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    滑動(dòng)放電等離子體控制細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦實(shí)驗(yàn)研究

    2022-12-09 08:58:46金元中鄭博睿喻明浩劉園鵬張倩孫正中于濤
    實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2022年5期
    關(guān)鍵詞:背風(fēng)來(lái)流細(xì)長(zhǎng)

    金元中,鄭博睿,*,喻明浩,*,劉園鵬,張倩,孫正中,于濤

    1. 西安理工大學(xué),西安 710048 2. 倫敦大學(xué) 城市學(xué)院,倫敦 EC1V 0HB 3. 重慶交通大學(xué) 綠色航空技術(shù)研究院,重慶 401135

    0 引 言

    戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)性和敏捷性是決定空戰(zhàn)勝負(fù)的關(guān)鍵因素,其中機(jī)動(dòng)性已成為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一[1]。為了獲得戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì),要求飛行器能在大迎角甚至在過(guò)失速條件下機(jī)動(dòng)飛行。當(dāng)細(xì)長(zhǎng)體飛行器大迎角機(jī)動(dòng)飛行時(shí),其繞流流場(chǎng)呈現(xiàn)出復(fù)雜多渦流動(dòng)現(xiàn)象,流場(chǎng)參數(shù)變化迅速,邊界層的分離,旋渦的形成、發(fā)展和破裂以及不對(duì)稱渦的產(chǎn)生,導(dǎo)致氣動(dòng)力和力矩出現(xiàn)很強(qiáng)的非定常非線性特性,最終在大迎角無(wú)側(cè)滑狀態(tài)下,產(chǎn)生強(qiáng)度很大、隨機(jī)出現(xiàn)的側(cè)向力和偏航力矩,影響飛行性能[2-4]。

    已有研究發(fā)現(xiàn):飛行器細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)的非對(duì)稱渦是產(chǎn)生這些隨機(jī)側(cè)向力的直接原因,側(cè)向力的方向和大小均由這些強(qiáng)度和位置不對(duì)稱的旋渦決定[5]。因此,需要尋求有效的控制手段抑制細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦的形成與發(fā)展,控制側(cè)向力和偏航力矩,為提升飛行器大迎角飛行時(shí)的操縱性和穩(wěn)定性提供技術(shù)支撐。

    對(duì)于大迎角下細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦的成因,目前主要有兩個(gè)觀點(diǎn)[6-9]:1)黏性觀點(diǎn)。在黏性作用下,細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩點(diǎn)不對(duì)稱,造成該區(qū)域分離點(diǎn)不對(duì)稱,從而導(dǎo)致渦脫落點(diǎn)不對(duì)稱,進(jìn)而演化為非對(duì)稱渦,最終產(chǎn)生方向和大小隨機(jī)的側(cè)向力。2)無(wú)黏觀點(diǎn)。細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)旋渦在空間上存在不穩(wěn)定性,造成旋渦的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不對(duì)稱,進(jìn)而誘發(fā)背風(fēng)區(qū)流動(dòng)不對(duì)稱,最終產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的側(cè)向力。

    部分學(xué)者傾向于認(rèn)同無(wú)黏觀點(diǎn)[9]。本文基于“無(wú)黏觀點(diǎn)”設(shè)計(jì)了順流式滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器,旨在沿來(lái)流方向在細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生對(duì)稱的等離子體激勵(lì),在附壁效應(yīng)作用下,細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)兩側(cè)的等離子體射流在背風(fēng)區(qū)中心位置匯聚為一股合成射流,起到類似三角翼背鰭將渦對(duì)隔離的效果,削弱非對(duì)稱渦之間的相互作用,提高旋渦的穩(wěn)定性。

    根據(jù)有無(wú)外在能量輸入,細(xì)長(zhǎng)體非對(duì)稱渦控制技術(shù)可分為被動(dòng)控制技術(shù)和主動(dòng)控制技術(shù)。被動(dòng)控制技術(shù)主要有邊界層轉(zhuǎn)捩帶、微鼓包、微凹坑、邊條、頭部鈍化、自激振蕩旗幟和渦流發(fā)生器等。主動(dòng)控制技術(shù)主要有等離子體發(fā)生器、單孔位微吹氣、頭部軸向吹氣、合成射流激勵(lì)器、非定常小擺振片和微充氣邊條等[10]。與主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)相比,被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)需要改變細(xì)長(zhǎng)體外部構(gòu)型,導(dǎo)致成本增加;同時(shí),當(dāng)外部流場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),被動(dòng)控制技術(shù)不能根據(jù)流場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),控制效果降低。因此,近年來(lái)主動(dòng)控制技術(shù)得到了更多的關(guān)注[11]。

    等離子體流動(dòng)控制技術(shù)是利用等離子體氣動(dòng)激勵(lì)改善氣動(dòng)特性的新概念主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù),具有響應(yīng)時(shí)間短、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、激勵(lì)頻帶寬等技術(shù)優(yōu)勢(shì),已在機(jī)翼增升減阻、壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)增效和激波特性控制等方面取得重要進(jìn)展[12]。近年來(lái),等離子體控制細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注。孟宣市[13-14]、鄭博睿[15]、王健磊[16]、龍玥霄[17]等對(duì)采用等離子體流動(dòng)控制技術(shù)的非對(duì)稱渦流動(dòng)控制機(jī)理進(jìn)行了深入研究,在提高可控來(lái)流雷諾數(shù)、電參數(shù)最優(yōu)化(激勵(lì)電壓、脈沖頻率和占空比)、激勵(lì)器幾何參數(shù)最優(yōu)化(激勵(lì)器尺寸、結(jié)構(gòu)和放電類型)等方面取得了一定成果[18-20]。

    近年來(lái),在介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器(Dielectric Barrier Discharge,DBD)研究的基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列等離子體滑動(dòng)放電(sliding discharge)方面的研究[21-23]:通過(guò)給DBD 增加滑動(dòng)電極、接入高壓直流,提升DBD 激勵(lì)器表面電場(chǎng);激勵(lì)器上表面中性粒子在更強(qiáng)的電場(chǎng)作用下,進(jìn)一步促進(jìn)DBD 表面空氣電離;帶電離子在電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)下,向滑動(dòng)電極加速運(yùn)動(dòng);隨著直流電壓增強(qiáng),等離子體放電面積增大,產(chǎn)生滑動(dòng)放電效果。研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)DBD 相比,滑動(dòng)放電可以增大流動(dòng)控制有效區(qū)域(dm2量級(jí)),提升最大誘導(dǎo)速度(同比提升1.5 倍),實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)射流方向可控(0°~180°可調(diào)),極大改善等離子體流動(dòng)控制效果[24-26]。

    為進(jìn)一步改善等離子體流動(dòng)控制效果,本文根據(jù)非對(duì)稱渦成因假設(shè),設(shè)計(jì)了順流式四電極滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器,即在常規(guī)介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器(DBD)基礎(chǔ)上增加2 個(gè)裸露電極作為滑動(dòng)電極,目的是擴(kuò)大等離子體放電面積以增強(qiáng)等離子體誘導(dǎo)產(chǎn)生的體積力。

    本文通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究不同激勵(lì)電壓、不同來(lái)流速度對(duì)細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦控制效果的影響規(guī)律。根據(jù)測(cè)壓系統(tǒng)和粒子圖像測(cè)速儀(PIV)的同步測(cè)量,分析等離子體激勵(lì)誘導(dǎo)的旋渦與非對(duì)稱渦之間動(dòng)態(tài)相互作用的時(shí)空演變規(guī)律,進(jìn)一步闡明等離子體放電對(duì)細(xì)長(zhǎng)體繞流流場(chǎng)和非對(duì)稱渦空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的作用效果。

    1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及模型

    1.1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞及模型

    實(shí)驗(yàn)在空軍工程大學(xué)低速閉環(huán)回流式風(fēng)洞(圖1)中開(kāi)展。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)1.0 m、寬1.2 m、高1.0 m,風(fēng)速可調(diào)范圍5~75 m/s,湍流度小于0.2%。

    細(xì)長(zhǎng)體圓錐實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷撞恐睆?20 mm、圓錐半頂角10°,圓錐可拆卸頭部長(zhǎng)150 mm。安裝初始迎角45°,側(cè)滑角0°,可通過(guò)迎角機(jī)構(gòu)精確調(diào)節(jié),誤差為0.2°,如圖2 所示。模型表面測(cè)壓系統(tǒng)采用PSI 公司的9816 壓力傳感器,采樣頻率為100 Hz,壓力誤差為0.1% FS,采集量程為±1 psi(6.895 kPa)。實(shí)驗(yàn)中,壓力傳感器對(duì)每個(gè)狀態(tài)均采集10 s。

    圖2 細(xì)長(zhǎng)體實(shí)驗(yàn)?zāi)P图澳P褪疽鈭D[25]Fig. 2 Schematic diagram of slender body[25]

    采用二維PIV 對(duì)細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦的精細(xì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量研究。使用2048 像素×2048 像素的CCD 相機(jī)進(jìn)行拍攝,拍攝截面為測(cè)壓截面①,距離細(xì)長(zhǎng)體頂點(diǎn)170 mm,如圖2(b)所示,圖像采集頻率為5 Hz。激光以45°角照射于測(cè)壓截面①。為避免模型表面反光影響拍攝效果,在細(xì)長(zhǎng)體可拆卸頭部之外的表面均勻噴涂啞光黑漆。PIV 示蹤粒子判定準(zhǔn)則為[27]:

    式中:τp、ρp和dp分別為示蹤粒子的響應(yīng)時(shí)間、密度和直徑;μ為空氣動(dòng)力黏度;τf為外流特征時(shí)間;Lref為實(shí)驗(yàn)?zāi)P吞卣鞒叨?;uref為實(shí)驗(yàn)主流速度。當(dāng)斯托克斯數(shù)St<0.1 時(shí),示蹤粒子和外界流動(dòng)有較高的同步性。經(jīng)過(guò)計(jì)算,采用煙餅產(chǎn)生直徑為2 μm、密度為1000 kg/m3的示蹤粒子,投放于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段前端拐角處。根據(jù)相機(jī)成像原理,有如下公式[27]:

    式中:l 為相機(jī)焦距;do為物距,di為像距;M 為成像放大倍數(shù);Spixel為像素點(diǎn)面積,Npixel為像素點(diǎn)個(gè)數(shù);SFOV為被測(cè)流場(chǎng)面積。經(jīng)過(guò)計(jì)算,確定了成像放大倍數(shù)(M=0.1)和相機(jī)布置位置(與測(cè)壓截面①距離675 mm 處,如圖3 所示)。

    圖3 PIV 實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig. 3 Schematic diagram of PIV experiment layout

    PIV 實(shí)驗(yàn)布局如圖3 所示?;谇捌陲L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[25],選擇CTP-2000K 電源作為脈沖高壓電源,選取流動(dòng)控制效果較好的激勵(lì)參數(shù)開(kāi)展本次實(shí)驗(yàn)研究(脈沖頻率f=300 Hz,占空比τ=30%)。實(shí)驗(yàn)中的其他電參數(shù):載波頻率fc=7.45 kHz,高壓直流電壓UDC=–6.2 kV。

    1.2 滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器

    本實(shí)驗(yàn)采用四電極滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器,與常規(guī)DBD 激勵(lì)器相比,可以產(chǎn)生更大面積的等離子體放電。

    首先,將一對(duì)裸露的帶狀電極(長(zhǎng)70 mm、寬1 mm,以厚度0.03 mm 的銅箔制成)對(duì)稱布置于細(xì)長(zhǎng)體圓錐實(shí)驗(yàn)?zāi)P皖^部表面(沿圓錐母線布置,周向角度θ分別為+90°和–90°),在2 個(gè)裸露電極之間的絕緣層下方布置扇形覆蓋電極,形成常規(guī)DBD 激勵(lì)器。絕緣層由厚度1 mm、相對(duì)介電常數(shù)2.17 的聚四氟乙烯薄絕緣材料制成。前期研究發(fā)現(xiàn):激勵(lì)器位置越接近圓錐頂點(diǎn),流動(dòng)控制效果越好;但若過(guò)于接近,激勵(lì)器前端容易產(chǎn)生電弧放電。為兼顧激勵(lì)器“盡量接近圓錐頂點(diǎn)”和“避免前端產(chǎn)生電弧放電”這兩個(gè)原則,本實(shí)驗(yàn)中帶狀電極前端距圓錐頂點(diǎn)20 mm。為進(jìn)一步改善DBD 激勵(lì)器的流動(dòng)控制效果,在2 個(gè)帶狀電極正中間、絕緣層上表面增加1 個(gè)等腰三角形的裸露電極作為滑動(dòng)電極(以厚度0.03 mm 的銅箔制成),其兩側(cè)與帶狀電極均相距10 mm?;瑒?dòng)電極邊長(zhǎng)約30 mm,底邊長(zhǎng)約15 mm,前端距圓錐頂點(diǎn)60 mm。在2 個(gè)帶狀電極上施加交流電,滑動(dòng)電極連接至高壓直流,在圓錐可拆卸頭部即可產(chǎn)生大面積的滑動(dòng)放電。為防止滑動(dòng)電極產(chǎn)生尖端放電,將其3 個(gè)角手工修剪出平滑圓形倒角。滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器示意圖及實(shí)物圖如圖4 所示。

    圖4 滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器示意圖及實(shí)物圖Fig. 4 Schematic diagram and image of sliding discharge plasma actuator

    2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    2.1 激勵(lì)電壓的影響

    保持來(lái)流速度u∞=10 m/s 和迎角α=45°,選取脈沖頻率f=300 Hz(歸一化頻率f+=1.96)、占空比τ=0.3、直流電壓UDC=–6.2 kV,研究不同激勵(lì)電壓Up-p(8、10、12、14 和16 kV)對(duì)細(xì)長(zhǎng)體表面壓力Cp分布的影響,結(jié)果如圖5 所示。在關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí)(Plasma off),左側(cè)吸力峰值較高(|Cp|=0.8969,θ=75°處),右側(cè)吸力峰值較低(|Cp|=0.1221,θ=195°處),說(shuō)明此時(shí)細(xì)長(zhǎng)體背部左側(cè)旋渦距表面更近,右側(cè)旋渦距表面較遠(yuǎn),表現(xiàn)為明顯的非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)。

    圖5 不同激勵(lì)電壓下的細(xì)長(zhǎng)體表面壓力分布Fig. 5 The pressure distribution with different actuation voltages

    與關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí)相比,當(dāng)激勵(lì)電壓增大至8 kV,細(xì)長(zhǎng)體表面壓力分布曲線左右兩側(cè)壓力分布變化不大,仍表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱結(jié)構(gòu);當(dāng)激勵(lì)電壓增大至10 kV,左側(cè)吸力峰值(|Cp|)有所降低,右側(cè) 吸 力 峰 值 有 所 上 升,從0.1221 變 化 至0.1547(θ=195°處),兩側(cè)壓力分布向?qū)ΨQ趨勢(shì)發(fā)展;當(dāng)激勵(lì)電壓增大至14 kV,左右兩側(cè)吸力峰值之差大幅減小,左 側(cè) 吸 力 峰 值 從0.8969 變 化 至0.8491(θ=75°處),右側(cè)吸力峰值有所上升,從0.1221 變化至0.2935(θ=195°處),非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)向?qū)ΨQ狀態(tài)演變;當(dāng)激勵(lì)電壓增大至16 kV,從圖5(b)可明顯看到:兩側(cè)壓力分布接近對(duì)稱;左側(cè)吸力峰值從0.8969 變化至0.4872(θ=75°處),右側(cè)吸力峰值從0.1221 變化至0.4146(θ=195°處);兩側(cè)最大峰值之差從初始的0.7718 降低至0.0726,降幅達(dá)90.6%,表明此時(shí)細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)由原本的非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)演變?yōu)閷?duì)稱渦結(jié)構(gòu)。

    對(duì)比圖5(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn):隨著激勵(lì)電壓的升高,右側(cè)吸力峰值上升,左側(cè)吸力峰值降低,兩側(cè)壓力分布趨于對(duì)稱,細(xì)長(zhǎng)體背風(fēng)區(qū)由原本的非對(duì)稱渦向?qū)ΨQ渦演變。其機(jī)理在于:

    1)細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)左右兩側(cè)對(duì)稱布置的等離子體激勵(lì)器沿來(lái)流方向產(chǎn)生兩組等量的誘導(dǎo)射流,由于附壁效應(yīng),誘導(dǎo)射流會(huì)貼著細(xì)長(zhǎng)體背部曲面向背部中央運(yùn)動(dòng),最終在背部中央?yún)R聚為合成射流,阻斷非對(duì)稱渦之間的相互干擾,形成了新的渦系結(jié)構(gòu)空間分布。

    2)等離子體激勵(lì)電壓越高,激勵(lì)能量越強(qiáng),邊界層與主流之間的動(dòng)量交換更強(qiáng),導(dǎo)致分離點(diǎn)后移,同時(shí)在細(xì)長(zhǎng)體背部中央?yún)R聚為合成射流的能量增強(qiáng),對(duì)非對(duì)稱渦之間動(dòng)態(tài)干擾的抑制效果加強(qiáng),使得背風(fēng)區(qū)旋渦更貼近細(xì)長(zhǎng)體表面,重新形成穩(wěn)定的非對(duì)稱渦空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),流動(dòng)更不易分離。

    圖6 為測(cè)壓截面①處不同激勵(lì)電壓下非對(duì)稱渦空間結(jié)構(gòu)的PIV 流場(chǎng)顯示結(jié)果。圖中,藍(lán)色代表順時(shí)針正渦量,紅色代表逆時(shí)針負(fù)渦量。當(dāng)關(guān)閉滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)時(shí),左側(cè)藍(lán)色旋渦離表面較近,右側(cè)紅色旋渦離表面較遠(yuǎn),形成非對(duì)稱空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開(kāi)啟等離子激勵(lì)時(shí),左側(cè)旋渦位置變化不大,右側(cè)旋渦向表面靠近。當(dāng)激勵(lì)電壓增大至10 kV 時(shí),左側(cè)旋渦開(kāi)始遠(yuǎn)離表面;繼續(xù)增大至12 kV,左右兩側(cè)旋渦高度差縮小,旋渦的空間非對(duì)稱性得到抑制;當(dāng)激勵(lì)電壓增大至16 kV 時(shí),右側(cè)旋渦從高位渦演化為低位渦,兩側(cè)旋渦空間位置趨于對(duì)稱,旋渦的空間非對(duì)稱性基本得到抑制。

    圖6 不同激勵(lì)電壓下的等離子體流動(dòng)控制PIV 測(cè)量結(jié)果Fig. 6 PIV measurement plasma flow control results at different actuation voltages

    為分析不同激勵(lì)電壓下滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器的控制效果,對(duì)截面壓力系數(shù)積分,求得局部側(cè)向力系數(shù)。側(cè)向力系數(shù)CC計(jì)算公式如下:

    式中:Cn為第n 個(gè)截面局部側(cè)向力,選定測(cè)量截面①(n=1);來(lái)流動(dòng)壓q∞=1/(2ρ∞u∞2),p∞為來(lái)流參考靜壓;截面直徑d=19.1 mm;測(cè)壓孔個(gè)數(shù)k=24;下標(biāo)i 表示測(cè)壓孔編號(hào),pni表示第n 個(gè)測(cè)壓截面第i 個(gè)測(cè)壓孔的壓力值;測(cè)壓孔間隔角度Δθ=15°。定義側(cè)向力指向細(xì)長(zhǎng)體右側(cè)時(shí)為正(逆流向右側(cè)),可求得關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí)的局部側(cè)向力系數(shù)CC=0.643。

    為便于評(píng)估等離子體激勵(lì)器的控制效率,將施加/未施加控制的側(cè)向力系數(shù)之差ΔCC與未施加控制的側(cè)向力系數(shù)CC,off的比值定義為側(cè)向力控制效率η:

    表1 不同激勵(lì)電壓對(duì)側(cè)向力控制的影響分析Table 1 Analysis of the influence of different actuation voltages on lateral force control

    2.2 不同來(lái)流速度對(duì)側(cè)向力控制的影響

    研究不同來(lái)流速度u∞(10、15、20 和25 m/s)下滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器對(duì)細(xì)長(zhǎng)體表面壓力分布的影響。保持激勵(lì)電壓Up-p=16 kV、脈沖頻率f=300 Hz(歸一化頻率f+=1.96)、占空比τ=0.3、直流電壓UDC=–6.2 kV、細(xì)長(zhǎng)體迎角α=45°。測(cè)壓結(jié)果如圖7 所示。

    由圖7(a)可見(jiàn):當(dāng)u∞=10 m/s、關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí),左側(cè)吸力峰較低(|Cp|=0.0613,θ=75°),右側(cè)吸力峰較高(|Cp|=0.6232,θ=285°),兩側(cè)峰值差值為0.5619,呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)。開(kāi)啟等離子體激勵(lì)后,左側(cè)吸力峰值上升,而右側(cè)吸力峰值降低,兩側(cè)峰值差值從0.5619 減小為0.0932,即兩側(cè)壓力分布接近對(duì)稱,表明在u∞=10 m/s 時(shí),原本明顯的空間非對(duì)稱渦受到等離子體激勵(lì)的抑制。在此工況下,通過(guò)滑動(dòng)放電在細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生體積力,向邊界層注入流場(chǎng)動(dòng)量,產(chǎn)生誘導(dǎo)旋渦,形成合成射流,改變了非對(duì)稱渦空間結(jié)構(gòu),有效地抑制了側(cè)向力。

    圖7 不同來(lái)流速度下的壓力分布對(duì)比Fig. 7 Comparison of pressure distributions at different wind speeds

    由圖7(b)可見(jiàn):當(dāng)u∞=15 m/s 時(shí),左側(cè)吸力峰值有所上升,右側(cè)吸力峰值有一定程度降低。施加控制可以改善吸力峰值不對(duì)稱狀況。對(duì)比圖7(a)發(fā)現(xiàn):隨著來(lái)流速度增大,非對(duì)稱渦控制效果減弱。當(dāng)u∞=20 m/s 時(shí),施加控制后的吸力峰值不對(duì)稱狀況被輕微抑制,與u∞=10 m/s 時(shí)相比,控制效果進(jìn)一步減弱。如圖7(d)所示,當(dāng)u∞=25 m/s 時(shí),控制基本趨于無(wú)效,施加控制后的流場(chǎng)接近未施加控制時(shí)的狀態(tài)。

    對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知:隨著來(lái)流速度增大,細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)邊界層分離線向上游移動(dòng),分離區(qū)變大,細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱分離渦增強(qiáng);而等離子體放電產(chǎn)生的動(dòng)量并未隨之而動(dòng)態(tài)改變,脈沖激勵(lì)注入的能量不足以幫助流體克服隨來(lái)流速度增大而逐漸增強(qiáng)的逆壓梯度,細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱分離渦的位置未發(fā)生變化,等離子體控制隨來(lái)流速度增大而逐漸失效。

    圖8 為測(cè)壓截面①處不同來(lái)流速度下非對(duì)稱渦空間結(jié)構(gòu)分布的PIV 流場(chǎng)顯示結(jié)果。當(dāng)u∞=10 m/s、關(guān)閉等離子體激勵(lì)時(shí),左側(cè)藍(lán)色旋渦離表面較遠(yuǎn),右側(cè)紅色旋渦離表面較近,形成非對(duì)稱空間旋渦結(jié)構(gòu)。開(kāi)啟激勵(lì)后,左側(cè)旋渦和右側(cè)旋渦空間位置趨于對(duì)稱,與圖7(a)測(cè)壓曲線結(jié)果契合,表明滑動(dòng)放電等離子激勵(lì)在此工況下有較好的控制效果。當(dāng)u∞=15 m/s、開(kāi)啟激勵(lì)時(shí),左側(cè)旋渦得到抑制,控制效果與u∞=10 m/s 時(shí)近似。對(duì)比圖7(a)和(b)的測(cè)壓結(jié)果可知:u∞=10 m/s 的控制效果更好,壓力分布更加對(duì)稱;繼續(xù)增大u∞至20 m/s,控制效果變差,非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)和不施加控制的狀態(tài)接近;繼續(xù)增大u∞至25 m/s,非對(duì)稱渦系結(jié)構(gòu)趨于未施加控制的狀態(tài),可以認(rèn)為等離子體控制基本無(wú)效。

    圖8 不同來(lái)流速度下的等離子體流動(dòng)控制PIV 測(cè)量結(jié)果Fig. 8 PIV measurement results of plasma flow control with different incoming wind speeds

    根據(jù)式(3)計(jì)算不同來(lái)流速度下施加等離子體控制時(shí)的局部側(cè)向力系數(shù),根據(jù)式(4)計(jì)算滑動(dòng)放電的側(cè)向力控制效率。如表2 所示,當(dāng)u∞=10 m/s、開(kāi)啟等離子體激勵(lì)時(shí),滑動(dòng)放電具有較大的控制效率,最高可達(dá)83.48%。隨著u∞增大,控制效率逐漸降低。u∞=25 m/s 時(shí),控制效率僅為5.95%。預(yù)測(cè)在u∞=26 m/s 左右時(shí),等離子體控制細(xì)長(zhǎng)體非對(duì)稱渦無(wú)效。因此,還需進(jìn)一步改善控制手段和方法。

    表2 不同來(lái)流速度對(duì)側(cè)向力控制的影響分析Table 2 The influence of different wind speeds on lateral force control

    3 結(jié) 論

    基于滑動(dòng)放電等離子體控制非對(duì)稱渦的應(yīng)用前景,本文深入研究分析了激勵(lì)電壓、來(lái)流速度對(duì)非對(duì)稱渦控制效果的影響規(guī)律,得到如下結(jié)論:

    1)PIV 流場(chǎng)結(jié)果顯示:非對(duì)稱側(cè)向力的產(chǎn)生是由模型背風(fēng)區(qū)流場(chǎng)中旋渦的非對(duì)稱分布導(dǎo)致;抑制非對(duì)稱渦的空間不對(duì)稱性是減小側(cè)向力的主要方法。本文實(shí)驗(yàn)中,激勵(lì)電壓16 kV、脈沖頻率300 Hz(歸一化頻率1.96)、占空比0.3 及直流電壓–6.2 kV是控制細(xì)長(zhǎng)體非對(duì)稱渦的最優(yōu)參數(shù),最大控制效率可達(dá)83.48%。

    2)實(shí)驗(yàn)所采用的順流式滑動(dòng)放電等離子體激勵(lì)器沿來(lái)流方向在細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生對(duì)稱的等離子激勵(lì),在附壁效應(yīng)作用下,兩側(cè)等離子體射流在細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)中心位置匯聚為一股合成射流,削弱非對(duì)稱渦之間的相互作用,改變非對(duì)稱渦空間結(jié)構(gòu),提高旋渦的穩(wěn)定性,抑制較大的側(cè)向力。

    3)激勵(lì)電壓是影響等離子體激勵(lì)器控制效果的主要因素。相同激勵(lì)條件下,放電強(qiáng)度與激勵(lì)電壓的大小呈正比。增大激勵(lì)電壓可以有效提升體積力,為激勵(lì)器附近流場(chǎng)注入更多的動(dòng)量,從而改變細(xì)長(zhǎng)體頭部背風(fēng)區(qū)非對(duì)稱渦形態(tài)。

    4)自由來(lái)流速度對(duì)激勵(lì)器控制效果有較大影響。相同激勵(lì)條件下,自由來(lái)流速度越高,控制效果越差。

    目前的研究主要集中于中低雷諾數(shù)范圍,與實(shí)際工程應(yīng)用仍有較大差距。為實(shí)現(xiàn)等離子體流動(dòng)控制技術(shù)的工程應(yīng)用,仍需進(jìn)一步創(chuàng)新控制方法。

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