“高壓放電”對(duì)空氣作用的試驗(yàn)研究

張 鑫 ,黃 勇 ,黃宗波,王勛年,沈志洪

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

“高壓放電”流動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)是一種新型流動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù),通過(guò)在飛行器翼面布置細(xì)絲和寬箔式電極組,在直流高電壓激勵(lì)下形成貼翼面流動(dòng)的空氣,能夠有效控制飛行器表面繞流邊界層的轉(zhuǎn)捩和分離,提高飛行器升阻比和失速迎角。可以根據(jù)不同的飛行狀態(tài)和要求對(duì)“高壓放電”激勵(lì)的位置、強(qiáng)度等進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)最佳的流動(dòng)控制效果。相比改進(jìn)飛行器氣動(dòng)性能的其它方法,該技術(shù)不需要活動(dòng)的氣動(dòng)控制面,并且具有控制響應(yīng)快、流動(dòng)控制位置靈活,飛行器任何位置都可以布置、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。因此,該技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

德國(guó)科學(xué)家在2004年應(yīng)用“高壓放電”流動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了翼型減阻測(cè)力試驗(yàn)研究,結(jié)果表明：在較低風(fēng)速下(6.6m/s),阻力系數(shù)最大減小18%,失速迎角從11°提高到19°,極間空氣流動(dòng)速度為1.5m/s。

西北工業(yè)大學(xué)定性地研究了等離子體激勵(lì)對(duì)平板表面邊界層的加速機(jī)制,驗(yàn)證了誘導(dǎo)空氣射流的作用。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了“高壓放電”流動(dòng)主動(dòng)控制領(lǐng)域的研究,建立了相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備,研究了“高壓放電”對(duì)平板邊界層以及翼型升阻比的影響,證實(shí)了該技術(shù)對(duì)模型繞流有顯著的控制作用。

從國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)來(lái)看,“高壓放電”流動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的研究多數(shù)停留在低雷諾數(shù)范圍內(nèi),來(lái)流馬赫數(shù)不超過(guò)0.1。無(wú)論是介質(zhì)阻擋放電還是多相位蠕動(dòng)加速,目前誘導(dǎo)空氣速度最多達(dá)到6m/s,注入邊界層的能量較低,限制了該技術(shù)在高雷諾數(shù)下的發(fā)展。

Roth指出,利用等離子體介質(zhì)阻擋放電最多可以使靜止空氣加速到10m/s的速度,要想通過(guò)氣體放電穩(wěn)定有效地控制翼面氣流分離,誘導(dǎo)空氣速度必須達(dá)到30～60m/s。因此如何進(jìn)一步提高“高壓放電”對(duì)靜止空氣加速能力是電空氣動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵目標(biāo)之一,也是進(jìn)行較高風(fēng)速下翼型和機(jī)翼流動(dòng)與氣動(dòng)性能控制的基礎(chǔ)。筆者主要研究“高壓放電”對(duì)空氣加速的作用,采用PIV測(cè)量技術(shù),分析了電極形狀、電壓、電極間距、布置方式等激勵(lì)參數(shù)對(duì)氣流的加速度和最終速度的作用規(guī)律。

1 “高壓放電”對(duì)空氣作用的試驗(yàn)研究

1.1 “高壓放電”的物理機(jī)制以及對(duì)空氣作用的基本原理

當(dāng)在曲率半徑很小的電極兩端加上高電壓時(shí),電極表面附近的電場(chǎng)(局部電場(chǎng))很強(qiáng),則電極附近的氣體介質(zhì)會(huì)被局部擊穿而產(chǎn)生“高壓放電”現(xiàn)象(如圖1所示)。電場(chǎng)的不均勻性把主要的電離過(guò)程局限于局部電場(chǎng)很高的電極附近,氣體發(fā)光也只發(fā)生在這個(gè)區(qū)域里,這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為電離區(qū)域。在這區(qū)域之外,由于電場(chǎng)弱,不發(fā)生或很少發(fā)生電離,電流的傳導(dǎo)依靠正離子和負(fù)離子或電子的遷移運(yùn)動(dòng),因此電離區(qū)域之外的區(qū)域稱(chēng)為遷移區(qū)域。

圖1 高壓放電圖Fig.1 The high-voltage discharge

典型的“高壓放電”氣動(dòng)激勵(lì)的布局形式如圖2所示。在絕緣平板上布置細(xì)絲極和寬箔極。由于細(xì)絲極曲率半徑小,其周?chē)碾妶?chǎng)強(qiáng)度大,以致首先達(dá)到或超過(guò)了空氣擊穿的閥值,使空氣電離。產(chǎn)生的離子在不均勻電場(chǎng)的作用下,向電場(chǎng)梯度方向定向運(yùn)動(dòng)。離子在定向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與空氣分子碰撞,發(fā)生動(dòng)量交換,誘導(dǎo)電極間空氣發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)。

圖2 “高壓放電”對(duì)空氣作用的原理圖Fig.2 The principle of high voltage discharge effect on the air

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)包括高壓直流電源、電極對(duì)、PIV系統(tǒng)等。

高壓直流電源由直流電源、激勵(lì)源、升壓變壓器、高壓硅堆等部分組成,如圖3。

試驗(yàn)中所用的各種電極如圖4所示,其中細(xì)絲極有絲狀式、梳狀式、針式等,寬箔極有不同前緣曲率的板式箔極、管式箔極、柱式箔極等。

采用型號(hào)為MicroVec SM-11M500的PIV系統(tǒng)。激光器的單脈沖能量達(dá)到 500mJ,工作頻率10Hz;CCD 相機(jī)分辨率：4008pixels×2672pixels,最高采集頻率4.6幀/s,靈敏度達(dá)到12bit。

圖3 高壓直流電源Fig.3 The high voltage DC power supply

圖4 各種電極形式Fig.4 Kinds of electrode

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 電極形狀的影響

試驗(yàn)中采用細(xì)絲-寬箔的組合方式,不同形狀電極如表1所示。激勵(lì)電壓為60kV,極間距為75mm。

表1 不同電極組合Table 1 Different kinds of electrode combination

由圖5可以看出,7號(hào)電極對(duì)極間空氣加速速度最大,1號(hào)電極對(duì)極間誘導(dǎo)空氣速度最小。

圖5 不同電極組合的電極間空氣誘導(dǎo)速度Fig.5 The induced air speed for different electrodes

保持絲極不變,通過(guò)選用3種不同的箔極組成1、2、3號(hào)電極對(duì)。如圖5所示,通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),2號(hào)電極對(duì)的極間空氣速度最大,其次是3號(hào)電極對(duì),1號(hào)電極對(duì)的誘導(dǎo)速度最小。結(jié)果表明,在保持絲極不變的情況下,隨著箔極前緣曲率半徑的增大,極間誘導(dǎo)空氣速度逐漸提高。

保持箔極不變,通過(guò)選用3種不同的絲極組成2、6、7號(hào)電極對(duì)。由圖5可知,通過(guò)試驗(yàn)研究得到,7號(hào)電極對(duì)的極間空氣加速速度最大,其次是6號(hào)電極對(duì),2號(hào)電極對(duì)的誘導(dǎo)空氣速度最小。結(jié)果表明,在保持箔極不變的情況下,隨著絲極曲率半徑的減小,極間空氣加速速度逐漸增大。

根據(jù)"離子風(fēng)"的特性,“高壓放電”時(shí),相對(duì)曲率較大電極附近產(chǎn)生大量離子射流運(yùn)動(dòng),離子射流對(duì)周?chē)黧w流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng),形成由曲率較大電極到曲率較小電極方向的流體運(yùn)動(dòng),即“電誘導(dǎo)二次流”。所以盡可能提高絲極-箔極電極對(duì)的曲率比,是提高誘導(dǎo)空氣速度的有效途徑,同時(shí)能延長(zhǎng)激勵(lì)器的工作壽命,減小消耗功率。

1.3.2 激勵(lì)參數(shù)影響

(1)激勵(lì)電壓的影響

圖6～9分別給出了在不同激勵(lì)電壓情況下,采用針式電極作為電極對(duì),保持電極間距為75mm,電極間的誘導(dǎo)空氣速度分布。如圖7所示,當(dāng)極間電壓為80kV的情況下,針極附近的空氣誘導(dǎo)速度較高,但隨著離針極的距離逐漸增大,誘導(dǎo)速度迅速衰減,大部分區(qū)域的速度在8m/s左右。圖10給出了空氣加速度隨激勵(lì)電壓變化的曲線。結(jié)果表明,在電極間距保持75mm不變的情況下,隨著激勵(lì)電壓的提高,靜止空氣獲得的速度逐漸增大,試驗(yàn)中測(cè)量到的靜止空氣獲得的最大速度為36m/s。試驗(yàn)研究表明,當(dāng)電源頻率固定的情況下,誘導(dǎo)的空氣速度與電壓近似呈線性增大的關(guān)系,因此,當(dāng)繼續(xù)增大電壓、調(diào)整電極間距以及優(yōu)化電極形狀,有可能使空氣誘導(dǎo)速度繼續(xù)增大,預(yù)期空氣誘導(dǎo)速度能達(dá)到工程應(yīng)用目標(biāo)。

圖6 空氣速度分布(激勵(lì)電壓60kV)Fig.6 The induced air velocity vector under 60kV voltage

圖7 空氣速度分布(激勵(lì)電壓80kV)Fig.7 The induced air velocity vector under 80kV voltage

圖8 空氣速度分布(激勵(lì)電壓88kV)Fig.8 The induced air velocity vector under 88kV voltage

圖9 空氣速度分布(激勵(lì)電壓100kV)Fig.9 The induced air velocity vector under 100kV voltage

圖10 加速區(qū)域最大速度隨激勵(lì)電壓變化曲線Fig.10 The maximum induced air velocity under varying voltage

(2)電極間距的影響

如圖11所示,采用針式電極-管式箔極電極對(duì),在保持激勵(lì)電壓40kV不變的情況下,電極間距存在一個(gè)臨界值使得空氣誘導(dǎo)速度達(dá)到最大。當(dāng)小于臨界值時(shí),電極發(fā)生電弧放電,空氣擊穿,電極間隙形成放電通道,電流增大,空氣誘導(dǎo)速度急劇減小;當(dāng)大于臨界值時(shí),放電區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著極間距的增加而逐漸減弱,空氣加速速度減小。

圖11 電極間誘導(dǎo)空氣最大速度隨極間距變化Fig.11 The maximum induced air velocity under varying interval

1.3.3 多組電極組合的影響

圖12給出了單組電極和兩組電極布置示意圖,相鄰電極間距均為75mm。試驗(yàn)中,第1個(gè)電極和第3個(gè)電極接正極,電位相同,第2個(gè)電極接負(fù)極。圖13～14分別給出了單組電極和兩組電極的極間空氣加速情況。由圖13～14可以看出,在相同的激勵(lì)條件下,兩組電極接力加速時(shí),第1組電極對(duì)空氣的加速效果有所增強(qiáng),說(shuō)明第3極影響了前兩個(gè)電極的極間電場(chǎng)分布,使得電場(chǎng)畸變加大,空氣誘導(dǎo)速度提高。圖15～16分別給出了單組電極和兩組電極在寬箔極后方的空氣速度分布,結(jié)果表明,兩組電極接力加速時(shí),箔極后方空氣速度加快,但是作用有限,多組電極的布置型式需要進(jìn)一步地探討和優(yōu)化。

圖12 單組電極和兩組電極布置示意圖Fig.12 Schematic of electrode arrangement

圖13 電極間空氣速度分布(單組電極)Fig.13 The induced air velocity vector between electrodes(one pair electrodes)

圖14 電極間空氣速度分布(兩組電極)Fig.14 The induced air velocity vector between electrodes(two pair electrodes)

圖15 電極后空氣速度分布(單組電極)Fig.15 The induced air velocity vector behind electrodes(one pair electrodes)

圖16 電極后空氣速度分布(兩組電極)Fig.16 The induced air velocity vector behind electrodes(two pair electrodes)

2 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)研究激勵(lì)參數(shù)對(duì)極間空氣誘導(dǎo)速度的影響規(guī)律,可以得到以下結(jié)論：

(1)采用針式電極-管式箔極電極對(duì)獲得了較高的極間空氣誘導(dǎo)速度;

(2)保持其他參數(shù)不變,在電極對(duì)未發(fā)生電弧放電的情況下,靜止空氣加速速度隨著激勵(lì)電壓的增加而逐漸提高;

(3)在固定其他參數(shù)不變的情況下,當(dāng)電極間距小于某臨界值時(shí),電極發(fā)生電弧放電,空氣誘導(dǎo)速度急劇減小;當(dāng)大于某臨界值時(shí),隨著電極間距的增加,空氣加速速度減小;

(4)研究多組電極型式,在相同的激勵(lì)條件下,兩組電極接力加速時(shí),第1組電極對(duì)空氣的加速效果有所增強(qiáng),第2組電極對(duì)空氣有加速作用,但是作用有限。

進(jìn)一步研究需要考慮環(huán)境參數(shù),包括溫度、濕度、大氣壓等等對(duì)誘導(dǎo)空氣速度的影響。

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