納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)無(wú)人機(jī)流動(dòng)控制風(fēng)洞試驗(yàn)

梁 華, 賀啟坤， 魏 彪， 楊鶴森， 蘇 志， 謝理科

(空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院等離子體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安， 710038)

增升減阻是飛行器永恒的追求[1]。當(dāng)前主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)被認(rèn)為可以擴(kuò)展飛行器的飛行包線，提升飛行器氣動(dòng)性能，并增大設(shè)計(jì)容限[2-4]。等離子體流動(dòng)控制作為一種新型的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，具有重量輕、尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作用頻帶寬，能耗相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)[5]，并得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證[6]。

表面介質(zhì)阻擋放電是等離子體流動(dòng)控制中使用最廣泛的等離子體氣動(dòng)激勵(lì)方法[7]。圖1是典型等離子體激勵(lì)器示意圖，等離子體激勵(lì)器包含金屬電極和絕緣介質(zhì)層，裸露電極直接暴露在大氣中，底層電極被絕緣介質(zhì)層隔離起來(lái)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，誘導(dǎo)氣流最大速度約為8 m/s。

圖1 典型的等離子體激勵(lì)器示意圖

近些年來(lái)，等離子體流動(dòng)控制被應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如翼型的流動(dòng)分離控制[9-12]，層流和紊流的轉(zhuǎn)戾控制[13]，渦輪葉片的流動(dòng)分離抑制[14]，翼型的升力提升和附面層加速[15-16]。

早期工作以毫秒表面介質(zhì)阻擋放電為主。在2005年，Opaits等[17]人首次利用納秒放電進(jìn)行等離子體流動(dòng)控制，揭示了來(lái)流速度為20～75 m/s時(shí)納秒放電的流動(dòng)分離控制作用，并提出了相應(yīng)數(shù)值模型。納秒脈沖激勵(lì)的放電能量集中在幾納秒至幾十納秒內(nèi)釋放，產(chǎn)生溫度升和壓力升，并形成半圓形壓縮波。這種瞬間釋熱效應(yīng)會(huì)以橫向動(dòng)量的形式向附面層低能流注入能量，促進(jìn)低能附面層與高能主流區(qū)摻混，增強(qiáng)了附面層抵抗逆壓梯度的能力，使得氣流在一個(gè)非常廣泛的速度(Ma=0.03～0.75)和雷諾數(shù)范圍內(nèi)都能得到有效控制。同時(shí)納秒滑動(dòng)放電驅(qū)動(dòng)的三電極結(jié)構(gòu)激勵(lì)器的工作也得到開(kāi)展，這種新型的三電極結(jié)構(gòu)激勵(lì)器被認(rèn)為能夠顯著提升等離子體流動(dòng)控制能力[18-20]。此外，納秒放電在其他領(lǐng)域內(nèi)的作用效果已經(jīng)得到驗(yàn)證，諸如壓氣機(jī)內(nèi)流的流動(dòng)分離控制、軸流式壓氣機(jī)的失速邊界擴(kuò)展、斜激波控制和二維翼型的流動(dòng)分離控制[21-24]。

納秒脈沖等離子體流動(dòng)控制研究已經(jīng)取得巨大進(jìn)展，但之前的工作主要集中在二維翼型的流動(dòng)分離控制上，且來(lái)流速度低于30 m/s；同時(shí)，其中納秒脈沖等離子體流動(dòng)控制的機(jī)制仍不清楚。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)一種三維飛翼布局無(wú)人機(jī)模型的流動(dòng)分離控制效果。首先，研究了納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電的電特性和誘導(dǎo)流場(chǎng)特性；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電控制飛翼構(gòu)型無(wú)人機(jī)流動(dòng)分離的效果以及脈沖頻率、激勵(lì)電壓等激勵(lì)參數(shù)對(duì)流動(dòng)控制的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 無(wú)人機(jī)測(cè)試模型和等離子體激勵(lì)器

本文所用的測(cè)試模型是一個(gè)后掠角為47°的飛翼布局無(wú)人機(jī)模型。圖2是用于風(fēng)洞試驗(yàn)的無(wú)人機(jī)模型的示意圖，該無(wú)人機(jī)模型的尺寸是原尺寸的3.67%，其翼根弦長(zhǎng)為0.36 m，寬0.6 m。

圖2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所使用的無(wú)人機(jī)模型示意圖

所用的等離子體激勵(lì)器包含2個(gè)厚度為0.018 mm的銅箔電極，電極間由3層厚度為0.065 mm的Kapton膠帶隔開(kāi)。裸露電極寬度為3 mm，底層電極寬度為5 mm，兩電極長(zhǎng)度均為0.4 m。電極非對(duì)稱布置，并沿弦向布置。圖3是等離子體激勵(lì)器位置簡(jiǎn)圖，激勵(lì)器位于模型的兩側(cè)。

圖3 無(wú)人機(jī)等離子體激勵(lì)器布置示意圖

風(fēng)洞試驗(yàn)中采用了2種不同的電源。第1種是輸出電壓為0～30 kV，能夠產(chǎn)生高振幅正弦波的毫秒放電電源，研究過(guò)程中將頻率固定在22 kHz，激勵(lì)頻率1～10 kHz可調(diào)，占空比1%～99%可調(diào)[25]。另一種是輸出電壓為0～80 kV，激勵(lì)頻率1～5 kHz可調(diào)的納秒放電電源，其電壓波形的上升時(shí)間10～30 ns，半周期為50～300 ns。

1.2 風(fēng)洞

實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)航空工業(yè)總公司空氣動(dòng)力研究所的亞音速回流風(fēng)洞，該風(fēng)洞的環(huán)形測(cè)試區(qū)直徑為1.5 m，長(zhǎng)1.95 m，流速為0～53 m/s，在流速大于53 m/s時(shí)的紊流度小于0.5%，測(cè)試區(qū)流速測(cè)量精度為0.01 m/s，測(cè)試模型的迎角-5～35°可調(diào)。

用于測(cè)試的無(wú)人機(jī)模型通過(guò)一個(gè)六維力平衡的支桿固定在風(fēng)洞上，支桿利用六維測(cè)力天平可以得到無(wú)人機(jī)模型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù)。圖4顯示的是無(wú)人機(jī)模型在風(fēng)洞測(cè)試區(qū)的固定情況。

圖4 無(wú)人機(jī)模型固定在風(fēng)洞的測(cè)試系統(tǒng)

1.3 測(cè)試系統(tǒng)

激勵(lì)電壓和放電電流分別通過(guò)電壓探針(Tektronix P6015A)和電流探針測(cè)量(Tektronix TCP312+TCPA300)，利用示波器(Tektronix DP04104)記錄下電壓、電流信號(hào)。

等離子體氣動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度和渦度通過(guò)離子圖像測(cè)速儀(Lavision)測(cè)量，利用一個(gè)高重復(fù)雙脈沖Nd:YAG激光器(135 Mj/pulse)作為光源，激光脈沖的時(shí)間間隔是120 ns，激光的重復(fù)頻率是5 kHz，相機(jī)的分辨率是1 600 pix×1 200 pix，空氣中散布著礦物油氣化形成的大小約為30 μm的微粒。

通過(guò)高速紋影技術(shù)測(cè)量由納秒放電產(chǎn)生的沖擊波。紋影系統(tǒng)包含光源、凹透鏡和電荷耦合攝像機(jī)，其中高速電荷耦合攝像機(jī)以35 714.3 Hz的成幀速率捕獲瞬時(shí)的沖擊波。放電電流的第一個(gè)脈沖信號(hào)被選作觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)被輸入同步控制器DG535，隨即高速電荷耦合相機(jī)開(kāi)始記錄納秒放電產(chǎn)生的沖擊波的形成和發(fā)展。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 激勵(lì)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.1.1 電參數(shù)

圖5是毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)和納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的激勵(lì)電壓和放電電流隨時(shí)間變化的圖表。從圖5看出：毫秒脈沖激勵(lì)和納秒脈沖激勵(lì)的激勵(lì)電壓變化范圍分別為-6～6 kV和0～12 kV，后者可以產(chǎn)生更強(qiáng)的放電現(xiàn)象和更大的放電電流。納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的放電電流為30 A，遠(yuǎn)大于毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的放電電流0.1 A。通過(guò)對(duì)放電電流和激勵(lì)電壓進(jìn)行積分可以得到電源消耗的功率，毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)每次脈沖注入的能量為7.4 mJ，納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)每次脈沖注入的能量為12.8 mJ。納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)最大的瞬時(shí)功率為0.3 MW，毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)最大的瞬時(shí)功率僅為600 W，這個(gè)功率在某種程度上可以反映放電的強(qiáng)烈程度，即納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的瞬時(shí)激勵(lì)強(qiáng)度要大于毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)。

圖5 放電電壓和放電電流隨時(shí)間的曲線圖

2.1.2 納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的PIV測(cè)試結(jié)果

圖6顯示的是納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流的測(cè)試結(jié)果，其激勵(lì)電壓為13 kV，脈沖頻率為230 Hz。激勵(lì)器被布置在x=35 mm處，x為橫軸坐標(biāo)。

圖6 不同時(shí)間NDPAA誘導(dǎo)的速度和渦量PIV試驗(yàn)結(jié)果

從圖6看出，首先，納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的最大誘導(dǎo)速度不超過(guò)0.5 m/s，遠(yuǎn)小于毫秒激勵(lì)；其次，納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流發(fā)展緩慢，其形成穩(wěn)定壁面射流用了10 s；納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流類似于向上的沖擊波，而不像毫秒激勵(lì)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流是以啟動(dòng)渦或壁面射流的形式出現(xiàn)；最后，納秒放電產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流方向近似于垂直絕緣介質(zhì)層，而毫秒激勵(lì)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流方向平行于絕緣介質(zhì)層。

2.1.3 納秒放電誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波參數(shù)

圖7是不同時(shí)間尺度下該沖擊波傳播過(guò)程的紋影測(cè)試結(jié)果，等離子體激勵(lì)器被布置在圖片的底部，藍(lán)色虛線表示納秒脈沖激勵(lì)誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波前沿。

紋影測(cè)試結(jié)果表明納秒放電在靜止空氣中誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波。放電時(shí)間10～28 μs，沖擊波向外傳播6.9 mm，通過(guò)間隔和傳播距離計(jì)算出沖擊波的傳播速度約為380 m/s(Ma=1.2),略大于音速。隨著沖擊波向外傳播，其輪廓變得難以辨認(rèn)，沖擊波的強(qiáng)度減弱，在每個(gè)脈沖放電周期內(nèi)沖擊波可以持續(xù)觀察的時(shí)間約為80 μs。在諸如500 μs、1 350 μs和2 700 μs等大于80 μs的放電時(shí)間上，沖擊波減弱為弱擾動(dòng)。

圖7 不同時(shí)間NDPAA誘導(dǎo)的沖擊波紋影試驗(yàn)結(jié)果

2.2 風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果

本文中進(jìn)口自由流的速度設(shè)置為20～75 m/s，自由流速度記為V∞,迎角記為α，脈沖頻率記為f,激勵(lì)電壓記為U。

2.2.1 不同迎角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8顯示的是V∞=30 m/s下無(wú)人機(jī)模型在不同迎角的升、阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果，納秒放電的激勵(lì)電壓設(shè)置為11 kV，脈沖頻率為200 Hz。

我們可以從風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果中看出：在迎角小于10°時(shí)，無(wú)人機(jī)模型上表面的氣流始終附著在模型表面，此時(shí)施加納秒放電的影響可以忽略不計(jì)；在迎角超過(guò)10°時(shí)，氣流由于逆壓梯度的作用，在無(wú)人機(jī)模型飛翼布局的翼尖部分最先開(kāi)始分離，隨著迎角的增大，流動(dòng)分離從模型的翼尖部分向翼根擴(kuò)展；在迎角超過(guò)臨界失速迎角20°時(shí)，模型的升力系數(shù)減小；在施加激勵(lì)后，納秒激勵(lì)能夠有效抑制流動(dòng)分離，相比于無(wú)激勵(lì)狀態(tài)，升力系數(shù)得到顯著增大。計(jì)算不同迎角下模型升力系數(shù)的增大量，迎角為20°時(shí)模型的升力系數(shù)增大了2.24%；在迎角超過(guò)20°時(shí)，納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)仍能有效抑制流動(dòng)分離；在迎角為27°時(shí)施加激勵(lì)使得模型的升力系數(shù)提高了23.75%，最大升力系數(shù)從0.89增大到0.99，增大了11.24%，模型的臨界失速迎角從20°增大到27°。

圖8 不同迎角下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 放電頻率的影響

本文研究了脈沖頻率的影響，圖9顯示的是在激勵(lì)電壓設(shè)置為12 kV，V∞=50 m/s時(shí)，脈沖頻率變化范圍為58～920 Hz下的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 不同脈沖頻率下的測(cè)量結(jié)果

當(dāng)脈沖頻率為920 Hz時(shí)，模型升力系數(shù)的變化很小，在迎角為22°下最大升力系數(shù)增大了5.87%；當(dāng)脈沖頻率為460 Hz時(shí)，流動(dòng)控制效果較920 Hz時(shí)更好，納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)可以在局部抑制無(wú)人機(jī)模型的流動(dòng)分離，在迎角為26°下最大升力系數(shù)增大了10.90%；當(dāng)脈沖頻率為230 Hz時(shí)，流動(dòng)控制效果是所有測(cè)試頻率中最好的，納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)可以有效抑制流動(dòng)分離，在迎角為26°下最大升力系數(shù)增大了20.45%；當(dāng)脈沖頻率為115 Hz和58 Hz時(shí)，流動(dòng)控制效果較230 Hz時(shí)更差，在迎角為26°下最大升力系數(shù)分別增大了16.94%和13.92%。總而言之，等離子體流動(dòng)控制存在一個(gè)最優(yōu)頻率，這個(gè)最優(yōu)頻率取決于施特勞哈爾數(shù)(St)，St為1時(shí)的流動(dòng)控制效果最好。St的定義式為St=fc/V∞,其中c是分離區(qū)長(zhǎng)度，其值與這個(gè)無(wú)人機(jī)模型的平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)相等(0.22 m)，St與fc具有換算關(guān)系。最優(yōu)脈沖頻率為230 Hz，其相應(yīng)的St為1，這與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

2.2.3 納秒激勵(lì)和毫秒激勵(lì)的流動(dòng)控制效果比較

進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以對(duì)比納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)和毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的流動(dòng)控制能力，圖10顯示的是納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)和毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)在自由流速度為50 m/s，激勵(lì)電壓為12 kV，脈沖頻率為230 Hz時(shí)，有激勵(lì)和無(wú)激勵(lì)情況下無(wú)人機(jī)模型的升力系數(shù)。

圖10 MDPAA和NDPAA升力系數(shù)和升力系數(shù)增量與迎角比較

從圖10可以發(fā)現(xiàn)：納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的流動(dòng)控制效果比毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的流動(dòng)控制效果好得多；毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)只能在局部抑制無(wú)人機(jī)模型的流動(dòng)分離，在迎角為25°時(shí)，最大升力系數(shù)增大了6.86%；納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)能夠有效抑制無(wú)人機(jī)模型的流動(dòng)分離，在迎角為26°時(shí)，最大升力系數(shù)增大了20.45%。

2.3 討論

等離子體流動(dòng)控制有動(dòng)力效應(yīng)、沖擊效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)3種機(jī)制。動(dòng)力效應(yīng)產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流；沖擊效應(yīng)在電極附近產(chǎn)生溫度升和壓力升；化學(xué)效應(yīng)引入離子、電子、激發(fā)態(tài)粒子等粒子到流場(chǎng)中[26]。以上研究發(fā)現(xiàn)，沖擊效應(yīng)和動(dòng)力效應(yīng)可能同時(shí)為等離子體流動(dòng)控制起作用。毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)中動(dòng)力效應(yīng)是主導(dǎo)機(jī)制，其誘導(dǎo)激勵(lì)器表面附面層加速，注入動(dòng)力和能量，增強(qiáng)附面層抵抗逆壓梯度的能力。但是毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的最大誘導(dǎo)速度不超過(guò)10 m/s，給附面層注入的動(dòng)力很有限。只有當(dāng)自由流速度為幾十米每秒時(shí)，毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)才能有效工作。

從納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的PIV測(cè)試結(jié)果中可以看出，其誘導(dǎo)速度小于0.5 m/s，因此納秒放電等離子體流動(dòng)控制的主要機(jī)制不是動(dòng)力效應(yīng)。同時(shí)PIV測(cè)試結(jié)果顯示納秒放電誘導(dǎo)氣流的方向并非平行于激勵(lì)器，而是垂直于激勵(lì)器；紋影測(cè)試結(jié)果表明，同時(shí)由于放電時(shí)間為納秒級(jí)，將放電功率集中在很短的時(shí)間內(nèi)釋放，從而在電極附近產(chǎn)生瞬時(shí)的強(qiáng)溫度升和壓力升，加熱電極周圍的氣體，在空氣中誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波。綜上，推測(cè)納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的主要機(jī)制是“沖擊效應(yīng)”，即納秒放電的這種瞬時(shí)加熱效應(yīng)能夠?qū)⒎烹姽β始校a(chǎn)生對(duì)附面層產(chǎn)生“沖擊”式的強(qiáng)擾動(dòng)，增強(qiáng)附面層與主流的動(dòng)力和能量摻混，使高速流體注入附面層，從而使氣流能夠抵抗逆壓梯度而不產(chǎn)生流動(dòng)分離。

3 結(jié)論

本文研究了利用納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行一型無(wú)人機(jī)的流動(dòng)分離控制。基于對(duì)激勵(lì)參數(shù)的測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)：毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)和納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)具有大致相同的激勵(lì)電壓，但毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的最大放電電流僅為0.1 A，而納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的最大放電電流高達(dá)30 A。納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的最大誘導(dǎo)速度約為0.5 m/s，納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流不是像毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流以啟動(dòng)渦或壁面射流的形式存在，而是近似于向上的沖擊波。納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的快速加熱效應(yīng)在電極附近的空氣中形成快速溫度升和壓力升，進(jìn)而誘導(dǎo)出一系列沖擊波，沖擊波的傳播速度約為380 m/s，持續(xù)時(shí)間約為80 μs，在一個(gè)放電周期內(nèi)超過(guò)80 μs后，沖擊波衰減成弱擾動(dòng)。基于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在進(jìn)口自由流速度為50 m/s時(shí)，納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)能夠有效抑制無(wú)人機(jī)模型的流動(dòng)分離；在進(jìn)口自由流速度為30 m/s時(shí)對(duì)模型施加納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)，可以使模型的臨界失速迎角從20°推遲到27°，最大升力系數(shù)增大11.24%。當(dāng)激勵(lì)電壓大于閾值電壓時(shí)，流動(dòng)分離能得到抑制。納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)的最優(yōu)脈沖頻率是使施特勞哈爾數(shù)為1的頻率值。納秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)較毫秒脈沖氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)附面層流動(dòng)控制更有效，納秒脈沖流動(dòng)控制主要機(jī)制時(shí)沖擊效應(yīng)，沖擊效應(yīng)較動(dòng)力效應(yīng)具有更強(qiáng)的流動(dòng)控制能力。