高能表面电弧放电控制圆柱激波实验

孔亚康, 唐冰亮， 梁 华， 郭善广

(空军工程大学航空工程学院等离子体动力学重点实验室, 陕西西安 710038)

引 言

需求推动技术发展, 在航空航天探索中, 对速度更快、 航程更远的飞行器的需求越来越强. 而制约飞行器速度和航程提升的一个重要因素就是激波阻力[1-2]. 在以超声速和高超声速飞行的可重复使用运载器的设计中, 钝头体是常见的气动布局形式, 其在进行超声速飞行时, 在头部位置会产生一道强弓形激波, 由此产生的气动阻力大幅增加, 还会产生较强的气动加热现象[3-4]. 气动阻力的增加必然引起飞行器机械能的损失, 导致航程的急剧减小. 在超声速/高超声速流动控制领域, 一个重要的研究方向就是激波的控制[5-6]. 高效的控制方式对提高飞行器飞行速度、 增加航程以及提高飞行器的推进效率具有重要意义, 因此迫切需要选用高效的控制方式对激波进行控制.

等离子体流动控制是一种新型主动流动控制技术, 其优势特点体现在结构简单、 响应快、 作用频带宽、 强度可调[7-8]. 近年来国内外对等离子体激励控制脱体激波开展了大量基础研究. 结果证实等离子体激励能够减弱激波强度, 改变激波形态. Shang等[9-12]开展了等离子体合成射流激励控制钝头体激波的实验研究, 认为控制机理是放电产生的扰动引起黏性流动与无黏流动相互掺混从而导致激波强度减弱. Wang等[13-14]开展了逆向等离子体合成射流控制圆柱激波的实验研究, 发现等离子体合成射流放电产生的含能涡能够促进流体掺混、 增加湍流度, 并显著削弱了圆柱激波的强度.

目前常用的等离子体激励方式主要有介质阻挡放电等离子体激励(DBD激励)[15-17]、 等离子体合成射流激励[18-19]、 微波放电激励[20]、 表面电弧放电等离子体激励[21-22]等. 其中介质阻挡放电等离子体激励强度小, 不适合高速流动控制[23-24]; 等离子体合成射流激励有效驱动激励器不多于3组, 因而控制范围有限[25-27]; 微波放电等离子体激励虽然强度大, 但存在功耗大且多组激励布局困难的问题[28-29].

表面电弧等离子体激励器由绝缘材料和两个金属电极组成, 能产生明显的冲击波和热气团, 对流动的冲击效应和热效应显著[30-32], 所以其优势在于激励强度大, 并且在超声速流动中控制效果强. 针对表面电弧等离子体激励在圆柱激波控制中表现出的控制难度大、 效果不明显等问题, 本文通过改变放电回路参数即增大直流源电压和放电电容, 提出高能表面电弧控制圆柱脱体激波的新方法.

1 实验系统

1.1 超声速风洞和高速纹影系统

本文实验都在空军工程大学Ma=2的暂冲抽吸自由射流超声速风洞里进行, 流动维持Ma=2的时间为2～3 s. 来流总温为环境总温T0=300×(1±3%) K. 本实验通过反射式高速纹影系统对流场流动结构进行测量. 为获取精细的流动结构, 高速相机曝光时间设为1 μs、 采样频率设置为5×104f/s、 帧间隔为20 μs、 分辨率设为512×512.图1为风洞纹影系统示意图.

1.2 激励器与放电电路

图2为激励器示意图, 表面电弧等离子体激励器由金属电极和绝缘介质组成, 选用直径为1 mm的铜针作电极, 绝缘介质为亚克力平板用于固定电极. 电极插入特氟龙圆柱然后嵌入平板中, 并与平板表面平齐, 避免对流场产生影响. 左端电极与电源高压端连接, 右端电极接地, 电极间距为5 mm.

图1 风洞纹影系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of wind tunnel schlieren system

图2 激励器示意图Fig. 2 Schematic diagram of exciter

图3为实验模型布局示意图, 激励器放电电极距平板前缘245 mm. 平板上板面设计尺寸为400 mm ×110 mm, 圆柱直径为15 mm, 高度分别为10， 15, 20 mm, 固定在靠近平板后缘位置且与前缘距离为285 mm.

图3 实验模型示意图(单位: mm)Fig. 3 Schematic diagram of experimental model(unit: mm)

1.3 放电电路

图4为放电电路示意图, 驱动电源由微秒脉冲电源和高压小功率直流源组成, 两者的输出电压分别为0～20 kV和0～10 kV可调. 电容分别选用4 μF和10 μF. 电路工作过程简单叙述为直流源给电容充电, 微秒源击穿电极间的空气后放电回路导通, 电容开始放电并在电极间形成高能等离子体电弧. 二极管和限流电阻用于保护电源, 防止电容电流回流或电流过大将电源烧坏.

图4 放电电路示意图Fig. 4 Schematic diagram of discharge circuit

电参数测试系统主要由示波器(Tektronix DPO4140)、 电流环(Pearson 6600)和高压探针(Tektronix P6015A)组成.

2 实验结果分析

2.1 初始流场分析

没有施加高能表面电弧等离子体激励时, 3种不同高度的圆柱产生激波如图5所示. 从图中看到圆柱前端出现了清晰的三叉点和一系列激波结构, 即分离区前的分离激波、 弓形激波以及圆柱后方的一道再附激波. 并且圆柱高度分别为10, 15, 20 mm 时对应的弓形激波角分别为40°, 43°, 46°, 说明圆柱越高, 其上方的弓形激波角越大, 激波强度越强.

2.2 放电电容对圆柱激波控制效果的影响

在放电过程中电极间空气被击穿后, 电容放电然后形成高能等离子体电弧放电, 因此不同电容放电时, 高能表面电弧等离子体激励对激波的控制效果也将不同. 实验中选取4 μF和10 μF的电容, 研究不同放电电容对激波控制效果的影响. 直流源电压为4 kV, 圆柱高度为15 mm.图6为不同放电电容条件下高能表面电弧激励控制效果纹影图. 如图所示, 热气团完全覆盖圆柱的时刻分别为140 μs和120 μs; 激波控制效果最佳的时刻分别为160 μs和200 μs.

图5 圆柱激波初始流场Fig. 5 Initial flow field of cylindrical shock

图6 不同放电电容控制效果纹影图Fig. 6 Schlieren diagram of control effect of different discharge capacitors

对比热气团完全覆盖圆柱时刻可以发现放电电容越大, 激励器放电产生的热气团覆盖范围越大, 并且冲击波的传播速度越快, 热气团完全覆盖圆柱所需的时间越短. 观察两种流场情况, 由于热气团的热效应分离激波和三叉点结构消失, 弓形激波均发生变形, 放电电容越大热气团越高, 因此弓形激波消波范围越大; 此外, 放电电容分别为4 μF和10 μF 时弓形激波角减小为42.8°和42.5°, 因此放电电容越大, 弓形激波角越小, 激波强度越弱. 根据最佳控制时刻的差异并结合纹影图像分析, 放电电容越大, 激励强度越大, 有效控制时间越长. 总地来说, 在圆柱激波控制中, 放电电容越大, 放电产生的冲击波强度越强, 热气团影响范围越大, 对激波的控制效果越好.

2.3 直流源电压对圆柱激波控制效果的影响

为研究不同直流源电压对圆柱激波控制效果的影响, 选取直流源电压分别为2 kV和4 kV、 圆柱高度为15 mm、 放电电容为10 μF进行实验.图7是不同直流源电压条件下, 高能表面电弧激励等离子体控制效果纹影图. 如图所示, 热气团完全覆盖圆柱的时刻分别为140 μs和120 μs, 激波控制效果最佳的时刻分别是180 μs和200 μs.

图7 不同直流源电压控制效果纹影图Fig. 7 Schlieren diagram of control effect of different DC source voltages

对比热气团完全覆盖圆柱的时刻, 可以发现直流源电压越大, 激励器放电产生的热气团影响范围越大、 高度越高, 冲击波的传播速度越快, 直流源电压为4 kV时放电产生的热气团完全覆盖圆柱所需的时间越短. 如前所述, 由于热气团的热效应, 三叉点和激波结构消失, 弓形激波均发生变形, 并且直流源电压为4 kV时弓形激波消波更大. 直流源电压为2 kV和4 kV时, 弓形激波角分别减小为42.7°和42.5°, 所以直流源电压越大, 弓形激波角越小, 弓形激波强度越弱. 直流源电压为2 kV时, 圆柱右上方仍然存在一道较强的弓形激波; 而直流源电压为4 kV时弓形激波的强度明显更弱. 根据最佳控制时刻的差异并结合纹影图像分析, 直流源电压越大, 激励强度越大, 有效控制时间越长. 总之, 在圆柱激波控制中, 直流源电压越大, 放电产生的冲击波强度越强, 热气团影响范围越大, 对激波的控制效果越好.

2.4 圆柱高度对圆柱激波控制效果的影响

图8为不同圆柱高度条件下高能表面电弧激励控制效果纹影图, 放电电容为10 μF的直流源电压为4 kV.图中3个不同圆柱高度热气团完全覆盖圆柱的时刻分别为100, 120， 140 μs, 可以清楚地看到冲击波和热气团特征结构, 冲击波向四周传播, 而热气团将随来流向下游传播. 在热气团完全覆盖圆柱的时刻, 由于热气团的热效应和冲击波的冲击效应, 分离区、 分离激波以及三叉点消失, 弓形激波弯曲变形, 弓形激波角减小, 激波强度减弱.

图8 不同圆柱高度控制效果纹影图Fig. 8 Schlieren diagram of control effect of different cylinder heights

在热气团运动到圆柱后的时刻即220, 200, 180 μs, 此时流场范围内已经观察不到弓形激波, 由于冲击波和热气团的作用出现了明显的消波现象, 激波强度显著降低; 再附激波也出现了消波现象, 激波强度减弱. 此时为激波控制的最佳时刻. 对比热气团完全覆盖圆柱的时刻， 发现圆柱高度越高, 热气团运动相同的行程所需时间越长, 分析原因主要是因为圆柱越高, 产生的激波越强, 波后压力越大, 因此减小了热气团的流向速度. 根据激波控制最佳时刻的差异并结合纹影图像分析, 圆柱高度越高, 激波强度越大, 有效控制作用时间越短.

3 结论

通过高速纹影系统开展了高能表面电弧等离子体激励控制圆柱激波实验研究, 获得了不同圆柱高度的初始流场特征; 分析获得了放电电容、 直流源电压和圆柱高度对圆柱激波控制效果的影响规律. 主要结论如下:

(1)圆柱高度越高, 其上方的弓形激波角越大, 弓形激波越强. 激波控制效果减弱, 控制作用时间减小.

(2)施加高能表面等离子体激励后, 由于冲击波和热气团的作用， 分离激波和柱前激波均消失, 弓形激波会发生变形, 并且弓形激波角减小, 激波强度减弱.

(3)放电电容和直流源电压对激波控制效果的影响均呈正相关关系. 放电电容越大, 直流源电压越大, 产生的冲击波强度和传播速度越大, 热气团的高度和影响范围越大, 控制效果增强, 控制作用时间增加. 因此在实际应用中可以通过增加放电容或提高直流源电压来增强流动控制效果.