等离子体气动激励诱导空气流动的PIV研究

梁 华，李应红，宋慧敏，贾 敏，吴 云

（1.空军第五飞行学院，甘肃 武威 733003；2.空军工程大学航空等离子体动力学实验室，西安 710038）

等离子体气动激励诱导空气流动的PIV研究

梁 华1，2，李应红2，宋慧敏2，贾 敏2，吴 云2

（1.空军第五飞行学院，甘肃 武威 733003；2.空军工程大学航空等离子体动力学实验室，西安 710038）

为了揭示等离子体气动激励与边界层相互作用的物理机制，作者进行了等离子体气动激励诱导空气流动的PIV研究。实验结果表明：毫秒、微秒等离子体气动激励诱导空气流动以“启动涡”和“壁面射流”的形式出现；当激励电压为12kV时，最大诱导速度约为3m／s；激励电压越大，“启动涡”和“壁面射流”的强度越大；脉冲激励的作用强度和作用范围要强于定常激励。该结论为提高等离子体流动控制的作用能力提供了指导。

介质阻挡放电；流动控制；等离子体气动激励；粒子图像测速；诱导流动

0 引 言

作为一种新概念的主动流动控制技术，等离子体流动控制在飞行器增升减阻、发动机扩稳增效等方面具有潜在的广阔应用前景，国内外进行了大量的实验和仿真研究［1－9］。目前，等离子体流动控制已成为国际上空气动力学和气动热力学领域新兴的研究热点。但是目前国际上对等离子体流动控制“如何起作用”的机理性问题还不明晰。

等离子体气动激励诱导空气流动的本质是非定常的，要揭示等离子体气动激励的作用原理，必须从非定常的角度开展研究，研究气动激励不同时间的各种特性，而目前国内外的文献大多只是从定常的角度研究等离子体气动激励。文献［10］对气动激励对边界层的宏观加速效应进行了测试，文献［11］利用PIV对等离子体气动激励作用对边界层的定常速度剖面进行了测试，文献［12］利用PIV对等离子体用于圆柱绕流分离流控制进行了实验研究，文献［13］利用皮托管对等离子体气动激励对边界层的加速效应进行了测试，研究表明最大诱导速度约为7m／s。

利用PIV对等离子体气动激励诱导空气流动特性随时间的变化进行了系统的研究。研究表明：等离子体气动激励诱导空气流动是非定常的，在激励的起始阶段以"启动涡"出现，最后衍化成壁面射流，还研究得到了流动特性随各种激励参数的变化规律。研究结论有助于揭示等离子体流动控制的作用机理。

1 实验原理和系统

1.1 等离子体气动激励器的基本工作原理

介质阻挡表面放电等离子体气动激励器的布局形式如图1所示。将上下表面的电极与高压高频电源相连接，等离子体气动激励器表面附近的空气在强电场作用下被电离，等离子体中的离子在空间不均匀电场的作用下，向电场梯度方向进行定向运动，离子在定向运动的过程中与环境空气分子碰撞，发生动量交换，诱导激励器表面的空气发生定向运动，通过向边界层注入能量，改变其空气动力特性。

图1 一种典型的等离子体气动激励器布局形式Fig.1 One typical plasma actuator layout form

本研究中，激励器采用聚四氟乙烯作为绝缘介质，铜箔为电极，绝缘材料的厚度为1mm，铜箔电极的厚0.018mm，宽2mm，长50mm，上下电极间距为0mm。

1.2 实验系统

PIV测速系统实验布局如图2所示，系统由激光器、片光源调节镜头组、同步及多路触发控制单元、CCD图像采集系统、PIV数据处理软件、计算机等组成。

图2 PIV测速系统布局图Fig.2 Sketch map of the PIV system

系统的主要技术指标如下。测试区域：不小于35mm×35mm；测速范围：0～300m／s，测量距离可以由激光出口距离0.3～2m任意可调；采用双脉冲的Nd：YAG激光器，脉冲激光能量最大可达135mJ，脉冲频率为15Hz，由同步器控制两激光脉冲的时间间隔，CCD最短跨帧时间为120ns；CCD像素为1.6k×1.2k；示踪粒子为丙三醇雾化颗粒，直径约为10μm左右；后处理软件为Davis7.0。

1.3 示踪粒子的合理性验证

PIV实验中示踪粒子的比重、大小、密度、均匀度以及颗粒的跟随性等都会对测试结果产生很大的影响，示踪粒子选择不合适会导致图像的相关性很差，测量结果会出现量级上的错误。可以通过图像的互相关性来考查示踪粒子的合理性，利用Davis7.0软件自带的图像互相关函数计算模块验证了示踪粒子的合理性，互相关量的计算原理、计算方法和评判准则见文献［14－15］。

在拍摄的图像上选取两个点，一个在图像中心，一个在靠近壁面处，两个点在平面位移上互相关量的计算结果如图3所示。由图可见，图像上各点互相关函数的峰值特征特别明显，这表明示踪粒子的质量较好，测量结果精度高。

图3 互相关量的计算结果Fig.3 The computational results of the correlation function

2 实验结果和分析

2.1 毫秒等离子体气动激励的测试结果

图4是激励电压为12kV，激励频率为23kHz，定常毫秒等离子体气动激励诱导空气流动的速度矢量和涡量云图，气动激励器的位置在x＝50mm处。最大诱导速度约为3m／s，出现在激励器下游约5mm处。在毫秒等离子体气动激励的开始阶段会诱导出启动涡，启动涡约出现在t＝1／3s时，到t＝2.5s时最终衍化成向右的近壁面射流，启动涡阶段的诱导速度和涡量的大小以及作用范围均比壁面射流阶段要大，即毫秒等离子体气动激励放电起始阶段的激励强度要大于稳定阶段。

图5为激励电压变化时毫秒等离子体气动激励诱导流场的PIV测试结果图，等离子体气动激励器的位置在x＝80mm处。由图可见，激励电压为11kV时毫秒等离子体气动激励启动涡的涡量值、壁面射流的速度均比激励电压为12kV时要小，即激励电压增大，气动激励的强度增大。

图6是激励电压为13kV时，定常等离子体激励和脉冲等离子体激励特性的PIV测试结果图，激励器位置在x＝50mm处。图7为在Y＝0mm处，诱导速度沿X方向的变化曲线。

由图6和7可见，脉冲等离子体气动激励在启动涡和壁面射流阶段的诱导速度在X方向分量分别为2.0m／s和3.0m／s，而定常激励仅为1.5m／s和2.2 m／s，这表明脉冲激励的启动涡和壁面射流的强度比定常激励大；且脉冲激励的启动涡和壁面射流的这表明作用范围都要明显大于定常激励。这是因为将等离子体气动激励脉冲化后，等离子体气动激励的非定常性更强，瞬时作用强度变大，所以诱导速度比定常激励要大。

图4 毫秒等离子体气动激励诱导流动特性PIV实验速度矢量和涡量云图Fig.4 PIV test results of airflow induced by millisecond plasma aerodynamic actuation

图5 不同激励电压下的速度矢量和速度云图Fig.5 The test results of different actuation voltages

图6 定常、脉冲毫秒等离子体气动激励诱导流动速度矢量图Fig.6 The test results for steady and pulse actuations

图7 定常、脉冲的诱导速度沿X方向的速度分布Fig.7 The induced velocity along x direction for pulse and steady actuations

2.2 微秒脉冲等离子体气动激励的测试结果

激励电压为12kV、脉冲频率为1000Hz、等离子体气动激励器的位置位于x＝50mm处时，微秒脉冲等离子体气动激励诱导流动特性的PIV实验结果如图8所示。由图可见，微秒脉冲等离子体气动激励诱导流动特性和毫秒脉冲等离子体气动激励相差不大，最大诱导速度约为3m／s。不同激励参数下的实验研究表明，微秒脉冲等离子体气动激励诱导流动特性随激励电压和脉冲频率等的变化规律和毫秒脉冲等离子体气动激励一样，即激励电压越大，微秒脉冲等离子体气动激励的启动涡和壁面射流越强。

图8 微秒脉冲等离子体气动激励诱导流场PIV测量速度矢量和涡量云图Fig.8 PIV results of airflow induced by microsecond plasma aerodynamic actuation

2.3 等离子体流动控制作用机理分析

目前，国际上普遍认为等离子体气动激励抑制亚声速流动分离，起主导作用的是等离子体气动激励对边界层气流的加速作用，受气动激励器绝缘材料抗击穿性能的制约，等离子体气动激励诱导气流速度很小（最大为7m／s左右）。

本研究发现，等离子体气动激励对边界层不仅是简单的加速作用，而且还会在流场局部诱导出旋涡，而且脉冲作用方式产生的等离子体气动激励会在流场局部诱导出更强的旋涡，诱导旋涡一方面可以提高增加边界层内的速度，另外，最重要的是旋涡的扰动作用可以增强边界层内部以及边界层低能流和主流高能流之间质量和能量的掺混，主流的能量更多的被引入边界层，通过向边界层内注入新的能量，增加边界层内的流动速度，减小了逆压梯度和低能气流堆积，有效阻止了因逆压梯度增大而形成边界层分离及由逆压梯度造成的边界层厚度增长，达到了抑制和减缓边界层分离、增升减阻的控制效果。

要提高等离子体流动控制的作用能力，必须从非定常的角度寻求等离子体气动激励对流场的最佳作用方式，变定常等离子体气动激励为非定常的脉冲等离子体气动激励。实验研究表明［4］：利用非定常的激励可将等离子体气动激励有效控制边界层的来流速度范围由50m／s提高到75m／s。

3 结 论

通过进行毫秒、微秒等离子体气动激励诱导空气流动特性的PIV测试诊断研究，主要结论如下：

（1）采用丙三醇雾化颗粒作为PIV实验的示踪粒子是可行的；

（2）在放电起始阶段，毫秒、微秒等离子体气动激励会诱导出启动涡，并最终转变成近壁面射流；当激励电压为12kV时，最大诱导速度约为3m／s；

（3）启动涡阶段的诱导速度和涡量的大小以及作用范围均比壁面射流阶段要大；

（4）激励电压增大，启动涡的涡量值和壁面射流的速度增大；

（5）非定常的毫秒、微秒脉冲等离子体气动激励的启动涡和壁面射流的强度及作用范围都要明显大于定常激励。

［1］宋慧敏.大气压等离子体流动控制试验研究与机理分析［D］.西安：空军工程大学，2005.

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梁 华（1978－），男，湖北荆州人，空军第五飞行学院讲师，主要研究方向为航空发动机稳定性与等离子体动力学。Tel：029－84787527；E－mail：lianghua82702＠tom.com。

PIV investigation on flow induced by plasma aerodynamic actuation

LIANG Hua1，LI Ying－hong2，SONG Hui－min2，JIA Min2，WU Yun2
（1.The Fifth Flight College of the Air Force，Wuwei Gansu 733003，China；2.Laboratory of Aero Plasma Dynamics，Air Force Engineering University，Xi＇an 710038，China）

PIV investigation on flow induced by plasma aerodynamic actuation was presented in the paper to reveal the operation mechanism between plasma aerodynamic actuation and airflow.The experimental results show that the flow induced by millisecond and microsecond plasma aerodynamic actuation come out as starting vortex and wall jet.The maximal induced velocity is about 3m／s when the actuation voltage is 12kV.The higher the voltage is，the stronger the starting vortex and the wall jet.The intensity and the influence of the pulse actuation are higher than that of the steady actuation.The results are instructional for increasing the ability of plasma flow control.

dielectric barrier discharge；flow control；plasma aerodynamic actuation；PIV；induced flow

O351.3

A

1672－9897（2011）04－0022－05

2010－08－20；

2010－12－02

国家自然科学基金（10972236，50906100）