壓匹配.

2.2 等離子體合成射流激勵器

等離子體合成射流的詳細原理在文獻[25-27]中有較多的介紹.圖3是安裝有等離子體激勵器陣列隔板的示意圖.X,Y,Z分別代表流向、橫向和展向的方向.激勵器安裝在距離隔板尾端約15 mm處,實現(xiàn)對上側(cè)氣流的擾動.5個激勵器采用串聯(lián)放電方式工作.每個激勵器由圓柱形放電腔體和一對電極組成.采用抗放電燒蝕能力強的鎢針作為電極,電極直徑為1 mm,腔體采用的是樹脂材料.放電電極之間的間距為1 mm.圓柱形放電腔體的直徑為12 mm、高度為6 mm、體積為678.24 mm3.有一個直徑為2.5 mm的射流孔,如圖4所示.電源采用KD-1高壓脈沖電源[16],最大輸出電壓為10 kV,脈沖頻率為1-50 Hz,單次脈沖最大輸出能量為20 J.本次實驗使用的放電電容為640 nF.

圖1 超聲速混合層風(fēng)洞示意圖Fig.1.Schematic of the supersonic mixing layer wind tunnel.

圖2 超聲速混合層風(fēng)洞實物圖Fig.2.The test section of supersonic mixing layer wind tunnel.

表1 壓力匹配情況下校測流場參數(shù)Table 1.Flow parameters of supersonic mixing layer.

圖3 安裝有等離子體合成射流激勵器隔板在風(fēng)洞中的位置 (a) 隔板在風(fēng)洞中位置; (b) 激勵器在隔板上的位置Fig.3.Schematic of the wind tunnel and the actuator mounted inside a plate: (a) Splitter plate in the wind tunnel; (b) actuator in the splitter plate.

2.3 測量設(shè)備

圖4 兩電極等離子體合成射流激勵器Fig.4.Two-electrode plasma synthetic actuator.

使用紋影系統(tǒng)觀測等離子體合成射流對混合層的擾動過程.紋影系統(tǒng)主要包括光源、高速相機、凹面鏡、刀口.紋影系統(tǒng)與試驗段的位置如圖5所示.凹面鏡直徑為200 mm、焦距為2 m.光源采用的是連續(xù)的碘鎢光源.相機的曝光時間為1 μs,拍攝頻率為30000 Hz,拍攝的像素為1024 pixel×688 pixel.

圖5 紋影系統(tǒng)示意圖Fig.5.The schematic diagram of schlieren system.

實驗使用基于納米粒子的平面激光散射技術(shù)(nanoparticle-based planar laser scattering,NPLS)的系統(tǒng)來獲取流場的精細結(jié)構(gòu).NPLS系統(tǒng)是由趙玉新等[28]基于瑞利散射原理開發(fā)出來的.NPLS系統(tǒng)包含有: 雙腔Nd:YAG激光器,波長為532 nm,單次脈沖的能量為350 mJ,脈沖寬度為6 ns; 一臺跨幀像素為4008 pixel×2672 pixel跨幀CCD相機; 一臺控制激光器和相機的同步控制器; 一臺納米粒子發(fā)生器; 一臺計算機.TiO2被選為示蹤粒子,TiO2有效直徑為42.5 nm,松弛時間為66.3 ns.TiO2優(yōu)勢在于對超聲速氣流中小尺度的脈動有較好的跟隨性.流場圖片的灰度圖與納米粒子的濃度成比例,納米粒子的濃度又與密度成比例,所以流場圖片的灰度值可以反映密度場.

粒子圖像測速儀(particle image velocimetry,PIV)與NPLS系統(tǒng)共用一套設(shè)備.利用納米粒子良好的跟隨性可以獲得較為準確的超聲速流場速度分布.CCD相機的最短曝光時間間隔為0.5 μs,根據(jù)兩幅跨幀圖像以及時間間隔可以得出速度場.

NPLS/PIV的最大工作頻率為2 Hz,但是相機的曝光時間僅為6 ns,等離子體合成射流激勵器作用在流場的時間遠小于1 ms.等離子體合成射流的擾動需要一段時間之后才能傳遞到觀測區(qū)域中間方便觀測.為滿足上述的要求,NPLS/PIV需要在等離子體合成射流激勵器工作一段時間之后再開啟工作.用一臺信號源發(fā)生器先觸發(fā)等離子體合成射流激勵器,延時一段時間觸發(fā)NPLS/PIV系統(tǒng).NPLS/PIV拍攝區(qū)域見圖3.實驗系統(tǒng)的具體時序見圖6.

3 實驗結(jié)果

圖7為等離子體合成射流單次脈沖的紋影圖片.圖7(a)是等離子體合成射流沒有工作時的狀態(tài).當(dāng)?shù)入x子體合成射流開始放電時設(shè)為T0時刻.圖7(b)為(T0+ 67 μs)時刻的紋影結(jié)果,從圖中可以看出在射流出口上游產(chǎn)生一道斜激波,表明射流開始噴出.圖7(c)為(T0+ 233 μs)時刻的紋影結(jié)果,可以看到此時的混合層與未受擾動的有所區(qū)別,在射流出口之前激波變?yōu)檎げ?說明此時射流強度較大.圖8為單次擾動的等離子體合成射流的NPLS結(jié)果.圖8(a)是未受擾動時NPLS流場結(jié)構(gòu)圖像,可以看出流場已經(jīng)是湍流狀態(tài).圖8(b)為(T0+ 180 μs)時刻的NPLS結(jié)果,可以看出等離子體合成射流誘導(dǎo)出了大尺度的渦結(jié)構(gòu).但是86 mm之后由于擾動尚未傳播到,因而未形成此位置之前量級的大尺度渦結(jié)構(gòu).圖8(c)是(T0+230 μs)的NPLS結(jié)果,擾動的隨著氣流繼續(xù)向下游運動,在擾動過后大尺度渦結(jié)構(gòu)繼續(xù)增長,相較于圖8(b)中渦結(jié)構(gòu)尺度有所增大.圖9為等離子體合成射流擾動后的PIV平均結(jié)果,圖9(a)為未受擾動的流向平均速度場,圖9(b)為(T0+ 230 μs)時刻流向速度平均云圖.通過圖9(a)和(b)兩幅圖的對比可以看出,在60-100 mm之間,混合層處的流向速度分布有明顯不同.對應(yīng)到圖8(c)NPLS結(jié)果中,可看出擾動在這個時刻傳遞到此處,說明等離子體合成射流可以對速度場造成較大的擾動.同時也說明經(jīng)過系統(tǒng)精確控制,等離子體合成射流在相同的延時條件下,流過流場的距離較為穩(wěn)定.圖9(c)為未受擾動時刻的橫向速度標準差,由于橫向速度變化較大,在混合層區(qū)域標準偏差較大.圖9(d)為(T0+ 230 μs)時刻的橫向速度標準偏差,與圖9(c)對比可以看出在80-100 mm處橫向速度標準偏差較大,說明此處受擾動后橫向速度脈動量加大.

4 數(shù)值仿真

由于實驗獲取數(shù)據(jù)較少,對電源的要求較高,因而采用仿真手段進行研究.研究高頻激勵器布置在不同位置對超聲速混合層的影響效果.仿真對象的射流出口的為大長寬比的窄縫,當(dāng)出口的長寬比大于1∶4的時候可以看作是二維,進而可以使用二維仿真進行研究[29].分別對無擾動(unperturbation)、激勵器在隔板上表面(up)、激勵器在隔板尾端(end)、激勵器在隔板下表面(bottom)四種工況進行仿真,物理模型見圖10.模擬頻率為5 kHz,單次釋放能量為150 mJ.假設(shè)每次釋放的熱量相同,假設(shè)布置在不同位置激勵器釋放的熱量也相同,使用Fluent 15.0的大渦模擬,時間精度采用的是二階隱式,對流通量使用三階AUSM離散,空間項使用三階MUSCL離散.

圖6 等離子體合成射流試驗系統(tǒng)的時序示意圖Fig.6.Schematics of the experimental system sequence chart.

圖7 紋影結(jié)果 (a) T0 + 0 μs; (b) T0 + 67 μs; (c) T0 + 233 μsFig.7.Schlieren images: (a) T0 + 0 μs; (b) T0 + 67 μs;(c) T0 + 233 μs.

圖8 等離子體合成射流對超聲速混層作用的NPLS結(jié)果(a) 未受擾動; (b) T0 + 180 μs; (c) T0 + 230 μsFig.8.NPLS images of supersonic mixing layer under perturbation and unperturbation: (a) Unperturbation; (b) T0 +180 μs; (c) T0 + 230 μs.

圖9 PIV的實驗結(jié)果 (a) 流向速度的平均結(jié)果; (b) T0+ 230 μs時刻流向速度的平均結(jié)果; (c) 橫向速度標準差;(d) T0 + 230 μs時刻橫向速度標準差Fig.9.PIV experimental results: (a) Averaged X-velocity;(b) averaged X-velocity at T0 + 230 μs; (c) Y-velocity standard deviation; (d) Y-velocity standard deviation at T0 + 230 μs.

等離子體對氣體加熱的過程十分復(fù)雜,本文將其簡化為一個熱源.將放熱過程持續(xù)時間設(shè)置為10 μs,假設(shè)熱量為恒定輸出.根據(jù)文獻[30],其釋放熱效率取為10%,熱源密度為

其中ηh代表熱效率,Ec代表輸入的能量,V代表激勵器腔體的體積,τ代表放電持續(xù)的時間,f代表的是激勵器的頻率.上下面設(shè)置為壓力遠場,上下入口采用的是壓力入口,具體參數(shù)見表1.出口設(shè)置為壓力出口.腔體材料采用的是樹脂材料,所以將壁面條件近似設(shè)置為絕熱條件.

圖10 仿真物理模型 (a) 無擾動; (b) 激勵器在隔板上表面; (c) 激勵器在隔板尾端; (d) 激勵器在隔板下表面Fig.10.Physical model: (a) Unperturbation; (b) the actuator at the upper surface of the splitter plate; (c) the actuator at the end surface of splitter plate; (d) the actuator at bottom surface of splitter plate.

4.1 算例及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

仿真模型以及網(wǎng)格加密示意圖如圖11所示,使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對流場進行網(wǎng)格劃分,對隔板上下表面進行網(wǎng)格加密,隔板上下表面第一層網(wǎng)格為2×10-6m,以確保y+≤ 1,滿足大渦模擬對第一層網(wǎng)格的要求.對混合層所在區(qū)域進行y方向加密.在流場的入口以及隔板尾端進行x方向加密.

圖11 算例驗證的計算模型及網(wǎng)格Fig.11.Calculation model and grid for code validation.

使用三套網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,grid-1網(wǎng)格量為179640,grid-2網(wǎng)格量為334804,grid-3網(wǎng)格量為742480.圖12為未受擾動工況下三套網(wǎng)格的數(shù)值仿真結(jié)果和實驗結(jié)果在流向x=150 mm處的流向速度剖面曲線.從圖12中可以看出三套網(wǎng)格結(jié)果相差不大,說明滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求.本文選取grid-2網(wǎng)格做計算.

圖12 網(wǎng)格無關(guān)性及算例驗證Fig.12.Certification of grid independence and code validation.

算例驗證主要包括兩個方面,一是計算方法是否可以準確的仿真超聲速混合層; 二是計算方法是否可以仿真等離子體合成射流對超聲速流場的擾動.對于對超聲速混合層的數(shù)值仿真,從圖12中可以看出數(shù)值仿真結(jié)果與實驗結(jié)果在上側(cè)和下側(cè)氣流處略有偏差.對于流場上側(cè)和下側(cè)出現(xiàn)偏差的原因主要是: 1)PIV系統(tǒng)本身存在1%左右的誤差;2)作為數(shù)值仿真邊界條件的流場測量參數(shù)存在測量誤差.在流場的混合區(qū)域,數(shù)值仿真結(jié)果與實驗結(jié)果存在一定的誤差.從圖7和圖8可以看出,流場中存在著安裝激波、隔板尾端的膨脹波以及混合層相遇產(chǎn)生的再附激波,經(jīng)過波系后混合層向上側(cè)傾斜,并且渦量增大混合更加均勻.這樣就出現(xiàn)了圖12中的結(jié)果,實驗結(jié)果的混合區(qū)域比數(shù)值仿真結(jié)果位置偏上,并且實驗結(jié)果比數(shù)值仿結(jié)果速度曲線過渡更加平滑.總體來說,采用的計算方法合理且可行.

等離子體合成射流對超聲速流場擾動的算例驗證,仿真采用圖10(b)所示的物理模型.使用紋影結(jié)果和NPLS結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果進行對比.如圖13所示,在(T0+ 67 μs)時刻的數(shù)值紋影和紋影實驗結(jié)果進行對比,可以看出在射流孔的上游都產(chǎn)生了斜激波.如圖14所示,將(T0+ 180 μs)時刻數(shù)值仿真密度場和NPLS結(jié)果進行對比,可以看出擾動傳遞到的地方會產(chǎn)生較大的渦結(jié)構(gòu),在擾動未傳播到的地方,渦結(jié)構(gòu)較小.但是數(shù)值仿真的擾動傳播距離要小于實驗中擾動傳播的距離.由于采用二數(shù)值仿真,其腔體大小和出口直徑不能完全反映實驗工況.激勵器腔體內(nèi)放電過程較為復(fù)雜,仿真時只是將放電能量沉積過程簡化為一個熱源對腔體氣體加熱過程,其能量傳遞給腔體氣體的值也難以準確估算.因此仿真與實驗結(jié)果存在一定的差距.但是數(shù)值仿真可以反映超聲速混合層受等離子體合成射流擾動的基本形態(tài)和發(fā)展趨勢,可以進行定性的對比分析.

圖13 (T0 + 67 μs)時刻紋影實驗結(jié)果與數(shù)值紋影結(jié)果對比 (a) 紋影實驗結(jié)果; (b) 數(shù)值紋影結(jié)果Fig.13.T0 + 67 μs,numerical and experimental schlierens:(a) Experimental schlieren; (b) numerical schlieren.

圖14 (T0 + 180 μs)時刻NPLS結(jié)果與數(shù)值仿真密度場對比 (a) NPLS結(jié)果; (b) 數(shù)值仿真密度場Fig.14.T0 + 180 μs,contour of density and NPLS result:(a) NPLS result; (b) contour of density.

4.2 激勵器位置不同對混合層的影響

圖15所示為(T0+ 555 μs)時刻瞬時數(shù)值仿真密度場,與未受擾動的工況對比,可以看出這三個工況渦結(jié)構(gòu)都有明顯的增大,擾動已經(jīng)影響到了整個流場,誘導(dǎo)出連續(xù)大尺度渦結(jié)構(gòu).

圖15 (T0 + 555 μs)時刻密度場 (a) 未受擾動; (b) 激勵器在隔板上表面; (c) 激勵器在隔板尾端; (d) 激勵器在隔板下表面Fig.15.Contours of density at T0 + 555 μs: (a) Unperturbation; (b) the actuator at the upper surface of the splitter plate; (c) the actuator at the end surface of the splitter plate; (d) the actuator at the bottom surface of the splitter plate.

圖16為(T0+ 75 μs)瞬時溫度云圖和流線仿真結(jié)果.圖16(a)中激勵器在隔板上表面布置,可以看出熱氣流噴出后,形成一個虛擬型面將來流抬高,周期性的射流噴出可以實現(xiàn)氣流的上下擺動,使得y方向速度脈動量增加,有助于氣流摻混均勻.圖16(b)中激勵器在隔板的尾端布置,可以看出等離子體合成射流噴出后直接作用在混合層的再附點上,從而加快混合層失穩(wěn),達到增強混合的效果.并且由圖16(a)和圖16(b)這兩個圖可以推知,由于在隔板尾端布置的激勵器可以直接作用在混合層上,因而混合層對在隔板尾端布置的激勵器擾動響應(yīng)最快.

圖16 (T0 + 75 μs)時刻溫度云圖和流線 (a) 激勵器在隔板上表面; (b) 激勵器在隔板尾端Fig.16.Simulation of the temperature and flow: (a) The actuator at the upper surface of the splitter plate; (b) the actuator at the end surface of the splitter plate.

圖17為555 μs內(nèi)的時均速度厚度曲線.混合層速度厚度δ定義為歸一化速度和之間的橫向距離,歸一化速度定義為[31]

可以看出有擾動工況混合層厚度都比未添加擾動工況大.在添加擾動的工況中,在隔板尾端布置激勵器的工況混合層厚度最大.這是由于混合層存在速度拐點,是天然的不穩(wěn)定系統(tǒng),在隔板尾端布置的激勵器噴出的射流直接作用在混合層上.此外由于仿真工況來流湍流度不高,混合層對微小擾動較為敏感,在隔板尾端布置的激勵器不工作的時候,腔體與上下兩股氣流相互作用也會誘導(dǎo)出大尺度渦結(jié)構(gòu),從而增加了時均混合層速度厚度.在隔板上下表面布置激勵器的工況,混合層厚度相差不大,但是可以看出布置在上表面的工況混合層厚度大于布置在下表面工況的混合層厚度.這是由于上面氣流的速度以及總壓低于下面氣流,上側(cè)添加擾動更容易實現(xiàn)混合層厚度的增長.

圖17 時均速度混合層厚度Fig.17.Time-averaged velocity thickness of mixing layer.

4.3 布置位置不同對激勵器性能的影響

圖18為激勵器出口參數(shù).由于在隔板尾端外部壓力較小,噴出射流獲得了較大的速度,因此氣體膨脹做功轉(zhuǎn)化的動能較多,因而出口的動量是這三個工況中最大的.而在隔板上下表面布置的激勵器,射流與來流相互作用,氣體膨脹做功轉(zhuǎn)化為動能較少.但是由于上下兩股氣流的引射造成隔板尾端布置的激勵器腔體內(nèi)氣體密度較小,因而噴出的射流質(zhì)量流量最小.同時可以看出在隔板尾端布置激勵器出口壓力也小于激勵器布置在隔板上下表面的工況.

圖19為激勵器腔體內(nèi)參數(shù).圖19(a)為激勵器腔體內(nèi)氣體密度曲線圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn),腔體內(nèi)密度隨著放電次數(shù)的增加而逐漸降低.這是由于算例設(shè)置的激勵器腔體是絕熱壁面,做功過后腔體內(nèi)溫度難以降低,腔體內(nèi)維持一定壓力造成外部氣體內(nèi)難以回吸.這樣就導(dǎo)致隨放電次數(shù)增多,激勵器做功能力下降.對于高頻的激勵器來說,應(yīng)該采用六方氮化硼陶瓷等導(dǎo)熱能力強的材料作為激勵器腔體,或者采用沖壓式激勵器[32].圖19(b)為激勵器腔體溫度曲線圖,在熱源釋放熱量相同,腔體體積相同的情況下,腔體內(nèi)氣體溫度的變化與密度成反比.由于激勵器布置在不同位置造成腔體內(nèi)密度不相同,因此溫度變化也不相同.在隔板尾端布置的激勵器由于氣體密度最小,所以溫度升高也最高.圖19(c)為激勵器腔體內(nèi)壓力曲線圖,可見激勵器布置在隔板上下表面的工況腔體內(nèi)的最大壓力是相同,而在隔板尾端布置的激勵器腔體內(nèi)的最大壓力小于其他兩個工況.這可能是由于上下兩股氣流的引射,造成腔體內(nèi)密度較小,因而最大壓力要小于其他兩個工況的最大壓力.同時可以看出這三個工況達到峰值壓力的時間差別不大.

圖18 激勵器出口參數(shù) (a) 激勵器出口質(zhì)量流量; (b) 激勵器出口速度; (c) 激勵器出口動量率; (d) 激勵器出口壓力Fig.18.The parameters of actuator outlet: (a) The mass flow rate of actuator outlet; (b) the velocity of actuator outlet; (c) the momentum rate of actuator outlet; (d) the pressure of actuator outlet.

圖19 激勵器腔體內(nèi)參數(shù) (a) 激勵器腔體密度; (b) 激勵器腔體內(nèi)溫度; (c) 激勵器腔體內(nèi)壓力Fig.19.Parameters of actuator cavity: (a) Density of the gas in the actuator chamber; (b) temperature of the gas in the actuator chamber; (c) pressure of the gas in the actuator chamber.

5 結(jié) 論

本文采用紋影方法研究等離子體射流擾動混合層的過程,采用NPLS和PIV方法研究了超聲速混合層受等離子體合成射流擾動后的流場特性.采用數(shù)值仿真的方法研究了高頻等離子體合成射流布置在不同位置對超聲速混合層的影響,以及布置位置不同對等離子體合成射流激勵器性能的影響.實驗表明等離子體合成射流對超聲速混合層擾動十分明顯.仿真結(jié)果表明高頻激勵器有效地增強混合層的厚度,獲得以下主要結(jié)論.

1)激勵器出口布置隔板上下表面作用機理與激勵器出口布置在隔板尾端的作用機理不相同.布置在隔板上下表面激勵器先作用在來流上,然后再影響混合層發(fā)展,激勵器出口在隔板尾端的射流作用在混合層再附點上,加速混合層的失穩(wěn).并且可以推知混合層對在隔板尾端布置的激勵器響應(yīng)最快.

2)在激勵器腔體內(nèi)氣體吸收的熱量是在相同的前提下,位置不同導(dǎo)致激勵器出口的外部環(huán)境差別較大,因而對等離子體合成射流做功能力的影響很大.

3)高頻等離子體合成射流激勵器對氣體回吸要求較高,只有氣體及時回吸才能將保證激勵器做功能力不衰減.因此在設(shè)計等離子體合成射流激勵器時應(yīng)該采用導(dǎo)熱性能好的材料或者采用沖壓式設(shè)計,保證每次做功激勵器腔體內(nèi)氣體密度符合要求.