两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

2014-07-10罗振兵夏智勋

实验流体力学 2014年6期

关键词：单脉冲冲量高能

张宇，罗振兵，王澈，王林，夏智勋

（1.国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙 410073；2.空军工程大学，西安 710051）

两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

张宇1，罗振兵1，王澈2，王林1，夏智勋1

（1.国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙 410073；2.空军工程大学，西安 710051）

两电极等离子体高能合成射流激励器通过腔体内电极间的瞬时电弧放电加热腔内气体，在激励器出口产生压差并喷出高速射流，从而产生反作用力和冲量。针对两电极等离子体高能合成射流响应快、持续时间短的特点，设计了单丝扭摆式微冲量测量系统，并结合高速阴影系统，对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行了实验研究。实验结果表明，两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs，射流持续时间约为1ms，射流前锋最大速度约为190m／s，射流流场发展过程中存在多道强压缩波，并以当地声速向下游传播。单丝扭摆式微冲量测量系统可实现μN·s量级冲量测量精度，单脉冲冲量约为32μN·s，并且在低频状态下射流总冲量随激励器放电频率成线性增加。

等离子体；高能合成射流；微冲量；高速阴影；单丝扭摆

0 引言

流动控制技术是流体力学研究的前沿和热点。高效的流动控制方式对于保证飞行器飞行安全性、改善飞行器可操作性和提高飞行器推进效率具有重要意义［1］。等离子体激励器作为一种新型的流动控制方式，以其结构简单、响应迅速、工作频带宽、适应多工况等优点正受到越来越多的关注，有望成为主动流动控制技术的新突破［2］。

目前广泛研究的等离子体激励器主要包括介质阻挡放电（DBD）等离子体激励器［3-4］、直流／准直流电弧放电等离子体激励器［5-6］和等离子体合成射流激励器［7］（又称为火花放电式等离子体激励器）。DBD放电产生的体积力较小，诱导形成的射流速度较低，主要用于低速流动控制［8］。直流／准直流电弧放电等离子体激励器通过对放电区域及其附近气体进行快速加热实现对高速流的流动控制，但需要较大的功率输入［5］，能量效率较低。等离子体高能合成射流激励器最早由美国霍普金斯大学应用物理实验室在2003年提出［9-10］，德克萨斯大学［11-12］、佛罗里达州立大学［13-14］、法国航天航空研究中心［15］以及国内国防科学技术大学［1-2］、空军工程大学［16］等单位开展了相关研究。等离子体高能合成射流激励器具有快响应、无移动部件、质量轻、射流穿透能力强等特点，同时也存在有理论模型不完善、实验测量难度大、电源系统复杂等亟待解决的问题，是目前等离子体流动控制技术研究的热点和难点。

典型的等离子体高能合成射流激励器为两电极结构。如图1所示，两电极等离子体高能合成射流激励器由一个带出口孔缝的绝缘腔体和一对电极组成，在两电极间加脉冲高压击穿空气形成电弧放电，电弧加热作用使得腔体内气体的温度和压力快速升高，升温加压的腔内气体从出口高速喷出，形成等离子体高能合成射流，之后由于等离子体高速射流的引射导致腔内形成负压，以及腔内气体温度降低，外部气体重新回填腔体，准备进入下一个工作周期。目前实验获得的两电极等离子体合成射流速度超过100m／s［17-18］，而且通过驱动参数控制，可以方便实现两电极等离子体高能合成射流激励器输出动量大小和工作频率的改变，满足高速飞行器不同的控制需求。

图1 两电极等离子体高能合成射流激励器结构及工作过程Fig.1 Schematic andoperation cycle of the two-electrode plasma high energy synthetic jet actuator

鉴于等离子体高能合成射流激励器对流场的控制能力正比于激励器所产生射流的动量通量，设计了单丝扭摆式微冲量测量系统［19］，并结合高速阴影系统，对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行研究。

1 实验系统及测量

1.1 电源系统

两电极等离子体高能合成射流激励器驱动电源采用西安交通大学高电压实验室研制的KD-1型基于磁压缩技术的脉冲电源。电源系统通过工频整流将380V交流动力电调整为直流电，并为放电电容充电。两电极等离子体高能合成射流激励器与放电电容相连，当电容两端电压达到电极间击穿电压时，激励器工作产生高能合成射流。该电源系统最大输出电压为0～10k V，工作频率为1～50Hz可调，最大输出能量为10J。

1.2 高速阴影系统

实验中采用高速激光阴影系统研究两电极等离子体高能合成射流的流场结构及其发展过程。整个系统由光源、凹面镜、高速相机与一系列反射镜组成，整个系统如图2所示。点光源发出的光线经过扩束镜投射到凹面镜，经凹面镜反射后形成平行光打到平面镜上，由平面镜反射经过实验段后由另一侧平面镜接收并反射，再通过凹面镜反射汇聚后进入相机。阴影测量是一种非接触式测量，对流场没有影响。相对于纹影技术，阴影技术对于具有较大密度梯度变化的强激波结构具有很好的显示效果，在超声速流动实验中，常被用来确定激波的形状和位置。对于本实验中由强烈电弧加热产生的等离子体高能合成射流，密度场变化剧烈，并伴随有较强压缩激波结构，阴影技术能够得到全面的流场发展变化信息。

图2 高速阴影观测示意图Fig.2 Sketch of the high-speed shadowgraphy

实验中采用半导体激光器产生连续激光，出光直径1mm，输出波长532nm，最大输出功率100m W。采用激光光源一方面可以使光源强度足够大，减小相机曝光时间以提高时间分辨率，另一方面，可以滤除环境光线的干扰。

系统中采用的高速相机为Photron Fastcam SA-1.1高速彩色数字摄影仪，该摄影仪采用高灵敏度CMOS非增强型图像传感器，主机最大容量8GB，1024pixel×1024pixel图像的拍摄速率可达5400fps，其最高拍摄速率可达1×106fps，最短曝光时间达1／（2.73×106）s，具有很高的时间分辨率。这对于观察快速发展的等离子体高能合成射流是至关重要的。相机拍摄由激励器放电电压下降沿触发，保证激励器放电与相机拍摄的同步性。

1.3 单丝扭摆式微冲量测量系统

为研究两电极等离子体合成射流的冲量特性，设计了单丝扭摆式微冲量测量系统［19］，能够实现μN·s量级微冲量测量精度。单丝扭摆式微冲量测量装置结构如图3所示，扭丝两端固定于扭摆架，中部连接扭摆杆，平面镜贴于扭丝中部的扭摆杆上。激励器工作产生喷流反作用力直接作用于扭摆杆，导致扭摆杆发生偏转，激光器发射光线经平面镜反射后在标尺上产生位移，并由高速相机记录。

图3 单丝扭摆式微冲量测量装置结构图Fig.3 Structure of the single line torsion pendulum

两电极等离子体高能合成射流持续时间约为1ms，远小于扭摆振动周期，故建立不考虑力参数的微冲量计算方法［20］：

式中：I—单脉冲冲量；J—系统转动惯量；wn—无阻尼固有频率；R—射流中心距扭丝的距离；ξ—系统阻尼系数；wd—有阻尼固有频率；θmax—扭摆最大扭转角。可见测量的单脉冲冲量I与扭摆在单脉冲作用后的最大偏转角θmax成正比，本文利用垂直撞击激励器喷口中心的已知冲量I0，及扭摆最大偏转角θ0，得到两电极等离子体高能合成射流激励器单脉冲冲量计算公式：

该公式结构简单、计算方便且计算精度高，避免了扭摆系统转动惯量J、阻尼系数ξ、振动周期T等参数的测量，减少误差源项。式中θmax可由激光光斑在标尺上移动最大位移Smax计算得出。标尺摆放与平面镜反射光线垂直，标尺与光线在平面镜反射点的距离为L，如图4所示。故得扭摆最大偏转角计算公式：

将公式（3）代入公式（2）中可得两电极等离子体高能合成射流激励器单脉冲冲量计算公式：

图4 单丝扭摆微冲量测量示意图Fig.4 Sketch of the single linetorsion pendulum for micro-impulse measurement

单丝扭摆式微冲量测量系统误差由3部分组成：标定误差、计算方法误差和实验测量误差。标定误差是由力锤的精度以及敲击位置偏移射流中心造成的；计算方法误差是由于高能合成射流瞬间作用单丝扭摆的假设造成的；实验测量误差是由于环境振动以及气流扰动造成的。单个工况下，进行多次重复实验以减小微冲量测量误差。结果表明，两电极等离子体高能合成射流单脉冲冲量测量误差约为2%。

2 实验结果与分析

2.1 高能合成射流流场结构分析

采用高速阴影系统获取了从放电开始的两电极等离子体高能合成射流流场发展演变过程，图5为放电发生后100μs等离子体高能合成射流典型流场结构，实验条件为：电极间距3mm，激励器腔体体积1750mm3，腔体孔径3mm，放电频率1Hz，激励器工作环境压强1标准大气压。为减小激励器工作过程中电极的电弧烧蚀，电极选用直径1mm的钨棒。由图5可见两电极等离子体高能合成射流呈蘑菇状结构发展，在射流前缘上方有一道呈球对称型的被称之为前驱激波的压缩波，同时发现流场中还有多道压缩波。图5中射流结构中没有马赫盘的存在，这表明射流为亚声速流动。

图5 放电开始后100μs典型的等离子体高能合成射流流场Fig.5 The typical configuration of the plasma high energy synthetic jet att=100μs after the start of the discharge

图6为放电开始以后的两电极等离子体高能合成射流流场发展过程，相邻2幅图的时间间隔为12.5μs。当t=12.5μs时，激励器出口处已有明显的射流出现，前驱激波已经离开激励器出口，这表明两电极等离子体高能合成射流响应非常快。当t=25μs时，射流流场呈现出明显的涡环结构，且流场中出现第2道强度相当的压缩波，而流场中所形成的第1道前驱激波强度变弱；当t=50μs时，流场中出现第3道强度相当的压缩波；当t=87.5μs时，流场中出现第4道压缩波，但强度明显弱于前3道压缩波。图6还显示随着时间的推移，前驱激波和射流前锋间的距离在增大，表明射流速度低于前驱激波速度（声速）。

图6 等离子体高能合成射流流场发展过程Fig.6 Shadowgraph images of the plasma synthetic jet captured at specific time steps

图7（a）为两电极等离子体高能合成射流前驱激波与射流前锋距激励器出口距离随时间的变化曲线。由图可知3道压缩波随时间依次产生并发展，至激励器出口的距离与时间几乎成正比，且3道压缩波之间的距离几乎不随时间变化，曲线斜率相同，即3道压缩波的传播速度基本一致。由此可以判断在射流喷出过程中，前驱激波以相同的速度向下游传播。射流前锋至激励器出口的距离则呈先快后慢的增长趋势，曲线斜率先增后降，即射流速度先增后降。这是由于射流喷出初始阶段，激励器腔体内压强高于环境压强，射流加速喷出，射流前锋速度增加；随着射流的喷出，激励器腔体内压强降低，射流向下游发展耗散，射流前锋速度降低。依据图7（a）射流前锋曲线，还可推测出两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs。图7（b）为根据图7（a）所推算的前驱激波和射流前锋速度。通过计算可得前驱激波速度约为343m／s，这一速度即是当地声速，因此前驱激波就是一道以当地声速传播的压缩波。射流前锋速度先增后降，射流前锋最大速度约为190m／s。

图7 射流前锋及前驱激波距离出口的距离及其速度随时间的变化Fig.7 Trajectory and velocity of the plasma synthetic jet shocks and front jet

2.2 高能合成射流激励器单脉冲冲量测量结果分析

图8 力锤作用曲线Fig.8 The typical force curve of hammer

表1 单脉冲冲量测量结果Table 1 The measurement results of the single pulse impulse

本文还研究了激励器放电频率对射流冲量的影响。实验测得射流总冲量随放电频率的变化，以及放电频率分别为5、10、20、30和50Hz时激励器的单脉冲射流冲量，如图9所示。激励器单脉冲射流冲量定义如式，I′为激励器单脉冲射流冲量，It为单位时间内激励器产生的射流总冲量，C为单位时间内激励器放电次数。两电极等离子体高能合成射流总冲量随激励器放电次数成线性增加。表明在低频状态下，激励器工作稳定，射流流场持续时间短，相邻放电脉冲间射流流场影响微弱，不会造成射流冲量的损失。激励器单脉冲射流冲量随放电频率增加，这是由于激励器放电频率增加，相邻放电脉冲时间间隔降低，激励器放电对腔内气体的加热效应影响下一次放电，从而增加腔内气体温度，增大射流冲量。为验证该结论，在激励器放电频率为50Hz条件下，绘得激励器单脉冲射流冲量随放电次数的变化曲线，如图10所示。单脉冲射流冲量随放电次数线性增加，这是由于放电次数增加，对激励器腔内气体的加热效应积累，射流总冲量增大，从而计算得激励器单脉冲射流冲量增大。

图9 射流总冲量和单脉冲射流冲量随放电频率的变化Fig.9 Variation of the total impulse and singlepulse impulse with increasing frequency

图10 激励器单脉冲射流冲量随放电次数的变化Fig.10 Variation of the single-pulse impulse with the number of discharge times

图9中激励器单脉冲射流冲量增长速率随放电频率降低，表明激励器单脉冲射流冲量并不会随放电频率的增加而无限增长。文献［21］数值计算结果表明两电极等离子体高能合成射流激励器工作存在饱和频率，超过该频率会出现相邻脉冲射流周期的重叠，导致腔体内放电的“哑火”；文献［18］实验结果表明，当激励器放电频率超到5k Hz，则由于激励器得不到有效吸气复原而导致放电“哑火”。下一步工作将对更高放电频率的激励器冲量进行实验测量，以研究高频状态下激励器放电频率对射流冲量的影响规律，并获得最大射流冲量放电频率，为工程应用提供参考依据。

3 结论

设计了单丝扭摆式微冲量测量系统，并结合高速阴影系统，对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其冲量特性进行了实验研究，主要结论如下：

（1）两电极等离子体高能合成射流响应非常迅速，时间小于10μs。

（2）两电极等离子体高能合成射流流场中存在多道以声速传播的压缩波。

（3）两电极等离子体高能合成射流流场发展过程表明，激励器工作后首先产生前驱激波，随后高能合成射流喷出，前驱激波以当地声速向下游运动，约为343m／s，高能合成射流前锋速度先增后减，本实验条件下射流前锋最大速度约为190m／s。

（4）本实验条件下两电极等离子体高能合成射流激励器单脉冲冲量约为32μN·s，在低频状态下，射流总冲量随放电频率成线性增长，同时激励器单脉冲射流冲量增加。

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Experimental study on the flow field and impulse of a two-electrode plasma high energy synthetic jet

Zhang Yu1，Luo Zhenbing1，Wang Che2，Wang Lin1，Xia Zhixun1
（1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The gas inside the cavity of the two-electrode plasma high energy synthetic jet actuator is electrothermally heated by the transient discharge of electric arc，that leads to a rapid increase in pressure within the cavity.This high-pressure gas ejects through the orifice and forms the high-speed jet.Considering the fast response character of the high energy synthetic jet，a single line torsion pendulum system for the impulse measurement is designed.Combined with the high-speed shadowgraphy，the development of the flow field and the impulse of the plasma jet are experimentally studied.The results show that the response time of the two-electrode plasma high energy synthetic jet is less than 10μs，and the duration time of the single-pulse jet is about 1ms.The maximum velocity of the jet front is about 190m／s，and there are shocks spreading at the speed of sound.The measurement accuracy of the single line torsion pendulum system isμN·s.The impulse of the two-electrode plasma high energy synthetic jet actuator is about 32μN·s.The total impulse increases linearly with the discharge frequency when the discharge frequency is low.

plasma；high energy synthetic jet；micro-impulse；high speed shadowgraph；single line torsion pendulum

V211.1

：A

1672-9897（2014）06-0039-06doi：10.11729／syltlx20140054