王健磊,李華星,孟宣市,劉 鋒,羅時(shí)鈞

(1.西北工業(yè)大學(xué)翼型葉柵國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072;2.美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校機(jī)械與宇航工程系,CA 92697-3975)

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器的高機(jī)動(dòng)性,通常要求其在大迎角下飛行。此時(shí)飛行器的細(xì)長(zhǎng)前體會(huì)產(chǎn)生一對(duì)脫體旋渦,當(dāng)迎角增大到一定程度時(shí),即使無(wú)側(cè)滑角,原來(lái)對(duì)稱(chēng)的旋渦也會(huì)突然變得非對(duì)稱(chēng)[1],給飛行器帶來(lái)很大的側(cè)力。此側(cè)力的方向和大小目前還無(wú)法預(yù)估和判斷,嚴(yán)重影響了飛行器的穩(wěn)定性。

理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2-7]表明,大迎角下可以通過(guò)對(duì)飛行器前體接近頭部尖端的區(qū)域進(jìn)行流動(dòng)控制來(lái)影響這對(duì)脫體旋渦,從而控制并利用其帶來(lái)的非對(duì)稱(chēng)載荷。Hanff等[7]在細(xì)長(zhǎng)尖拱體頭部設(shè)置了兩個(gè)向前的吹氣孔,并通過(guò)控制兩孔吹氣的占空比[7]實(shí)現(xiàn)了對(duì)前體側(cè)力的近似線(xiàn)性控制。

使用一對(duì)馬蹄形單電極介質(zhì)阻擋放電(Single-Dielectric Barrier Discharge-SDBD)[8]等離子體激勵(lì)器來(lái)代替Hanff等[7]使用的吹氣孔,為流場(chǎng)注入能量,從而實(shí)現(xiàn)大迎角下圓錐前體的主動(dòng)流動(dòng)控制。這是一種純電學(xué)方法,具有物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、控制精度高,并且可以對(duì)反饋控制做出及時(shí)反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。筆者旨在探索采用特定幾何形狀的單電極介質(zhì)阻擋放電(SDBD)等離子體對(duì)圓錐前體大迎角下分離流場(chǎng)進(jìn)行主動(dòng)控制的可行性。

1 模型及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 風(fēng)洞及圓錐模型

實(shí)驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)低速直流風(fēng)洞中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)段截面為3.0m×1.6m。模型由圓錐段、圓弧過(guò)渡段和圓柱段三部分組成,圓錐半頂角為 10°,長(zhǎng)度463.8mm,底面直徑 163.6mm。圓錐頭部長(zhǎng)度為150mm的部分為酚醛樹(shù)脂制成,其余部分為金屬制成。模型在風(fēng)洞中的安裝情況如圖1所示。

圖1 風(fēng)洞模型圖Fig.1 The model in the wind tunnel

1.2 單電極介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器

激勵(lì)器由兩層銅電極及中間的絕緣層組成。銅片電極厚度為0.03mm,絕緣層為聚酰亞胺(Kapton)材料,將下電極完全覆蓋住。電極長(zhǎng)度20mm,距離圓錐頂點(diǎn) 20mm,上、下電極寬度分別為1、2mm(圖2)。因?yàn)殡姌O形式類(lèi)似馬蹄,故稱(chēng)為馬蹄形單電極介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器。等離子體在上下電極之間1mm的間隙處產(chǎn)生,等離子體激勵(lì)器的作用就是從上電極向下電極方向?yàn)榱鲃?dòng)注入能量[8],這種方式和在Hanff等[7]所做的在旋成體頭部吹氣類(lèi)似,但沒(méi)有質(zhì)量的注入。

圖2 等離子體激勵(lì)器安裝及電極示意圖Fig.2 Sketches of the plasma actuator

兩個(gè)等離子體激勵(lì)器中心線(xiàn)θ角分別為±145°,θ為截面方位角,面向來(lái)流,順時(shí)針為正,0°方位角在模型迎風(fēng)面正中,如圖2所示,等離子體激勵(lì)器設(shè)計(jì)成馬蹄形的目的是設(shè)法使誘導(dǎo)出方向沿著圓錐頭部母線(xiàn)向前的集中氣流。

實(shí)驗(yàn)等離子體激勵(lì)器有3種工作模式,模式1：激勵(lì)器關(guān),對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)激勵(lì)器都不工作的狀態(tài);模式2：左舷激勵(lì)器開(kāi),對(duì)應(yīng)的是左舷(面向來(lái)流左邊)激勵(lì)器工作右舷激勵(lì)器不工作的狀態(tài);模式3：右舷激勵(lì)器開(kāi),對(duì)應(yīng)的是右舷(面向來(lái)流右邊)激勵(lì)器工作左舷激勵(lì)器不工作的狀態(tài)。圓錐表面的兩個(gè)激勵(lì)器分別由單獨(dú)的電源驅(qū)動(dòng)(南京蘇曼電子有限公司生產(chǎn)的CTP-2000K等離子體激勵(lì)器電源)。交流電源提供的是正弦波。實(shí)驗(yàn)電壓峰-峰值Vp-p為6～12kV,頻率 f=8.9kHz。輸入功率≦15W。

圖3 靜止大氣中激勵(lì)器最大誘導(dǎo)風(fēng)速隨電壓峰-峰值變化Fig.3 Maximum speed induced by plasma in still air for diferent peakto-peak voltages

在地面靜止大氣實(shí)驗(yàn)中,垂直圓錐尖端的最大誘導(dǎo)氣流速度記為Umax,圖3給出了最大風(fēng)速為Umax隨電壓峰-峰值Vp-p的變化圖,其中的風(fēng)速數(shù)據(jù)是用熱線(xiàn)風(fēng)速儀測(cè)得的。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)選用了Vp-p=12kV,此時(shí)產(chǎn)生的誘導(dǎo)風(fēng)速接近2m/s。

1.3 壓力采集系統(tǒng)

模型圓錐段共設(shè)置了 7個(gè)測(cè)壓截面,從尖端34%到81.3%處等距分布(如圖4)。每個(gè)測(cè)壓截面上間隔10°方位角均勻分布36個(gè)測(cè)壓孔。壓力測(cè)量采用PSI公司生產(chǎn)的9816型和8400型壓力掃描閥,采集頻率分別為64Hz和127Hz。給出的結(jié)果均為5秒鐘內(nèi)采集的壓力值的算數(shù)平均值。

圖4 模型測(cè)壓截面分布Fig.4 Test stations distrbuted on the cone-cylinder

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在典型的雙穩(wěn)態(tài)模式下,細(xì)長(zhǎng)前體在大迎角時(shí)受尖端微小擾動(dòng)或自由來(lái)流的條件[10-11]影響,不對(duì)稱(chēng)載荷有可能指向右舷或左舷,利用了雙穩(wěn)態(tài)下流動(dòng)對(duì)接近圓錐尖端部分的小擾動(dòng)非常敏感這一特性。通過(guò)控制安裝在圓錐尖端附近的等離子體激勵(lì)器來(lái)提供非對(duì)稱(chēng)小擾動(dòng),使分離渦得到控制。實(shí)驗(yàn)采用的激勵(lì)電源頻率 f≈8.9kHz。

2.1 α=0°迎角下個(gè)截面壓力分布特性,模式一

為了檢查模型在風(fēng)洞中安裝的對(duì)稱(chēng)性,在等離子體激勵(lì)器關(guān)的情況下對(duì)0°迎角進(jìn)行了模型表面壓力測(cè)量,風(fēng)速為15m/s。相應(yīng)的基于圓錐底面直徑的雷諾數(shù)為1.5×105。從壓力分布數(shù)據(jù)(圖5)可以看出流動(dòng)基本上是軸對(duì)稱(chēng)的。

圖5 0°迎角下激勵(lì)器關(guān)時(shí)的壓力分布Fig.5 Pressure distributions at plasma off(α=0°)

2.2 α=50°迎角下壓力分布特性比較,模式一/二

從圖6可以看出激勵(lì)器關(guān)閉時(shí),圓錐左舷受到的吸力更大,從而可以推測(cè)出左舷的渦比右舷的渦更靠近圓錐壁面。為了達(dá)到明顯的控制效果,也即使側(cè)力反向,筆者只研究左舷等離子體激勵(lì)器開(kāi)的狀態(tài)。圖6比較了在α=50°,U∞=5m/s狀態(tài)下激勵(lì)器關(guān)和左舷激勵(lì)器開(kāi)時(shí)第7截面上的壓力分布。左舷激勵(lì)器開(kāi)時(shí)的壓力分布與激勵(lì)器關(guān)時(shí)的壓力分布近似鏡像對(duì)稱(chēng),可以推測(cè)激勵(lì)器開(kāi)啟后產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流使右舷的渦移動(dòng)到了靠近圓錐壁面的位置,同時(shí)左舷的渦移動(dòng)到了離圓錐壁面較遠(yuǎn)的位置,也即控制使得非對(duì)稱(chēng)渦轉(zhuǎn)向了反向的穩(wěn)態(tài)。這一過(guò)程中左舷激勵(lì)器向著來(lái)流的反方向?yàn)榱鲌?chǎng)注入了能量,這個(gè)能量將左舷一側(cè)的渦推開(kāi),同時(shí)使右舷的渦和其脫出的剪切層更靠近圓錐壁面。圖7給出了局部側(cè)力系數(shù)沿圓錐軸向上的分布情況。各測(cè)壓截面當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)CYd由圓錐上各截面的壓力分布沿圓周積分得到,并通過(guò)圓錐當(dāng)?shù)刂睆竭M(jìn)行無(wú)量綱化,側(cè)力方向指向右舷為正?？梢钥闯黾?lì)器關(guān)時(shí)的當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)為負(fù)值,左舷激勵(lì)器開(kāi)時(shí)當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)變?yōu)檎?這與圖6中給出的壓力分布結(jié)果是一致的。

圖6 等離子體激勵(lì)器關(guān)和左舷激勵(lì)器開(kāi)時(shí)的壓力分布Fig.6 Pressure distributions for plasma off and port plasma on

圖7 局部側(cè)力系數(shù)沿圓錐軸線(xiàn)分布Fig.7 Local side-force vs.x/L

2.3 α=55°迎角下壓力分布特性比較,模式一/二

圖8比較了 α=55°,U∞=15m/s狀態(tài)下激勵(lì)器關(guān)和左舷激勵(lì)器開(kāi)時(shí)第7截面上的壓力分布。如圖6一樣,激勵(lì)器關(guān)時(shí)左舷受到的吸力較大,左舷激勵(lì)器開(kāi)時(shí)這個(gè)吸力又轉(zhuǎn)換到了右舷。圖9給出了當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)沿圓錐軸線(xiàn)的變化。這個(gè)狀態(tài)下沿圓錐軸向的當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)CYd不再保持不變。激勵(lì)器關(guān)時(shí)各測(cè)壓截面當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)都為負(fù)數(shù)并且變化并不大,而左舷激勵(lì)器開(kāi)時(shí)各截面當(dāng)?shù)貍?cè)力系數(shù)均為正數(shù)且沿圓錐軸線(xiàn)的變化相比較激勵(lì)器關(guān)時(shí)劇烈得多。

圖8 等離子體激勵(lì)器關(guān)和左舷激勵(lì)器開(kāi)的壓力分布Fig.8 Pressure distributions for plasma off and port plasma on

圖9 局部側(cè)力系數(shù)沿圓錐軸線(xiàn)分布Fig.9 Local side-force vs.x/L

2.4 各截面壓力分布比較

圖10給出了α=55°,U∞=15m/s的壓力分布用來(lái)分析上述局部側(cè)力系數(shù)變化的問(wèn)題。可以看出壓力分布是隨著圓錐軸線(xiàn)而變化的。而α=50°,U∞=5m/s狀態(tài)下則沒(méi)有這種現(xiàn)象。

2.5 不同電壓峰-峰值對(duì)流場(chǎng)的作用

由圖7可看出,通過(guò)激勵(lì)器的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài),可使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系膫?cè)力反向,在此基礎(chǔ)上探索了模型側(cè)力在正負(fù)極值間連續(xù)可控變化的可能性。通過(guò)分析可知通過(guò)等離子體激勵(lì)器控制渦脫體特性的方法至少有兩種：(1)通過(guò)兩側(cè)激勵(lì)器開(kāi)閉的時(shí)間比例,即改變占空比。(2)通過(guò)改變一側(cè)激勵(lì)器的電壓峰-峰值。筆者對(duì)后者進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)嘗試。圖11給出了在α=50°,U∞=5m/s狀態(tài)下左舷激勵(lì)器不同電壓峰-峰值時(shí)第7截面壓力分布的變化情況?？梢钥闯鰵饬鲗?duì)圓錐前體兩側(cè)的吸力與電壓峰-峰值有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)電壓峰-峰值增加到12kV時(shí),壓力系數(shù)接近了激勵(lì)器關(guān)時(shí)的反向極值。

圖10 左舷激勵(lì)器開(kāi)和激勵(lì)器關(guān)狀態(tài)下各截面的壓力系數(shù)Fig.10 Pressure distributions over all stations for plasma off and port plasma on

圖11 不同電壓峰-峰值下左舷激勵(lì)器開(kāi)時(shí)的壓力分布Fig.11 Pressure distributions for different peak-to-peak voltages of port plasma on

作用在圓錐前體上的總側(cè)力系數(shù)CYO是圓錐上各截面的局部側(cè)力系數(shù)沿圓錐軸線(xiàn)積分,并通過(guò)圓錐底面面積進(jìn)行無(wú)量綱化得來(lái)的,側(cè)力方向指向右舷為正。圖12給出了左舷激勵(lì)器在不同電壓峰-峰值下總側(cè)力系數(shù)CYO在圓錐軸向上的變化結(jié)果。與圖3給出的結(jié)果相對(duì)應(yīng),激勵(lì)器的最大誘導(dǎo)風(fēng)速與其對(duì)圓錐表面的流動(dòng)影響程度有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系,隨著激勵(lì)電壓的變化,總側(cè)力系數(shù)從約-2.2變?yōu)榧s2.4。實(shí)現(xiàn)了總側(cè)力系數(shù)在正、負(fù)極值之間的中間狀態(tài)。但給出的結(jié)果單調(diào)性不好,分析其原因,一方面是由于實(shí)驗(yàn)點(diǎn)較少,不足以反映完整的控制規(guī)律。另一方面等離子體激勵(lì)器激勵(lì)電壓控制精度很差也給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)了影響。激勵(lì)器電源的電壓通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)控制,精度較差。當(dāng)激勵(lì)電壓未達(dá)到穩(wěn)定工作峰值時(shí),激勵(lì)器處于不穩(wěn)定激勵(lì)狀態(tài)。此時(shí)由于激勵(lì)器與電源產(chǎn)生的耦合作用將會(huì)使得電源輸出電壓產(chǎn)生較大的波動(dòng),使得激勵(lì)電壓無(wú)法準(zhǔn)確控制,所以圖12中曲線(xiàn)中部對(duì)應(yīng)的名義電壓可能與實(shí)際電壓相差很大。

圖12 左舷激勵(lì)器開(kāi)時(shí)側(cè)力系數(shù)隨電壓峰-峰值的變化Fig.12 Overall side-force of port plasma on for diferent peak-to-peak voltages

3 結(jié) 論

(1)實(shí)現(xiàn)了等離子體激勵(lì)器對(duì)大迎角細(xì)長(zhǎng)旋成體非對(duì)稱(chēng)載荷的主動(dòng)控制。提供了一種有別于頭部吹氣等方法的大迎角主動(dòng)流動(dòng)控制方法;

(2)采用馬蹄形單電極介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器,產(chǎn)生了類(lèi)似噴流的集中誘導(dǎo)氣流,實(shí)現(xiàn)了對(duì)大迎角圓錐前體側(cè)力大小及方向的控制;

(3)通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體激勵(lì)器電壓峰-峰值實(shí)現(xiàn)了將圓錐-圓柱組合體前體大迎角非對(duì)稱(chēng)載荷控制在正負(fù)極值之間的狀態(tài),但控制規(guī)律的連續(xù)性尚不好,需做進(jìn)一步細(xì)致研究。

致謝 本文得到了趙子杰、郝江南、李尹喆、羅凱等在實(shí)驗(yàn)方面的幫助,在此向他們致謝。

[1]ALLEN H J,PERKINS E W.A study of the effects of viscosity on the flow over slender inclined bodies of revolution[R].NACA TR 1048,1951.

[2]鄧學(xué)鎣,王剛.細(xì)長(zhǎng)旋成體大迎角正則態(tài)非對(duì)稱(chēng)渦系結(jié)構(gòu)的物理模型[J].中國(guó)科學(xué)E輯,技術(shù)科學(xué) 2004,34(1)：79-93.

[3]MALCOLM G.Forebody vortex control-a progress review[R]AIAA 93-3540,1993.

[4]WILLIAM S D.A review of forebody vortex control scenarios[R].AIAA 97-1967,1997.

[5]顧運(yùn)松,明曉.大迎角非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)的非定常若擾動(dòng)控制[J].航空學(xué)報(bào) 2004,24(2),102-106.

[6]張涵信,冉政.細(xì)長(zhǎng)錐體有迎角繞流對(duì)稱(chēng)流態(tài)到非對(duì)稱(chēng)流態(tài)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)1997,15(1)：20-26.

[7]HANFF E,LEE R,Kind,R J.Investigations on a dynamic forebody flow control system[C].Proceedings of the IEEE Conference,1999,99-0-7803-5715-9,pp.28.1-28.9.

[8]POST M.Plasma actuators for separation control on stationary and oscillating airfoil[D].Ph.D Dissertation,U-niversity of Notre Dame,2004.

[9]MENG S,QIAO Z,GAO C,et al.Reynolds number effects on cone forebody side force[R].AIAA 2008-4303,2008.

[10]ZILLIAC G G,DEGANI D,TOBAK M.Asymmetric vortices on a slender body of revolution[J].AIAA Journal,1991,29(5)：667-675.

[11]MENG Xuan-shi,JIA Chun,QIAO Zhide,et al.Development of flow asymmetry over a 20-degree circular cone at low speed[R].AIAA 2007-4118,2007.

[12]HA LL R M.Influence of Reynolds number on forebody side forces for 3.5-diameter tangent-ogive bodies[R].AIAA-87-2274,1987.