等離子體合成射流流動控制技術研究進展

程林 楊曉強 賀強

【摘 要】本論文系統回顧了等離子體合成射流流動控制技術的發展歷史，在介紹了主要的等離子體流動控制技術后，從等離子合成射流技術的工作特性研究及流動控制應用研究兩個層面詳細分析了目前等離子體合成射流的發展現狀及所遇到的問題。

【關鍵詞】等離子合成射流激勵器；研究進展；工作特性；流動控制

一、流動控制技術概述

在流體力學研究領域，主動流動控制技術廣泛應用于航空、航天流體機械的外流空氣動力性能提升、進氣道與發動機內流組織、燃燒穩定性控制等多個方面。主動流動控制技術通過向主流流場添加質量、動量、熱量的微弱擾動從而實現對整個流場的控制和性能改善[1]。

普朗特于1904年提出了邊界層理論，使得大家對邊界層與流動分離的關系有了較為清楚的認識，從而使主動流動控制技術成為可能。同時也提出了一種目前應用最為廣泛的邊界層吹吸技術[1]。

邊界層吸除技術通過狹縫泄除邊界層中的低能流，從而改變邊界層速度型，達到抑制流動分離的目的。邊界層吸除技術是一種非常實用，并得到廣泛應用的流動控制技術，但同時會帶來顯著的放氣阻力，降低主流流量。與吸除技術不同，邊界層吹除技術沿流向方向注入高速氣流，提高邊界層底層流體的動量，從而提高邊界層內氣體運動速度。邊界層吹除技術需要額外的高壓附加氣源，。

合成射流激勵器主要依靠機械振動為氣體注入能量，不需要額外的附加氣源。目前，傳統的合成射流激勵器有壓電膜式[3，4]、活塞式[5，6]、聲激勵式 [7，8]等。傳統的激勵方式中，壓電膜式響應最為迅速，工作頻帶也最寬[9]。然而，機械式合成射流激勵器的誘導速度較低，流動控制能力較弱。

等離子體激勵形式具有激勵頻帶極寬、激勵強度無極可調（電壓、電流等參數可控）、低功耗、激勵形式多樣等諸多優點[11]。等離子體流體控制技術涉及電磁學、材料學、空氣動力學等諸多方面，是新興的交叉型科學研究領域，也為研究帶來較大的難度[10]。

二、等離子體主動流動控制技術國內外研究現狀

國外在等離子流動控制技術方面的研究起步較早，早期主要應用于高超聲速飛行器減阻方面，近些年來逐漸開始應用于亞聲速流動控制。流動控制對象涉及流動分離控制、激波形狀控制、激波邊界層干擾控制等多個方面。美國、俄羅斯、歐洲等各個國家均對等離子流體控制技術高度重視，相繼開展相關研究。國內主要研究機構為空軍工程大學、國防科技大學、廈門大學等，近幾年也取得了較大進步。目前，應用于等離子體氣動激勵器的主要有介質阻擋放電和電弧放電兩種。

1）介質阻擋激勵器

介質阻擋放電是指在陽極與陰極之間布置絕緣層的的一種放電方法[11]。早在1960年，蘇聯就率先開展了利用DBD放電控制翼型分離的實驗研究[12]。1998年，美國羅斯教授通過實驗證明DBD放電具有流動控制面積大、消耗功率小等多個優點[13]。

英國諾丁漢大學的Richard D. Whalley運用PIV激光測速儀研究發現DBD激勵器在激勵開始階段首先形成一個啟動渦，隨后不斷與環境氣流相互作用，逐漸演化為沿壁面射流[14]。Font G I 發現DBD激勵器所消耗的電能只有18%轉化為射流的動能，說明DBD激勵器性能仍有很大的提升空間[15]。在應用方面，研究人員相繼開展DBD氣動激勵器抑制翼型流動分離、邊界層分離控制、超聲速流動控制等應用研究[16-21]。國內空軍工程大學李應紅、吳云等運用納秒脈沖電源開展了關于納秒脈沖DBD等離子體氣動激勵器的特性研究[22]。

2）電弧放電激勵器

常用的電弧激勵器有以下兩種：一是利用溫度擾動的表面電弧激勵器（又稱當地電弧激勵器），二是利用壓力擾動的等離子體合成射流氣動激勵器（Plasma synthetic jet actuator簡稱 PSJA）。

表面電弧氣動激勵器主要是指在主流流過的壁面布置放電電極，直接對主流氣體放電，提高主流局部氣體的溫度。該種激勵器的流動控制能力較強，能量注入較多，多用在激波形狀控制、激波邊界層干擾控制、超聲速流動分離控制等應用場合[24-28]。

等離子體合成射流氣動激勵器（PSJA）是由美國霍普金斯大學Grossman在2003年最早提出并設計[29]。激勵器的工作原理：當電極間電壓大于氣體的擊穿電壓后，腔體內發生電弧放電。腔體內的氣體被迅速加熱，繼而腔內壓力升高，由于內外壓差作用在上方小孔處形成射流（典型的勵器如圖1所示）。該種激勵器具有放電穩定、射流速度大、控制能力強、電極壽命長等優勢。

圖1 典型等離子體合成射流氣動激勵器示意圖[29]

三、等離子體合成射流激勵器工作特性研究

在Grossman提出等離子體合成射流激勵器之后，流動控制領域的學者相繼開展了工作原理[29]、流場特性[30-31]、激勵器參數化研究[32-39]、激勵器工作效率[40-42]、能量沉積率[43]等多種特性研究工作，并出現了三電極[44]、納秒脈沖[45-46]、“補氣式”[47]等新型激勵器形式。

2003年Grossman首先開展了激勵器工作原理的研究[29]。Grossman提出激勵器工作過程由能量沉積階段、噴氣階段、吸氣還原三個階段組成（圖2）。這也是目前學術界廣泛認同的對于激勵器工作過程的描述。

在能量沉積階段，腔體內的氣體被劇烈加熱。這一階段，腔體內氣體壓力升高。由于壓差作用，氣體從上方出口噴出，這被稱為激勵器的噴氣階段。隨著氣體不斷噴出，射流速度逐漸降低。同時，腔體在環境氣體中自然冷卻散熱。當射流速度繼續降低直至降為零，腔內壓力低于環境壓力。激勵器進入吸氣還原階段，環境氣體進入腔體內，等待下一次放電。

Laurendeau.F利用PIV技術開展了射流流場觀測實驗[30]。實驗發現射流流場由多對渦環組成。渦環向下游傳播的過程與周圍靜止流體發生卷積作用，進行動量轉換（圖9）。同時，實驗發現射流流場具有明顯的對稱性，并且與電極形狀無關。值得注意的是，實驗指出PIV流場觀測技術用于觀測射流激勵器流場時出現了示蹤粒子隨流性不強的問題，對流場觀測結果有較大的影響。

圖3 等離子體合成射流激勵器PIV流場觀測結果[30]

目前高速紋影是學者們較為常用的等離子體合成射流激勵器流場觀測技術。典型的射流流場紋影觀測圖如圖4所示[31]。流場結構一般由前方壓縮波、反射壓縮波、射流組成。激勵器產生的是一種高溫射流，密度梯度明顯。因此，高速紋影技術在射流流場觀測中具有較為明顯的優勢，但無法進行定量分析，僅能作為定性的流場分析工具。

圖4 典型等離子體合成射流流場紋影圖[31]

學者們相繼開展了激勵器電參數、幾何參數、環境參數的參數化研究工作[32-39]。空軍工程大學李應紅等開展了電參數對激勵器流場特性影響的參數化研究[32]。實驗發現，工作頻率低于400Hz，射流速度穩定在97m/s。射流頻率達到500Hz時，射流速度出現較大的下降，速度降為90m/s。此后隨著頻率增高，速度基本保證穩定。實驗同時發現，在條件不變的情況下，在兩個較強射流之間往往會出現較弱的一次射流。隨著工作頻率升高，不穩定的情況逐漸增多。

國防科技大學王林等研究了激勵器幾何參數和環境參數對流場特性的影響[35]。實驗發現小的出口更容易獲得更高的射流速度，腔體體積對流場演化、射流時間、初始射流速度均有較大的影響[35]。

能量轉化效率是衡量激勵器實際應用能力的重要參數。基于此，國內外學者相繼開展了能量轉化效率的研究[40-42]。Haack等運用顯微紋影技術、氣壓測量、電壓測量研究激勵器的工作狀態，發現在大氣壓條件下激勵器的工作效率約為20%-30%[40]。

Belinger等發現容性電源相較感性電源更容易獲得更高的能量沉積率，可以獲得較快的射流速度[43]。隨著等離子體合成射流激勵器研究工作的不斷推進，為了提高激勵器工作效率和實際應用能力，近幾年相繼出現了三電極[44]、納秒脈沖[45-46]、“補氣式”[47]等新型激勵器形式。王林等首先提出了三電極激勵器的概念 [44]。

空軍工程大學宗豪華、李應紅等提出了納秒脈沖激勵器[45-46]。納秒脈沖電源的瞬間加熱效應極為劇烈，能量沉積率較高，可以獲得更高的射流速度。同時由于瞬間的劇烈反應，激勵器的沖擊效應也更強。

佛羅里達州立大學Thomas提出了一種“補氣式”激勵器 [47]。實驗表明“補氣式”激勵器可以有效地縮短激勵器吸氣還原的時間，提高激勵器工作的頻率，并且保證每次射流輸出動量的穩定。

四、等離子體合成射流流動控制應用研究

等離子體合成射流激勵器由于出流速度大，輸入動量能力強，常用于超聲速流動控制。Narayanaswamy等于2010年提出了一種用于超聲速流動控制的高頻激勵器[49]。該激勵器可以在5kHz的工作頻率時穩定工作，射流速度高達300m/s，在超聲速流動控制中有很好的應用前景。

Narayanaswamy利用之前設計的激勵器開展了控制超聲速壓縮拐角流動分離控制實驗[49]。實驗發現當激勵器工作頻率大于2KHz時，可以有效的抑制分離激波的不穩定性，壓力脈動范圍減少了30%。

Greene首先開展了運用等離子體合成射流激勵器控制入射激波邊界層干擾[50]。實驗由激波發生器產生一道入射激波，并與下邊界層相互干擾。實驗中使用三個激勵器進行控制實驗。實驗發現由于激波引起的總壓損失并沒有太大的變化。

圖5 入射激波邊界層干擾流動控制實驗裝置[50]

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