等离子体激励气动力学探索与展望

1 引 言

20 世纪50 年代, 航天技术研究中发现了“黑障”现象, 飞行器再入大气层时由于气动加热在头部形成等离子体层, 等离子体屏蔽电磁波进而导致通信中断. 这一现象也引发了后续采用等离子体调控目标电磁特性以及气动特性的大量研究. 由于高速气动加热产生等离子体的实验难度较大, 施加高电压放电产生等离子体调控气动特性的研究逐渐兴起. 苏联开展了大量实验研究,Klimov 等(1982)发现在马赫数 6 高超声速流动中, 通过对气流施加预电离, 可以将圆柱体的脱体激波推向上游, 激波阻力最多可减小40% (Klimov et al. 1982). 该现象被称为“Plasma Magic”.由于激波阻力降低会带来高超声速飞行器升阻比和航程的显著提升, 因此, 前苏联和美国对等离子体激波减阻给予了高度关注(Ganiev et al. 2000, Shang 2002, White & Subramaniam 2001). 20世纪60 年代, 前苏联科学家也进行了介质阻挡放电等离子体激励抑制分离流动的探索实验. 20世纪90 年代, 大量前苏联科学家来到美国, 复现俄罗斯的实验结果并开展机理研究. Meyer 等(2003)研究发现, 激波阻力的降低与等离子体产生过程中的热效应密切相关, 气体分子的裂解和电离并不起主导作用. 20 世纪末, Roth 等(2000)开展的介质阻挡放电等离子体激励及其抑制翼型流动分离的研究, 引起了国际上的广泛兴趣. 2002 年, 《简氏防务周刊》曾将国外进行的等离子体可以大幅度改变飞行器空气动力特性的研究评论为: 将期待一场军用和商业飞行器的革命.2000 年之后, 国际上出现了等离子体空气动力学 (plasma aerodynamics) .

早期研究中, 等离子体一般由封闭腔体内的直流辉光/电弧放电产生, 或者以逆向射流形式覆盖实验模型表面, 与航天飞行器再入过程中头部所产生的高温等离子体鞘层具有一定相似性.由于产生这种全局、高温等离子体所需要的能耗很高, 国际上逐步转向采用局部的、非定常等离子体激励进行流动控制. 随着等离子体调控气动特性研究的广泛兴起, 国际上逐渐将其称为等离子体流动控制技术, 等离子体激励器放电产生等离子体激励, 进而改善气动特性. 与传统方法如吹吸气、振荡壁面、压电式合成射流等相比, 等离子体激励器具有结构简单、频响高、响应速度快等优点, 在飞行器增升减阻、防除冰、扩大发动机稳定裕度和提高推进效能等方面有着广阔的应用前景(吴云和李应红 2015). 2009 年, 美国航空航天学会将以等离子体激励器为代表的主动流动控制技术列为十大航空航天前沿技术之一. 2011 年, 美国普林斯顿大学和DARPA 召开了等离子体在流动控制、能源技术和材料处理中的应用研讨会.

等离子体流动控制的核心是通过等离子体激励激发流动不稳定性, 实现“四两拨千斤”的效果. 为了系统研究等离子体流动控制的科学基础, 我们提出等离子体激励气动力学 (plasma-actuated gas dynamics, PAGD) , 定义为研究等离子体激励与流动相互作用下, 绕流物体受力和流动特性以及管道内部流动规律的科学, 属于空气动力学、气体动力学与等离子体动力学交叉前沿领域. 等离子体激励与气流之间呈现复杂的相互作用, 一方面, 等离子体激励通过加速、加热和化学效应影响激波、分离流动、附面层流动等典型的气动现象; 另一方面, 气流的速度、压力和温度变化又会改变化学反应速率常数、约化场强等参数, 进而影响放电形态和等离子体组分浓度, 如图1 所示. 等离子体激励气动力学的基础研究, 需要综合运用等离子体物理、空气动力学、气体动力学、高压放电等多学科知识, 求解包含N-S 方程、电磁方程、粒子输运方程、化学反应方程在内的复杂动力学体系(李应红和吴云 2020, Unfer & Boeuf 2010, Zhu et al. 2013).

图 1 等离子体激励气动力学的内涵(吴云和李应红 2015,李应红和吴云 2020,Tang et al.2020a)

等离子体激励气动力学的研究内容主要包含两个方面, 一是等离子激励的产生与演化机制,二是等离子体激励调控气流的机理与规律. 本文从等离子体激励气动力学角度, 对近20 年来国际上的等离子体流动控制研究探索进行综述: 第2 节主要介绍等离子体激励的基本原理, 介质阻挡放电等离子体激励和等离子体合成射流激励的特性与演化机制; 第3 至5 节分别介绍等离子体激励调控附面层、分离流动和含激波流动的机理与规律; 第6 节对等离子体激励气动力学的未来发展进行了展望.

2 等离子体激励

2.1 基本原理

等离子体激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度、物性变化,对气流施加的一种可控扰动, 主要包含三个效应: 动力效应、冲击效应和物性改变(吴云和李应红 2015), 如图2 所示. 在等离子体激励器的两个电极之间施加高电压形成强电场区域, 强电场加速电子并与中性粒子高速碰撞, 对气体粒子激发活化, 形成放电等离子体区域(Leonov et al.2010).

图 2 气体放电等离子体形成流体动力学宏观激励的微观原理

从微观上看, 电子与中性气体分子碰撞将引发分子的电离、解离和激发, 而已被激发的气体分子又会因为复合和碰撞熄灭等过程进一步解离, 对气体成分影响显著的典型过程包括: 电子碰撞电离: e+M2 = >e + e +,电子碰撞激发: e+ M2 = >e +, 电子碰撞解离:e + M2 =>e+M+M*,离子解离复合: e+= >M + M∗,碰撞熄灭解离:+ N = >M + M*+ N. 这些碰撞过程使得气体成分从以基态氮、氧分子为主转变为包含了数十种分子、原子、离子、电子的混合物, 成分的变化直接引起气体物性参数的变化. 由于带电粒子增多, 等离子体区域具有很高的电导率, 高电流通量将引发焦耳加热, 空气温度的增加又将进一步提高电导率, 加剧物性参数的重大变化.

从宏观上看, 气体放电的直接结果是温度升高, 进而引起气体密度和气压的显著变化. 等离子体对气体影响的微观规律和宏观规律是统一的, 宏观温度提升的本质是粒子间非平衡碰撞过程释放了能量; 密度和气压的变化一方面是温度变化的联动效应, 另一方面则是带电重粒子受到电场力的驱动与中性粒子碰撞引发动量转移造成的. 通过调节气体放电等离子体的微观过程, 实现对流体动力学宏观过程的控制, 是等离子体激励研究的重要内容.

放电等离子体呈现高度非平衡特性, 表现为不同的成分 (电子、离子和中性粒子) 具有明显不同的速度 (宏观表现为温度) . 等离子体体系中各成分的速度受到约化电场和沉积能量的控制.约化电场决定了处在各速度范围中电子的概率 (电子能量分布函数) , 而电子温度决定了等离子体体系中反应的发展方向和产物的主要类型; 沉积能量则决定了等离子体系统中碰撞/反应的多少. 不同的等离子体发生方式, 具有不同的约化电场和沉积能量范围, 继而决定了等离子体激励作用于气流时的复杂机理. 表1 列出了三种常用的等离子体激励产生方式: 介质阻挡放电、火花放电和电弧放电.

表 1 几种典型等离子体激励特性

2.2 介质阻挡放电等离子体激励

表面介质阻挡放电 (surface dielectric barrier discharge, SDBD) 等离子体激励, 是国际上研究最为广泛深入的等离子体激励方式. 典型的介质阻挡放电等离子体激励器构型与放电形态如图3所示. 按照驱动电压波形的不同, 可以分为正弦交流、微秒脉冲、纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励, 如表2 所示.

表 2 几种典型介质阻挡放电等离子体激励特性

图 3 (a)表面介质阻挡放电等离子体激励器侧视图(吴云和李应红 2015),(b)时空分辨的放电等离子体形态俯视图(Starikovskii et al.2009)

对于正弦交流SDBD 等离子体激励, 其基本机制是动力效应, 即通过离子在电场下的加速、离子与中性气体分子之间的动量传递诱导近壁面射流. 国际上开展了大量的实验、仿真和激励器参数优化工作, 发现放电通道呈随机分布, 离子加速效应主要发生在电压下降的负半周期(Unfer & Boeuf 2009, 2010), 随着环境气压的下降, 放电模态从丝状放电转捩为辉光放电, 转动温度、振动温度、电子温度与电子密度等特性均发生显著变化(Wu et al. 2008), 激励首先诱导出启动涡, 随后演化为近壁面射流, 典型参数下激励诱导的近壁面射流速度小于10 m/s (Alexandre et al.2010). 对于纳秒脉冲SDBD 等离子体激励, 其基本机制是冲击效应, 即通过激发态粒子、离子与中性分子的碰撞, 产生快速加热, 进而诱导压缩波和旋涡. 激发态氮分子熄灭放热量和离子碰撞放热量的比例为7 : 3, 诱导产生约300 K 的快速温升, 由于该加热过程的时间尺度 (约200 ns) 与声学时间尺度 (约300 ns) 相近, 冲击波随之产生, 随后快速衰减(Zhu et al. 2013, Starikovskii et al. 2009, Keisuke et al. 2011). 放电电压的上升沿时间对冲击波特性影响显著, 上升沿越短, 冲击波强度越大. 纳秒脉冲SDBD 等离子体激励诱导旋涡的过程, 与快速加热导致的流场涡量输运方程的斜压项变化有关(赵光银等 2015, 杜海 2016). 对于黏性流体, 由N-S 方程有

式中, V 为速度矢量, ρ 为密度, p 为压力, 在二维条件下, 忽略纳秒脉冲SDBD 产生体积力的影响, 对式 (1) 两边取旋度可得二维涡量输运方程

其中, ωx 为展向涡量, 方程左端为当地涡量的时间变化率; 右端-(V ·∇)ωx为涡量对流项, 即涡量迁移变化率, 对应对流引起的涡量转移; -ωx(∇·V)为涡量压缩-膨胀项, 对应流体微团体积变化引起的涡量大小变化; ∇ρ×∇p/ρ2为斜压项, 即密度与压力不满足正交关系时发生热对流从而引起的涡量变化; 最后一项为黏性应力引起的涡量扩散项, 对应流体黏性对涡量的影响. 纳秒脉冲SDBD 诱导快速加热导致激励器表面流场中密度与压力不再正交, 从而引起方程中斜压项改变,在流场中诱导产生涡量变化. 纳秒脉冲SDBD 诱导产生的涡量在分离流场中的发展与运动, 使大尺度分离涡破碎, 进而实现抑制流动分离的目的. 对于微秒脉冲SDBD 激励, 其机制介于正弦交流与纳秒脉冲激励之间, 既有快速加热引起的冲击效应, 又有离子加速引起的动力效应.

近年来, 国际上针对表面放电的精细机理开展了深入研究, 在纳秒时间尺度和微米空间尺度上, 精细分辨了表面放电的发展过程和气动响应过程, 并建立了精准的数值模型 (图4) (Zhu et al. 2017)电场测量研究手段(Huang et al. 2020); 得到了正弦交流和脉冲放电等离子体激励体积力和沉积能量的解析解(Soloviev & Krivtsov 2015), 并发现放电饱和现象, 指出当放电频率、电压、介质参数满足特定数学物理关系时, 介质阻挡放电等离子体将从准均匀态转捩为丝状放电, 放电均匀性的破坏会导致气动激励控制效果陡降, 通过提高注入能量、频率或电压等单一参数来提高激励效果在物理上被证明不可行. 通过将正弦交流和脉冲激励统一到共同的物理框架下, 提出了表面放电等离子体激励相图(Zhu & Wu 2020), 实现了等离子体激励加速和加热效应的范围量化; 发展了SDBD 等离子体激励参数设计软件SDBDesigner (Zhu & Wu 2020), 大大降低了激励器设计试错成本, 如图5 所示.

图 4 高精度的表面介质阻挡放电等离子体激励诊断与计算结果.(a)表面介质阻挡放电等离子体时空演化精细结构侧视图,实验与数值模拟,(b)等离子体激励下的气动响应高速拍摄图像侧视图,实验与数值模拟(Zhu et al.2017)

2.3 等离子体合成射流激励

等离子体合成射流激励器最早提出于2003 年, 其基本工作原理是利用脉冲电弧对半封闭腔体内部的空气进行快速增温增压, 最终诱导高速射流喷出(Grossman et al. 2003). 等离子体合成射流激励器在一个周期内的工作过程包含三个阶段: 放电能量沉积、射流和吸气恢复. 与介质阻挡放电等离子体激励器、脉冲电弧等离子体激励器和传统的压电式/活塞式合成射流激励器相比, 等离子体合成射流激励器是唯一一个将结构简单 (若干电极 + 一个腔体) 、射流速度高(＞500 m/s) 和工作频带宽 (＞5 kHz) 结合在一起的新型激励器(Reedy et al. 2013, Narayanaswamy et al. 2010). 因此, 自提出之后不久, 便引起了主动流动控制领域的广泛关注(Narayanaswamy et al. 2010, Hardy et al. 2010, Anderson & Knight 2012).

等离子体合成射流激励特性研究的目标是要从系统的角度, 厘清激励器输出扰动特征与输入放电波形和激励器几何参数之间的复杂非线性关系. 根据这一非线性关系, 认知等离子体合成射流的形成演化机理和无量纲规律, 并对激励器结构进行优化设计. 2003 年-2012 年期间的激励特性研究主要采用高速纹影、测压和RANS 数值仿真等, 得到的结果大部分是单次工作模式下射流头部速度和出口总压随着时间的变化规律(Reedy et al. 2013, Narayanaswamy et al. 2010,Hardy et al. 2010, Anderson & Knight 2012). 2013 年至今的激励特性研究主要依托定量纹影、PIV 等先进流动测量方法和简化理论建模, 研究内容包括激励的形成演化机理和设计无量纲规律(Zong et al. 2015a, 2015b; Zhang et al. 2015; Wang et al. 2014; Laurendeau et al. 2014; Zong &Kotsonis 2016; 2017a, 2018; Kim et al. 2018; Shin et al. 2021). 经过近20 年的发展, 目前国内外对于等离子体合成射流激励特性的认识已经比较清晰, 如图6 所示.

图 5 (a)表面放电等离子体激励相图,(b)用于减阻激励的定制化快升缓降电压波形(Zhu &Wu 2020)

图 6 等离子体合成射流激励特性(Zong et al.2015b,2015a; Zhang et al.2015; Wang et al.2014; Laurendeau et al.2014; Zong &Kotsonis 2016; 2017a,2018; Kim et al.2018; Shin et al.2021)

等离子体合成射流激励主要通过四大扰动特征来对外部流动进行控制: 冲击波、涡环、高速射流和弱吸气. 先驱强冲击波形成的根本原因是脉冲电弧的不均匀加热, 而后续多道冲击波则为先驱冲击波在腔体内部多次反射后的余波(Zong et al. 2015a; Dong et al. 2019). 冲击波的传播速度、波后气流密度均随着传播距离的增加而呈现出一种指数衰减的变化规律. 相同放电能量下, 放电电极越靠近出口/射流孔径越大, 激波强度就越大(Zhang et al. 2015). 根据壁面涡量流理论, 涡环的涡量本质上来源于射流喉道的边界层涡量(Zong & Kotsonis 2016). 当射流无量纲冲程Ls 小于4 时, 所有的边界层涡量都会被卷吸到头部涡环中. 而当Ls 大于4 时, 除了头部启动涡环外, 在射流主体剪切层中还会由于K-H 不稳定性而形成大量的相干涡结构(Zong & Kotsonis 2017a, 2018). 这些相干涡环的脱落频率与射流阶段唇口压力的脉动频率一致(Laurendeau et al.2014, Shin et al. 2021). 涡环一旦形成后, 就会在自诱导作用下沿着激励器轴向运动. 涡环的环量随着传播距离的增加呈现出一种先增加而后减小的变化趋势. 最大环量在距离喉道出口2 倍直径处获得, 取值约为0.62UpD, 其中Up 和D 分别为射流峰值速度和出口直径(Zong & Kotsonis 2018).

通过监控高速纹影中射流头部位置演化, 发现射流头部速度随着时间的延长呈现出一种先增大而后减小的变化规律, 最大射流速度与能量沉积呈正比(Zong et al. 2015a; Wang et al. 2014).利用PIV 手段对高速射流流场进一步捕捉发现, 射流主体中存在多个高速区域和低速区域相间隔的结构, 说明出口速度存在着一定的脉动. 这种速度脉动与涡环的周期性脱落有关, 从根本上都可归结为腔体内部的压力脉动(Reedy et al. 2013, Zong & Kotsonis 2016). 射流的演化过程还受孔型的影响较大. 相同面积下, 狭缝孔的射流主体由与外界接触面积较大, 卷吸的低能流体较多,因而扩张速率高、射流穿透深度低(Zong & Kotsonis 2017a). 在激励特性研究初期, 国内外对于激励器吸气机理的认知并不清晰. 部分学者认为当射流阶段结束后, 腔体处于高温状态, 随着冷却换热过程中激励器腔体温度的降低, 腔内压力稳步降低, 为吸气过程提供动力(Haack et al. 2010). 根据这一机理建立的解析理论模型, 并没有重现吸气现象, 也并不能够模拟激励器工作的重频过程. 进一步研究表明, 由于喉道内气体的惯性和腔体内外的复杂换热过程, 激励器本质上是一个带阻尼的振荡系统(Zong et al. 2015b). 在一个工作周期内存在着多次射流和吸气过程的轮换, 而吸气过程的驱动力即为射流阶段结束后的负压. 吸气的速度比射流速度低一个量级, 大约为10 ~ 20 m/s.

综合以上机理分析和理论建模, 得到了大量可以指导设计的无量纲规律. 如图6 最后一行所示, 最大的射流速度与无量纲的能量沉积有关, 两者呈1/3 次律关系(Zong & Kotsonis 2018); 激励器的饱和频率由腔体的Helmholtz 自然震荡频率决定, 与腔体体积呈反比、射流孔径呈正比(Chiatto & Luca 2017); 射流持续时间与能量沉积和腔体体积呈正比, 与射流孔径和腔体温度呈反比(Anderson & Knight 2012); 激励器腔体内的密度随着工作频率的增大呈现出一种先基本不变, 随后快速下降的变化趋势; 转折点处的截止频率与腔内外换热系数、表面积等相关.

3 等离子体激励调控附面层

航空技术发展对附面层调控有着迫切的需求. 以大型民航客机、运输机和大展弦比无人机为例, 整机的湍流摩擦阻力约占巡航过程中总飞行阻力的40% ~ 50%. 如果能够推迟附面层转捩或者降低湍流流动的壁面摩擦阻力, 飞机的最大航程、航时都会得到大幅提升. 对于临近空间高超声速飞行器, 附面层调控对于降低热流、减弱激波/附面层干扰都有重要作用.

3.1 层流附面层转捩调控

附面层转捩是指附面层流动由层流状态发展为湍流状态的过程, 是一个多因素耦合影响的强非线性复杂流动物理现象. 从流动稳定性角度看, 转捩调控的机制可分为平均流修正和改变不稳定波两种方式, 这也是等离子体激励调控附面层转捩的基本思路. 国际上对等离子体激励控制低速平板附面层展开了大量研究(Roth 1995, Roth & Sherman 1998), 主要通过施加正弦交流SDBD 等离子体激励推迟附面层转捩, 如图7 所示. 等离子体激励对附面层产生加速作用, 使平均流速度型更加饱满, 抑制扰动产生的不稳定性频率的增长, 进而推迟低速附面层 (来流速度20 m/s)转捩(Duchmann 2012, Riherd & Roy 2013, Grundmann & Tropea 2007). 利用等离子体激励产生体积力对平均流的修正效果, 也可以有效抑制后掠翼模型附面层局部三维横流分量的增长, 进而推迟转捩(Yadala et al. 2018). 通过改变等离子体激励频率, 激发与附面层内T-S 扰动波相位相反的非定常扰动波, 可以实现扰动幅值相互抵消的效果(Grundmann & Tropea 2008, Duchmann et al. 2013). 基于壁面剪应力测试的反馈, 通过调整等离子体激励器布局产生流向涡量结构进行闭环回路控制, 在来流速度5 m/s 时抑制了旁路转捩的流向条带结构, 进而推迟转捩(Belson et al. 2012, Hanson et al. 2012). 对于超声速附面层, 实现了3.5 Ma 来流条件下等离子体激励推迟圆锥附面层横流转捩(Schuele et al. 2013), 其机制是产生成对的反向旋转流向涡, 抑制高次谐波能量, 进而推迟转捩.

等离子体激励促进附面层转捩也取得了明显效果, 但是机理尚不清晰. 等离子体激励促进层流附面层转捩的效果和机理如图8 所示. 纳秒脉冲SDBD 等离子体激励促进低速附面层转捩方面, 等离子体激励快速加热形成的热气团向下游输运, 在附面层内形成类似于T-S 波的扰动波,最终导致附面层提前转捩(Correale et al. 2013, 2014; Zhao & Cui 2018; Ullmer et al. 2015). 在调控超声速附面层方面, 利用展向阵列式火花放电等离子体激励实现了附面层强制转捩, 观测到了激励诱导的人工发卡涡. 与由第一模态不稳定波 (T-S 波) 主导的低速附面层转捩不同, 高超声速条件下第二模态的最大增长率超过第一模态扰动, 采用特定激励频率的辉光放电等离子体激励激发第二模态不稳定波, 并导致第一模态不稳定波的快速放大, 有效促进了6 Ma 高超声速附面层转捩(Li et al. 2020, Zhang et al. 2020).

图 7 正弦交流SDBD 等离子体激励推迟层流附面层转捩的效果和机理(Yadala &Srikar 2018,Duchmann et al.2013,Schuele et al.2013)

图 8 等离子体激励促进层流附面层转捩的效果和机理(Correale et al.2013,Zhang et al.2020).(a)基准流场;(b)激励后流场.自上而下,高超声速和超声速附面层的结果为NPLS 图像,而亚声速附面层的为仿真结果

3.2 湍流附面层减阻

流体流经壁面产生的摩擦阻力与流体的动力黏度以及壁面处速度剖面的斜率成正比. 与层流附面层内部有序分层的流动不同, 湍流附面层内部存在着不断上扫下洗的低速和高速条带, 以及大量的发卡涡、发卡涡包以及更大尺度的条带和涡结构, 这些结构及其行为在耗散湍动能的同时, 促进湍流附面层内部掺混, 使其底层速度剖面更加饱满, 壁面处斜率更大, 进而产生远大于层流附面层的摩擦阻力.

为减小湍流摩擦阻力, 国际上发展了包括复杂壁面 (沟槽、阵列凹坑等) 、壁面抽吸、展向壁面振动在内的许多减阻方法, 其机理主要是通过抑制黏性壁区的条带结构运动及其所伴随的流向涡实现减阻. SDBD 等离子体激励可以在近壁区诱导产生射流与体积力, 模拟吹气与展向壁面振动的效果, 进而实现湍流减阻(Du et al. 2002). SDBD 等离子体激励可分为展向振动、展向射流、流向射流等三种, 均是通过控制近壁区相干结构来产生作用. 展向振动方法通过对放电高压波形进行调制, 在附面层底层产生周期性振动射流, 诱导产生流向涡, 干扰附面层原有流向涡发展, 从而在较低来流速度下 (1.75 m/s) 实现45%的减阻量(Jukes et al. 2016, Choi et al. 2011).展向射流方法能破坏附面层底层流向涡的生成与条带结构的法向运动之间的自持过程, 在52 m/s的来流下, 实现超过70%的减阻量(Thomas et al. 2019, Duong et al. 2021). 等离子体激励减小湍流摩擦阻力的方法、规律和机理如图9 所示. 展向单侧射流等离子体激励的减阻效果与相邻两组激励器间的条带数成反比, 有效减小湍流摩擦阻力要求激励器组间距 (λz) 满足经验公式(Thomas et al. 2019)

图 9 等离子体激励减小湍流摩擦阻力的方法、规律和机理(Jukes et al.2016,Choi et al.2011,Thomas et al.2019,Duong et al.2021,彭倩 2018,Cheng et al.2021)

其中, uτ 为摩擦速度, ν 为运动黏度. 此外, 展向射流还可以稳定并聚拢低速条带, 进而实现减阻(彭倩 2018, Cheng et al. 2021). 流向射流方法的作用机理尚不明晰, 推测是诱导沿面射流使近壁相干结构抬升并减弱, 进而实现减阻(Bin et al. 2019).

3.3 湍流附面层掺混增强

在燃烧、降噪、流动分离控制等应用中, 等离子体激励器一般安装在壁面, 通过和附面层相互作用诱导旋涡来增强掺混. 等离子体合成射流激励在增强掺混方面具有显著优势. 受射流速度非定常性影响, 等离子体合成射流激励与来流作用过程中所形成的旋涡结构远比定常射流复杂.采用SPIV 和tomo-PIV 手段对亚声速附面层中的等离子体合成射流演化过程进行精细测量, 建立了图10 所示的涡系谱图(Zong & Kotsonis 2017b, 2019, 2020; Zhou et al. 2017; Yang et al.2016).

图10 中的主要旋涡结构包括头部涡环 (FVR) , 对转涡对 (CVP) , 剪切层涡 (SVs) , 悬挂涡对等. 对于亚声速圆形小孔, 当射流速度比小于1 时, 射流头部涡环的穿透性能较弱, 射流主体不明显; 受射流涡环的诱导效应, 在附面层底部 (涡环下方) 形成了次级对转涡对. 当射流速度比大于1 时, 射流主体仍然保持直立状态, 在其两侧和背风面分别形成了悬挂涡对 (HVP) 和回流区域 (BFR) ; 随着射流速度的降低, 悬挂涡对弯向主流, 演化为主对转涡对, 主对转涡对的下方又诱导出了次对转涡对. 对于狭缝孔射流来说, 由于头部涡环存在轴转换现象, 因此射流主体头部两侧还延伸出了肋涡.

图 10 等离子体合成射流激励与横流附面层相互作用.FVR 为头部涡环,RVs 为肋状涡,HVP 为悬挂涡对,SVs 为剪切层涡,CVP 为对转涡对,BFR 为回流区(Narayanaswamy et al.2010,Zong &Kotsonis 2017b,2019,2020; Zhou et al.2017,Yang et al.2016)

超声速来流条件下的等离子体合成射流演化与亚声速条件存在着很大不同(Narayanaswamy et al. 2010, Zhou et al. 2017). 由于冲击波速小于主流速度, 该冲击波只能向下游传播; 射流喷出后速度比相对较低, 穿透能力较弱, 基本保持贴壁状态; 脉冲直流电弧等离子体激励在3 Ma 主流中, 可以穿透1.5 倍的边界层厚度, 等效定常射流压力比为0.6. 超声速来流中的等离子体合成射流可以等效为虚拟旋涡发生器, 也有明显的对转涡对结构(Zong & Kotsonis 2017b). 这些旋涡结构的上扫和下洗效应, 促进了附面层内部的掺混, 导致附面层速度剖面变得更加饱满, 抵抗逆压梯度的能力也更强. 等离子体合成射流的弱吸气效应也能起到移除边界层底部流体的作用(Zong & Kotsonis 2019).

4 等离子体激励调控分离流动

分离流动是飞机、发动机面临的一种典型流动现象, 抑制分离流动可以减小阻力、增大升力、降低噪声、扩大稳定性.

4.1 翼型/机翼分离流动调控

国际上围绕等离子体激励抑制翼型/机翼分离流动开展了大量研究(吴云和李应红 2015). 早期主要采用正弦交流SDBD 等离子体激励抑制二维翼型在大迎角下的流动分离, 在流动分离点上游施加激励, 加速附面层底部的低速流体, 增强附面层抵抗逆压梯度的能力, 进而抑制流动分离. 但是由正弦交流SDBD 等离子体激励诱导的射流速度较小 (通常为几米每秒) , 仅能抑制来流速度0.4 Ma 以下的流动分离, 限制了应用前景(Kelley et al. 2014). 必须提高等离子体激励的强度, 进而提高其抑制流动分离的能力.

针对提高等离子体激励抑制分离流动能力的需求, 借鉴高功率脉冲激光诱导等离子体冲击波用于材料强化的研究工作, 提出了等离子体冲击流动控制原理与方法, 通过纳秒脉冲放电快速加热产生等离子体冲击波激励, 通过冲击波和旋涡促进附面层与主流掺混, 提高近壁面流动的动能, 进而抑制流动分离, 并使等离子体激励的脉冲频率接近流场的最佳响应频率, 实现等离子体激励和流场耦合. 风洞试验表明, 纳秒脉冲等离子体冲击激励可以在高亚声速条件下有效抑制分离流动(李应红等 2010, Wu et al. 2014). 低雷诺数下, 纳秒脉冲SDBD 激励诱导涡主要是促进前缘层流分离形成湍流以提高附面层抵抗逆压梯度的能力, 从而抑制流动分离; 高雷诺数下, 前缘分离表现为湍流分离, 激励诱导涡通过破碎分离剪切层, 促进附面层与主流掺混, 破坏大尺度分离涡, 同时提供涡升力等方式抑制流动分离, 提高翼型气动性能, 如图11 所示(赵光银 2015).

图 11 纳秒脉冲等离子体激励抑制翼型分离流动的演化过程(赵光银 2015)

SDBD 等离子体激励抑制分离流动的研究对象经历了从简单到复杂, 从风洞实验与数值计算到飞行试验的过程, 如图12 所示. 针对后掠翼、三角翼、飞翼等机翼或整机复杂三维流动分离, 通过优化激励位置、激励器构型与激励参数, 微秒脉冲、纳秒脉冲SDBD 等离子体激励均取得了良好的控制效果(李应红等 2010, Wu et al. 2014, 赵光银 2015, Patel et al. 2007, Greenblatt et al. 2007). 针对三角翼失速分离, 等离子体激励周期性诱导的涡结构能够使三角翼前缘涡增强并再附, 从而推迟大迎角下涡破裂的发生(Greenblatt et al. 2007, Zhao et al. 2015, Wei et al.2020). 等离子体激励抑制飞翼流动分离的机理与抑制翼型分离类似, 在增大升力、推迟失速的同时, 等离子体激励也能使飞翼的飞行稳定性与舵面效率得到提升(Han et al. 2015, Kaparos et al.2018, Li et al. 2018). 在实际飞行条件下, SDBD 等离子体激励抑制无人机流动分离、提高无人机性能的能力也通过丝线、测压、飞控参数判读等手段得到了验证(Sidorenko et al. 2008,Grundmann et al. 2009, 张鑫等 2018, Su & Li 2018).

图 12 SDBD 等离子体激励抑制翼型/机翼分离流动的发展脉络(Greenblatt et al.2007,Zhao et al.2015,Han et al.2015,Kaparos et al.2018,Li et al.2018,Wei et al.2020,Sidorenko et al.2008,Grundmann et al.2009,张鑫 等 2018,Su &Li 2018)

作为一种综合型的高能激励方式, 等离子体合成射流激励对于外界的扰动多式多样: 冲击波、高速射流、弱吸气和涡环. 根据这些扰动与分离流的作用方式不同, 可以总结出等离子体合成射流控制亚声速流动分离的四大机理, 如图13 所示.

图 13 等离子体合成射流激励抑制流动分离的四大机理(Caruana et al.2013,Zong &van Pelt et al.2018,Liu et al.2018,苏志等 2018,李洋等 2018)

首先, 等离子体合成射流诱导的冲击波和脉冲射流作为强扰动, 可以直接促使层流附面层通道转捩, 形成不易分离的湍流附面层; 其次, 射流与横流的相互作用会诱导产生一系列的复杂三维涡结构, 如流向对转涡对、头部涡环、剪切涡等; 这些涡结构的上扫和下洗效应加快了湍流附面层内部的掺混, 使得边界层速度剖面变得更加饱满; 再次, 冲击波和脉冲射流作为周期性的扰动源, 可以激发分离区剪切层的K-H 不稳定性, 诱导产生大尺度的展向涡, 实现分离区的动态重附; 最后, 激励器弱吸气恢复效应在一定程度上可以移除上游附面层底部的低能流体, 提高附面层抵抗逆压梯度的能力. 在以上机理的指导下, 法国宇航院ONERA、荷兰代尔夫特理工大学、厦门大学等都进行了相关的实验验证研究, 在最高风速为40 m/s、雷诺数为百万量级的条件下,获得了较好的前缘大尺度流动分离控制和后缘小尺度流动分离控制效果(Caruana et al. 2013,Zong & van Pelt et al. 2018, Liu et al. 2018, 苏志等 2018, 李洋等 2018).

4.2 压气机分离流动调控

与翼型/机翼分离流动相比, 压气机分离流动在强逆压梯度和旋转叶片的影响下, 三维和非定常特性更加显著, 等离子体激励的非定常气动效应更容易与压气机分离流动产生强耦合, 取得“四两拨千斤”的流动控制效果. 等离子体激励可有效控制压气机内部分离流动、泄漏流动, 进而减小流动损失、提升压气机稳定工作裕度, 其流动控制机理可归纳为动力效应和冲击效应. 正弦交流等离子体激励通过动力效应, 作用于叶片表面附面层可抑制流动分离, 作用于叶尖泄漏流动可抑制其沿流向的发展. 纳秒脉冲等离子体激励通过冲击效应, 向流场中注入的局部强扰动与压气机内部流动相互作用会诱导形成增强诱导掺混的旋涡结构, 可有效抑制高速压气机分离流动.

等离子体激励通过提升流体动量可以抑制压气机内部流动分离和泄漏流动的发展. 从公开文献来看, 国内最早进行了实验验证, 利用正弦交流等离子体激励抑制了压气机叶栅流动分离、通过控制叶尖泄漏流动提升了压气机稳定工作裕度(吴云等 2007, Li et al. 2010), 随后国外也取得了类似的实验结果(Saddoughi et al. 2014, Akcayoz et al. 2016). 对于压气机转子叶尖泄漏流动控制 (图14(a)) , 布置于叶尖区域的正弦交流等离子体激励通过提高来流动量, 抑制泄漏流向叶片前缘的发展, 使得转子叶尖区域流动堵塞维持在较低的水平, 进而扩大压气机稳定工作裕度(Vo 2010; Ashrafi et al. 2016; Jothiprasad et al. 2011; Zhang et al. 2019c, 2019a; 张海灯等 2019). 非定常等离子体激励可以更加有效地控制泄漏流动、实现高速压气机扩稳(Saddoughi et al. 2014,Zhang et al. 2019c), 流动控制机理涉及到非定常等离子体激励与非定常泄漏涡的耦合作用, 这也是压气机等离子体扩稳研究需要进一步揭示的科学问题之一. 对于三维角区流动分离控制, 需要在压气机叶片吸力面和端壁同时施加正弦交流等离子体激励, 叶片吸力面激励 (图14(b)) 通过提升叶表附面层动量, 可减小叶中部位壁面涡引起的流动损失, 端壁激励 (图14(c)) 通过抑制附面层由压力面向吸力面的横向流动可减小端区通道涡引起的流动损失(吴云等 2009; 赵小虎等2011; Zhao 2012a, 2012b, 2012c; Wu et al. 2012; 赵勤等 2013; 赵小虎等 2012; 张海灯等 2014c,Zhang et al. 2017a).

图 14 等离子体激励控制压气机内部流动典型激励布局(Zhang et al.2017a).(a)转子叶顶端壁等离子体激励,(b)叶片吸力面等离子体激励,(c)端壁等离子体激励

正弦交流等离子体激励对流场的影响局限于离壁面1 ~ 2 mm 的区域, 提升流场动量的能力有限, 对高速压气机流动的控制仍面临很大挑战. 国内提出了压气机等离子体冲击流动控制原理, 利用纳秒脉冲等离子体激励的快速加热效应, 向流场中注入强扰动, 进而以较小的能量输入达到控制高速压气机流动的目的(吴云和李应红 2015, 吴云等 2017). 位于三维角区分离内的纳秒脉冲等离子体激励可诱导产生压缩波, 通过与流动分离相互作用, 可改变流动分离的拓扑结构, 诱导产生新的旋涡结构, 增强主流与分离区的流动掺混(张海灯等 2014b, 2014a). 如图15 所示, 对于分离区外的纳秒脉冲等离子体激励, 向流场中注入的局部扰动与压气机内部流动相互作用, 会在叶片流道中形成具有低密度、高温度、强涡量复合特性的畸变团, 其会随着主流向下游运动发展, 与强剪切流动相互作用, 激发剪切层K-H 不稳定性, 使得剪切层提前失稳, 诱导产生连续的展向大涡结构, 促进流体掺混(Zhang et al. 2019b, 张海灯等 2020). 对于低雷诺数压气机环境, 内部流动更易失稳, 纳秒脉冲等离子体激励通过施加扰动触发流动失稳更易实现流动分离的有效抑制. 将纳秒脉冲等离子体激励布置于叶片表面, 当激励位置位于流动分离区上游时, 施加小能量等离子体激励没有促发叶片前缘附面层转捩, 但激励产生的冲击波造成的压力升和诱导产生的高能畸变团提高了前缘附面层的动量, 对抵抗逆压梯度、推迟分离具有积极作用. 通过设定合适激励频率, 使得畸变团在向下游运动过程中, 与剪切层流场相互作用诱导产生连续的展向大涡结构, 促进流体掺混, 可增强主流与分离区的动量交换, 进而有效抑制流动分离. 在来流马赫数为0.62 时, 可使得压气机叶型流动损失减小32.8%.

图 15 分离区外纳秒脉冲等离子体激励与流体耦合作用机理.(a)等离子体激励诱导的畸变团,(b)激励触发流动失稳

5 等离子体激励调控激波主导的流动

激波是高速流动中的特殊流动现象, 会导致阻力急剧增大、热流增加等问题. 减弱激波强度、抑制激波/附面层干扰, 对于减小阻力、降低流动损失具有重要作用.

5.1 等离子体激励减小激波阻力

激波减阻问题一直是超声速/高超声速飞行器设计过程中备受关注的问题. 20 世纪80 年代,Mishin 和Bedin (1995)在一次等离子体环境下的高超声速球体飞行试验中, 成功观测到脱体激波的脱体距离增加, 使等离子体激励激波减阻开始受到国际上的广泛关注. 关于脱体激波与等离子体激励的相互作用机制, 国际上存在着两种不同的观点, 一种认为是等离子体放电产生的热效应, 另一种认为是由电场加速带电粒子所产生的体积力(Shneider et al. 2008). 俄亥俄州立大学的研究学者为了揭示两种机制中哪种机制起着主导作用(Meyer et al. 2003), 将电离效应和热效应分开, 开展了控制二维尖劈诱导激波的实验研究, 研究发现施加表征电离效应的直流放电时, 激波结构没有产生明显变化, 但施加表征热效应的射频放电时, 激波角度发生明显改变, 揭示了热效应是等离子体激励激波减阻的主要机制. 随后, 激波与热沉积区的相互作用理论被大量研究(Peter & Rodney 2003, Miles et al. 2001, Khorunzhenko et al. 2002). 扰动在热沉积区中的传播速度高于主流速度, 这导致在脱体激波前可以形成所谓的前体激波, 从而减弱激波阻力. 弓形激波与不同厚度的热层相互作用时, 薄热层和厚热层对激波构型的影响基本相同(Opaits et al. 2004), 说明在脱体激波前使用集中的、相对较弱的等离子体激励来实现激波减阻是可能的.

近年来激波减阻的关注点逐渐转变为在脱体激波前产生相对集中的热能量沉积区. 等离子体激波减阻的机理与方法如图16 所示. 国际上尝试了不同的激励形式, 包括微波放电(Kolesnichenko et al. 2004), 激光等离子体能量沉积(Adelgren et al.2001, Elias et al. 2018, Fang et al.2011), 表面直流电弧放电(Sun et al. 2013), 等离子体合成射流(Shang 2002), 纳秒脉冲介质阻挡放电(Nishihara et al. 2011)等, 取得了一定的减阻效果, 总结出了一些等离子体激波减阻的参数化规律, 例如关于激光等离子体无量纲能量参数对减阻性能的影响规律(洪延姬等 2016). 但都面临着能量利用率低的突出问题. 如何进一步提高等离子体激波减阻的能量效率, 是未来发展的关键.

图 16 等离子体激波减阻的机理与方法(Kolesnichenko et al.2004,Adelgren et al.2001,Elias et al.2018,Fang et al.2011,Sun et al.2013,Nishihara et al.2011)

5.2 等离子体激励调控激波/附面层干扰

针对激波/附面层干扰控制, 早期研究沿用热效应控制激波的思路, 使用表面准直流电弧放电在附面层产生能量沉积区, 使入口斜激波向上游移动, 减小了流动损失(Leonov & Yarantsev 2008), 但是存在激励器功耗大、控制区域小的问题. 为了减小功耗, 脉冲放电等离子体激励控制激波/附面层干扰得到了广泛重视. 脉冲电弧放电等离子体激励可以在附面层上游诱导出流向涡结构, 进而抑制激波/附面层干扰(Webb et al. 2013, Gaitonde 2013). 与表面脉冲电弧放电相比,等离子体合成射流激励会诱导出一组旋转涡对, 促进附面层内部的上洗和下扫运动, 实现了对流动分离和激波低频不稳定的有效控制(Narayanaswamy et al. 2012a, 2012b; Greene et al. 2015).

除了降低功耗, 增加驱动激励器数量, 扩宽有效控制面积, 是等离子体激励控制激波/附面层干扰面临的另一项挑战. 文献(Zhang et al. 2017b)突破了单电源驱动多路放电技术, 最高实现一个电源同时驱动31 路激励器工作, 并先后尝试了单电源驱动单路激励器和多路激励器对激波/附面层干扰的控制(Gan et al. 2018), 证明了多路激励器的技术优势, 揭示了多路等离子体激励产生的热气团, 接力向下游迁移, 扫掠激波和附面层, 进而减弱激波强度、调制抖振频率的流动控制机理.

综观国际上等离子体激励控制激波/附面层干扰的研究, 呈现出从直流到脉冲、从单路到多路、从热效应到涡效应的发展趋势, 如图17 所示. 但无论是脉冲电弧放电, 还是等离子体合成射流, 在主流来流速度较大时, 其产生的热气团或热射流会很快的向下游迁移, 使控制效果存在明显的非定常性, 无法在一定时间内实现稳定的流动控制. 为了解决这一问题, 文献(Tang et al.2020a, 2020b)提出了流向阵列式高频脉冲电弧等离子体激励的新思路, 通过高频和流向阵列式激励的耦合作用, 实现空间布局和时间响应的相互配合, 增大等离子体激励与激波的相互作用时间, 其控制效果和经验公式如图18 所示. 实验结果表明, 流向阵列式高频脉冲电弧等离子体激励可以将原来的一道强斜激波转变为多道流向弱压缩波阵面, 实现对流体的预压缩, 不仅有效减弱了分离激波的强度和低频不稳定性运动, 还将稳定流动控制时长提升到毫秒量级, 为等离子体激励控制激波/附面层干扰提供了一种新的思路.

图 17 等离子体激励控制激波/附面层干扰的发展脉络(Leonov &Yarantsev 2008,Greene et al.2015,Gan et al.2018,Tang et al.2020a)

图 18 流向阵列式高频脉冲电弧等离子体激励的控制效果和经验公式

6 展望

等离子体激励气动力学是描述等离子体激励条件下绕流物体受力特性与气体流动规律的科学, 是等离子体流动控制的科学基础, 属于空气动力学、气体动力学与等离子体动力学交叉前沿领域, 由本文作者提出，目前还处在探索发展的初期阶段. 发展高效能等离子体激励方法、等离子体激励及其与气流耦合作用的描述模型和方法, 通过等离子体激励与气流耦合, 激发和利用气流不稳定性, 揭示耦合机理、提升调控效果, 是等离子体激励气动力学未来的发展方向.

等离子体激励方面, 介质阻挡放电等离子体激励、表面电弧放电等离子体激励、等离子体合成射流激励等是未来发展的重点. 对于介质阻挡放电等离子体激励, 一是揭示表面介质阻挡放电的物理-化学特性, 如高、低气压下的放电模式转捩 (均匀-丝状模式, 非平衡-平衡模式) 机理,高精度、高维度数值计算工具的开发; 二是攻克介质阻挡放电等离子体激励进入实用化的关键问题, 如长寿命电源与耐烧蚀材料研发, 针对具体应用对象的定制化波形与结构设计等, 实现介质阻挡放电激励在湍流减阻、冰形调控等领域的实际运用. 对于等离子体合成射流激励, 一个是需要研发面向实际飞行应用的高频多路PSJA 电源; 另一个是为了实现超声速飞行器的高效激波控制, 需要在低温、低压、高速极端环境下进一步提升等离子体激励器的射流强度.

等离子体激励调控附面层方面, 对于附面层减阻, 已有工作主要局限于实验室条件下的低速准定常流动 (约10 m/s) . 在实际工程应用中, 飞行速度要比现有实验条件高1 ~ 2 个量级、飞行工况也在不断变化. 为了抑制层流转捩中的T-S 波或湍流底层的上扫下洗脉动, 必须提升等离子体激励强度、拓宽频带, 实现激励诱导速度和边界层各模态脉动速度 (10 ~ 100 m/s) 的匹配、激励频率和边界层底部特征频率 (100 kHz ~ 1 MHz) 的匹配. 对于促进附面层转捩和增强掺混, 等离子体激励方式和传统旋涡发生器等手段均可以实现, 能否应用, 主要取决于等离子体激励所特有的无附加阻力优势能否抵消由于电源系统安装所增加的体积、重量劣势.

等离子体激励调控分离流动方面, 对于外流控制, 需要进一步研究揭示等离子体激励与襟翼等复杂部件分离流动的耦合作用机理, 提高等离子体电源与激励器的技术成熟度, 开展大尺度模型的风洞实验和飞行实验; 对于内流控制, 需要进一步研究揭示非定常等离子体激励与压气机复杂流动的耦合作用机理, 包括: 非定常正弦交流等离子体激励与压气机叶尖泄漏流动的耦合作用机理, 纳秒脉冲等离子体激励诱导产生旋涡结构与泄漏流动、角区分离等压气机内部复杂二次流动的耦合作用机理.

等离子体激励调控激波主导流动方面, 一是进一步揭示流动控制机理, 探索激波减阻及分离抑制等流动控制效果的参数化规律, 关注梯度流场中等离子体激励特性和规律; 二是将基础构型的研究结果推向实际构型, 调控更加复杂的激波结构, 例如激波/激波干扰; 三是加强等离子体激励电源或激励方式的创新性研发, 提高等离子体激励器的能量利用效率, 实现激励电源小型化,为工程应用打下基础.