王鵬 沈赤兵

(國(guó)防科技大學(xué),空天科學(xué)學(xué)院,高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073)

1 引 言

隨著高超聲速飛行器的發(fā)展,作為實(shí)現(xiàn)方式之一的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)成為研究熱點(diǎn).在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中,燃料和氧化劑的快速摻混可以減小燃燒室的長(zhǎng)度,提高燃燒效率[1-3].由于燃料和空氣在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間為微秒量級(jí)[4],如何快速地實(shí)現(xiàn)燃料和氧化劑的混合,是發(fā)展超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一.以此為背景的超聲速混合層增強(qiáng)混合成為一個(gè)研究的熱點(diǎn).相對(duì)于亞聲速混合層,超聲速混合層厚度的空間增長(zhǎng)率較低[5],隨著壓縮性增強(qiáng)的混合難度越來越大[2].尋找超聲速混合層增強(qiáng)混合的方法具有十分重要的實(shí)際意義.

增強(qiáng)混合的裝置一般是基于加快失穩(wěn)、加快誘導(dǎo)渦結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)的.混合增強(qiáng)的方式可以分為主動(dòng)增強(qiáng)和被動(dòng)增強(qiáng)[6].被動(dòng)增強(qiáng)是改變尾緣結(jié)構(gòu),常見的被動(dòng)混合增強(qiáng)構(gòu)型有波瓣、鋸齒等[7-9].主動(dòng)增強(qiáng)是向流場(chǎng)周期性的注入能量,常見的方式有機(jī)械振動(dòng)、射流擾動(dòng)和放電激勵(lì)[10-12].被動(dòng)增強(qiáng)混合雖然具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn),但是不能根據(jù)情況改變.較被動(dòng)增強(qiáng)混合方式而言,主動(dòng)增強(qiáng)混合方式可以彌補(bǔ)這一缺陷,并且能在增強(qiáng)混合的同時(shí)降低總壓損失.雖然主動(dòng)增強(qiáng)混合是較為有效的增強(qiáng)混合方式,但傳統(tǒng)的主動(dòng)增強(qiáng)混合手段仍存在能量較低、響應(yīng)慢、需要附加氣源等方面的不足.

等離子體合成射流是一種新的控制手段,具有能量密度高、響應(yīng)速度快、無需額外的氣源和沒有機(jī)械活動(dòng)部件的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)傳統(tǒng)主動(dòng)增強(qiáng)混合的不足[13-15].此外等離子合成射流的擾動(dòng)還具有一定的方向性.等離子體合成射流工作原理可以簡(jiǎn)單表述為: 在激勵(lì)器腔內(nèi)放電將氣體加熱,腔體內(nèi)氣體受熱后壓力上升,氣體從小孔噴出對(duì)外膨脹做功.等離子體合成射流不同于直接暴露在流場(chǎng)中的放電激勵(lì).等離子體合成射流是通過產(chǎn)生的射流和壓縮波對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行擾動(dòng).直接暴露在流場(chǎng)中的放電激勵(lì)是通過快速局部焦耳熱效應(yīng)產(chǎn)生的壓縮波和電流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)[16].

以等離子體合成射流作為控制手段,在超聲速流動(dòng)中主要應(yīng)用于邊界層和激波的控制[17-19],對(duì)于混合層的控制主要還停留在亞聲速.Hardy等[20]實(shí)驗(yàn)研究了等離子合成射流對(duì)亞聲速射流的控制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明等離子體合成射流誘導(dǎo)出渦結(jié)構(gòu)使射流剪切層變厚.Huet[21]采用數(shù)值仿真方法研究了等離子體合成射流對(duì)亞聲速射流的流動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)了降低噪音.Chedevergne等[22]采用實(shí)驗(yàn)加數(shù)值仿真的方法研究了等離子體合成射流對(duì)馬赫數(shù)為0.6的高雷諾數(shù)射流的流動(dòng)控制機(jī)理.作為一種對(duì)混合層的控制手段,等離子體合成射流在亞聲速中表現(xiàn)出較強(qiáng)的控制能力.

等離子體合成射流用于超聲速混合層的控制目前研究的較少.本文將采用實(shí)驗(yàn)加仿真的方法,驗(yàn)證等離子合成射流對(duì)超聲速混合層控制的有效性,分析對(duì)比激勵(lì)器布置位置不同對(duì)激勵(lì)器性能以及混合增強(qiáng)效果的影響,為在超聲速流場(chǎng)中設(shè)計(jì)高效的增強(qiáng)混合方案提供參考.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞

實(shí)驗(yàn)在低噪聲超聲速混合層風(fēng)洞中進(jìn)行.混合層風(fēng)洞如圖1所示,實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為350 mm,高度為60 mm,寬度為200 mm.為消除流向壓力梯度,風(fēng)洞的上下壁面有1°的張角.厚度為10 mm的隔板從風(fēng)洞入口到噴管出口將風(fēng)洞從中間分為兩部分.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段實(shí)物圖如圖2所示.風(fēng)洞上側(cè)噴管馬赫數(shù)為1.37,風(fēng)洞下側(cè)噴管馬赫數(shù)為2.39,根據(jù)對(duì)流馬赫數(shù)(Mc)計(jì)算公式[23,24]

其中U1是上側(cè)氣流流向速度,U2為下側(cè)氣流流向速度,a1為上側(cè)氣流聲速,a2為下側(cè)氣流聲速.所得對(duì)流馬赫數(shù)為0.3,具體參數(shù)見表1.上側(cè)氣流的總壓調(diào)節(jié)器用于在實(shí)驗(yàn)段實(shí)現(xiàn)靜壓匹配.

2.2 等離子體合成射流激勵(lì)器

等離子體合成射流的詳細(xì)原理在文獻(xiàn)[25-27]中有較多的介紹.圖3是安裝有等離子體激勵(lì)器陣列隔板的示意圖.X,Y,Z分別代表流向、橫向和展向的方向.激勵(lì)器安裝在距離隔板尾端約15 mm處,實(shí)現(xiàn)對(duì)上側(cè)氣流的擾動(dòng).5個(gè)激勵(lì)器采用串聯(lián)放電方式工作.每個(gè)激勵(lì)器由圓柱形放電腔體和一對(duì)電極組成.采用抗放電燒蝕能力強(qiáng)的鎢針作為電極,電極直徑為1 mm,腔體采用的是樹脂材料.放電電極之間的間距為1 mm.圓柱形放電腔體的直徑為12 mm、高度為6 mm、體積為678.24 mm3.有一個(gè)直徑為2.5 mm的射流孔,如圖4所示.電源采用KD-1高壓脈沖電源[16],最大輸出電壓為10 kV,脈沖頻率為1-50 Hz,單次脈沖最大輸出能量為20 J.本次實(shí)驗(yàn)使用的放電電容為640 nF.

圖1 超聲速混合層風(fēng)洞示意圖Fig.1.Schematic of the supersonic mixing layer wind tunnel.

圖2 超聲速混合層風(fēng)洞實(shí)物圖Fig.2.The test section of supersonic mixing layer wind tunnel.

表1 壓力匹配情況下校測(cè)流場(chǎng)參數(shù)Table 1.Flow parameters of supersonic mixing layer.

圖3 安裝有等離子體合成射流激勵(lì)器隔板在風(fēng)洞中的位置 (a) 隔板在風(fēng)洞中位置; (b) 激勵(lì)器在隔板上的位置Fig.3.Schematic of the wind tunnel and the actuator mounted inside a plate: (a) Splitter plate in the wind tunnel; (b) actuator in the splitter plate.

2.3 測(cè)量設(shè)備

圖4 兩電極等離子體合成射流激勵(lì)器Fig.4.Two-electrode plasma synthetic actuator.

使用紋影系統(tǒng)觀測(cè)等離子體合成射流對(duì)混合層的擾動(dòng)過程.紋影系統(tǒng)主要包括光源、高速相機(jī)、凹面鏡、刀口.紋影系統(tǒng)與試驗(yàn)段的位置如圖5所示.凹面鏡直徑為200 mm、焦距為2 m.光源采用的是連續(xù)的碘鎢光源.相機(jī)的曝光時(shí)間為1 μs,拍攝頻率為30000 Hz,拍攝的像素為1024 pixel×688 pixel.

圖5 紋影系統(tǒng)示意圖Fig.5.The schematic diagram of schlieren system.

實(shí)驗(yàn)使用基于納米粒子的平面激光散射技術(shù)(nanoparticle-based planar laser scattering,NPLS)的系統(tǒng)來獲取流場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu).NPLS系統(tǒng)是由趙玉新等[28]基于瑞利散射原理開發(fā)出來的.NPLS系統(tǒng)包含有: 雙腔Nd:YAG激光器,波長(zhǎng)為532 nm,單次脈沖的能量為350 mJ,脈沖寬度為6 ns; 一臺(tái)跨幀像素為4008 pixel×2672 pixel跨幀CCD相機(jī); 一臺(tái)控制激光器和相機(jī)的同步控制器; 一臺(tái)納米粒子發(fā)生器; 一臺(tái)計(jì)算機(jī).TiO2被選為示蹤粒子,TiO2有效直徑為42.5 nm,松弛時(shí)間為66.3 ns.TiO2優(yōu)勢(shì)在于對(duì)超聲速氣流中小尺度的脈動(dòng)有較好的跟隨性.流場(chǎng)圖片的灰度圖與納米粒子的濃度成比例,納米粒子的濃度又與密度成比例,所以流場(chǎng)圖片的灰度值可以反映密度場(chǎng).

粒子圖像測(cè)速儀(particle image velocimetry,PIV)與NPLS系統(tǒng)共用一套設(shè)備.利用納米粒子良好的跟隨性可以獲得較為準(zhǔn)確的超聲速流場(chǎng)速度分布.CCD相機(jī)的最短曝光時(shí)間間隔為0.5 μs,根據(jù)兩幅跨幀圖像以及時(shí)間間隔可以得出速度場(chǎng).

NPLS/PIV的最大工作頻率為2 Hz,但是相機(jī)的曝光時(shí)間僅為6 ns,等離子體合成射流激勵(lì)器作用在流場(chǎng)的時(shí)間遠(yuǎn)小于1 ms.等離子體合成射流的擾動(dòng)需要一段時(shí)間之后才能傳遞到觀測(cè)區(qū)域中間方便觀測(cè).為滿足上述的要求,NPLS/PIV需要在等離子體合成射流激勵(lì)器工作一段時(shí)間之后再開啟工作.用一臺(tái)信號(hào)源發(fā)生器先觸發(fā)等離子體合成射流激勵(lì)器,延時(shí)一段時(shí)間觸發(fā)NPLS/PIV系統(tǒng).NPLS/PIV拍攝區(qū)域見圖3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體時(shí)序見圖6.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7為等離子體合成射流單次脈沖的紋影圖片.圖7(a)是等離子體合成射流沒有工作時(shí)的狀態(tài).當(dāng)?shù)入x子體合成射流開始放電時(shí)設(shè)為T0時(shí)刻.圖7(b)為(T0+ 67 μs)時(shí)刻的紋影結(jié)果,從圖中可以看出在射流出口上游產(chǎn)生一道斜激波,表明射流開始噴出.圖7(c)為(T0+ 233 μs)時(shí)刻的紋影結(jié)果,可以看到此時(shí)的混合層與未受擾動(dòng)的有所區(qū)別,在射流出口之前激波變?yōu)檎げ?說明此時(shí)射流強(qiáng)度較大.圖8為單次擾動(dòng)的等離子體合成射流的NPLS結(jié)果.圖8(a)是未受擾動(dòng)時(shí)NPLS流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖像,可以看出流場(chǎng)已經(jīng)是湍流狀態(tài).圖8(b)為(T0+ 180 μs)時(shí)刻的NPLS結(jié)果,可以看出等離子體合成射流誘導(dǎo)出了大尺度的渦結(jié)構(gòu).但是86 mm之后由于擾動(dòng)尚未傳播到,因而未形成此位置之前量級(jí)的大尺度渦結(jié)構(gòu).圖8(c)是(T0+230 μs)的NPLS結(jié)果,擾動(dòng)的隨著氣流繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng),在擾動(dòng)過后大尺度渦結(jié)構(gòu)繼續(xù)增長(zhǎng),相較于圖8(b)中渦結(jié)構(gòu)尺度有所增大.圖9為等離子體合成射流擾動(dòng)后的PIV平均結(jié)果,圖9(a)為未受擾動(dòng)的流向平均速度場(chǎng),圖9(b)為(T0+ 230 μs)時(shí)刻流向速度平均云圖.通過圖9(a)和(b)兩幅圖的對(duì)比可以看出,在60-100 mm之間,混合層處的流向速度分布有明顯不同.對(duì)應(yīng)到圖8(c)NPLS結(jié)果中,可看出擾動(dòng)在這個(gè)時(shí)刻傳遞到此處,說明等離子體合成射流可以對(duì)速度場(chǎng)造成較大的擾動(dòng).同時(shí)也說明經(jīng)過系統(tǒng)精確控制,等離子體合成射流在相同的延時(shí)條件下,流過流場(chǎng)的距離較為穩(wěn)定.圖9(c)為未受擾動(dòng)時(shí)刻的橫向速度標(biāo)準(zhǔn)差,由于橫向速度變化較大,在混合層區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)偏差較大.圖9(d)為(T0+ 230 μs)時(shí)刻的橫向速度標(biāo)準(zhǔn)偏差,與圖9(c)對(duì)比可以看出在80-100 mm處橫向速度標(biāo)準(zhǔn)偏差較大,說明此處受擾動(dòng)后橫向速度脈動(dòng)量加大.

4 數(shù)值仿真

由于實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)較少,對(duì)電源的要求較高,因而采用仿真手段進(jìn)行研究.研究高頻激勵(lì)器布置在不同位置對(duì)超聲速混合層的影響效果.仿真對(duì)象的射流出口的為大長(zhǎng)寬比的窄縫,當(dāng)出口的長(zhǎng)寬比大于1∶4的時(shí)候可以看作是二維,進(jìn)而可以使用二維仿真進(jìn)行研究[29].分別對(duì)無擾動(dòng)(unperturbation)、激勵(lì)器在隔板上表面(up)、激勵(lì)器在隔板尾端(end)、激勵(lì)器在隔板下表面(bottom)四種工況進(jìn)行仿真,物理模型見圖10.模擬頻率為5 kHz,單次釋放能量為150 mJ.假設(shè)每次釋放的熱量相同,假設(shè)布置在不同位置激勵(lì)器釋放的熱量也相同,使用Fluent 15.0的大渦模擬,時(shí)間精度采用的是二階隱式,對(duì)流通量使用三階AUSM離散,空間項(xiàng)使用三階MUSCL離散.

圖6 等離子體合成射流試驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)序示意圖Fig.6.Schematics of the experimental system sequence chart.

圖7 紋影結(jié)果 (a) T0 + 0 μs; (b) T0 + 67 μs; (c) T0 + 233 μsFig.7.Schlieren images: (a) T0 + 0 μs; (b) T0 + 67 μs;(c) T0 + 233 μs.

圖8 等離子體合成射流對(duì)超聲速混層作用的NPLS結(jié)果(a) 未受擾動(dòng); (b) T0 + 180 μs; (c) T0 + 230 μsFig.8.NPLS images of supersonic mixing layer under perturbation and unperturbation: (a) Unperturbation; (b) T0 +180 μs; (c) T0 + 230 μs.

圖9 PIV的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a) 流向速度的平均結(jié)果; (b) T0+ 230 μs時(shí)刻流向速度的平均結(jié)果; (c) 橫向速度標(biāo)準(zhǔn)差;(d) T0 + 230 μs時(shí)刻橫向速度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.9.PIV experimental results: (a) Averaged X-velocity;(b) averaged X-velocity at T0 + 230 μs; (c) Y-velocity standard deviation; (d) Y-velocity standard deviation at T0 + 230 μs.

等離子體對(duì)氣體加熱的過程十分復(fù)雜,本文將其簡(jiǎn)化為一個(gè)熱源.將放熱過程持續(xù)時(shí)間設(shè)置為10 μs,假設(shè)熱量為恒定輸出.根據(jù)文獻(xiàn)[30],其釋放熱效率取為10%,熱源密度為

其中ηh代表熱效率,Ec代表輸入的能量,V代表激勵(lì)器腔體的體積,τ代表放電持續(xù)的時(shí)間,f代表的是激勵(lì)器的頻率.上下面設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場(chǎng),上下入口采用的是壓力入口,具體參數(shù)見表1.出口設(shè)置為壓力出口.腔體材料采用的是樹脂材料,所以將壁面條件近似設(shè)置為絕熱條件.

圖10 仿真物理模型 (a) 無擾動(dòng); (b) 激勵(lì)器在隔板上表面; (c) 激勵(lì)器在隔板尾端; (d) 激勵(lì)器在隔板下表面Fig.10.Physical model: (a) Unperturbation; (b) the actuator at the upper surface of the splitter plate; (c) the actuator at the end surface of splitter plate; (d) the actuator at bottom surface of splitter plate.

4.1 算例及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

仿真模型以及網(wǎng)格加密示意圖如圖11所示,使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)隔板上下表面進(jìn)行網(wǎng)格加密,隔板上下表面第一層網(wǎng)格為2×10-6m,以確保y+≤ 1,滿足大渦模擬對(duì)第一層網(wǎng)格的要求.對(duì)混合層所在區(qū)域進(jìn)行y方向加密.在流場(chǎng)的入口以及隔板尾端進(jìn)行x方向加密.

圖11 算例驗(yàn)證的計(jì)算模型及網(wǎng)格Fig.11.Calculation model and grid for code validation.

使用三套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,grid-1網(wǎng)格量為179640,grid-2網(wǎng)格量為334804,grid-3網(wǎng)格量為742480.圖12為未受擾動(dòng)工況下三套網(wǎng)格的數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在流向x=150 mm處的流向速度剖面曲線.從圖12中可以看出三套網(wǎng)格結(jié)果相差不大,說明滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求.本文選取grid-2網(wǎng)格做計(jì)算.

圖12 網(wǎng)格無關(guān)性及算例驗(yàn)證Fig.12.Certification of grid independence and code validation.

算例驗(yàn)證主要包括兩個(gè)方面,一是計(jì)算方法是否可以準(zhǔn)確的仿真超聲速混合層; 二是計(jì)算方法是否可以仿真等離子體合成射流對(duì)超聲速流場(chǎng)的擾動(dòng).對(duì)于對(duì)超聲速混合層的數(shù)值仿真,從圖12中可以看出數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在上側(cè)和下側(cè)氣流處略有偏差.對(duì)于流場(chǎng)上側(cè)和下側(cè)出現(xiàn)偏差的原因主要是: 1)PIV系統(tǒng)本身存在1%左右的誤差;2)作為數(shù)值仿真邊界條件的流場(chǎng)測(cè)量參數(shù)存在測(cè)量誤差.在流場(chǎng)的混合區(qū)域,數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差.從圖7和圖8可以看出,流場(chǎng)中存在著安裝激波、隔板尾端的膨脹波以及混合層相遇產(chǎn)生的再附激波,經(jīng)過波系后混合層向上側(cè)傾斜,并且渦量增大混合更加均勻.這樣就出現(xiàn)了圖12中的結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的混合區(qū)域比數(shù)值仿真結(jié)果位置偏上,并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果比數(shù)值仿結(jié)果速度曲線過渡更加平滑.總體來說,采用的計(jì)算方法合理且可行.

等離子體合成射流對(duì)超聲速流場(chǎng)擾動(dòng)的算例驗(yàn)證,仿真采用圖10(b)所示的物理模型.使用紋影結(jié)果和NPLS結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.如圖13所示,在(T0+ 67 μs)時(shí)刻的數(shù)值紋影和紋影實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可以看出在射流孔的上游都產(chǎn)生了斜激波.如圖14所示,將(T0+ 180 μs)時(shí)刻數(shù)值仿真密度場(chǎng)和NPLS結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可以看出擾動(dòng)傳遞到的地方會(huì)產(chǎn)生較大的渦結(jié)構(gòu),在擾動(dòng)未傳播到的地方,渦結(jié)構(gòu)較小.但是數(shù)值仿真的擾動(dòng)傳播距離要小于實(shí)驗(yàn)中擾動(dòng)傳播的距離.由于采用二數(shù)值仿真,其腔體大小和出口直徑不能完全反映實(shí)驗(yàn)工況.激勵(lì)器腔體內(nèi)放電過程較為復(fù)雜,仿真時(shí)只是將放電能量沉積過程簡(jiǎn)化為一個(gè)熱源對(duì)腔體氣體加熱過程,其能量傳遞給腔體氣體的值也難以準(zhǔn)確估算.因此仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的差距.但是數(shù)值仿真可以反映超聲速混合層受等離子體合成射流擾動(dòng)的基本形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì),可以進(jìn)行定性的對(duì)比分析.

圖13 (T0 + 67 μs)時(shí)刻紋影實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值紋影結(jié)果對(duì)比 (a) 紋影實(shí)驗(yàn)結(jié)果; (b) 數(shù)值紋影結(jié)果Fig.13.T0 + 67 μs,numerical and experimental schlierens:(a) Experimental schlieren; (b) numerical schlieren.

圖14 (T0 + 180 μs)時(shí)刻N(yùn)PLS結(jié)果與數(shù)值仿真密度場(chǎng)對(duì)比 (a) NPLS結(jié)果; (b) 數(shù)值仿真密度場(chǎng)Fig.14.T0 + 180 μs,contour of density and NPLS result:(a) NPLS result; (b) contour of density.

4.2 激勵(lì)器位置不同對(duì)混合層的影響

圖15所示為(T0+ 555 μs)時(shí)刻瞬時(shí)數(shù)值仿真密度場(chǎng),與未受擾動(dòng)的工況對(duì)比,可以看出這三個(gè)工況渦結(jié)構(gòu)都有明顯的增大,擾動(dòng)已經(jīng)影響到了整個(gè)流場(chǎng),誘導(dǎo)出連續(xù)大尺度渦結(jié)構(gòu).

圖15 (T0 + 555 μs)時(shí)刻密度場(chǎng) (a) 未受擾動(dòng); (b) 激勵(lì)器在隔板上表面; (c) 激勵(lì)器在隔板尾端; (d) 激勵(lì)器在隔板下表面Fig.15.Contours of density at T0 + 555 μs: (a) Unperturbation; (b) the actuator at the upper surface of the splitter plate; (c) the actuator at the end surface of the splitter plate; (d) the actuator at the bottom surface of the splitter plate.

圖16為(T0+ 75 μs)瞬時(shí)溫度云圖和流線仿真結(jié)果.圖16(a)中激勵(lì)器在隔板上表面布置,可以看出熱氣流噴出后,形成一個(gè)虛擬型面將來流抬高,周期性的射流噴出可以實(shí)現(xiàn)氣流的上下擺動(dòng),使得y方向速度脈動(dòng)量增加,有助于氣流摻混均勻.圖16(b)中激勵(lì)器在隔板的尾端布置,可以看出等離子體合成射流噴出后直接作用在混合層的再附點(diǎn)上,從而加快混合層失穩(wěn),達(dá)到增強(qiáng)混合的效果.并且由圖16(a)和圖16(b)這兩個(gè)圖可以推知,由于在隔板尾端布置的激勵(lì)器可以直接作用在混合層上,因而混合層對(duì)在隔板尾端布置的激勵(lì)器擾動(dòng)響應(yīng)最快.

圖16 (T0 + 75 μs)時(shí)刻溫度云圖和流線 (a) 激勵(lì)器在隔板上表面; (b) 激勵(lì)器在隔板尾端Fig.16.Simulation of the temperature and flow: (a) The actuator at the upper surface of the splitter plate; (b) the actuator at the end surface of the splitter plate.

圖17為555 μs內(nèi)的時(shí)均速度厚度曲線.混合層速度厚度δ定義為歸一化速度和之間的橫向距離,歸一化速度定義為[31]

可以看出有擾動(dòng)工況混合層厚度都比未添加擾動(dòng)工況大.在添加擾動(dòng)的工況中,在隔板尾端布置激勵(lì)器的工況混合層厚度最大.這是由于混合層存在速度拐點(diǎn),是天然的不穩(wěn)定系統(tǒng),在隔板尾端布置的激勵(lì)器噴出的射流直接作用在混合層上.此外由于仿真工況來流湍流度不高,混合層對(duì)微小擾動(dòng)較為敏感,在隔板尾端布置的激勵(lì)器不工作的時(shí)候,腔體與上下兩股氣流相互作用也會(huì)誘導(dǎo)出大尺度渦結(jié)構(gòu),從而增加了時(shí)均混合層速度厚度.在隔板上下表面布置激勵(lì)器的工況,混合層厚度相差不大,但是可以看出布置在上表面的工況混合層厚度大于布置在下表面工況的混合層厚度.這是由于上面氣流的速度以及總壓低于下面氣流,上側(cè)添加擾動(dòng)更容易實(shí)現(xiàn)混合層厚度的增長(zhǎng).

圖17 時(shí)均速度混合層厚度Fig.17.Time-averaged velocity thickness of mixing layer.

4.3 布置位置不同對(duì)激勵(lì)器性能的影響

圖18為激勵(lì)器出口參數(shù).由于在隔板尾端外部壓力較小,噴出射流獲得了較大的速度,因此氣體膨脹做功轉(zhuǎn)化的動(dòng)能較多,因而出口的動(dòng)量是這三個(gè)工況中最大的.而在隔板上下表面布置的激勵(lì)器,射流與來流相互作用,氣體膨脹做功轉(zhuǎn)化為動(dòng)能較少.但是由于上下兩股氣流的引射造成隔板尾端布置的激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體密度較小,因而噴出的射流質(zhì)量流量最小.同時(shí)可以看出在隔板尾端布置激勵(lì)器出口壓力也小于激勵(lì)器布置在隔板上下表面的工況.

圖19為激勵(lì)器腔體內(nèi)參數(shù).圖19(a)為激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體密度曲線圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn),腔體內(nèi)密度隨著放電次數(shù)的增加而逐漸降低.這是由于算例設(shè)置的激勵(lì)器腔體是絕熱壁面,做功過后腔體內(nèi)溫度難以降低,腔體內(nèi)維持一定壓力造成外部氣體內(nèi)難以回吸.這樣就導(dǎo)致隨放電次數(shù)增多,激勵(lì)器做功能力下降.對(duì)于高頻的激勵(lì)器來說,應(yīng)該采用六方氮化硼陶瓷等導(dǎo)熱能力強(qiáng)的材料作為激勵(lì)器腔體,或者采用沖壓式激勵(lì)器[32].圖19(b)為激勵(lì)器腔體溫度曲線圖,在熱源釋放熱量相同,腔體體積相同的情況下,腔體內(nèi)氣體溫度的變化與密度成反比.由于激勵(lì)器布置在不同位置造成腔體內(nèi)密度不相同,因此溫度變化也不相同.在隔板尾端布置的激勵(lì)器由于氣體密度最小,所以溫度升高也最高.圖19(c)為激勵(lì)器腔體內(nèi)壓力曲線圖,可見激勵(lì)器布置在隔板上下表面的工況腔體內(nèi)的最大壓力是相同,而在隔板尾端布置的激勵(lì)器腔體內(nèi)的最大壓力小于其他兩個(gè)工況.這可能是由于上下兩股氣流的引射,造成腔體內(nèi)密度較小,因而最大壓力要小于其他兩個(gè)工況的最大壓力.同時(shí)可以看出這三個(gè)工況達(dá)到峰值壓力的時(shí)間差別不大.

圖18 激勵(lì)器出口參數(shù) (a) 激勵(lì)器出口質(zhì)量流量; (b) 激勵(lì)器出口速度; (c) 激勵(lì)器出口動(dòng)量率; (d) 激勵(lì)器出口壓力Fig.18.The parameters of actuator outlet: (a) The mass flow rate of actuator outlet; (b) the velocity of actuator outlet; (c) the momentum rate of actuator outlet; (d) the pressure of actuator outlet.

圖19 激勵(lì)器腔體內(nèi)參數(shù) (a) 激勵(lì)器腔體密度; (b) 激勵(lì)器腔體內(nèi)溫度; (c) 激勵(lì)器腔體內(nèi)壓力Fig.19.Parameters of actuator cavity: (a) Density of the gas in the actuator chamber; (b) temperature of the gas in the actuator chamber; (c) pressure of the gas in the actuator chamber.

5 結(jié) 論

本文采用紋影方法研究等離子體射流擾動(dòng)混合層的過程,采用NPLS和PIV方法研究了超聲速混合層受等離子體合成射流擾動(dòng)后的流場(chǎng)特性.采用數(shù)值仿真的方法研究了高頻等離子體合成射流布置在不同位置對(duì)超聲速混合層的影響,以及布置位置不同對(duì)等離子體合成射流激勵(lì)器性能的影響.實(shí)驗(yàn)表明等離子體合成射流對(duì)超聲速混合層擾動(dòng)十分明顯.仿真結(jié)果表明高頻激勵(lì)器有效地增強(qiáng)混合層的厚度,獲得以下主要結(jié)論.

1)激勵(lì)器出口布置隔板上下表面作用機(jī)理與激勵(lì)器出口布置在隔板尾端的作用機(jī)理不相同.布置在隔板上下表面激勵(lì)器先作用在來流上,然后再影響混合層發(fā)展,激勵(lì)器出口在隔板尾端的射流作用在混合層再附點(diǎn)上,加速混合層的失穩(wěn).并且可以推知混合層對(duì)在隔板尾端布置的激勵(lì)器響應(yīng)最快.

2)在激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體吸收的熱量是在相同的前提下,位置不同導(dǎo)致激勵(lì)器出口的外部環(huán)境差別較大,因而對(duì)等離子體合成射流做功能力的影響很大.

3)高頻等離子體合成射流激勵(lì)器對(duì)氣體回吸要求較高,只有氣體及時(shí)回吸才能將保證激勵(lì)器做功能力不衰減.因此在設(shè)計(jì)等離子體合成射流激勵(lì)器時(shí)應(yīng)該采用導(dǎo)熱性能好的材料或者采用沖壓式設(shè)計(jì),保證每次做功激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體密度符合要求.