陳景波，丁均梁，張海燈，郭基聯(lián)

（1.浙江省蘭溪市第一中學(xué)，浙江蘭溪321100；空軍工程大學(xué)等離子動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，航空工程學(xué)院3:西安710038）

0 引言

串列葉柵能有效抑制和推遲過(guò)早的流動(dòng)分離，大幅度減弱氣流堵塞，進(jìn)而提高級(jí)負(fù)荷，擴(kuò)大喘振裕度，增大壓比。目前等離子體氣動(dòng)激勵(lì)多用于單列葉柵，但單列葉柵在氣流轉(zhuǎn)折角大的情況下易造成流動(dòng)分離，因此一般將串列葉柵安裝為末級(jí)靜子。研究表明，當(dāng)2股摻混氣流速度差較大時(shí)，摻混造成的損失會(huì)增加，導(dǎo)致葉柵總損失增加。通過(guò)油流圖譜分析得出在較大攻角下，前排葉片的尾跡會(huì)與其相鄰葉片的馬蹄渦壓力面分支交匯對(duì)后排葉片流場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[1]。串列葉柵在壓氣機(jī)中所處的特殊位置導(dǎo)致其狹縫摻混后氣流使角區(qū)分離加重。為了使串列葉柵更好地適應(yīng)高馬赫數(shù)來(lái)流的復(fù)雜流場(chǎng)，在串列葉柵上施加等離子體氣動(dòng)激勵(lì)，以抑制其流動(dòng)分離。相比不斷調(diào)整前后排葉片的相對(duì)周向位置，這種方式的適用范圍相對(duì)廣泛，趙斌等[2]就對(duì)高負(fù)荷串列葉柵前后排相對(duì)位置進(jìn)行研究，獲得最佳幾何相對(duì)位置，提高氣動(dòng)性能。

等離子體流動(dòng)控制是1種新的主動(dòng)控制方式。研究者對(duì)介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子體氣動(dòng)激勵(lì)機(jī)理的關(guān)注更多的是“動(dòng)量加速效應(yīng)”和“溫升及熱沖擊效應(yīng)”。“動(dòng)量加速效應(yīng)”的作用方式主要是在短時(shí)間內(nèi)加大電場(chǎng)強(qiáng)度，引發(fā)電子雪崩，離子在電場(chǎng)中加速撞擊中性氣體，增加激勵(lì)區(qū)附近的低能流體的能量與動(dòng)量，誘導(dǎo)氣流加速，從而實(shí)現(xiàn)控制的目的。等離子體流動(dòng)控制裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)及時(shí)迅速，功率消耗少，在發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)穩(wěn)增效，抑制角區(qū)流動(dòng)分離等方面有著較好的應(yīng)用前景[3-6]。Arvind S[7]研究了激勵(lì)邊界層的宏觀(guān)速度效應(yīng)；Saddoughi S等[8]對(duì)跨聲速軸流壓氣機(jī)進(jìn)行流動(dòng)控制，分析施加等離子體激勵(lì)前后壓氣機(jī)性能的改變，發(fā)現(xiàn)激勵(lì)后壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)裕度提高4%，且非定常等離子體激勵(lì)的流動(dòng)控制效果優(yōu)于定常激勵(lì)的；空軍工程大學(xué)等離子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)等離子體流動(dòng)控制的研究較為系統(tǒng)深入；吳云等[9-12]對(duì)介質(zhì)阻擋放電，等離子體激勵(lì)抑制翼型失速分離，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)抑制流動(dòng)分離與控制附面層等方面進(jìn)行試驗(yàn)；李應(yīng)紅院士[13-15]對(duì)高負(fù)荷葉柵的分離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其等離子體流動(dòng)控制在其上的應(yīng)用研究，從機(jī)理上分析了激勵(lì)布局對(duì)流動(dòng)控制的影響。

本文利用數(shù)值模擬的方法研究了等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)抑制高速來(lái)流的串列葉柵流動(dòng)分離的影響，對(duì)串列葉柵施加不同布局的等離子體激勵(lì)，通過(guò)極限流線(xiàn)觀(guān)察流場(chǎng)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的變化，通過(guò)總壓損失云圖分析其對(duì)氣動(dòng)性能的影響，給出總壓損失系數(shù)的變化，并與基準(zhǔn)流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步分析其作用效果。

1 研究對(duì)象與數(shù)值方法

本文針對(duì)典型的亞聲速串列葉柵進(jìn)行仿真，該葉柵的幾何參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算域?yàn)閱瓮ǖ滥Ｐ停捎梅謮K網(wǎng)格法對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單通道主葉片通道為O4H型網(wǎng)格，葉片表面為蝶形貼體網(wǎng)格，進(jìn)出口部分均為H型網(wǎng)格。通過(guò)對(duì)網(wǎng)格的無(wú)依賴(lài)性驗(yàn)證，總計(jì)算網(wǎng)格為2919400。為了獲得葉頂區(qū)域的精細(xì)流場(chǎng)特性，對(duì)轉(zhuǎn)子葉頂間隙區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。固壁面的最小網(wǎng)格尺度為1×10-6以確保近壁面處的y+＜1。其計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

表1 串列葉柵葉型幾何參數(shù)

圖1 串列葉柵計(jì)算網(wǎng)格

DBD等離子體激勵(lì)裝置唯象學(xué)模型如圖2所示。該模型采用Shyy提出的唯象學(xué)模型[16]，給定等離子體作用區(qū)域，在三角形AOB內(nèi)，電場(chǎng)線(xiàn)沿線(xiàn)性分布。

根據(jù)理論分析和試驗(yàn)觀(guān)測(cè)，O點(diǎn)的電場(chǎng)力Feo最大，AB邊緣的電場(chǎng)力最小，電場(chǎng)力的方向平行于AB并指向斜下方，F(xiàn)eo的表達(dá)式為

AOB內(nèi)電場(chǎng)力Fe（x，y）的表達(dá)式為

根據(jù)電場(chǎng)力在A點(diǎn)與B點(diǎn)的邊界條件可知:k1=Feo/b，k2=Feo/a，文中假設(shè)AB邊緣的電場(chǎng)力大小可忽略不計(jì)。根據(jù)電場(chǎng)線(xiàn)性分布可知

式中:Fex為x方向的電場(chǎng)力；Fey為y方向的電場(chǎng)力。

串列葉柵的總壓損失系數(shù)定義為

總壓損失系數(shù)沿柵距方向的平均值

式中:p1、p1*為葉柵進(jìn)口的靜壓、總壓；p2、p2*為葉柵出口的靜壓、總壓；t為柵距。

此模型利用ANSYSCFX求解器進(jìn)行分析計(jì)算，使用多塊網(wǎng)格分區(qū)技術(shù)結(jié)合Shear Stress Transport湍流模型求解Navier-Stokes方程。邊界條件設(shè)置為進(jìn)口給定總壓與總溫，出口給定反壓，葉片與端壁設(shè)為無(wú)滑移壁面。

根據(jù)應(yīng)力分布圖的結(jié)果，在整個(gè)撬裝式LNG氣化站中，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在加熱器所在的部分。在設(shè)計(jì)之初所考慮的是將加熱器置于BOG處理管系與LNG運(yùn)輸管系之間以節(jié)省分布空間，但由于兩個(gè)部分的管線(xiàn)之間間隔狹小，在考慮了操作空間之后，加熱器的進(jìn)出管道就變得非常短，加上管道間還布置了閥門(mén)以及三通，這無(wú)疑增加了管道的受力，最終導(dǎo)致了應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。

激勵(lì)器布置如圖3所示。其中ACU1垂直于葉片表面，產(chǎn)生的壁面射流平行于葉片表面，ACU2與ACU3沿著y軸方向，產(chǎn)生的壁面射流沿著x軸方向。ACU4、ACU5 布局在吸力面上，垂直于端壁，產(chǎn)生的壁面射流與葉片表面成一定角度射入主流。

圖3 激勵(lì)器布置位置

2 串列葉柵流場(chǎng)特性

在Ma＝0.5、來(lái)流攻角為4°條件下基準(zhǔn)流場(chǎng)的極限流線(xiàn)如圖4所示，基準(zhǔn)流場(chǎng)周向截面損失沿流向的分布及其不同葉高的總壓損失系數(shù)如圖5、6所示。

圖4 基準(zhǔn)流場(chǎng)極限流線(xiàn)

圖5 損失沿流向分布

圖6 不同葉高處總壓損失系數(shù)

原基準(zhǔn)流場(chǎng)中各截面處左側(cè)為吸力面，右側(cè)為壓力面，從圖4中可見(jiàn)，前排葉片在45%弦長(zhǎng)處出現(xiàn)流動(dòng)分離，并延伸至20%葉高處，從前排葉片流出的氣流經(jīng)過(guò)間隙后在后排葉片形成新的附面層，馬蹄渦吸力面分支在45%弦長(zhǎng)處形成后排葉片分離點(diǎn)，端壁橫向二次流動(dòng)卷起不穩(wěn)定的壁面展向渦在吸力面明顯形成尾緣再附線(xiàn)。在葉根上方產(chǎn)生分離泡與集中脫落渦導(dǎo)致部分回流。前排葉片主流區(qū)流體與狹縫氣流摻混后撞擊后排葉片吸力面下游。前排葉片尾緣與后排葉片形成狹縫，在狹縫中氣流與主流摻混使得損失增加，因此圖5中前排葉片吸力面尾緣全葉高損失增加。狹縫形成的摻混流對(duì)后排葉片的吸力面與其相鄰葉片的壓力面造成影響，產(chǎn)生流動(dòng)分離。低能流體在摻混區(qū)聚集，導(dǎo)致逆壓梯度下的流動(dòng)分離。從后排葉片30%與60%弦長(zhǎng)截面的損失云圖中看出在狹縫處摻混后導(dǎo)致后排相鄰葉片壓力面損失范圍擴(kuò)大，但其損失最大值減小。從圖6中可見(jiàn)在葉根角區(qū)處總壓損失系數(shù)明顯增大。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 等離子激勵(lì)布局對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

葉片表面及下端壁極限流線(xiàn)如圖7所示。ACU1布局如圖7（b）所示。從圖中可見(jiàn)，帶電粒子在空間電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，激勵(lì)器附近氣體定向移動(dòng)，因此端壁激勵(lì)產(chǎn)生的射流使氣體加速，削弱進(jìn)口主流在端壁與葉片形成的附面層的阻滯作用，對(duì)前排葉片角區(qū)初始分離點(diǎn)起到抑制作用，經(jīng)過(guò)前后排葉片的狹縫后，狹縫帶來(lái)?yè)交炫c二次流的形成。此激勵(lì)布局對(duì)后排葉片的流動(dòng)分離抑制效果十分微弱。

圖7 葉片表面及下端壁極限流線(xiàn)

ACU2布局如圖7（c）所示。從圖中可見(jiàn)，由于產(chǎn)生的射流朝x軸方向，因此該布局方式中產(chǎn)生的端壁射流對(duì)前排葉片有很好的抑制效果，前排葉片的流動(dòng)分離點(diǎn)后移，前排葉片的吸力面前緣角渦分支也被抑制。ACU2布局方式對(duì)端壁處的流動(dòng)分離也有一定的抑制作用。

ACU3布局如圖7（d）所示。從圖中可見(jiàn)，與基準(zhǔn)流場(chǎng)的端壁流線(xiàn)對(duì)比，橫向二次流被微弱抑制，端壁處的分離點(diǎn)被推遲，其特別之處在于ACU3是在后排葉片進(jìn)行激勵(lì)產(chǎn)生射流，將能量與動(dòng)量傳遞給摻混區(qū)聚集的低能流體，端壁附面層的橫向移動(dòng)使得后排葉片吸力面摻混區(qū)附近低能流體聚集，低能流體被卷入摻混流中，端壁明顯的橫向二次流與部分狹縫氣流相撞，而在端壁處激勵(lì)使得端壁摻混區(qū)發(fā)展形成的壁面展向渦在吸力面形成的再附線(xiàn)特別明顯。分析結(jié)果表明，端壁激勵(lì)器布局中在前排葉片激勵(lì)A(yù)CU2布局下激勵(lì)有著相對(duì)好的效果。

ACU4布局如圖7（e）所示。該布局是在前排葉片吸力面流動(dòng)分離前加等離子激勵(lì)。前排葉片S2流面氣體的動(dòng)量部分增加，導(dǎo)致主流與狹縫氣流速度差增大，后排葉片橫向二次流更加明顯，角區(qū)分離也加重。后排葉柵通道端壁邊界層與狹縫后的摻混區(qū)內(nèi)氣體流速很低，而其橫向壓力梯度幾乎與主流一致，因周向速度產(chǎn)生的離心力不能使壓力梯度得到平衡，迫使氣流從壓力面流向吸力面，造成攜帶低能流體的橫向二次流撞擊后排葉片角區(qū)，壁面附面層與吸力面附面層相互阻滯，又因受角渦的影響，分離線(xiàn)在后排葉片尾緣有所抬升。

ACU5布局如圖7（f）所示。該布局是在后排葉片分離前加等離子體激勵(lì)。從圖中可見(jiàn)后排葉片的分離線(xiàn)被壓低。激勵(lì)向低能流體傳遞動(dòng)量與能量，摻混流托舉形成的集中脫落渦被抑制，因此由逆壓梯度所形成的尾流反向回流減弱。在激勵(lì)的影響下，在摻混區(qū)端壁處低能流體橫向二次流形成的端壁展向渦使摻混區(qū)的端壁流線(xiàn)發(fā)生改變。

ACU2-ACU5組合激勵(lì)如圖7（g）所示。與基準(zhǔn)流場(chǎng)對(duì)比可見(jiàn)，前排葉片流動(dòng)分離被明顯抑制，后排葉片遠(yuǎn)離端壁區(qū)域的分離也被抑制，在ACU2的激勵(lì)下，角區(qū)低能流體堆積減少，使得后排葉柵通道內(nèi)的橫向二次流被向后推移。狹縫氣流與主流發(fā)生摻混，在ACU5作用下，由于射流作用在葉片表面，增加葉片表面流體動(dòng)量與能量，激勵(lì)區(qū)附近氣流得以加速，后排葉片的集中脫落渦被向下壓低，吸力面尾緣上部再附線(xiàn)被完全抑制，原45%葉高處的吸力面倒流區(qū)完全消失，吸力面分離線(xiàn)被大大壓低，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)得到改善，但對(duì)于端壁影響不大。組合激勵(lì)中加裝沿y軸方向的激勵(lì)產(chǎn)生的射流使近端壁流體加速，從而使前排葉片吸力面處分離被較好抑制。后排葉片流動(dòng)分離被抑制在45%葉高處，與單獨(dú)在吸力面激勵(lì)相比，組合激勵(lì)的方式對(duì)抑制后排葉片吸力面流動(dòng)分離的效果較好，可提高氣流抵抗逆壓梯度的能力。

3.2 等離子激勵(lì)布局對(duì)氣動(dòng)性能的影響

串列葉柵不同端壁激勵(lì)布局的軸向損失沿流向的分布如圖8所示。其中SS為吸力面，PS為壓力面。角區(qū)分離是位于末級(jí)靜子的串列葉柵損失的主要原因，前后排葉片狹縫造成的摻混也對(duì)總壓損失造成一定影響。在前排葉片布置ACU1、ACU2激勵(lì)后（如圖8（b）、（c）所示），前排葉片吸力面損失區(qū)最大值普遍減小，在前排葉片激勵(lì)產(chǎn)生射流誘導(dǎo)激勵(lì)區(qū)部分氣流加速，在一定程度上導(dǎo)致主流與狹縫氣流流速差增大，并導(dǎo)致后排葉片吸力面損失區(qū)范圍依然較大，觀(guān)察后排葉片30%與60%弦長(zhǎng)截面的損失云圖發(fā)現(xiàn)，后排相鄰葉片壓力面損失范圍沿葉高有所擴(kuò)大，狹縫處損失最高值有所增大，此激勵(lì)方式對(duì)前排葉片的氣動(dòng)性能有一定改善作用，對(duì)后排葉片的氣動(dòng)性能改善作用不理想。由于前排葉片的激勵(lì)射流在一定程度上控制尾跡損失，因此后排葉片吸力面靠近端壁處高損失區(qū)影響范圍減小。

圖8 損失沿流向分布

在ACU3激勵(lì)布局中，射流誘導(dǎo)部分狹縫氣流加速，使得主流與其速度差減小，因此后排葉片吸力面近端壁處的損失范圍有效減小。但又受其激勵(lì)方向的影響，狹縫氣流的方向向相鄰后排葉片壓力面上游產(chǎn)生偏移。之后在下游橫向沖擊后排葉片吸力面，狹縫處與后排葉片30%弦長(zhǎng)截面的損失云圖如圖8（d）所示，從圖中可見(jiàn)，此變化造成后排葉片壓力面近端壁處核心區(qū)損失范圍有所擴(kuò)大。而此激勵(lì)方式對(duì)狹縫摻混區(qū)與前排葉片吸力面近端壁處造成擾動(dòng)，使其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致這2個(gè)區(qū)域的損失范圍與損失最大值相應(yīng)增大。原基準(zhǔn)流場(chǎng)摻混區(qū)存在著低能流體的聚集，當(dāng)?shù)湍芰黧w聚集效應(yīng)變得明顯時(shí)，由內(nèi)摩擦力造成的損失就越大；當(dāng)?shù)湍芰黧w聚集量增大時(shí)，狹縫氣流與主流摻混效應(yīng)也相應(yīng)明顯，此激勵(lì)布局改善了摻混區(qū)的低能流體聚集效應(yīng)，減小了后排葉片端壁下游的損失。

從圖8（e）中可見(jiàn)，ACU4布局前排葉片吸力面激勵(lì)后，射流將角渦影響范圍擴(kuò)大，由于角渦中摻雜部分低能流體，因此前排葉片近摻混區(qū)處的損失沿端壁的范圍擴(kuò)大。但此激勵(lì)布局對(duì)摻混后流場(chǎng)的變化不大。

從圖8（f）中可見(jiàn)，ACU5布局中后排葉片吸力面損失范圍顯著縮小，誘導(dǎo)射流加速吸力面處及部分狹縫氣流，后排葉柵通道內(nèi)橫向二次流變得明顯，狹縫射流與其在狹縫處附近交匯，使得后排葉片60%弦長(zhǎng)附近端壁損失增加。

從圖8（g）中可見(jiàn)，在組合激勵(lì)情況下，前排葉片產(chǎn)生的射流加速端壁附近流體，使狹縫處端壁的損失降低，前排葉片吸力面靠近端壁附近的核心損失區(qū)范圍縮小，但是整體的損失范圍呈現(xiàn)出擴(kuò)大趨勢(shì)。后排葉片端壁高損失區(qū)的損失影響范圍被有效縮小。由于組合激勵(lì)對(duì)狹縫氣流與主流同時(shí)作用抑制摻混區(qū)端壁低能流體的聚集，從而使后排相鄰葉片壓力面損失降低。后排葉片全葉高損失顯著降低，是因?yàn)榻M合激勵(lì)中ACU5激勵(lì)布局作用在葉片吸力面的射流抑制角區(qū)流動(dòng)分離，從而降低損失。

不同激勵(lì)條件下不同葉高總壓損失系數(shù)的變化如圖9所示。從圖中可見(jiàn)，在20%葉高處總壓損失系數(shù)有明顯的減小，且在ACU2情況下，20%葉高處下方有較好的流場(chǎng)改善過(guò)程。根據(jù)數(shù)值模擬得出基準(zhǔn)流場(chǎng)截面、ACU1、ACU2、ACU3條件下總壓損失系數(shù)分別為0.1072、0.0997、0.0968、0.0995， 由 此 得 出 在 ACU1、ACU2、ACU3條件下，總壓損失系數(shù)分別減小7.52%、10.74%、7.74%。對(duì)比圖9（a）、（b）可知，ACU2 對(duì)減小總壓損失系數(shù)的作用優(yōu)于ACU1和ACU3，且在這3種情況下，端壁處激勵(lì)對(duì)總壓損失的減小都有不同程度的改善，效率提高。

圖9 在不同激勵(lì)條件下不同葉高總壓損失系數(shù)

從圖9（c）中可見(jiàn)，ACU5的后排葉片20%葉高附近總壓損失大大降低。ACU4對(duì)前排葉片吸力面的總壓損失降低起到一定作用。對(duì)比ACU4和ACU5的總壓損失系數(shù)曲線(xiàn)可見(jiàn)，二者在減小吸力面總壓損失系數(shù)上都起到了一定作用，且效率基本相當(dāng)。ACU2-ACU5整體效果與ACU4和ACU5相差無(wú)幾，但在近端壁處損失系數(shù)有1個(gè)減小的過(guò)程。根據(jù)仿真結(jié)果可知，在ACU4、ACU5、ACU2-ACU5條件下總壓損失系數(shù)分別為0.0921、0.0895、0.0857，分別減小16.40%、19.78%、25.09%。由此可知，組合激勵(lì)的布局對(duì)總壓損失系數(shù)減小有特別明顯的作用。

4 結(jié)論

本文對(duì)串列葉柵在不同位置施加等離子體激勵(lì)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論:

（1）在來(lái)流速度較高的情況下，等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)流動(dòng)控制的效果并不十分明顯，應(yīng)相應(yīng)地增強(qiáng)激勵(lì)提供的能量。提供能量較大的等離子體激勵(lì)對(duì)來(lái)流速度較高的串列葉柵的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)也有一定的改善作用。

（2）在端壁與吸力面施加等離子體激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)量加速效應(yīng)與溫升熱沖擊效應(yīng)，能在一定程度上防止摻混區(qū)低能流體的聚集，從而抑制流動(dòng)分離。

（3）與在單排葉片上施加等離子激勵(lì)不同，在串列葉柵上施加激勵(lì)需要考慮主流與狹縫氣流的速度差。

（4）采用組合激勵(lì)時(shí)，ACU2-ACU5布局使前后排葉片的核心損失區(qū)損失最大值降低，影響范圍減小，端壁的流動(dòng)分離也得到有效控制。

（5）采用對(duì)串列葉柵施加等離子體激勵(lì)的主動(dòng)控制方式來(lái)減少損失的關(guān)鍵在于減小主流與狹縫氣流的速度差和抑制橫向二次流動(dòng)，因此在后續(xù)試驗(yàn)中應(yīng)考慮在后排葉片流動(dòng)分離前施加等離子體激勵(lì)，使主流與狹縫氣流的速度差減小。

致謝

感謝空軍工程大學(xué)吳云教授在論文撰寫(xiě)中給予的幫助！