等离子体的试验管理

1实验设备简介

在小型吸气式超声速风洞上进行等离子体流动控制实验，喷管设计马赫数为3，实验稳定时间为60ms。矩形试验段尺寸为100mm*30mm，喷管进口总压为1atm,总温为300K。图1为试验段在超声速风洞上的安装图。图1(a)为压缩角区边界层分离的试验段，斜劈角度为25°，材料为有机玻璃。金属电极采用铜，直径为10mm，电极阴阳极之间间距为15mm，离斜劈直线距离为10mm。绝缘介质采用BN陶瓷材料。图1(b)为入射激波诱导边界层分离的试验段，激波发生器角度为15°，材料为有机玻璃。金属电极采用铜，直径为10mm，电极阴阳极之间间距为15mm，电极之间间距为20mm。绝缘介质采用BN陶瓷材料。电极嵌在陶瓷表面，必须保证与陶瓷材料齐平，以免造成干扰激波的形成。图1(a)试验段沿着超声速气流方向，布置四个静压传感器，用于测量分离区以及斜劈表面的静压。图1(b)试验段沿着超声速气流方向，布置三个静压传感器，用于测量分离区壁面的静压。等离子体源采用单次脉冲高压直流源与重频脉冲高压直流源，其中单次高压直流源输出电压为0-10kV，重频脉冲高压直流源输出电压为0-20kV，激励频率为100Hz-2000Hz。参数测量方法与前期实验相同[12-15]（包括电参数、压力参数、流场显示）。

2控制压缩角区边界层分离的实验

为了验证大时间尺度等离子体源的热效应，首次开展单次毫秒准直流等离子体源控制压缩角区边界层的分离的实验研究。图2为静止气流与超声速气流中单次高压直流源放电特性，激励器两端施加的电压为1000V，在静止气流中直流放电持续时间为10ms，电压从1000V瞬间降到200V，电流从放电开始的24A平缓降到3A，平均功率约2.7kW，释放能量约27J。图2（b）为超声速气流条件下的直流放电特性，与静止气流中放电特性不同之处在于放电过程中发生了中断，之后再次击穿直至放电结束，直流放电持续时间为10ms，平均功率约2kW，释放能量约20J。图3(a)为基准流场结构，图中标出了传感器的位置，压缩角区诱导的激波使边界层发生的强分离，传感器1、2、3的位置基本处于分离区内，传感器4布置在斜劈上用于测量激波后的表面静压，用传感器4的静压值与来流未受扰动的静压值之比来表征整个激波的强度值。图3(b)为施加等离子体气动激励后的流场结构，施加激励电压为1000V,电极的位置在传感器1和传感器2之间。结果表明，施加激励后主激波明显前移，再附激波的强度减弱，分离区的位置向后移，传感器2和传感器3基本处于分离区内，需指出的是尽管分离区后移，但是整个分离区的长度增加，到达斜劈表面。图4(a)为未施加激励时斜劈前缘三个静压传感器测量的静压值，可以发现相对静压值基本相同。图4(b)为施加等离子体气动激励后斜劈前缘三个静压传感器测量的静压值，可以发现沿着流场方向静压增加，传感器2和传感器3的静压值基本相同。图4(c)清晰的表明，未施加激励时，沿着流场方向压力值基本不变，暗示三个测量点都处于分离区，施加激励后，压力传感器2和压力传感器3压力值突然增加，且压力传感器2和压力传感器3的压力值基本不变，暗示分离区后移，且分离区的静压值增加，这是由于斜劈激波前移导致的。图5为斜劈表面传感器4测量的静压值表征的激波强度，可以发现，施加等离子体气动激励后，激波强度急剧下降，施加激励后激波强度减弱18%。原因在于施加激励后，将基准流场的斜劈主激波转变为两道弱的斜激波，即等离子体诱导斜激波以及再附激波。

3控制入射激波诱导边界层分离的实验

为了减弱放电激励过程中沉积的能量，即减弱放电过程焦耳热的产生，采用重频微秒量级高压直流放电激励控制激波诱导边界层的分离的实验研究。图6为静止气流与超声速气流中重频高压直流源放电特性(单次脉冲放电特性)，电源的输出电压为15kV，激励频率为1kHz，在静止气流中直流放电持续时间为5us，电压瞬间降到200V，电流从放电开始的36A平缓降到0A，平均功率约3.6kW，释放能量约2.1J。图6（b）为超声速气流条件下的直流放电特性，与静止气流中放电特性不同之处在于放电维持时间缩短，平均功率约3.6kW，释放能量约1.8J。图7为未施加激励的基准流场结构，来流马赫数为3，斜劈角度15°，入射激波导致边界层发生强分离，理论产生的附体激波角度为32°，纹影结果显示入射激波角度为32°，与理论结果一致。如图8所示，在分离区前缘、分离区以及分离区后缘分别施加等离子体气动激励，电源的输出电压为15kV，激励频率为2kHz。压力传感器的位置基本在基准流场的分离区之间。图9(a)为未施加等离子体气动激励时的流场结构，可以清晰的观察到入射激波、分离激波以及再附激波，上方为分离区的局部放大图，入射激波与分离激波的交点到壁面的距离记为l来表征分离严重的程度。图9(b)、9(c)、9(d)分别为在分离区前缘、分离区以及分离区后缘施加等离子体气动激励时的流场结构，可以发现，在分离区前缘和分离区施加等离子体气动激励时，抑制边界层分离的效果最佳，在分离区后缘施加等离子体气动激励时，对激波诱导边界层分离基本没有效果。图10(a)为未施加激励时分离区内三个静压传感器测量的静压值，可以发现相对静压值基本相同。图10(b)为在分离区前缘施加等离子体气动激励后三个静压传感器测量的静压值，可以发现沿着流场方向静压值增加，传感器2和传感器3的静压值基本相同。图10(c)清晰的表明，未施加激励时，沿着流场方向压力值基本不变，暗示三个测量点都处于分离区，施加激励后，压力传感器2和压力传感器3压力值突然增加，且压力传感器2和压力传感器3的压力值基本不变，暗示分离区减小，且分离区的静压值增加，这是由于反射激波的强度增加造成的，进一步暗示虽然分离区程度减弱，分离区长度减小，但是总压损失增大，流动总的机械能减小。

4讨论

目前国际上关于电弧等离子体气动激励控制超声速气流的作用机理主要集中在放电时产生的焦耳热效应，但是没有得到统一。我们认为，具体的控制机理取决于等离子体源的特性以及具体实验的流场特性。热效应主要解释为等离子体放电过程中产生大量的焦耳热，在物体表面形成高温区域，对超声速气流进行阻挡，即形成新的虚拟型面，改变原有激波形态和强度。热效应主要通过放电过程中的放电功率和放电时间来衡量，本文采用的单次毫秒高压直流等离子体源，放电特性如图2所示，放电时均功率达到3kW，通过放电纹影图观察到得等离子体区域近视为8mm*2mm*2mm，故放电时产生的功率密度近视为1011W/m3。将等离子体气动激励的过程简化为热源项，观察在超声速来流下的流场特性。如图11所示，在激励区产生高温气流，温度达到了3000K（这与俄罗斯科学研究院Leonov教授光谱实验结果[16]相吻合），这将阻碍超声速气流的传播，进而在激励处诱导出弱斜激波。

作者：孙权 崔巍 程邦勤 金迪 单位：空军工程大学 航空等离子体动力学实验室

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