等離子體增強射流摻混的激勵參數(shù)影響研究

李 亮, 李修乾,*, 車學科, 鄭體凱, 李金龍, 聶萬勝

(1.航天工程大學 研究生院, 北京 101416; 2.航天工程大學 宇航科學與技術(shù)系, 北京 101416)

0 引 言

航天技術(shù)發(fā)展日新月異，航空航天飛行器動力系統(tǒng)的重要性日益凸顯。液體火箭發(fā)動機，特別是小推力姿軌控發(fā)動機液體燃料摻混的效果對燃燒過程至關(guān)重要。對燃料噴注射流進行主動控制可以提高摻混效果，特別是對變推力發(fā)動機具有重要意義。

在主動控制過程中使用何種激勵器是國內(nèi)外研究者關(guān)注的重點。目前研究中使用的有流體式激勵器、機械式激勵器和等離子體激勵器等類型。Davis[1]使用控制射流摻入被控射流來改變主流的摻混特性，并且認為非穩(wěn)態(tài)激勵的控制效果優(yōu)于穩(wěn)態(tài)激勵，該結(jié)論在Raman等[2]的實驗中也得到了驗證。流體式激勵器的不足之處在于，控制射流本身的狀態(tài)很難精確控制。國內(nèi)羅振兵、李丙乾等[3-4]提出使用合成射流和脈沖微射流來達到流動控制的目的，在一定程度上克服了傳統(tǒng)流體式激勵器的不足。 Jun等[5]提出并設(shè)計了一種燃料驅(qū)動的形狀記憶合金激勵器系統(tǒng)，實驗表明該系統(tǒng)對射流摻混有較好的控制效果，且與仿真結(jié)果相吻合。但是機械式激勵器較大的質(zhì)量和復(fù)雜的機構(gòu)阻礙了其工程化應(yīng)用。

等離子體流動控制技術(shù)是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ闹鲃涌刂萍夹g(shù)[6]，利用激勵器產(chǎn)生等離子體誘導(dǎo)射流對流體進行主動控制。該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、附加質(zhì)量小等優(yōu)點[8]，在促進射流摻混方面有較大優(yōu)勢。國外在這方面的研究起步較早，在射流控制方面，Samimy等[9-10]提出一種局部電弧等離子體激勵器(Localized Arc Filament Plasma Actuators, LAFPA)控制亞聲速和超聲速射流的概念，實驗結(jié)果顯示，如果激勵頻率處在最優(yōu)時，射流的摻混性能將會顯著增強，與不施加等離子體時相比，射流核心區(qū)長度減少6～8個特征長度。Benard等[11-12]在表面介質(zhì)阻擋放電(Surface Dielectric Barrier Discharge，SDBD)等離子體激勵器對噴管擴張段流動施加控制方面做了大量研究，證明單個激勵器能夠有效進行噴管推力矢量控制，同時給予多個激勵信號合適的相位可以有效增強摻混特性。

國內(nèi)等離子體流動控制技術(shù)研究起步較晚，吳云等[13]對現(xiàn)有的幾類等離子體激勵器作了詳細的介紹。航天工程大學車學科、聶萬勝等[14-15]開展了一系列研究等離子體流動控制的實驗和模擬工作，初步揭示了等離子體體積力的作用機理。王斌等[16]利用粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry， PIV)技術(shù)研究了介質(zhì)阻擋放電等離子體對流動湍動特性的控制效果，開啟激勵器后剪切層及其附近區(qū)域雷諾應(yīng)力和湍動能都發(fā)生較為明顯的變化，證明等離子體對流動的湍動特性產(chǎn)生了較大的影響。李剛等[17]將等離子體激勵器沿軸向放置來產(chǎn)生周向旋流，通過激勵器實現(xiàn)機械式旋流器的效果，取得較好的控制效果。

基于上述研究，本文利用SDBD激勵器對低壓條件下的射流控制效果進行實驗研究，探究不同激勵參數(shù)對射流摻混特性的影響。

1 實驗系統(tǒng)與實驗方法

實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由低壓實驗艙及氣壓控制系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)、激勵電源系統(tǒng)、射流發(fā)生器和激勵器組成。低壓實驗艙呈圓柱形，長800mm，內(nèi)部直徑600mm，實驗艙附屬設(shè)備有充放氣閥門及控制柜、薄膜規(guī)、溫度傳感器、隔斷室和高壓氮氣瓶等。低壓艙壓力控制柜通過真空泵和放氣閥調(diào)節(jié)氣壓，抽氣速度為14L/s，精度為100Pa。激勵電流通過2個銅質(zhì)高壓接線柱引入實驗艙，接線柱表面為聚四氟乙烯制作的絕緣外層，表面加工為螺紋狀以防止爬電現(xiàn)象。實驗艙側(cè)面和頂部分布的3個觀察窗安裝了5mm厚的石英玻璃，頂部觀察窗用于透過激光器產(chǎn)生的激光，側(cè)面觀察窗用于CCD相機拍攝。

PIV系統(tǒng)主要由Nd:YAG雙脈沖式激光器、同步控制器、Kodak科研級芯片CCD相機(分辨率為2048×2048px/in)、計算機和圖像處理軟件組成。激光重復(fù)頻率為5Hz。PIV拍攝得到的圖像使用MicroVec V3.1.1計算軟件進行處理，空間分辨率為2.62mm。電壓測量使用安捷倫N2271B高壓探頭，電流測量采用皮爾森電流線圈6595，示波器為安捷倫DSO3024A。

激勵電源采用中國科學院電工研究所研制的HFHV30-1型高頻高壓電源[18]，工作模式有連續(xù)和脈沖2種可選。脈沖模式下工作頻率可在10～3000Hz之間調(diào)節(jié)，占空比可在10%～90%間調(diào)節(jié)。本文使用脈沖工作模式，電源載波頻率為10kHz。

以矩形射流為研究對象，單個噴口為寬27mm、高3mm的矩形，寬高比為9，噴口設(shè)計便于電極的布置(見圖2(a))。射流發(fā)生器整體使用石英材質(zhì)制作以達到絕緣的目的。噴口采用上下雙通道設(shè)計以適應(yīng)后續(xù)實驗要求，本文實驗采用單通道。激勵器布置在射流發(fā)生器上方氣流通道出口內(nèi)側(cè)(下表面)，電極采用銅箔制作，實驗時根據(jù)需要可調(diào)節(jié)暴露電極和植入電極的間距，本實驗中暴露電極寬5mm，植入電極寬9mm，兩電極長均為27mm,電極在x方向間隙為0，構(gòu)型為逆向構(gòu)型(見圖2(b)上方構(gòu)型)。示蹤粒子使用煙餅燃燒產(chǎn)生，利用低壓艙內(nèi)外壓力差產(chǎn)生射流噴入低壓艙。

進行實驗時，關(guān)閉低壓艙所有閥門，將壓力調(diào)節(jié)至80.0kPa，打開進氣管閥門使煙氣進入低壓艙，煙氣流量大小使用加裝在閥門入口處的孔板進行調(diào)節(jié)。待射流穩(wěn)定后利用PIV記錄，記錄完成后使用后處理軟件進行流場處理計算。

2 實驗結(jié)果分析

湍射流具有復(fù)雜的擬序結(jié)構(gòu)，其形成和發(fā)展過程會與周圍流體發(fā)生卷吸作用，存在較強的動量和質(zhì)量交換和輸運[19]。與此同時，在射流發(fā)展過程中，射流邊界剪切層中的漩渦會出現(xiàn)生成、配對、合并等復(fù)雜現(xiàn)象[20]。射流的發(fā)展一般分為核心區(qū)、過渡段和充分發(fā)展段3個階段，其中充分發(fā)展段射流湍流度很高，與周圍流體的摻混效果最佳。對于單股射流，可以用來考量其湍流程度的量很多，如中心線速度衰減率、湍動能變化情況、雷諾應(yīng)力[21]及流場中渦量變化等。矩形射流屬于非圓型射流，在射流發(fā)展過程中會出現(xiàn)“轉(zhuǎn)軸”現(xiàn)象，即沿流向的切面形狀在發(fā)展過程中，出口較窄的方向距離會急劇擴大，湍射流不斷與周圍流體摻混和卷吸，由此產(chǎn)生的旋渦具有促湍效果，中心線速度衰減的程度則表明湍流程度的高低。根據(jù)本實驗測得的實際效果，選取中心線速度衰減率[21]和射流中心線速度一半處的總寬度b0.5(Full Width at Half Maximum,FWHM)[22]作為評價標準對施加等離子體控制前后的效果進行對比。

定義射流中心線速度衰減率K為：

(1)

(2)

其中，A為過流面積，L為潤濕周長。對于本實驗所用的矩形噴口，可以得到其當量直徑的表達式為：

(3)

a和b分別是矩形噴口的寬和高，利用式(3)計算得到D=5.4mm。

圖3為未施加激勵和6kV-50Hz-50%(激勵電壓-脈沖頻率-占空比)2種工況下，對不同流向位置(沿x/D軸)的速度剖面(平行于y/D軸)進行積分的曲線。從絕對值來看，施加激勵后整體速度積分數(shù)值升高，這是由于流場密度分布近似，故流場動量在施加激勵后升高，符合激勵器對射流流場的作用機理。從單個工況變化情況看，無激勵工況速度積分略有升高趨勢，但是幅度不大；而有激勵工況速度積分相對平穩(wěn)。出現(xiàn)這種情況的原因是：無激勵工況下，射流在前半段還有較強的三維特性，部分動量PIV捕捉效果不佳；而有激勵情況下，射流在分析位置時已經(jīng)大部分變?yōu)槎S特性較強，動量捕捉效果較好。所以認為在射流發(fā)展過程中，動量損失較小，基本保持不變，說明使用中心線速度衰減率來反映射流摻混程度的高低較為合理。

實驗艙內(nèi)初始壓強80.0kPa，實驗結(jié)束時壓力升高至約80.6kPa，理論射流出口速度為5.97m/s。由于設(shè)備性能限制，不能對核心區(qū)進行直接觀察得到其長度。文獻[24]選取了保持初始速度96%以上的軸線區(qū)域為核心區(qū)，可以在有效反映核心區(qū)長度的基礎(chǔ)上簡化測量工作。本文在分析實驗結(jié)果時參照這種選取方法；對于射流半寬度的分析也從x/D=10.0之后開始。

2.1 激勵電壓影響

實驗時保持占空比為50%，脈沖頻率為50Hz，施加的激勵電壓分別為5、6和7kV，選取未施加等離子體控制的情況作為對照，時均流場如圖4所示，其中，U為流場速度。

由于噴口出口處示蹤粒子濃度較高，PIV系統(tǒng)的識別效果不佳，加上實驗系統(tǒng)(如噴口內(nèi)表面平整度)、示蹤粒子對射流質(zhì)量的影響等，相機拍攝到的最大速度相比理論計算值均有衰減。由圖4可以看出，相比未施加等離子體的情況(圖4(a))，施加等離子體之后射流流場有明顯的變化。考察速度大于2.4m/s的區(qū)域長度，并將其定義為高速核心區(qū)長度。當流場未受等離子體控制時，高速核心區(qū)長度可以達到x/D=14.0左右；當施加等離子體激勵，使激勵電壓分別為5、6和7kV時，該長度分別為x/D=11.5、10.5和9.0，可見施加等離子體激勵后，高速核心區(qū)長度發(fā)生了較為明顯的變化，由此可知，核心區(qū)長度也受等離子體激勵的影響縮短了。同時，施加等離子體激勵之后，射流的發(fā)展速度變快，直接導(dǎo)致射流寬度隨著電壓升高逐漸變大，表明射流摻混效果得到增強。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：等離子體誘導(dǎo)流體與射流摻混，導(dǎo)致射流速度迅速衰減，射流核心區(qū)和過渡段結(jié)束位置提前，射流提前進入充分發(fā)展階段。而當激勵電壓升高時，注入射流邊界的能量增加，這種衰減效果更加明顯。

從射流受擾動的角度分析，等離子體激勵器開啟后產(chǎn)生體積力，形成誘導(dǎo)流動(見圖5 (a)、(b)，其中，F(xiàn)為流場體積力)。并向射流邊界層直接注入能量，使射流上下邊界產(chǎn)生一定速度差，這樣射流發(fā)展過程中就會形成非對稱結(jié)構(gòu)，這是改變射流形態(tài)的主要原因。當電壓較低時，注入能量較低，不能造成射流出現(xiàn)強烈非對稱變化，但是能使射流中心線速度衰減延緩。當電壓升高到一定程度后，注入能量足夠引起上下邊界顯著差異時，射流將會產(chǎn)生大尺度渦結(jié)構(gòu)(見圖5(c)，以槽道流動的壁面流動為例，L和H分別代表高速區(qū)域和低速區(qū)域，δ代表近槽道半寬，μτ為壁面摩擦系數(shù)，υ為運動粘度)，射流湍流特性增強，這些大尺度渦結(jié)構(gòu)將會相互作用、破裂而后再配對，與周圍流體質(zhì)量交換增強[25]，從而使得射流在發(fā)展過程中寬度顯著增大，摻混能力得到增強。這是等離子體激勵器改變射流湍流特性的重要原因。

對射流寬度進行提取并進行定量分析，如圖6(a)所示。圖6(a)展示了射流主體段不同激勵電壓下射流寬度的變化趨勢。施加等離子體后的射流與原射流相比，寬度均有所增大。隨著電壓的升高，射流寬度不斷增大，特別是射流中后段(x/D=17.0～25.0)，在激勵電壓為7.0kV時，射流寬度變?yōu)闊o激勵情況的200%以上。射流寬度大幅度增大，射流剪切層的卷吸摻混作用也同時增加，增強了射流的摻混能力。說明電壓的升高，激勵能量增大，使激勵器的控制能力提高。

圖6(b)顯示了不同情況下中心線速度衰減率K的變化情況。總體來看，施加等離子體激勵后，隨著激勵電壓升高，射流中心線速度的衰減率增大。在x/D=15.0處，激勵電壓為5、6和7kV時，速度衰減率相對未施加等離子體激勵時分別增長了10.3%、13.4%和15.1%左右，證明電壓越高，等離子體對中心線速度衰減作用越大。

圖5 等離子體激勵器誘導(dǎo)流流場與體積力分布(7.0kV-50%-50Hz)及湍流流場中大尺度結(jié)構(gòu)的影響

Fig.5Flowfieldinducedbyplasma,bodyforceandlargescalestructuresinturbulentflowfield

2.2 占空比影響

固定激勵電壓為6.0kV、脈沖頻率為50Hz，占空比分別為10%、50%、90%時，流場的變化如圖7(a)、圖4(c)和圖7(b)所示。開啟激勵器后，高速核心區(qū)長度相比未開啟激勵器時有所縮短。當占空比增加時，高速核心區(qū)長度呈現(xiàn)先縮短后變長的變化趨勢。證明占空比對于射流的衰減效果不是與占空比增長成正相關(guān)的，而是存在一個最佳占空比區(qū)間使得衰減作用最強。

圖8所示為不同占空比下的射流寬度和射流中心線速度衰減率變化。圖8(a)中不同占空比下射流寬度的變化表明，當占空比為50%和70%時，射流寬度增加幅度最大；而當占空比小于50%或大于70%時，射流寬度雖然有增加但是幅度變小。可以初步看出等離子體激勵器對射流的控制作用在50%～70%占空比時效果較好。在圖8(b)中也可以看出此種趨勢。等離子體激勵器的控制效果隨占空比先升后降的這種趨勢機理尚不明確，但是包括文獻[14]在內(nèi)的研究表明，等離子體誘導(dǎo)流動在占空比變化時均存在一個最佳效果區(qū)間，當占空比低于這個區(qū)間時，一個完整激勵周期內(nèi)有效注入射流邊界層的能量較少，不足以造成射流邊界層與周圍流體較強的卷吸效果；當占空比高于這個區(qū)間時，激勵更加接近穩(wěn)態(tài)激勵，激勵效果反而不如非穩(wěn)態(tài)激勵，導(dǎo)致控制效果不升反降，該機理有待進一步研究。

2.3 脈沖頻率影響

固定激勵電壓為6.0kV、電源占空比為50%，分別測得脈沖頻率為10、50、90和130Hz時的射流流場，結(jié)果如圖9(a)、圖4(c)、圖9(b)和(c)所示。

當脈沖頻率變大時，圖中高速核心區(qū)域長度明顯縮短，在圖4(a)中，未開啟激勵器時的高速核心區(qū)域長度在x/D=20.0左右，激勵器開啟后，這一長度均縮短到了x/D=13.0左右，證明等離子體對于射流有明顯的衰減效果，但是圖9無法定量表明脈沖頻率增加對于衰減效果的影響，仍需進一步分析。

對于不同脈沖頻率下的流場，提取位置x/D=10.0之后的射流寬度與中心線速度衰減率如圖10所示。從圖10(a)中可以看出，在x/D=20.0之前，隨著脈沖頻率增加，射流寬度不斷增大。這是由于脈沖頻率增大后，相同時間內(nèi)脈沖數(shù)量增加導(dǎo)致產(chǎn)生誘導(dǎo)射流的能量增加，射流剪切層失穩(wěn)加劇且與周圍流體卷吸強度增加，產(chǎn)生渦結(jié)構(gòu)使得射流主流能量加快耗散；脈沖頻率為50和90Hz時，等離子體對射流寬度增加作用差別不大；當脈沖頻率進一步增大至130Hz時，寬度增加明顯。在x/D=20.0之后的區(qū)域，各個脈沖頻率下的射流寬度增加效果差別減小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是該段區(qū)域受激勵器影響微弱，所以射流寬度變化趨勢主要受湍流自身發(fā)展規(guī)律影響。

射流中心線速度衰減率同樣呈現(xiàn)出上述規(guī)律。在x/D=20.0之前的區(qū)域，隨著脈沖頻率不斷增加，速度的衰減率也隨之增大，當脈沖頻率為130Hz時，衰減率明顯增加。在x/D=20.0之后的區(qū)域，隨著激勵器誘導(dǎo)射流能量的耗盡，衰減率不再隨脈沖頻率的變化而產(chǎn)生明顯的差異。

3 結(jié) 論

(1) 激勵電壓增大，射流中心線速度呈現(xiàn)減小趨勢，射流寬度呈現(xiàn)增大趨勢，有利于射流發(fā)展為湍流，增強其摻混特性。

(2) 隨著占空比的增加，射流寬度增加效果呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，中心線速度的衰減率先變大后減小，證明存在最佳的占空比區(qū)間使得控制效果最優(yōu)。本實驗中該區(qū)間為50%～70%。

(3) 實驗研究范圍內(nèi)，脈沖頻率增加，等離子體對射流的衰減作用隨之增加；當脈沖頻率達到130Hz時，控制效果有明顯提升。