周巖，羅振兵，王林，夏智勛，高天翔，謝瑋，鄧雄，彭文強(qiáng)，程盼

國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073

自20世紀(jì)90年代開始，氣體放電等離子體及其應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，相關(guān)研究和應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋從材料處理到生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，等離子體流動(dòng)控制技術(shù)便是其中之一。等離子體流動(dòng)控制指的是利用等離子體在電磁場(chǎng)力作用下運(yùn)動(dòng)或氣體放電引起壓力、溫度變化的特性，對(duì)流場(chǎng)施加可控?cái)_動(dòng)的一種新概念主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，它具有激勵(lì)頻帶寬、響應(yīng)時(shí)間短、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，有望顯著提升飛行器/發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)特性?！逗?jiǎn)氏防務(wù)周刊》指出，等離子體流動(dòng)控制對(duì)于飛行器空氣動(dòng)力特性的改變將引發(fā)一場(chǎng)“軍用和商業(yè)飛行器的革命”。以等離子體氣動(dòng)激勵(lì)為代表的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)被美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(AIAA)列為10項(xiàng)航空航天前沿技術(shù)之一。

根據(jù)激勵(lì)器結(jié)構(gòu)、放電原理和等離子體特性的不同，等離子體流動(dòng)控制激勵(lì)器分為介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)等離子體激勵(lì)器、電弧放電等離子體激勵(lì)器、電暈放電等離子體激勵(lì)器、微波放電等離子體激勵(lì)器、激光電離等離子體激勵(lì)器、組合放電和其他新型等離子體激勵(lì)器。其中DBD和電弧放電等離子體激勵(lì)器是目前國(guó)內(nèi)外研究最為廣泛的兩類等離子體激勵(lì)器。DBD激勵(lì)器由被絕緣介質(zhì)材料覆蓋的植入電極和暴露在大氣環(huán)境下的暴露電極組成，其主要機(jī)理是電流體動(dòng)力(EHD)效應(yīng)，由于DBD放電產(chǎn)生的電動(dòng)力學(xué)體積力較小，誘導(dǎo)形成的射流速度一般較低，因此主要應(yīng)用于低速流場(chǎng)的流動(dòng)控制研究。電弧放電等離子體激勵(lì)器主要機(jī)理是通過電弧放電產(chǎn)生氣體焦耳加熱，對(duì)流場(chǎng)形成溫度、壓力擾動(dòng)，主要分為兩種類型，一類是通過表面裸露的陽(yáng)極、陰極在開放空間電弧放電的激勵(lì)器，另一類是在半封閉容腔內(nèi)電弧放電的等離子體合成射流(Plasma Synthetic Jet, PSJ)激勵(lì)器。

等離子體合成射流激勵(lì)器又稱為火花射流(SparkJet)激勵(lì)器或脈沖等離子體射流(Pulsed-Plasma Jet)激勵(lì)器，它由一個(gè)開有出口孔縫的絕緣腔體和一組電極組成，放電是在小腔體內(nèi)進(jìn)行，氣體焦耳加熱作用使得腔內(nèi)氣體的溫度和壓力快速升高，升溫加壓后的腔內(nèi)氣體從出口高速噴出，形成用于流場(chǎng)操控的等離子體射流。其結(jié)構(gòu)及工作過程如圖1所示，工作周期分為以下3個(gè)階段：① 能量沉積階段，通過外接驅(qū)動(dòng)電源給激勵(lì)器充電，當(dāng)電極間電勢(shì)差達(dá)到激勵(lì)器腔體內(nèi)空氣擊穿電壓時(shí)，形成火花電弧放電使得腔體內(nèi)空氣發(fā)生電離，實(shí)現(xiàn)電能向熱能的轉(zhuǎn)化；② 射流噴出階段，氣體焦耳加熱導(dǎo)致腔體內(nèi)溫度和壓力急劇升高，高溫高壓氣體通過激勵(lì)器孔/縫高速噴出，形成高速熱射流、渦環(huán)及前驅(qū)激波；③ 吸氣復(fù)原階段，由于射流噴出及腔體內(nèi)氣體與外部環(huán)境之間的對(duì)流和輻射傳熱，腔體內(nèi)氣體的溫度和壓力下降，外部氣體重新充填腔體，為下一個(gè)循環(huán)做準(zhǔn)備。需要說明的是，激勵(lì)器的能量沉積與射流噴出兩個(gè)階段可能會(huì)存在重疊，例如當(dāng)火花電弧放電的時(shí)間較長(zhǎng)或者放電位置離出口較近時(shí)，在放電結(jié)束之前已經(jīng)有部分氣體從出口噴出。射流噴出與吸氣復(fù)原階段并非只有一次，而是可能交替出現(xiàn)多次，這是由于射流的慣性作用，吸氣復(fù)原(或射流噴出)階段的末尾，激勵(lì)器腔體內(nèi)氣壓會(huì)略高于(或略低于)外界環(huán)境氣壓，激勵(lì)器構(gòu)成一個(gè)欠阻尼系統(tǒng)。激勵(lì)器啟動(dòng)后經(jīng)過若干工作循環(huán)，將到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)，在出口處產(chǎn)生速度、溫度周期性變化的脈沖射流。盡管激勵(lì)器能夠?qū)ν獠苛鲌?chǎng)施加動(dòng)量注入，但在一個(gè)工作循環(huán)中通過激勵(lì)器出口的靜質(zhì)量流量為零，因此所產(chǎn)生的射流是一種零質(zhì)量合成射流。按照內(nèi)外壓差建立方式分類，PSJ激勵(lì)器是一種升溫型合成射流激勵(lì)器。需要注意的是，圖2所示的由環(huán)形電極構(gòu)成的DBD激勵(lì)器，由于能夠誘導(dǎo)形成垂直于壁面的射流，因此在文獻(xiàn)[26-28]中也被稱之為等離子體合成射流激勵(lì)器，這種激勵(lì)器不在本文的介紹范圍內(nèi)。

圖1 等離子體合成射流激勵(lì)器結(jié)構(gòu)及工作過程Fig.1 Structure and working process of PSJ actuator

圖2 介質(zhì)阻擋放電等離子體合成射流激勵(lì)器[26-28]Fig.2 Dielectric barrier discharge plasma synthetic jet actuator[26-28]

作為一種應(yīng)用前景廣泛的新型主動(dòng)流動(dòng)控制裝置，PSJ激勵(lì)器具有射流速度高(接近600 m/s)、邊界層穿透能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快(幾十微秒)、激勵(lì)頻帶寬(0 Hz～10 kHz)、無活動(dòng)部件等優(yōu)勢(shì)。相比于有源射流、邊界層抽吸，PSJ激勵(lì)器通過加熱環(huán)境流場(chǎng)中的氣體工質(zhì)產(chǎn)生控制射流，因此無需輸氣管路、控制閥門以及高壓氣瓶、空氣壓縮機(jī)、真空泵等供應(yīng)裝置，有利于減小系統(tǒng)的體積和重量。相比于表面電弧放電等離子體激勵(lì)器，PSJ激勵(lì)器的放電電弧位于半封閉腔體內(nèi)，不存在電弧被高速氣流吹向下游直至熄滅的問題，因此放電過程更為穩(wěn)定。自2003年出現(xiàn)以來，PSJ激勵(lì)器經(jīng)歷了快速發(fā)展，吸引了國(guó)內(nèi)外數(shù)十個(gè)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，包括約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(JHU-APL)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(UTA)、法國(guó)航空航天科研局(ONERA)、佛羅里達(dá)州立大學(xué)和佛羅里達(dá)農(nóng)工大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)香檳分校、羅格斯大學(xué)新布朗斯維克分校、代爾夫特理工大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、空軍工程大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、廈門大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電工研究所、南京理工大學(xué)和其他眾多機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)開展了大量工作。

本文對(duì)PSJ激勵(lì)器近些年來的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述：第1節(jié)對(duì)PSJ系統(tǒng)(包括激勵(lì)器及電路設(shè)計(jì))的發(fā)展進(jìn)行了介紹，第2節(jié)總結(jié)了PSJ技術(shù)研究中發(fā)展的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段，第3節(jié)和第4節(jié)介紹了PSJ激勵(lì)器的能量效率特性和靜態(tài)流場(chǎng)工作特性，第5節(jié)介紹了PSJ技術(shù)在橫向主流干擾、分離流控制、射流噪聲抑制、激波控制和激波/邊界層干擾控制等方面的應(yīng)用研究。

1 等離子體合成射流激勵(lì)器系統(tǒng)

1.1 單個(gè)激勵(lì)器系統(tǒng)

1.1.1 兩電極和三電極激勵(lì)器

約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的Grossman等在2003年首先開展了PSJ激勵(lì)器的研究，第1代用于概念驗(yàn)證的激勵(lì)器構(gòu)型如圖3(a) 所示，激勵(lì)器腔體為絕緣陶瓷，尖端陰極從腔體底面插入，頂部為開有射流出口的陽(yáng)極，腔體底部嵌入了一層?xùn)艠O。高壓電源最初加載于陽(yáng)極與陰極之間，在需要放電時(shí)通過一個(gè)低功率、限流的轉(zhuǎn)接開關(guān)短暫的加載于柵極與陰極之間，使得柵極與陰極之間產(chǎn)生微弱放電，產(chǎn)生大量電子，觸發(fā)陽(yáng)極與陰極之間的主放電。第1代激勵(lì)器氣體擊穿放電為非可控放電方式，擊穿電壓較低，頻率不可任意調(diào)整，實(shí)驗(yàn)測(cè)量射流速度100 m/s 左右，頻率100 Hz，為了實(shí)現(xiàn)激勵(lì)器陣列工作，JHU-APL團(tuán)隊(duì)還提出了如圖3(b)所示的激勵(lì)器陣列設(shè)計(jì)方案。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和提升放電的穩(wěn)定性及靈活性，JHU-APL團(tuán)隊(duì)在2004年又設(shè)計(jì)了如圖4所示的第2代激勵(lì)器及驅(qū)動(dòng)電源。第2代激勵(lì)器為兩電極結(jié)構(gòu)，移除了壁面底部的柵極，由于多次放電對(duì)第1代激勵(lì)器尖端陰極燒蝕嚴(yán)重，基于激勵(lì)器壽命的考慮將陰極改用鈍頭，陶瓷基地與金屬陽(yáng)極之間不再用粘合劑而是采用螺紋安裝，簡(jiǎn)化了裝配過程，使其更加堅(jiān)固耐用，此外增加了可替換部件以方便改變腔體體積和出口孔徑。采用了如圖4(b)所示簡(jiǎn)單靈活的電路設(shè)計(jì)，高壓直流源與放電電容和激勵(lì)器組成的并聯(lián)電路連接，高壓直流源以限流模式工作，其安全電壓設(shè)定為放電電容的最大工作電壓；可調(diào)功率電阻用于改變電容的充電速度，同時(shí)為電路提供短路保護(hù)。

圖3 約翰霍普金斯大學(xué)第1代PSJ激勵(lì)器[24]Fig.3 The first generation PSJ actuator of JHU[24]

圖4 約翰霍普金斯大學(xué)第2代PSJ激勵(lì)器[30-31]Fig.4 The second generation PSJ actuator of JHU[30-31]

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Narayanaswamy等針對(duì)JHU-APL兩電極激勵(lì)器系統(tǒng)的放電電路進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了如圖5所示的PSJ激勵(lì)器高頻放電電路，在系統(tǒng)中增加了基于MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的開關(guān)電路來控制放電通斷，這種方式可以較為精確地控制放電持續(xù)時(shí)間，并且憑借MOSFET器件的快速響應(yīng)特性可以大大提升激勵(lì)器放電的頻率，在不考慮腔體回填速率限制的情況下，電路系統(tǒng)自身的放電頻率可以達(dá)到100 kHz量級(jí)。此外，UTA研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)激勵(lì)器壁面材料進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)氮化硼壁面材料相比陶瓷材料具有更好的散熱能力，采用氮化硼制作的激勵(lì)器在相同放電條件下能夠產(chǎn)生更高速度的射流。

圖5 德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校兩電極PSJ激勵(lì)器高頻放電電路[45]Fig.5 High-frequency discharge circuit of UTA two-electrode PSJ actuator[45]

法國(guó)航空航天科研局與圖盧茲大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研制了與JHU-APL結(jié)構(gòu)相似的兩電極PSJ激勵(lì)器，如圖6所示，對(duì)JHU-APL的PSJ激勵(lì)器腔體結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了改進(jìn)，加強(qiáng)了腔體壁面散熱，提高了放電頻率與能量沉積速度，使激勵(lì)器工作頻率提高到kHz，射流速度達(dá)到300 m/s。此外，ONERA研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)PSJ激勵(lì)器的驅(qū)動(dòng)電源開展了深入研究，對(duì)比了如圖7所示2種類型驅(qū)動(dòng)電路，即電感供能型電路(Inductive Power Supply, IPS)和電容供能型電路(Capacitive Power Supply, CPS)。IPS是脈沖變壓器的副邊直接與PSJ激勵(lì)器相連，能量積累在線圈的電感上，放電時(shí)將電感上儲(chǔ)備的能量釋放。CPS是脈沖變壓器副邊串聯(lián)一個(gè)電阻，并聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)能電容，然后連接PSJ激勵(lì)器，能量積累在電容上，放電時(shí)將電容上的能量快速釋放。實(shí)驗(yàn)中使用的PSJ激勵(lì)器電極間距為1.2 mm，結(jié)果表明IPS在PSJ激勵(lì)器上放電的峰值電流約為30 A，CPS的放電峰值電流約為250 A。IPS在放電時(shí)可以等效為一個(gè)恒壓源，放電電壓較低，放電電流小，放電時(shí)間長(zhǎng)，能量釋放速度慢，對(duì)激勵(lì)器壁面的加熱更為嚴(yán)重。CPS可以產(chǎn)生脈沖放電，放電方式類似于火花放電，放電電流大，能量釋放速度極快。能量釋放速度越快，射流噴射速度越高，噴射時(shí)間越短，通過壁面的熱損失越小，因此CPS類型的驅(qū)動(dòng)電源能夠有效提高射流速度和激勵(lì)器能量效率，目前PSJ激勵(lì)器的研究中也絕大多數(shù)采用CPS類型的驅(qū)動(dòng)電源。

圖6 法國(guó)航空航天科研局兩電極PSJ激勵(lì)器[56, 61]Fig.6 Two-electrode PSJ actuator of ONERA[56, 61]

圖7 兩電極PSJ激勵(lì)器電路類型[56]Fig.7 Circuit type of two-electrode PSJ actuator[56]

綜合JHU-APL、UTA與ONERA研究團(tuán)隊(duì)的驅(qū)動(dòng)電源電路可以發(fā)現(xiàn)，有兩種基本電路方案可以用于PSJ激勵(lì)器：第1種是采用將整流后的高壓電源、IGBT或MOSFET開關(guān)直接與PSJ激勵(lì)器連接(圖4(b)、圖5)；第2種是由低壓直流電源、高壓脈沖變壓器、開關(guān)電路組成，通過逆向變換電路為PSJ激勵(lì)器供電(圖7)。第1種方式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于開關(guān)器件的要求較高，并且由于鎮(zhèn)流電阻通常直接連接于高壓電源、激勵(lì)器之間，因此放電效率較低。

在前期研究中，JHU-APL、UTA與ONERA研究團(tuán)隊(duì)普遍采用了兩電極PSJ激勵(lì)器，這種激勵(lì)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但也存在一些缺陷：兩電極激勵(lì)器依靠在陽(yáng)極、陰極之間施加較高電壓直接觸發(fā)氣體放電，擊穿電壓較高，增加了驅(qū)動(dòng)電路成本、復(fù)雜度和放電帶來的電磁干擾；為了減小空氣擊穿的難度，電極間距一般較小因而限制了電弧加熱區(qū)域和激勵(lì)器腔體體積大??；激勵(lì)器的放電電容能量與擊穿電壓的平方呈正比，擊穿電壓主要取決于電極間距與環(huán)境氣壓，因此無法通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)改變擊穿電壓從而改變輸入能量；由于腔內(nèi)氣體溫度和壓力的波動(dòng)、電極尖端的燒蝕和氧化、氣體擊穿過程本身的不確定性等原因，激勵(lì)器的擊穿電壓存在顯著的波動(dòng)(可高達(dá)千伏量級(jí))，這使得每次放電的能量大小也產(chǎn)生較大波動(dòng)，不利于激勵(lì)器的穩(wěn)定重復(fù)工作，為實(shí)驗(yàn)測(cè)量和實(shí)際使用增加了不確定性；此外，擊穿放電時(shí)刻的不確定性也給激勵(lì)器與實(shí)驗(yàn)診斷設(shè)備(如高速相機(jī)、PIV)之間的同步帶來了困難。

為了增大電極間距、降低擊穿電壓以及更為精確的控制放電時(shí)刻，受JHU-APL團(tuán)隊(duì)第1代激勵(lì)器中柵極電極的啟發(fā)，Haack以及羅振兵等開展了新型三電極PSJ激勵(lì)器的研究，三電極PSJ激勵(lì)器外形及其驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)如圖8所示，該激勵(lì)器的組成仍包括兩個(gè)部分：電極和絕緣介質(zhì)，但相對(duì)于兩電極PSJ激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)，增加了一個(gè)觸發(fā)電極。三電極PSJ激勵(lì)器通過在觸發(fā)電極和陰極間形成電子流并在兩電極間建立微放電通道，誘導(dǎo)激勵(lì)器陽(yáng)極/陰極間低電壓大功率的電弧放電，實(shí)現(xiàn)了高頻、高電壓與大電流放電的解耦，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示激勵(lì)器工作擊穿電壓大幅降低(從3 kV/mm降至0.8 kV/mm)，最大射流速度超過500 m/s。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源輸出高壓范圍有限時(shí)，在相同擊穿電壓的條件下，三電極PSJ激勵(lì)器的陽(yáng)極/陰極間距可以做的更大，因此放電電弧長(zhǎng)度增大，此外對(duì)比如圖9所示兩電極與三電極放電電弧結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，三電極激勵(lì)器的放電電弧通道并不是在原有的陽(yáng)極/陰極間建立，而是沿陰極-觸發(fā)電極-陽(yáng)極的路徑建立，這進(jìn)一步增大了放電電弧的長(zhǎng)度，進(jìn)而增大放電電弧電阻，提高了放電效率與電弧能量；電弧長(zhǎng)度的增大使得激勵(lì)器腔內(nèi)氣體加熱更為充分，提高了氣體加熱效率，增大了激勵(lì)器腔體體積。

圖8 三電極PSJ激勵(lì)器[94]Fig.8 Three-electrode PSJ actuator[94]

1—陽(yáng)極; 3—陰極; 5—點(diǎn)火電極圖9 PSJ激勵(lì)器電弧Fig.9 Arc of PSJ actuator

JHU-APL聯(lián)合佛羅里達(dá)州立大學(xué)(FSU)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)三電極激勵(lì)器做了改進(jìn)，提出了偽串聯(lián)(Pseudo-Series)點(diǎn)火三電極PSJ激勵(lì)器，如圖10所示，將三電極激勵(lì)器的陽(yáng)極和點(diǎn)火電極合二為一，使兩套電源共用一個(gè)輸出，在保留三電極激勵(lì)器性能的同時(shí)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、提高了可靠性。偽串聯(lián)點(diǎn)火激勵(lì)器驅(qū)動(dòng)電路如圖11所示，電路分為主放電電路與觸發(fā)點(diǎn)火電路，采用各自獨(dú)立的直流源供電。主放電電路直流電源直接為并聯(lián)在陽(yáng)極、陰極的儲(chǔ)能電容充電，充電電流的大小決定了儲(chǔ)能電容的充電時(shí)間，進(jìn)而決定了激勵(lì)器的放電頻率，實(shí)驗(yàn)中電源最大頻率約為1 kHz。主放電電路直流電源輸出電壓通常設(shè)置為600 V，其原因是600 V是常用電壓，器件成本低、便于選擇。觸發(fā)點(diǎn)火電路如圖中藍(lán)色虛線框內(nèi)所示，當(dāng)輸入高電平為10 V的脈沖信號(hào)時(shí)，MOSFET開關(guān)將會(huì)閉合，因此電流將通過變壓器原邊，并在副邊產(chǎn)生10 kV的高壓，從而擊穿陽(yáng)極、陰極之間空氣，進(jìn)而使得主放電進(jìn)行。為了防止觸發(fā)點(diǎn)火電路的高電壓輸出信號(hào)對(duì)主放電電路產(chǎn)生干擾，在連接處加入了高電壓大電流阻流二極管。偽串聯(lián)點(diǎn)火激勵(lì)器由于點(diǎn)火火花(Trigger Spark)更長(zhǎng)，可以更加有效的降低空氣擊穿起弧的電壓，在電源電壓一定時(shí)增大電極的間距。電源輸出電壓為600 V時(shí)，原三電極激勵(lì)器陽(yáng)極/陰極間距最大1.7 mm，偽串聯(lián)點(diǎn)火激勵(lì)器可達(dá)4 mm以上。由于電弧長(zhǎng)度變長(zhǎng)、電阻增大，激勵(lì)器能量效率進(jìn)一步提高，在相同注入能量條件下，由腔體峰值壓強(qiáng)測(cè)量得到的激勵(lì)器效率從30%提升至75%。

圖10 三電極激勵(lì)器與偽串聯(lián)點(diǎn)火三電極激勵(lì)器[42]Fig.10 Three-electrode and pseudo-series three-electrode PSJ actuator[42]

圖11 偽串聯(lián)點(diǎn)火三電極激勵(lì)器電路[44]Fig.11 Circuit of pseudo-series three-electrode PSJ actuator[44]

為了降低PSJ激勵(lì)器的擊穿電壓和提高激勵(lì)器的放電效率，Miao等提出了一種半導(dǎo)體增強(qiáng)型等離子體合成射流激勵(lì)器，該激勵(lì)器在氧化鋁陶瓷放電腔體的內(nèi)壁面增加了一層特殊的半導(dǎo)體材料包覆層，包覆層的主要成分為CuO，通過高溫?zé)Y(jié)方法包覆在放電腔體內(nèi)壁面上。由于半導(dǎo)體材料存在的表面閃絡(luò)(Surface Flashover)現(xiàn)象，該包覆層的存在會(huì)顯著改變氣體間隙的放電特性。對(duì)于無包覆、電極間距6 mm的激勵(lì)器，理論上的擊穿電壓高達(dá)16.8 kV，而對(duì)于有包覆、電極間距6 mm的激勵(lì)器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其擊穿電壓僅有2.64 kV，并且在環(huán)境壓力50～100 kPa范圍內(nèi)擊穿電壓相對(duì)保持穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)大幅下降。由于該方法能夠大大延長(zhǎng)電極間距，因此可以在不改變電源的情況下大幅提升激勵(lì)器的放電效率，為PSJ激勵(lì)器的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)路徑。

1.1.2 腔體增壓型激勵(lì)器

作為一種合成射流激勵(lì)器，PSJ激勵(lì)器需要利用腔體內(nèi)已經(jīng)存在的工質(zhì)產(chǎn)生控制射流，因此保證腔體內(nèi)有足夠的工質(zhì)是激勵(lì)器有效工作的核心要素之一。但是，由于兩個(gè)方面的原因，激勵(lì)器常常面臨使用工質(zhì)不足的困境。一方面源于激勵(lì)器的吸氣復(fù)原速率。兩電極及三電極PSJ激勵(lì)器都存在吸氣復(fù)原速率較低、飽和工作頻率受限的問題，激勵(lì)器的能量沉積、射流噴出階段進(jìn)行時(shí)間短、工作效率較高，而最后一個(gè)階段即腔體復(fù)原階段是依靠腔體內(nèi)的負(fù)壓完成的，所需時(shí)間長(zhǎng)且回填效率較低，導(dǎo)致激勵(lì)器高頻條件工作時(shí)性能下降，甚至出現(xiàn)所謂的“啞火”現(xiàn)象，并且數(shù)值結(jié)果顯示，在超聲速條件下工作時(shí)由于主流的慣性作用，激勵(lì)器將更加難以利用腔體內(nèi)的負(fù)壓將主流氣體吸入腔體，因此腔體回填速率要比在靜止條件下工作時(shí)進(jìn)一步。另一個(gè)導(dǎo)致激勵(lì)器使用工質(zhì)不足的原因來自于高空稀薄流場(chǎng)環(huán)境的挑戰(zhàn)，這也暴露了激勵(lì)器在環(huán)境適應(yīng)性方面的問題。風(fēng)洞試驗(yàn)顯示激勵(lì)器在高超聲速流場(chǎng)中工作性能大幅降低，這是由于在高空、高超聲速稀薄流場(chǎng)環(huán)境下，一方面激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體工質(zhì)減少、產(chǎn)生射流流量減小，另一方面放電強(qiáng)度減弱且電能到氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化效率降低，因此激勵(lì)器的控制能力大大減弱。

為了提高激勵(lì)器的吸氣復(fù)原速率，劉汝兵等提出了一種單向閥補(bǔ)氣的激勵(lì)器構(gòu)型，如圖12所示，在常規(guī)火花放電式等離子體射流發(fā)生器腔體上連接單向閥，改善發(fā)生器吸氣復(fù)原階段的補(bǔ)氣量和射流的連續(xù)性，以獲得能量更高的合成射流，其優(yōu)點(diǎn)是可選用構(gòu)造小巧、安裝簡(jiǎn)單的單向閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)火花等離子體射流發(fā)生器的補(bǔ)氣，而且無需外加動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示加入單向閥后PSJ最大速度可提高20%以上，不同單向閥測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于確定構(gòu)型的PSJ激勵(lì)器存在最佳的單向閥公稱通徑。

圖12 單向閥補(bǔ)氣的激勵(lì)器構(gòu)型[143]Fig.12 Configuration of one-way check valve air supply actuator[143]

李晉峰等提出了一種將壓電振子與氣體放電組合的合成射流激勵(lì)器構(gòu)型，通過壓電振子對(duì)腔體體積的調(diào)控作用提高腔體吸氣復(fù)原的能力，激勵(lì)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖13所示。組合型激勵(lì)器一方面通過壓電振子與氣體放電壓縮腔體的組合作用進(jìn)一步提高了激勵(lì)器的射流速度，另一方面，在吸氣復(fù)原階段通過壓電振子擴(kuò)張腔體可以一定程度上增大腔體吸氣的能力，提高吸氣復(fù)原的速率。初步數(shù)值模擬結(jié)果顯示，壓電振子振幅越大，改善效果越明顯，當(dāng)壓電振子振幅為0.35 mm時(shí)，激勵(lì)器的射流峰值速度相比PSJ激勵(lì)器提高1.82倍，在第一個(gè)吸氣周期內(nèi)，激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體便可恢復(fù)至放電前初始狀態(tài)，吸氣復(fù)原速率提高約5.78%。

圖13 壓電振子與氣體放電組合的合成射流激勵(lì)器[151]Fig.13 A combination of piezo-driven and air discharge synthetic jet actuator[151]

圖14 沖壓式PSJ激勵(lì)器[104]Fig.14 Ram-air plasma synthetic jet actuator[104]

借鑒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的原理，羅振兵等提出了如圖14所示的沖壓式PSJ激勵(lì)器。相比傳統(tǒng)PSJ激勵(lì)器，沖壓式激勵(lì)器的主要特點(diǎn)是增加了安裝于主射流出口上游、朝向來流方向的沖壓進(jìn)氣道，其工作原理是通過沖壓進(jìn)氣道引入一股高速來流，并經(jīng)電弧放電向其注入能量，通過“借力過程”(高速來流沖壓)和“接力過程”(電弧放電的氣體加熱)的作用，形成一股用于高速流場(chǎng)控制的高能脈沖射流。激勵(lì)器的工作過程分為沖壓進(jìn)氣、能量接力和射流噴出3個(gè)階段，如圖14(b)所示：① 沖壓進(jìn)氣階段，上游的高速氣流被激勵(lì)器的沖壓進(jìn)氣道收集入腔體，使腔體內(nèi)氣體工質(zhì)迅速填滿并增壓(氣體工質(zhì)主要從沖壓進(jìn)氣道進(jìn)入腔體，少部分從主射流出口進(jìn)入腔體)；② 能量接力階段，氣體擊穿放電，放電過程實(shí)現(xiàn)了外部電能到氣體內(nèi)能的接力，使得氣體迅速加熱和膨脹，致使得腔體內(nèi)壓力進(jìn)一步升高；③ 射流噴出階段，氣體膨脹升壓后從主射流出口高速噴出形成PSJ。理論計(jì)算顯示沖壓式PSJ激勵(lì)器如果能夠充分利用高超聲速來流動(dòng)壓，其增壓效果將十分明顯，在30 km高度馬赫數(shù)=5流動(dòng)條件下，靜壓只有1 200 Pa，而動(dòng)壓則高達(dá)21 000 Pa(17.5倍靜壓)。周巖等開展了初步數(shù)值仿真，結(jié)果顯示沖壓式激勵(lì)器在=4超聲速流中放電前的腔體初始?xì)怏w密度增加60%，腔體回填階段平均質(zhì)量流率可提高約85%。下一步，沖壓式激勵(lì)器的進(jìn)氣道還需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小不同飛行姿態(tài)、馬赫數(shù)條件下來流波系的影響，以及邊界層流動(dòng)對(duì)尺寸較小的沖壓進(jìn)氣道入口的影響，達(dá)到較優(yōu)的增壓進(jìn)氣效果。

為增加激勵(lì)器腔體的工質(zhì)，Emerick等設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)了新型充氣式PSJ激勵(lì)器(如圖15所示)，通過外部高壓氣源(氣體壓縮機(jī)或高壓氣瓶)為激勵(lì)器腔體供氣以提高其控制性能，氣源與腔體之間加入一個(gè)Swagelok單向提升閥防止回流，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示激勵(lì)器在高頻工作時(shí)的性能顯著改善，但外部高壓氣源的存在大大增加了系統(tǒng)的體積、重量。對(duì)此，羅振兵等提出了一種基于高超聲速流能量綜合利用的三電極PSJ系統(tǒng)方案，如圖16(a)所示，由集氣腔、管道、閥門、熱電材料、PSJ激勵(lì)器和電源系統(tǒng)等組成。其能量綜合利用過程示意如圖16(b)所示：① 集氣腔將高超聲速來流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為集氣腔內(nèi)氣體的勢(shì)能(壓能)，并通過管路對(duì)PSJ激勵(lì)器提供高壓氣源，即通過高超聲速流氣動(dòng)力增壓供氣；② 高超聲速流對(duì)飛行器頭部氣動(dòng)加熱，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過頭部的熱電轉(zhuǎn)換材料將熱能轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存在電源系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)對(duì)PSJ激勵(lì)器提供電能，即通過高超聲速流氣動(dòng)熱轉(zhuǎn)化供能；③ PSJ激勵(lì)器通過電極放電，將電能轉(zhuǎn)化為激勵(lì)器腔內(nèi)氣體勢(shì)能(壓能)，高壓氣體從激勵(lì)器出口噴出轉(zhuǎn)化為高速合成射流的動(dòng)能。簡(jiǎn)而言之，高超聲速流通過能量綜合利用轉(zhuǎn)化成了高能合成射流。該系統(tǒng)無需額外能源和氣源，避免了系統(tǒng)體積、重量的增加，是一種全新的“零能耗、零質(zhì)量”合成射流技術(shù)?；诟叱曀倭髂芰烤C合利用PSJ激勵(lì)器的設(shè)計(jì)思想，筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了如圖17所示高超聲速流場(chǎng)增壓PSJ激勵(lì)器，并在高超聲速流場(chǎng)中開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示高超聲速流場(chǎng)增壓設(shè)計(jì)可以顯著提升激勵(lì)器的流場(chǎng)控制能力，但發(fā)現(xiàn)充氣射流與氣體放電射流控制效果之間存在耦合，并且充氣氣壓較高時(shí)充氣射流與三電極放電之間存在復(fù)雜干擾作用導(dǎo)致放電異常。

圖15 佛羅里達(dá)州立大學(xué)充氣式PSJ激勵(lì)器[68-70]Fig.15 Air supply plasma synthetic jet actuator of Florida State University[68-70]

圖16 基于高超聲速流能量綜合利用的PSJ系統(tǒng)[91]Fig.16 PSJ system based on energy comprehensive utilization[91]

圖17 高超聲速流場(chǎng)增壓PSJ激勵(lì)器[107]Fig.17 Hypersonic flowfield pressurized plasma synthetic jet actuator[107]

1.2 激勵(lì)器陣列系統(tǒng)

對(duì)于介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體激勵(lì)器，單個(gè)激勵(lì)器可以制作很長(zhǎng)，在縱向布滿整個(gè)機(jī)翼或壓縮拐角，從而實(shí)現(xiàn)空間大范圍的流動(dòng)控制。但是單個(gè)PSJ激勵(lì)器的控制區(qū)域十分有限，只能覆蓋射流出口附近區(qū)域，而為了產(chǎn)生較高速度的射流，射流出口尺寸不能太大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中為了拓展控制范圍、提高控制能力，需要采用多個(gè)PSJ激勵(lì)器構(gòu)成的陣列進(jìn)行協(xié)同工作。在研究早期，對(duì)于PSJ的研究基本局限在單個(gè)激勵(lì)器，但是隨著對(duì)PSJ實(shí)用化要求的不斷提高，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸開展了PSJ激勵(lì)器陣列的研究。根據(jù)連接方式不同，PSJ激勵(lì)器陣列可以分為串聯(lián)式與并聯(lián)式兩種類型，下面分別展開介紹。

1.2.1 串聯(lián)式陣列

周巖等在兩電極PSJ激勵(lì)器基礎(chǔ)上開展了激勵(lì)器陣列研究，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)將多個(gè)兩電極PSJ激勵(lì)器串聯(lián)后接入容性放電電源(圖18(a))，當(dāng)施加電源電壓足夠高時(shí)，激勵(lì)器可以被同時(shí)擊穿，產(chǎn)生PSJ陣列，通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的直接串聯(lián)式PSJ激勵(lì)器陣列。不同串聯(lián)參數(shù)工況的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，直接串聯(lián)式陣列擊穿所需要的電壓與串聯(lián)的總的氣體間隙長(zhǎng)度成正比，與串聯(lián)激勵(lì)器的數(shù)目、串聯(lián)序列中最大或最小電極間距、不同間距激勵(lì)器的連接順序等因素?zé)o關(guān)。結(jié)合高速攝影與電壓/電流測(cè)量?jī)烧叩慕Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，直接串聯(lián)式陣列在大電流電弧放電之前，直連電極(直接與電源連接的兩個(gè)電極)和懸浮電極之間首先發(fā)生微弱的預(yù)放電，正是由于預(yù)放電使得懸浮電極上出現(xiàn)正或負(fù)的脈沖電勢(shì)，懸浮電極之間產(chǎn)生大的電勢(shì)差，導(dǎo)致其中空氣擊穿。通過對(duì)開關(guān)器件性能的升級(jí)，中國(guó)科學(xué)院電工研究所設(shè)計(jì)了基于開關(guān)切斷原理的納秒脈沖兩電極PSJ激勵(lì)器串聯(lián)電路，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)式陣列的納秒脈沖(上升沿≤20 ns，脈寬150 ns)放電，重復(fù)頻率可達(dá)5 kHz，陣列各激勵(lì)器之間的擊穿延遲在20 ns以內(nèi)，該電路的核心是采用了德國(guó)BEHLKE公司生產(chǎn)的HTS B2系列開關(guān)，該高性能開關(guān)具有高重復(fù)頻率、納秒級(jí)上升時(shí)間、開關(guān)恢復(fù)時(shí)間短、延遲抖動(dòng)小、耐受電流大、開關(guān)阻抗低、電磁兼容性能好等優(yōu)勢(shì)，因此十分適合用于PSJ陣列大電流放電的脈沖源研制。基于圖11所示的偽串聯(lián)(Pseudo-Series)點(diǎn)火三電極PSJ激勵(lì)器，代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開展了偽串聯(lián)點(diǎn)火三電極PSJ激勵(lì)器串聯(lián)放電的研究，其電路如圖18(b)所示，對(duì)不同串聯(lián)激勵(lì)器個(gè)數(shù)的研究顯示，在相同電容能量條件下，多個(gè)激勵(lì)器串聯(lián)后產(chǎn)生的總沖量和總射流動(dòng)能均高于單個(gè)激勵(lì)器，表明串聯(lián)激勵(lì)器的能量利用效率高于單個(gè)激勵(lì)器，且串聯(lián)個(gè)數(shù)為4時(shí)候的激勵(lì)器陣列工作效率最佳。

圖18 串聯(lián)式PSJ激勵(lì)器電路Fig.18 Series circuit of PSJ actuator

圖18所示的直接串聯(lián)式陣列具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致?lián)舸╇妷涸龃?，特別是在串聯(lián)激勵(lì)器數(shù)目較多的時(shí)候。張志波等提出了如圖19(a)所示的基于電壓接力(Voltage Relay)的兩電極PSJ激勵(lì)器串聯(lián)電路，此方式采用放電回路阻抗主動(dòng)調(diào)控的方法，推遲負(fù)載(即PSJ激勵(lì)器)由正阻抗向負(fù)阻抗轉(zhuǎn)化的時(shí)間，使得輸入高壓依次加載到串聯(lián)的各個(gè)氣體間隙，在多個(gè)氣體間隙順次發(fā)生擊穿后同步進(jìn)行能量沉積。電壓接力串聯(lián)陣列的擊穿電壓僅由第一級(jí)電極間隙決定，接力電容、卸荷電阻的引入并不會(huì)增加所需電壓?；陔妷航恿﹄娐?，張志波等開展了多激勵(lì)器串聯(lián)陣列研究，此外，基于此種放電方式，張志波等還提出了圖19(b)的單腔多電極PSJ激勵(lì)器，這種激勵(lì)器可以使得電弧長(zhǎng)度增加、電阻增大，并提高電弧對(duì)腔體氣體加熱的均勻度，因此有助于提高激勵(lì)器的能量效率。

圖19 電壓接力兩電極PSJ激勵(lì)器串聯(lián)電路及其單腔多電極PSJ激勵(lì)器[129]Fig.19 Series circuit of voltage relay two-electrode PSJ actuator and multi-electrode PSJ actuator[129]

1.2.2 并聯(lián)式陣列

與表面電弧放電激勵(lì)器相同，PSJ激勵(lì)器的放電形式主要為脈沖電弧放電(火花電弧放電)。放電過程中，等離子體通道的伏安特性曲線表現(xiàn)出明顯的負(fù)阻抗特性，即隨著空氣擊穿、放電電流增大，電弧兩端電壓迅速下降。若將多個(gè)PSJ激勵(lì)器直接并聯(lián)在一起的話，擊穿放電一般只能發(fā)生于一個(gè)激勵(lì)器(即第1個(gè)發(fā)生擊穿的激勵(lì)器)，其余并聯(lián)的激勵(lì)器由于電壓迅速下降而無法擊穿放電。因此，PSJ激勵(lì)器無法像介質(zhì)阻擋放電激勵(lì)器一樣并聯(lián)工作，需要對(duì)電路進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

ONERA首先開展了PSJ激勵(lì)器并聯(lián)陣列的研究，為了實(shí)現(xiàn)并聯(lián)放電，研究人員采用了多個(gè)獨(dú)立的電源，每一個(gè)PSJ激勵(lì)器都配備一個(gè)獨(dú)立的高壓電源電路。根據(jù)文獻(xiàn)[23]，為了將PSJ并聯(lián)陣列用于射流噪聲抑制，實(shí)驗(yàn)中采用了6個(gè)獨(dú)立的高壓電源驅(qū)動(dòng)6個(gè)PSJ激勵(lì)器工作。這種并聯(lián)方式簡(jiǎn)單直接，其優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)激勵(lì)器的開閉狀態(tài)、工作頻率、工作相位等都可單獨(dú)控制，因此其控制特性更加靈活、控制效果更為可控，例如多個(gè)激勵(lì)器以一定相位差工作的方式可以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)頻率的倍增，突破吸氣復(fù)原對(duì)激勵(lì)頻率的限制，但是這種方式會(huì)帶來電源體積重量大、系統(tǒng)復(fù)雜的問題。

美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)在表面電弧等離子體激勵(lì)器研究中采用了電阻鉗流型并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式，這種模式通過在并聯(lián)電路中增加大阻值的電阻，減小放電單元伏安特性對(duì)并聯(lián)單元的影響，從而實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)多個(gè)電弧放電通道，但由于放電回路中引入大阻值電阻，導(dǎo)致放電效率很低，大部分能量被電阻消耗，僅有少部分轉(zhuǎn)化為電弧能量，并且由于限流電阻功率很大、溫度很高，為了保證電阻正常工作需要采用風(fēng)冷散熱降溫。采用類似的電阻限流型并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式，UTA的Greene等實(shí)現(xiàn)了兩電極PSJ激勵(lì)器的并聯(lián)工作，并將其用于入射激波/邊界層干擾控制。其電路如圖20所示，采用1個(gè)2.75 kV的直流電源驅(qū)動(dòng)三路并聯(lián)PSJ激勵(lì)器，每個(gè)并聯(lián)支路中加入1個(gè)1 kΩ的限流電阻對(duì)放電電流進(jìn)行限制，保證了3個(gè)激勵(lì)器同時(shí)工作。在主回路中通過1個(gè)IGBT開關(guān)控制通斷，利用2 Ω的采樣電阻對(duì)電流波形進(jìn)行采集，激勵(lì)器陽(yáng)極和陰極間距8 mm，電源最高運(yùn)行頻率3 kHz，最大功率10 kW。

圖20 UTA電阻限流型三路PSJ激勵(lì)器并聯(lián)工作電路[51]Fig.20 UTA three PSJ actuator parallel circuit base on current limiting resistor[51]

中國(guó)科學(xué)院電工研究所與國(guó)防科技大學(xué)聯(lián)合開展了并聯(lián)PSJ激勵(lì)器的研究，提出了“一拖三”與“三拖三”兩種并聯(lián)放電方法，并設(shè)計(jì)了兩臺(tái)脈沖源。其中“一拖三”型電路如圖21(a)所示，電源由脈沖觸發(fā)器、高壓脈沖電源、RLC負(fù)載匹配電路以及3個(gè)PSJ激勵(lì)器負(fù)載構(gòu)成。脈沖形成方式是大開關(guān)切斷式，輸出一路高壓對(duì)3個(gè)電容充電，同時(shí)連接3個(gè)激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)放電，3個(gè)激勵(lì)器的一端分別與RLC負(fù)載匹配電路連接，另一端與地相連，主要原理是放電電容通過RLC匹配電路對(duì)PSJ激勵(lì)器放電。圖21(b)為“三拖三”型電路，電源采用脈沖整形壓縮式，主要由同步觸發(fā)模塊、3個(gè)高壓脈沖模塊以及3個(gè)PSJ激勵(lì)器負(fù)載構(gòu)成，激勵(lì)器的一端與一個(gè)高壓模塊的高壓端相連，另一端與地相連。同步觸發(fā)模塊主要作用是產(chǎn)生三路同步觸發(fā)信號(hào)使3個(gè)高壓脈沖模塊同步工作；3個(gè)高壓脈沖模塊主要作用是產(chǎn)生三路同步高壓脈沖，三路高壓分別連接3個(gè)激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)放電。此電源共用了低壓調(diào)壓模塊與電橋式整流模塊，而高壓模塊則是完全隔離，由3個(gè)完全相同的高壓模塊構(gòu)成，其并聯(lián)思路與ONERA基本類似。實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，“一拖三”電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、能耗小，不需要多個(gè)高壓模塊，但其中核心部件RLC負(fù)載匹配電路的設(shè)計(jì)難度大，并且激勵(lì)器不能同時(shí)放電，會(huì)有大約160 μs的放電延遲?！叭先彪娫闯杀据^高，為了增加放電通道數(shù)量，需要不斷增加高壓模塊，但原理簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)難度低，電放電延遲在納秒級(jí)別，可實(shí)現(xiàn)精確同步。

圖21 中國(guó)科學(xué)院電工研究所與國(guó)防科技大學(xué)PSJ并聯(lián)電路[146]Fig.21 PSJ parallel circuit of Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Science and National University of Defense Technology[146]

2 研究手段

2.1 理論計(jì)算方法

PSJ激勵(lì)器工作空間狹小、電磁干擾強(qiáng)、射流持續(xù)時(shí)間很短且射流流場(chǎng)變化劇烈，這使得激勵(lì)器的腔體溫度、射流溫度、質(zhì)量流量等關(guān)鍵參數(shù)不易精確測(cè)得。因此，在進(jìn)行激勵(lì)器設(shè)計(jì)和深入揭示激勵(lì)器工作機(jī)理時(shí)，采取一定的理論計(jì)算及數(shù)值仿真方法是十分必要的。按照PSJ激勵(lì)器的3個(gè)工作階段，文獻(xiàn)[84]對(duì)激勵(lì)器的理論分析方法進(jìn)行了介紹，與之相區(qū)分，本文對(duì)PSJ激勵(lì)器研究過程中經(jīng)常采用的用于評(píng)估激勵(lì)器性能的實(shí)用理論計(jì)算方法進(jìn)行了匯總介紹，這些方法常常與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合使用，以獲得對(duì)射流峰值速度、腔體參數(shù)變化、帶電粒子存在時(shí)間尺度等特性的初步評(píng)估。

射流速度是PSJ最重要的參數(shù)之一，為了估算射流速度，ONERA和UTA分別提出了兩種理論分析方法。ONERA的方法利用了射流總壓與靜壓關(guān)系式，射流速度計(jì)算公式為

(1)

UTA的方法借鑒了激波管問題的分析，將PSJ激勵(lì)器腔體等效為激波管的驅(qū)動(dòng)段，將PSJ的快速能量沉積過程等效為激波管的膜片破裂(兩者都會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)激波)。獲得的射流速度計(jì)算公式為

(2)

式中：為放電結(jié)束后腔體內(nèi)的聲速；為放電結(jié)束后腔體內(nèi)的壓強(qiáng)，兩者可以通過估計(jì)放電后的溫升與壓升獲得；為前驅(qū)激波后的壓強(qiáng)，可以利用實(shí)驗(yàn)中獲得的前驅(qū)激波傳播速度通過激波關(guān)系式計(jì)算。

為了獲得PSJ參數(shù)隨時(shí)間的變化，研究人員將激勵(lì)器視為零維控制體，建立了不同的非定常零唯解析模型。JHU-APL團(tuán)隊(duì)首先開展了這項(xiàng)工作，Grossman等通過對(duì)控制體的能量方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到了模擬PSJ激勵(lì)器能量沉積、氣體噴射階段的非定常零唯解析模型，計(jì)算中假設(shè)腔體內(nèi)的狀態(tài)參數(shù)均勻分布，射流出口處于壅塞狀態(tài)，流動(dòng)滿足等熵關(guān)系，氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程，忽略了壁面對(duì)流和輻射傳熱。氣體噴射階段的封閉方程組為

(3)

(4)

式中：表示喉道體積。在氣體噴射階段，和表示腔體內(nèi)的密度和溫度，在腔體復(fù)原階段，密度和溫度表示環(huán)境氣體的密度和溫度(此時(shí)兩者均為常數(shù))。

壅塞和非壅塞過程的出口壓強(qiáng)表示為

(5)

文獻(xiàn)[39]模型壁面?zhèn)鳠嵊?jì)算較為簡(jiǎn)單，吸氣復(fù)原很微弱，計(jì)算結(jié)果沒能反映振蕩過程，因此僅適合單次射流模擬，不適合模擬連續(xù)工作，宗豪華等對(duì)文獻(xiàn)[39]模型進(jìn)行了改進(jìn)，建立了更為詳細(xì)的集總參數(shù)模型(Lumped-Element Model，LEM)，該模型基于有限差分法進(jìn)行熱力學(xué)方程求解，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壁面對(duì)流傳熱更為準(zhǔn)確的計(jì)算，將等熵過程改進(jìn)為多變膨脹過程從而改善了計(jì)算的準(zhǔn)確性。2015年宗豪華對(duì)上述模型進(jìn)一步完善，為了對(duì)脈沖直流放電(放電時(shí)間較長(zhǎng))激勵(lì)器的能量沉積過程進(jìn)行更為精確的計(jì)算，將能量沉積過程視為非定常過程而不是瞬時(shí)加熱，并且在計(jì)算中考慮了比熱比和定容比熱隨溫度的變化，采用擬合公式(適用溫度范圍60～60 000 K，壓強(qiáng)范圍1 kPa～10 MPa)進(jìn)行了比熱比和定容比熱的計(jì)算。2018年黃勝方等發(fā)展了適用于PSJ激勵(lì)器陣列的非定常零維解析模型，在以上模型中耦合了多通道放電模型，用于模擬能量沉積過程，計(jì)算每個(gè)放電通道內(nèi)的能量沉積。

(6)

(7)

其中：為光譜分析獲得的電子溫度;反應(yīng)的指前因子為2.54×10，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為-0.5，兩者通過查表獲得。

粒子的復(fù)合反應(yīng)時(shí)間尺度(帶電粒子消耗的時(shí)間尺度)采用式(8)計(jì)算：

(8)

Narayanaswamy估計(jì)帶電粒子存在的時(shí)間尺度在10 μs量級(jí)，阿雷烏斯復(fù)合反應(yīng)速率系數(shù)約為1.6×10m。考慮到質(zhì)量較大的正離子受中性粒子作用較大、隨射流噴出較快，而電子受作用較小、噴出速度較低，兩者沒有很好地混合在一起，因此實(shí)際復(fù)合反應(yīng)速率系數(shù)會(huì)變低，等離子體的生存時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)。

為了評(píng)估放電頻率對(duì)激勵(lì)器性能的影響，分析不同放電頻率下的激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體平均密度與溫度，宗豪華和Kotsonis提出了PSJ激勵(lì)器熱截止頻率的概念，其計(jì)算方法為

(9)

式中：為腔體內(nèi)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)(PSJ激勵(lì)器通常約為100 W/(k·m))；表示腔體內(nèi)壁面面積；表示放電加熱能量(即第3節(jié)中的腔體內(nèi)氣體內(nèi)能增量)；表示環(huán)境溫度(即腔體內(nèi)初始溫度)。熱截止頻率表征的是腔體內(nèi)對(duì)流換熱速率與放電加熱速率之比，基于可以計(jì)算得到不同放電頻率下的激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體平均密度、溫度與環(huán)境密度、溫度的比值：

(10)

羅格斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)理論分析了PSJ用于飛行控制的可行性，理論計(jì)算了單個(gè)PSJ激勵(lì)器的沖量特性，得到了激勵(lì)器所能產(chǎn)生的無量綱沖量?與激勵(lì)器無量綱加熱能量之間的關(guān)系，其中無量綱沖量?、無量綱加熱能量的定義為

(11)

(12)

由于射流噴射階段可以分為壅塞(聲速射流)階段與非壅塞(亞聲速射流)階段，因此無量綱沖量也由兩部分組成，式(11)中?表示壅塞階段的無量綱沖量，?表示非壅塞階段的無量綱沖量。如前所述式(12)中的分子項(xiàng)表示放電加熱能量(即腔體內(nèi)氣體內(nèi)能增量)，分母項(xiàng)是放電前腔體內(nèi)氣體內(nèi)能的表征。在一維無黏準(zhǔn)定常層流流動(dòng)的假設(shè)下，羅格斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)得到了?、?與之間的解析關(guān)系式：

(13)

(14)

式中：因數(shù)、的計(jì)算方法為

(15)

(16)

此外，筆者團(tuán)隊(duì)為評(píng)估高超聲速流場(chǎng)增壓PSJ激勵(lì)器可行性，分析其腔體增壓效果，將激勵(lì)器簡(jiǎn)化為如下模型：高壓氣體經(jīng)過一個(gè)收縮噴管進(jìn)入激勵(lì)器腔體，激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體經(jīng)過一個(gè)收縮噴管噴入外界大氣。在以上假設(shè)條件下可以理論計(jì)算得到高超聲速流場(chǎng)增壓激勵(lì)器腔體內(nèi)壓強(qiáng)以及進(jìn)氣、出氣的質(zhì)量流量，理論計(jì)算得到的腔體內(nèi)壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合良好，誤差小于2.6%，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性。

2.2 數(shù)值仿真

PSJ激勵(lì)器的數(shù)值模擬方法主要包括針對(duì)激勵(lì)器放電電壓/電流特性的等效電路模擬和針對(duì)激勵(lì)器射流流場(chǎng)特性的空氣動(dòng)力學(xué)模擬、等離子體動(dòng)力學(xué)模擬。

2.2.1 等效電路模擬

等效電路模擬由ONERA提出，該模擬方法認(rèn)為在空氣擊穿(時(shí)間很短，約ns量級(jí))發(fā)生以后，電弧可以等效為一個(gè)阻值很小的純電阻元件，整個(gè)放電電路的反應(yīng)可以近似等效為一個(gè)欠阻尼的串聯(lián)RLC電路?；谝陨霞僭O(shè)，ONERA采用SPIC軟件進(jìn)行了電路的模擬，得到了放電過程中的電壓、電流變化曲線，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量較為吻合(圖22)。該電路由電容器、電感器和對(duì)應(yīng)于連接線寄生參數(shù)的固定電阻器組成，兩個(gè)串聯(lián)的可變電阻器分別代表電弧等離子體上的電壓降和等離子體鞘層中的能量損失。由于該模型無法捕捉氣體擊穿過程，應(yīng)指定在電極間隙(對(duì)應(yīng)于剛剛點(diǎn)燃的放電通道)之間具有非均勻薄高溫區(qū)初始條件來啟動(dòng)模擬。

圖22 等效電路模擬[62-63]Fig.22 Equivalent circuit simulation[62-63]

2.2.2 空氣動(dòng)力學(xué)模擬

空氣動(dòng)力學(xué)模擬是目前研究最多的一種，它不考慮等離子體放電過程中的復(fù)雜粒子反應(yīng)，認(rèn)為PSJ產(chǎn)生的物理機(jī)制主要為氣體放電的焦耳加熱作用，因此將放電過程簡(jiǎn)化為對(duì)流場(chǎng)局部小空間的單純加熱過程，通過求解N-S方程模擬加熱后激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體的膨脹、噴出、回填過程。第1代空氣動(dòng)力學(xué)模擬采用了瞬時(shí)加熱模型，認(rèn)為等離子體放電的加熱過程相比于射流的形成、發(fā)展過程而言很短，可以認(rèn)為是在瞬間完成的，因此計(jì)算時(shí)直接在加熱區(qū)域賦予一個(gè)高溫高壓的初始條件，然后模擬射流流場(chǎng)的形成和演化。發(fā)展后的第2代空氣動(dòng)力學(xué)模擬認(rèn)為加熱過程是在一定時(shí)間內(nèi)完成的，將放電的能量沉積添加到控制方程的能量源項(xiàng)中，從而模擬氣體加熱過程和PSJ形成。王林等采用此方法首次開展了PSJ激勵(lì)器三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，通過將激勵(lì)器腔體內(nèi)放電區(qū)域單獨(dú)定義為一控制體，并且將氣體放電過程簡(jiǎn)化為控制體內(nèi)的時(shí)間、空間均勻能量注入過程(加熱功率密度約為4.97×10W/m)，實(shí)現(xiàn)了PSJ激勵(lì)器的唯象模擬，PSJ工作周期內(nèi)速度及渦量的變化過程見圖23(a)，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)紋影圖像進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性(圖23(b)、圖23(c))。

第2代空氣動(dòng)力學(xué)模擬雖然考慮了有限時(shí)間的氣體加熱過程，但是其加熱功率密度的給定比較隨機(jī)，缺乏依據(jù)。ONERA進(jìn)一步發(fā)展了第3代空氣動(dòng)力學(xué)模擬方法——基于電磁流體力學(xué)(EMHD)的PSJ數(shù)值模擬，該方法通過輸入實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電壓、電流變化曲線，求解電磁場(chǎng)方程，進(jìn)而計(jì)算得到放電過程的焦耳加熱量，然后模擬射流的形成過程，相比于第2代模擬方法，其氣體的加熱過程更加接近實(shí)際情況，焦耳加熱功率的給予也更有依據(jù)。該方法計(jì)算模型分為圖24所示兩個(gè)耦合子模型。第1個(gè)子模型用于處理陰陽(yáng)電極之間的電弧放電引起的能量沉積過程，此時(shí)模型不包括放電腔體和外部流場(chǎng)，模型描述了陰陽(yáng)電極之間等離子體的形成，由于電流密度很高、磁場(chǎng)很強(qiáng)，因此假設(shè)細(xì)長(zhǎng)電弧基本保持在軸線附近，簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱問題；這個(gè)模型與上述串聯(lián)RLC等效電路模擬相結(jié)合，為RLC模擬提供電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，而串聯(lián)RLC等效電路模擬為這個(gè)模型提供放電電流數(shù)據(jù)。第2個(gè)子模型關(guān)注放電腔體內(nèi)氣體的加熱以及激勵(lì)器的實(shí)際工作過程，利用第1個(gè)子模型中計(jì)算的能量沉積分布作為能量源項(xiàng)，計(jì)算由此導(dǎo)致的激勵(lì)器響應(yīng)結(jié)果。

Sary等基于EMHD數(shù)值模擬方法和RNS湍流模型開展了PSJ激勵(lì)器啟動(dòng)后初始25周期連續(xù)工作過程的數(shù)值模擬，為了較好地捕捉高速射流傳播進(jìn)入低速環(huán)境的過程，采用了隱式激波捕捉方法(Roe方法)用于求解流體方程組，放電能量為7 mJ，重復(fù)頻率為1 kHz，結(jié)果顯示腔體壓強(qiáng)、密度、射流總焓等參數(shù)大約在啟動(dòng)后第10個(gè)周期達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。Laurendeau等基于EMHD數(shù)值模擬方法和高精度LES湍流模型捕捉了PSJ激勵(lì)器單個(gè)周期的瞬態(tài)發(fā)展過程，采用了1 128萬非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，時(shí)間步長(zhǎng)1 ns。數(shù)值模擬較好地再現(xiàn)了射流前緣的發(fā)展和射流誘導(dǎo)的主要渦結(jié)構(gòu)。圖25(a)所示為識(shí)別三維射流渦結(jié)構(gòu)和法向密度梯度云圖，從中可以觀察到射流出口渦環(huán)二次渦結(jié)構(gòu)的生成和破碎，以及壓力波的存在，圖25(b)顯示射流前緣的瞬態(tài)發(fā)展過程與實(shí)驗(yàn)取得了很好的吻合。Laurendeau等也將該模型結(jié)果與采用恒定能量源項(xiàng)的第2代模擬方法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示恒定能量源項(xiàng)模擬得到的射流前緣位置與實(shí)驗(yàn)存在更大誤差，射流前緣位置相比實(shí)驗(yàn)值偏小。相比第2代模擬方法，EMHD數(shù)值模擬方法會(huì)在能量沉積開始階段產(chǎn)生更高的能量輸入，模擬獲得的溫升更為迅速，腔體最大壓強(qiáng)更大，射流產(chǎn)生更快(約提前2 μs)。對(duì)比拉瓦爾出口處的質(zhì)量流量，兩個(gè)模型獲得的出口質(zhì)量流量的曲線形狀是相似的，只是存在一個(gè)時(shí)間差，EMHD數(shù)值模擬方法獲得的質(zhì)量流量變化幅度更大，導(dǎo)致模擬的噴射質(zhì)量更大。

圖23 PSJ唯象仿真結(jié)果[91, 104]Fig.23 Phenomenological simulation results of PSJ[91, 104]

圖24 ONERA基于電磁流體力學(xué)(EMHD)的PSJ數(shù)值模擬計(jì)算模型[63]Fig.24 PSJ simulation model of ONERA based on EMHD[63]

除上述3種空氣動(dòng)力學(xué)模擬方法之外，對(duì)于未來可能的工程應(yīng)用，JHU還提出了一種更為簡(jiǎn)化、適合工程實(shí)踐的空氣動(dòng)力學(xué)模擬方法，即虛擬源項(xiàng)(Virtual Source)模型。當(dāng)模擬PSJ激勵(lì)器在真實(shí)飛行器中的控制效果時(shí)，激勵(lì)器微小尺度(毫米量級(jí))擾動(dòng)源模擬與外部環(huán)境大尺度(米量級(jí)或更大)流場(chǎng)干擾模擬之間存在著空間耦合難題，前者時(shí)間步長(zhǎng)、網(wǎng)格尺寸要比后者精細(xì)的多，兩者一起模擬導(dǎo)致計(jì)算耗費(fèi)巨大，特別是對(duì)于多個(gè)激勵(lì)器協(xié)同工作的情況。因此為了在大尺度計(jì)算(如真實(shí)飛行器流場(chǎng)計(jì)算)中加入激勵(lì)器的模擬，并使得計(jì)算量保持在可忍受的范圍內(nèi)，就需要采用這種方法。虛擬源項(xiàng)就是將射流這一擾動(dòng)源通過邊界條件的方式植入，具體射流是怎樣產(chǎn)生的不予考慮，邊界條件形式通過對(duì)單個(gè)激勵(lì)器的精確模擬獲得。這種方法曾經(jīng)用于低速的壓電式、電磁式合成射流激勵(lì)器，但應(yīng)用于PSJ激勵(lì)器面臨的問題是激勵(lì)器工作性能(尤其是氣體回填階段的性能)受外部流動(dòng)環(huán)境(如主流速度、邊界層等)的影響較大，因此采用一種自適應(yīng)的虛擬源項(xiàng)，即每一次模擬射流前，通過分析外部流動(dòng)環(huán)境，在模板數(shù)據(jù)庫(kù)中找到與之對(duì)應(yīng)的最臨近模板。

圖25 EMHD數(shù)值模擬方法結(jié)合高精度LES湍流模型計(jì)算結(jié)果[64]Fig.25 Simulation results combining EMHD and LES[64]

2.2.3 等離子體動(dòng)力學(xué)模擬

PSJ激勵(lì)器的等離子體動(dòng)力學(xué)模擬方法是基于電磁學(xué)、流體力學(xué)、等離子體物理等基本定理，考慮氣體放電發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)過程后的一種更為精確的計(jì)算模型。相比于空氣動(dòng)力學(xué)模擬，該方法可以獲得激勵(lì)器工作過程中的電磁場(chǎng)分布、粒子數(shù)密度、能量傳遞機(jī)制等更為豐富的信息，缺點(diǎn)是計(jì)算過程復(fù)雜、計(jì)算量較大，并且目前對(duì)于較大能量、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(微秒放電)的放電過程模擬存在一定困難。朱益飛等基于Comsol多物理場(chǎng)耦合求解軟件開展了PSJ激勵(lì)器的等離子體動(dòng)力學(xué)模擬，模擬條件是干空氣中納秒脈沖放電，考慮空氣電離時(shí)候44個(gè)主要粒子反應(yīng)，對(duì)泊松方程(求解電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度)、化學(xué)反應(yīng)方程、電子能量方程、漂移擴(kuò)散方程(模擬帶電粒子的漂移、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng))和流體力學(xué)方程進(jìn)行了耦合求解，獲得了電子密度、約化電場(chǎng)強(qiáng)度、能量沉積的空間分布和時(shí)間演化。模擬的PSJ激勵(lì)器電極間距為3 mm，納秒脈沖源的上升時(shí)間為20～100 ns，放電電壓約10 kV，放電電流約20 A。結(jié)果顯示，氣體加熱主要來源是粒子碰撞加熱和激發(fā)態(tài)粒子退熄加熱，兩者的比例約維持在3∶7。在等離子體鞘層內(nèi)的加熱功率密度要遠(yuǎn)高于在放電通道內(nèi)，最高可以達(dá)到10～10W/m。退熄加熱功率密度在大多數(shù)區(qū)域比粒子碰撞加熱功率密度高27～30倍，但是在等離子體鞘層區(qū)域，粒子碰撞加熱功率密度要高10～1 000倍。PSJ激勵(lì)器不同時(shí)刻的氣體加熱功率密度如圖26所示，在擊穿過程中，流注從陰極形成后向上傳播，穿透放電間距，在25 ns到達(dá)頂面電極，形成放電通道和加熱通道。在流注階段(圖26(a)) 能量沉積主要集中于流注頭部，一旦放電通道被流注所連接，激勵(lì)器進(jìn)入圖26(b)和圖26(c)所示的火花電弧階段，能量沉積區(qū)域保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)為陰極陽(yáng)極之間直徑1.5 mm左右的圓柱體，加熱功率隨著電場(chǎng)強(qiáng)度而升高，靠近陰極等離子體鞘層的局部區(qū)域具有較高的加熱功率密度。脈沖放電結(jié)束后，火花電弧階段結(jié)束，加熱通道耗散，如圖26(d)所示，加熱功率降低到10W/m量級(jí)，僅僅集中于陰極附近。對(duì)不同電壓上升沿的模擬結(jié)果顯示，上升沿縮短，加熱能量將顯著增加，射流速度、腔體壓力和溫度隨之增大。

圖26 等離子體動(dòng)力學(xué)模擬PSJ激勵(lì)器內(nèi)部氣體加熱功率密度(對(duì)數(shù)坐標(biāo)，從1012.5～109.5 W/m3)[118]Fig.26 Gas heating power inside PSJ actuator calculated by plasma kinetics model (logarithmic coordinates, 1012.5-109.5 W/m3)[118]

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為了獲得PSJ激勵(lì)器的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、射流速度、腔體壓力和溫度等信息，研究人員采用了紋影/陰影、粒子圖像測(cè)速法(Particle Image Velocimetry, PIV)、動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量、放電光譜分析等多種多樣的測(cè)試手段，并且針對(duì)PSJ激勵(lì)器射流持續(xù)時(shí)間短、流場(chǎng)參數(shù)變化劇烈、電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試手段的測(cè)量精度、時(shí)空分辨率、數(shù)據(jù)后處理方法等進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新。

2.3.1 紋影/陰影測(cè)量

紋影/陰影測(cè)量是針對(duì)PSJ激勵(lì)器最早采用的一種觀測(cè)方法，也是目前最常用的實(shí)驗(yàn)方法之一。紋影/陰影測(cè)量基于流體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致穿過流體的平行光線發(fā)生偏折的原理來實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)顯示的技術(shù)，是一種非接觸式光學(xué)診斷技術(shù)，因此受PSJ激勵(lì)器電磁干擾影響很小，并且由于PSJ屬于高溫低密度的膨脹氣體，與周圍氣體密度相差較大，因此十分適合通過紋影/陰影進(jìn)行顯示，當(dāng)紋影/陰影技術(shù)與高速相機(jī)結(jié)合時(shí)方可對(duì)PSJ流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較高時(shí)空分辨率的觀測(cè)。通過紋影/陰影觀察激勵(lì)器出口射流狀態(tài)可估算射流持續(xù)時(shí)間，通過識(shí)別不同時(shí)刻射流頭部與激波位置，可估算出射流速度與激波速度，從而衡量PSJ的激勵(lì)強(qiáng)度。但是需要說明的是，紋影/陰影所計(jì)算的僅僅是射流鋒面的推移速度，PIV測(cè)量與數(shù)值仿真證明該速度要小于射流的真實(shí)速度，宗豪華等研究認(rèn)為射流鋒面速度約等于射流出口峰值速度的一半。

JHU-APL早在2003年就開展了紋影測(cè)試，可以明顯看到PSJ的噴出，但是圖像還不太清晰。王林等采用激光陰影進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果顯示射流流場(chǎng)包含一道或幾道“前驅(qū)激波”和之后的射流。為了對(duì)PSJ出口附近微小空間局部流場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)觀測(cè)，美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)發(fā)展了先進(jìn)的激光微紋影系統(tǒng)(Laser-Based Micro-schlieren System, LBMS)，LBMS采用激光誘導(dǎo)的氬氣放電作為紋影光源，氬氣放電的發(fā)光強(qiáng)度比空氣放電強(qiáng)3～4倍，并且可以減小激光束方向光強(qiáng)的抖動(dòng)。激光器采用脈寬很窄(約3～5 ns)的PIV激光，可以維持氬氣等離子體存在時(shí)間(即光源存在時(shí)間、曝光時(shí)間)約10 ns，該方法可以提供極短時(shí)間內(nèi)的瞬態(tài)高強(qiáng)度光源，大大縮短曝光時(shí)間，而曝光時(shí)間越短越能捕獲PSJ瞬時(shí)流場(chǎng)。通過LBMS拍攝并經(jīng)過MATLAB程序去除背景干擾后的PSJ流場(chǎng)如圖27所示，可以清晰的觀測(cè)到PSJ蘑菇狀湍流射流及半球形前驅(qū)激波。史志偉等采用鎖相紋影對(duì)納秒脈沖PSJ激勵(lì)器的腔體內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了觀測(cè)，該方法可以觀測(cè)到內(nèi)部快速放電產(chǎn)生的沖擊波、反射激波、一系列衍射激波、電弧核心狀態(tài)與外部流場(chǎng)之間的對(duì)應(yīng)(圖28)，結(jié)果顯示由于快速放電產(chǎn)生的沖擊波在腔體內(nèi)很快不斷反射，并與電弧熱源相互作用，可以使得腔體內(nèi)的氣壓快速升高，沖擊波經(jīng)過射流出口發(fā)生衍射，產(chǎn)生激勵(lì)器外部的前驅(qū)激波。實(shí)驗(yàn)還觀測(cè)到了PSJ激勵(lì)器產(chǎn)生的前兩級(jí)渦環(huán)的獨(dú)特現(xiàn)象，即典型的兩軸向渦環(huán)的蛙跳現(xiàn)象(Leapfrogging Phenomenon)：二級(jí)渦環(huán)尺寸略小，但速度較快，在剛出現(xiàn)時(shí)位于初級(jí)渦環(huán)下面，但隨后超越初級(jí)渦環(huán)。

為了獲得PSJ流場(chǎng)更多信息，研究人員除了改進(jìn)紋影/陰影觀測(cè)方法外，還對(duì)結(jié)果的后處理進(jìn)行了創(chuàng)新。Narayanaswamy等開發(fā)了一套激波追蹤程序用于從大量紋影圖像中捕捉分離激波的運(yùn)動(dòng)。程序通過在距離壁面不同高度處沿流向的相對(duì)像素灰度變化來識(shí)別激波的位置。激波位置定義為在分離激波運(yùn)動(dòng)窗口范圍內(nèi)在一排像素中具有最低灰度的那一個(gè)像素點(diǎn)。在距離壁面約0.5(邊界層厚度)以上的范圍，程序可以明確的識(shí)別分離激波的位置，激波瞬時(shí)位置定義為距離壁面0.5～0.7范圍內(nèi)激波片段的平均位置。這種方法可以定性的分析分離激波的運(yùn)動(dòng)特性，但是無法對(duì)分離激波腳的位置進(jìn)行定量的推斷。宗豪華等提出了一種用于計(jì)算軸對(duì)稱流場(chǎng)密度場(chǎng)分布的定量紋影方法，并將其用于深入分析PSJ的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，通過這種方法可以計(jì)算前驅(qū)激波后的最大密度增量、單次脈沖噴射質(zhì)量及沖量，進(jìn)而評(píng)估前驅(qū)激波和射流的強(qiáng)度。這種方法將時(shí)均射流紋影圖像與基態(tài)紋影圖像進(jìn)行對(duì)比，獲得時(shí)均圖像灰度差，進(jìn)而通過圖像灰度差、光線偏折角、流場(chǎng)折射率和流場(chǎng)密度之間的函數(shù)運(yùn)算，求解亞伯變換(Abel Inversion)問題得到密度場(chǎng)分 布。該方法避免了背景紋影(Background Oriented Schlieren，BOS)密度場(chǎng)定量測(cè)量技術(shù)存在的位移分析導(dǎo)致分辨率降低、所獲得位置矢量數(shù)量遠(yuǎn)低于圖像像素?cái)?shù)量的問題，能夠獲得具有更高的空間分辨率的PSJ密度場(chǎng)，典型測(cè)量結(jié)果如圖29所示，所采用PSJ激勵(lì)器的射流前緣最大速度約270 m/s，計(jì)算可得前驅(qū)激波后的最大密度增量約0.12 kg·m(實(shí)驗(yàn)環(huán)境密度約1.15 kg·m)，最大質(zhì)量流率約0.35 g/s，單脈沖噴射出的質(zhì)量約26%，沖量約5 μN(yùn)·s。

圖27 美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)紋影圖[70]Fig.27 PSJ schlieren images of Florida State University[70]

圖28 激勵(lì)器內(nèi)部流場(chǎng)紋影[140]Fig.28 Schlieren images of flowfield inside PSJ actuator[140]

圖29 放電后43 μs PSJ時(shí)均紋影圖像、時(shí)均圖像灰度差和密度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果[121]Fig.29 Averaged schlieren image, averaged grayscale difference image and calculated density contour of PSJ 43 μs after discharge[121]

圖30 美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果(放電后30、50、70、90 μs時(shí)刻)[71-72]Fig.30 PIV results of PSJ by University of Illinois at Urbana-Champaign (30, 50, 70 and 90 μs after discharge)[71-72]

2.3.2 PIV測(cè)量

紋影/陰影測(cè)量?jī)H能夠獲得PSJ鋒面的推移速度，PIV測(cè)量則可以獲得PSJ空間流場(chǎng)的速度分布。2005年，JHU-APL首先嘗試了PSJ的PIV測(cè)量，最初采用的是二氧化硅粒子(粒徑850 nm)，結(jié)果顯示粒子無法以足夠濃度在測(cè)試倉(cāng)內(nèi)懸浮，后來改用粒徑較大的煙顆粒(粒徑1～3 μm)，但發(fā)現(xiàn)大粒徑煙顆粒在高速射流的核心區(qū)域分布很少，導(dǎo)致射流核心區(qū)的速度無法準(zhǔn)確測(cè)量，且大粒徑粒子對(duì)高速射流的跟隨性較差，會(huì)導(dǎo)致速度測(cè)量誤差。2012年，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校研究團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)的納米粒子發(fā)生器(粒徑200～300 nm，Stocks數(shù)0.06～0.14)進(jìn)行了PIV測(cè)量，獲得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖30，其中表示出口直徑)，結(jié)果顯示PSJ核心區(qū)的最高速度接近500 m/s，但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由于放電過程產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，在放電電容較大的情況下容易導(dǎo)致PIV同步控制系統(tǒng)誤觸發(fā)造成無法測(cè)量。為了解決射流區(qū)域示蹤粒子濃度較低導(dǎo)致速度場(chǎng)計(jì)算困難的問題，代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了粒子播撒方式，在試驗(yàn)倉(cāng)和PSJ激勵(lì)器腔體內(nèi)同時(shí)播撒粒子(圖31)，粒子為絕緣礦物油粒子(平均粒徑1 μm)，激勵(lì)器腔體粒子播撒通過快響應(yīng)閥門控制，閥門在放電前1.2 s(0.6工作周期)和放電時(shí)閉合，以減小對(duì)射流的影響；此外為了獲得PSJ在空間中的速度分布，開展了立體PIV的測(cè)量，獲得了多個(gè)流向/展向截面的的速度場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)PSJ三維流場(chǎng)進(jìn)行了重構(gòu)。ONERA對(duì)PIV測(cè)量的誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析，將測(cè)量誤差歸結(jié)于4個(gè)方面，即高速氣流中粒子的跟隨性帶來的誤差、相平均過程誤差、激勵(lì)器嵌入壁面垂直位置估測(cè)誤差、片層激光平面位置估測(cè)誤差；借助耦合拉格朗日離散相求解器數(shù)值模擬深入分析了第1個(gè)誤差的影響，結(jié)果顯示即使是Stokes數(shù)很低的粒子，在高渦量區(qū)域，粒子濃度也會(huì)比其他地方低很多，隨著Stokes數(shù)增大，粒子濃度分?jǐn)?shù)進(jìn)一步下降。粒子濃度的差異導(dǎo)致PIV出現(xiàn)較大的計(jì)算誤差，在渦環(huán)核心附近，速度誤差十分顯著，達(dá)到25%～30%。ONERA分析認(rèn)為，對(duì)于PSJ這種瞬態(tài)高速旋渦流，今后在PIV實(shí)驗(yàn)時(shí)不能夠僅考慮一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)全局Stokes數(shù)，否則將無法確保較低的測(cè)量誤差。

圖31 放電腔體PIV粒子播撒實(shí)驗(yàn)裝置[79]Fig.31 PIV seeding system for PSJ actuator chamber[79]

2.3.3 壓力測(cè)量

PSJ實(shí)驗(yàn)研究中采用的壓力測(cè)量主要包括出口附近射流總壓測(cè)量、放電腔體非定常壓力測(cè)量以及受控流場(chǎng)的脈動(dòng)壓力測(cè)量。

ONERA開展了出口附近射流總壓測(cè)量，由于射流時(shí)間很短且參數(shù)變化快，需要采用頻率響應(yīng)較高的傳感器進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中采用了美國(guó)Kulite半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的XCQ-062小型高頻壓力傳感器，將傳感器正對(duì)激勵(lì)器出口放置，如圖32所示。測(cè)量結(jié)果顯示，相對(duì)于放電時(shí)間，射流的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)的多，大約持續(xù)1～2 ms，因此在數(shù)值模擬時(shí)可以將放電能量沉積過程近似為定容過程。基于測(cè)量所得射流總壓，利用2.1節(jié)理論分析式(1)即可粗略估算不同工況下的射流速度大小。

圖32 PSJ激勵(lì)器出口附近射流總壓測(cè)量[23]Fig.32 Total pressure measurement around PSJ actuator exit[23]

JHU-APL和國(guó)防科技大學(xué)開展了PSJ激勵(lì)器放電腔體非定常壓力測(cè)量。由于Kulite傳感器不便于進(jìn)行絕緣處理，在靠近電弧的地方有可能會(huì)損壞，并且耐溫性相對(duì)較差，不太適合測(cè)量放電腔體的壓力，因此采用了美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的尺寸略大一些的壓電式高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器。PCB傳感器響應(yīng)時(shí)間小于2 μs，可承受的熱沖擊溫度高達(dá)1 649 ℃，且抗電磁干擾能力強(qiáng)，其安裝方法如圖33所示，傳感器通過一個(gè)固定螺栓進(jìn)行安裝緊固，由于固定螺栓所需要的咬合力矩(～1.69 N·m)超過了激勵(lì)器腔體材料(六方氮化硼或樹脂)的強(qiáng)度，因此未在激勵(lì)器腔體材料上加工內(nèi)螺紋，而是在激勵(lì)器腔體下面連接了一個(gè)不銹鋼的傳感器座，通過傳感器座上的內(nèi)螺紋與傳感器固定螺栓外螺紋配合。傳感器與安裝座之間放置紫銅材料的環(huán)形密封圈進(jìn)行密封，安裝座與激勵(lì)器腔體之間采用硅橡膠進(jìn)行密封。為了避免激勵(lì)器的正極與接地的傳感器測(cè)壓頭之間發(fā)生放電，或者激勵(lì)器正負(fù)極的放電火花對(duì)傳感器測(cè)壓頭造成損害(如熱沖擊)，傳感器測(cè)壓頭與激勵(lì)器腔體之間放置了一個(gè)陶瓷絕緣墊片，絕緣墊片的底面與傳感器測(cè)壓頭通過硅膠粘接。JHU-APL評(píng)估了絕緣墊片對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，結(jié)果顯示絕緣墊片的加入造成的測(cè)量誤差在3.4%以內(nèi)。

圖33 PSJ激勵(lì)器腔體壓力測(cè)量[108]Fig.33 Pressure measurement of PSJ actuator chamber[108]

UTA開展了超聲速壓縮拐角激波/邊界層干擾區(qū)域受控流場(chǎng)的脈動(dòng)壓力測(cè)量，在壓縮拐角壁面壓力的測(cè)量中，Kulite傳感器尺寸較小因而更容易放置。UTA研究中發(fā)現(xiàn)，直接采用Kulite傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)會(huì)存在十分強(qiáng)烈的電磁干擾，分析認(rèn)為這是由于等離子體合成射流在向下游運(yùn)動(dòng)到傳感器位置時(shí)，射流中仍然存在帶電粒子，帶電粒子與與傳感器有一定的接觸從而影響了傳感器的正常工作，對(duì)于時(shí)間分辨率較高的脈動(dòng)壓力傳感器，這種作用甚至可能直接使得傳感器損毀。為此，UTA專門針對(duì)PSJ激勵(lì)器開發(fā)了一種抗電磁干擾的脈動(dòng)壓力測(cè)量方法，即“脈沖接地”方法，如圖34所示，通過使用一個(gè)脈沖接地電極，在帶電粒子到達(dá)壓力傳感器之前，將它們從射流中導(dǎo)出。實(shí)驗(yàn)中的壓力傳感器位于分離點(diǎn)平均位置附近，脈沖接地電極位于傳感器上游4.5 mm處，PSJ出口位于傳感器上游27 mm處。UTA分析了射流從形成到完全經(jīng)過脈沖接地電極的時(shí)間，確定脈沖接地電極的導(dǎo)通時(shí)間為放電開始30～130 μs。從圖34中脈沖接地電極處的“輝光”可以看出，該電極的確可以導(dǎo)出射流中的帶電粒子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在脈沖接地電極的作用下，電磁干擾得到了很好地抑制，傳感器不再被損壞，但測(cè)量結(jié)果依然存在一定的電磁干擾，需最終通過數(shù)據(jù)后處理得到較為理想的結(jié)果。

圖34 抗電磁干擾脈沖接地測(cè)壓方法[48]Fig.34 Pressure measurement using pulsed-ground electrode to reduce electromagnetic interference[48]

2.3.4 放電光譜測(cè)量

光譜分析是獲得等離子體電子密度、電子及重粒子溫度等信息的常用方法。ONERA采用光譜儀與ICCD相機(jī)對(duì)PSJ激勵(lì)器放電光譜進(jìn)行了測(cè)量，獲得了N、Cu、Fe等原子譜線，通過多譜線斜率法(Boltzmann圖線法)獲得了原子的激發(fā)溫度，在局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)下該溫度近似等于電子溫度，結(jié)果顯示PSJ激勵(lì)器電子溫度可達(dá)15 000 K，電子密度約10m。ICCD相機(jī)獲得的放電等離子體圖像如圖9(a)所示，放電電弧呈圓柱形，通過分析發(fā)光強(qiáng)度判斷電弧的直徑約為1 mm。賈敏等基于光譜診斷技術(shù)研究了納秒脈沖PSJ的溫度特性，結(jié)果顯示射流宏觀溫度約為800 K。UTA通過光譜分析獲得了N的振轉(zhuǎn)光譜，分析得到PSJ激勵(lì)器放電時(shí)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度約800 K，振動(dòng)溫度約3 100 K，不確定度約10%～15%，其中轉(zhuǎn)動(dòng)溫度基本等于氣體分子的平動(dòng)溫度，也即通常所說的宏觀熱力學(xué)溫度，轉(zhuǎn)動(dòng)溫度的分析方法是假設(shè)若干轉(zhuǎn)動(dòng)溫度值后基于偶極輻射的躍遷幾率和光譜儀響應(yīng)函數(shù)求得對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)動(dòng)溫度的譜帶形狀，通過與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的N譜帶對(duì)比確定最接近的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度值，振動(dòng)溫度的分析方法是假設(shè)若干振動(dòng)溫度值后觀察光譜帶頭或帶邊(即光譜譜帶中強(qiáng)度突變的銳邊一側(cè))的變化，通過與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的N譜帶對(duì)比確定最接近的振動(dòng)溫度值。

2.3.5 沖量測(cè)量

為了評(píng)估PSJ用于飛行器姿態(tài)控制的可行性，JHU-APL在2006年首先開展了激勵(lì)器的沖量測(cè)量，為此專門研制了基于邁克爾遜干涉儀的微推力測(cè)試平臺(tái)，平臺(tái)尺寸為30 mm×30 mm，采用4個(gè)硬懸臂梁懸掛，通過邁克爾遜干涉儀測(cè)量位移響應(yīng)，通過定制的微小搖動(dòng)臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)，在測(cè)試平臺(tái)上加載已知質(zhì)量，測(cè)定共振頻率的改變，得到系統(tǒng)的有效剛度常數(shù)和無載時(shí)的原質(zhì)量，利用該平臺(tái)測(cè)得PSJ激勵(lì)器在注入能量為30～90 mJ時(shí)的沖量為1～3 μN(yùn)·s。

張宇等采用自主研制的單絲扭擺微沖量測(cè)量系統(tǒng)開展了激勵(lì)器的沖量測(cè)量，該系統(tǒng)由扭擺架、夾具、扭絲、扭擺桿、配重螺桿、激光器、平面鏡、標(biāo)尺和高速相機(jī)等組成，如圖35所示。激勵(lì)器外壁面粘接于扭擺桿圓弧凹面，扭擺桿中部蓋板用于固定扭擺桿與扭絲的位置，扭絲兩端由夾具固定連接于扭擺架。扭絲材料選用直徑為0.2 mm的高強(qiáng)度、高彈性65 Mn彈簧鋼，組裝過程中可以通過拉伸扭絲來改變扭絲的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)，從而控制單絲扭擺的抗干擾性及其測(cè)量精度，扭絲拉伸越大，其扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)越大，單絲扭擺系統(tǒng)受其他振動(dòng)的影響越小，系統(tǒng)抗干擾性越強(qiáng)，但測(cè)量精度越低，故系統(tǒng)測(cè)量精度與抗干擾性存在矛盾，需依據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。配重螺桿用于調(diào)節(jié)扭擺平衡，可依據(jù)激勵(lì)器的質(zhì)量旋進(jìn)或旋出。平面鏡貼于扭擺桿正中部，激光器出光孔、平面鏡、標(biāo)尺在同一平面上，保證激光器發(fā)射光線與平面鏡反射光線在同一平面內(nèi)。PSJ激勵(lì)器工作時(shí)產(chǎn)生噴流反作用力直接作用于扭擺桿一端，致使扭擺桿繞扭絲發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)貼于扭擺

圖35 單絲扭擺微沖量測(cè)量系統(tǒng)示意圖[110]Fig.35 Schematic of single line torsion pendulum[110]

桿中部的平面鏡隨之偏轉(zhuǎn)，激光器發(fā)射光線經(jīng)平面鏡反射后在標(biāo)尺上的光斑產(chǎn)生位移，該位移變化由高速相機(jī)記錄。扭絲最大扭轉(zhuǎn)角度與扭擺桿所受沖量大小成正比，因此光斑最大位移與PSJ沖量具有如下關(guān)系：

(17)

式中：為平面鏡光線反射點(diǎn)與標(biāo)尺的距離；為通過力錘施加標(biāo)準(zhǔn)沖量時(shí)產(chǎn)生的光斑最大位移；實(shí)驗(yàn)顯示兩電極PSJ激勵(lì)器沖量>70 μN(yùn)·s，三電極激勵(lì)器沖量接近500 μN(yùn)·s。

2.3.6 其他測(cè)量手段

PSJ激勵(lì)器研究中使用的其他測(cè)量手段還包括用于放電電壓/電流、電路參數(shù)的測(cè)量，用于高超聲速流場(chǎng)顯示的平面激光散射(Planar Laser Scattering，PLS)，以及用于激勵(lì)器壁面和射流溫度測(cè)量的紅外熱像儀、數(shù)字散斑成像(Digital Speckle Tomography，DST)技術(shù)等。激勵(lì)器的放電電壓/電流通常采用高壓探頭和電流互感線圈測(cè)量，并通過示波器進(jìn)行信號(hào)采集，由于放電的時(shí)間尺度為微秒量級(jí)，測(cè)量時(shí)必須采用100 MHz量級(jí)以上的采樣頻率才能捕捉完整的單周期電壓和電流波形。網(wǎng)絡(luò)分析儀和LCR測(cè)試儀是常用的電路參數(shù)測(cè)量方式，ONERA采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了放電電路的阻抗、電感等參數(shù)，為等效電路模擬提供了輔助，筆者團(tuán)隊(duì)采用LCR測(cè)試儀獲得了放電電路的電容、電阻等參數(shù)用于計(jì)算激勵(lì)器的能量轉(zhuǎn)換效率。為了獲得PSJ在高超聲速氣流中的精細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，筆者團(tuán)隊(duì)在風(fēng)洞試驗(yàn)中采用了PLS流場(chǎng)顯示技術(shù)，在風(fēng)洞穩(wěn)定段前添加CO作為示蹤粒子，CO在噴管擴(kuò)張段靜溫大幅下降成為固體粒子組成的CO微粒霧，CO微粒霧會(huì)在流場(chǎng)溫升環(huán)境(如激波波后和邊界層內(nèi))中發(fā)生蒸發(fā)，通過照射激光并拍攝微粒霧上散射的激光可以獲得高精度、高對(duì)比度的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)顯示。Haack和Ko等采用DST技術(shù)研究了射流溫度特性，結(jié)果顯示放電結(jié)束后75 μs、激勵(lì)器出口下游1.85 mm處的射流溫度高達(dá)1 600 K。ONERA采用紅外熱像儀測(cè)量了激勵(lì)器腔體溫度，分析了腔體壁面的傳熱特性，為選擇合適腔體材料提供了指導(dǎo)。

3 能量效率特性

作為一種主動(dòng)流動(dòng)控制激勵(lì)器，PSJ激勵(lì)器需要引入額外輔助能量對(duì)流場(chǎng)施加擾動(dòng)，在達(dá)到控制效果的前提下如何盡可能減小能量消耗是激勵(lì)器需要解決的關(guān)鍵問題；并且PSJ激勵(lì)器的應(yīng)用對(duì)象主要為各類飛行器，由于載荷和空間的限制，飛行器所能攜帶的能源十分有限，因此激勵(lì)器的能量效率問題更加突出。

為便于分析，根據(jù)PSJ激勵(lì)器的能量傳遞過程，可以將其總能量效率分解為3個(gè)部分，即放電效率，加熱效率和噴射效率，如圖36所示。激勵(lì)器開啟后，高壓電源為放電電容充電，直至電容兩端電壓達(dá)到激勵(lì)器正負(fù)電極之間氣體間隙的擊穿電壓，此時(shí)放電電容中所儲(chǔ)存的能量達(dá)到最大值，這一部分能量稱之為電容能量，是單次放電過程中激勵(lì)器消耗的總能量，其計(jì)算公式為

(18)

式中：為放電電容；為擊穿電壓?？諝鈸舸┲?，激勵(lì)器腔體內(nèi)正負(fù)電極之間產(chǎn)生放電電弧，電弧所具有的能量稱之為電弧能量，其計(jì)算公式為

(19)

其中：為放電持續(xù)時(shí)間；表示電弧兩端電壓；表示經(jīng)過電弧的電流。電容能量到電弧能量之間的轉(zhuǎn)化效率稱之為放電效率。放電電弧的出現(xiàn)使得激勵(lì)器腔體內(nèi)產(chǎn)生大量由電子及正負(fù)離子組成的等離子體，正負(fù)帶電粒子在電場(chǎng)的作用下被加速并發(fā)生相互碰撞，將一部分電能迅速轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，在宏觀上表現(xiàn)為氣體溫度升高(焦耳加熱效應(yīng))、壓力增大，這一部分對(duì)于實(shí)現(xiàn)氣體膨脹和射流產(chǎn)生有用的能量稱之為氣體內(nèi)能增量，其計(jì)算公式為

圖36 PSJ激勵(lì)器能量傳遞過程及能量效率定義[108]Fig.36 Energy transfer process and energy efficiency definition of PSJ actuator[108]

(20)

電弧能量到氣體內(nèi)能增量的轉(zhuǎn)化效率稱之為加熱效率。腔體內(nèi)氣體受熱膨脹后從出口噴出，產(chǎn)生高溫高速射流，射流所攜帶的熱能及射流的動(dòng)能之和稱之為射流能量，其計(jì)算公式為

=+

(21)

(22)

(23)

式中：表示噴流開始時(shí)間；表示噴流結(jié)束時(shí)間。由氣體內(nèi)能增量到射流能量的轉(zhuǎn)化效率稱之為噴射效率。需要注意的是，盡管等離子體合成射流激勵(lì)器的工作特征與熱機(jī)類似，而熱機(jī)的效率計(jì)算應(yīng)該僅考慮機(jī)械能部分，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率指的是尾流的機(jī)械能與燃燒所釋放熱能的比值。但是，由于等離子體合成射流的熱能在主動(dòng)流動(dòng)控制中發(fā)揮了不可忽視的作用，如引起局部溫升進(jìn)而導(dǎo)致流動(dòng)阻塞、聲速線上移等，本文在計(jì)算射流效率時(shí)將射流熱能的貢獻(xiàn)考慮在內(nèi)。

為了獲得PSJ激勵(lì)器能量效率變化規(guī)律、實(shí)現(xiàn)激勵(lì)器能量效率優(yōu)化提升，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開展了激勵(lì)器能量效率特性的研究。JHU-APL最早開展了PSJ激勵(lì)器能量效率的研究，通過測(cè)量激勵(lì)器腔體壓力估算的放電效率與加熱效率之積約為10%～35%。UTA詳細(xì)分析了輸入電能轉(zhuǎn)化為氣體熱能的途徑，如圖37所示：氣體放電過程中電弧沉積的電能大部分用于電子焦耳加熱，使得電子溫度升高至，電子與中性粒子碰撞可以使其溫度升高至振動(dòng)激發(fā)溫度；另有一部分用于重離子焦耳加熱，使得離子溫度達(dá)到；由于等離子體的非平衡性，電子溫度遠(yuǎn)大于宏觀氣體溫度，而重離子溫度則約等于氣體實(shí)際溫度；重離子進(jìn)而通過與中心粒子碰撞傳遞能量，高溫電子通過彈性或非彈性碰撞(振動(dòng)激發(fā)等)傳遞能量。UTA分析指出，由于振動(dòng)-平動(dòng)弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，因此分子振動(dòng)能無法轉(zhuǎn)化為PSJ激勵(lì)器可以有效利用的氣體內(nèi)能，在風(fēng)洞試驗(yàn)較低靜壓(約4.7 kPa)情況下，分子振動(dòng)能占比較高，電弧能量中僅有約10%用于激勵(lì)器腔體氣體的加熱，此時(shí)理論計(jì)算得到僅有約0.06%的總能量轉(zhuǎn)化為氣體動(dòng)能。宗豪華等對(duì)于一種新型序列放電(觸發(fā)放電+脈沖直流放電)電源驅(qū)動(dòng)的PSJ激勵(lì)器的能量效率進(jìn)行了全面分析。研究結(jié)果表明該種放電形式激勵(lì)器的總能量效率小于0.1%；其中放電效率與電弧兩端電壓呈正比；加熱效率(約為10%～60%)與放電電流、放電時(shí)間、腔體長(zhǎng)度呈反比；噴射效率(文中定義為理想熱力循環(huán)效率)是制約總能量效率的主要一點(diǎn)，一般低于30%。需要說明的是該研究中總能量效率的計(jì)算未將射流熱能考慮在內(nèi)，因此其計(jì)算結(jié)果偏低。文中指出能量效率較低是PSJ激勵(lì)器面臨的瓶頸問題之一，在放電特性上提高能量沉積速率、在激勵(lì)器結(jié)構(gòu)上加大電極間距和減小腔體體積是未來優(yōu)化激勵(lì)器能量效率的主要思路。

圖37 輸入電能到氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程[25]Fig.37 Transfer process from electric energy to gas internal energy[25]

ONERA通過仿真研究了加熱效率與氣體噴射效率，通過引入虛擬電阻模擬等離子體鞘層，研究了鞘層能量損失(Sheath Energy Loss)對(duì)效率的重要影響，仿真結(jié)果顯示鞘層能量損失約占電容儲(chǔ)存能量的60%，而輻射損失只有2%；數(shù)值仿真計(jì)算的氣體噴射效率約40%，氣體內(nèi)能增量39%轉(zhuǎn)化為射流熱能，只有約1%轉(zhuǎn)化為射流動(dòng)能，60%仍然保留在激勵(lì)器腔內(nèi)?；隈詈洗帕黧w力學(xué)控制方程和RLC(Resistor-Inductor-Capacitor)電路方程的計(jì)算方法，張志波等對(duì)容性放電PSJ激勵(lì)器的能量效率進(jìn)行了分析，特別是對(duì)等離子體鞘層、放電電弧區(qū)域的電壓降隨時(shí)間的變化過程，以及加熱過程中等離子體鞘層能量損失的重要性開展了深入研究，其研究結(jié)果進(jìn)一步印證了ONERA的結(jié)論，即在電弧能量到氣體內(nèi)能增量的轉(zhuǎn)化過程中，等離子體鞘層能量損失是能量損耗的主要組成部分。對(duì)于毫秒尺度的容性放電，等離子體鞘層能量損失占據(jù)了電弧能量的40%～60%，而輻射能量損失僅占據(jù)了不到5%，為了降低鞘層能量損失需要壓縮放電時(shí)間、提高能量沉積速率，這也與文獻(xiàn)[123]中的結(jié)論相一致。

Shin分析了腔體體積對(duì)加熱效率的影響，指出由于放電直接加熱體積有限，當(dāng)腔體體積較大時(shí)加熱形成腔內(nèi)激波，激波會(huì)不斷反射造成加熱效率降低。通過對(duì)比數(shù)值仿真與紋影實(shí)驗(yàn)得到的射流速度，王林等得到放電效率與加熱效率之積約為5%，激勵(lì)器總輸入能量(即電容能量)到射流動(dòng)能的轉(zhuǎn)化效率約為1.6%。Golbabaei-Asl等設(shè)計(jì)單擺裝置進(jìn)行了激勵(lì)器能量效率計(jì)算，通過比較實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算的單擺角度計(jì)算了激勵(lì)器的電能向腔內(nèi)氣體內(nèi)能的轉(zhuǎn)化效率，結(jié)果表明轉(zhuǎn)化效率低于10%，而且效率隨著激勵(lì)器電容的增大而降低。

借鑒多個(gè)單位的研究成果，周巖等結(jié)合理論分析與多種實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段對(duì)PSJ激勵(lì)器的能量效率開展了系統(tǒng)研究，得到了PSJ激勵(lì)器的完整能量傳遞過程，結(jié)果顯示典型工況下PSJ激勵(lì)器的總能量利用效率約為11.3%，其中放電、加熱及噴射各過程的轉(zhuǎn)化效率分別為40%、64%和44.2%。在PSJ的能量構(gòu)成中，射流熱能占據(jù)主體，占比>90%，射流動(dòng)能對(duì)總能量效率的貢獻(xiàn)僅為1.04%。對(duì)激勵(lì)器能量損失的分析顯示，由于放電過程處于能量傳遞路徑的上游，因此放電過程中由附加電阻帶來的損失較為顯著，占總輸入能量的60%。加熱過程中能量損失的主要來源為電極和腔體壁面的對(duì)流換熱損失，以及分子振動(dòng)激發(fā)帶來的損失，在放電參數(shù)一定的條件下，增大腔體體積可以一定程度上提高加熱效率。噴射過程中能量損失的主要來源為對(duì)流換熱損失及腔體內(nèi)剩余未噴出氣體帶來的損失，隨著出口直徑的增大，主射流噴射時(shí)間縮短，對(duì)流換熱損失減少，且腔體內(nèi)剩余氣體較少，因此噴射效率遞增，隨著輸入氣體內(nèi)能增量的加大，盡管主射流噴射時(shí)間及對(duì)流換熱損失略有增加，但噴射出的氣體質(zhì)量大幅提高，因此噴射效率同樣隨之提高。此外正負(fù)電極間距(影響擊穿電壓)和放電電容容量是決定放電能量大小的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)于激勵(lì)器電極間距與電容容量參數(shù)匹配優(yōu)化研究顯示，在放電能量一定的條件下，相比“小電極間距+大電容容量”的方式，“大電極間距+小電容容量”的參數(shù)匹配對(duì)于提高放電效率和加熱效率均有幫助。

4 靜態(tài)流場(chǎng)工作特性

在無來流的靜態(tài)流場(chǎng)中獲得PSJ激勵(lì)器工作特性的變化規(guī)律，進(jìn)而對(duì)激勵(lì)器的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是開展激勵(lì)器流動(dòng)控制應(yīng)用前的必要工作。大體而言，影響PSJ激勵(lì)器靜態(tài)流場(chǎng)工作特性的影響因素可以歸為結(jié)構(gòu)參數(shù)、放電參數(shù)和環(huán)境參數(shù)3類，其中包含的具體影響因素如表1所示，本節(jié)將對(duì)這些因素的影響規(guī)律研究進(jìn)行歸納與總結(jié)。

表1 PSJ激勵(lì)器靜態(tài)流場(chǎng)工作特性影響因素

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響規(guī)律

PSJ激勵(lì)器結(jié)構(gòu)主要由射流出口、腔體、電極3個(gè)部件組成，這些部件參數(shù)的改變會(huì)對(duì)激勵(lì)器性能產(chǎn)生不同程度影響。

在激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，出口直徑是其中影響最顯著的因素之一。早在2005年，JHU-APL就開展了射流出口直徑影響的數(shù)值仿真，結(jié)果顯示射流出口直徑范圍在0.13～0.66 mm時(shí)，射流最大速度隨出口直徑增加而增大，分析認(rèn)為原因是射流出口過小，黏性力影響較大，所以當(dāng)射流出口直徑增加時(shí)最大速度增大。宗豪華等對(duì)單個(gè)激勵(lì)器不同射流出口直徑的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了類似的結(jié)果，即隨著射流出口直徑的增大，射流鋒面移動(dòng)速度提高。筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)串聯(lián)激勵(lì)器陣列不同射流出口直徑的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示這一關(guān)系僅在射流出口直徑較小時(shí)成立，當(dāng)出口直徑超過臨界值后，射流鋒面移動(dòng)速度會(huì)出現(xiàn)下降。這是由于當(dāng)射流出口直徑較小時(shí)，出口喉道邊界層的“阻塞作用”占據(jù)主導(dǎo)，導(dǎo)致射流質(zhì)量流率較小，增大出口直徑后，射流質(zhì)量流率大幅增加，射流速度相應(yīng)提高。然而當(dāng)射流出口直徑增大超過臨界值后，射流質(zhì)量流率達(dá)到飽和，進(jìn)一步增加出口直徑使得出口截面積增加，在射流質(zhì)量流率基本不變的情況下，射流速度會(huì)因而減小。因此，為了獲得最大的射流速度，射流出口直徑存在一個(gè)最優(yōu)值，最優(yōu)值主要由輸入能量大小和放電腔體體積決定。王林分析了射流出口直徑對(duì)“前驅(qū)激波”的影響，研究表明噴射前期階段“前驅(qū)激波”的速度特性幾乎不受激勵(lì)器出口直徑的影響，但大的出口直徑可以產(chǎn)生衰減較慢的“前驅(qū)激波”和衰減較快的射流，“前驅(qū)激波”會(huì)在放電開始后50 μs左右衰減為以當(dāng)?shù)芈曀賯鞑サ膲嚎s波。放電開始50 μs內(nèi)，不同激勵(lì)器出口直徑的“前驅(qū)激波”具有相同的運(yùn)動(dòng)距離；而放電開始50 μs之后，大的射流出口直徑使得“前驅(qū)激波”具有更大的運(yùn)動(dòng)距離，可知大的激勵(lì)器出口直徑產(chǎn)生的“前驅(qū)激波”耗散更慢、平均運(yùn)動(dòng)速度更快。宗豪華等基于非定常零唯解析模型認(rèn)為PSJ激勵(lì)器的理論極限工作頻率隨孔口直徑線性增加，隨著出口直徑的增加，高質(zhì)量流率導(dǎo)致噴流持續(xù)時(shí)間縮短。此外，射流出口形狀、長(zhǎng)度等也會(huì)對(duì)激勵(lì)器產(chǎn)生影響。ONERA數(shù)值模擬結(jié)果表明收縮-擴(kuò)張的噴口對(duì)于高超聲速流動(dòng)控制具有更佳的控制效果。宗豪華等理論計(jì)算表明出口長(zhǎng)度的變化不影響單次噴射模式下的峰值射流速度和射流持續(xù)時(shí)間，然而更長(zhǎng)的出口長(zhǎng)度導(dǎo)致激勵(lì)器腔體的亥姆霍茲頻率降低，使得激勵(lì)器高頻工作時(shí)的射流強(qiáng)度快速惡化。

腔體體積大小是影響激勵(lì)器性能的另一個(gè)顯著因素。2003年JHU-APL開展了腔體體積影響的數(shù)值仿真，模擬腔體體積范圍28～52 mm，結(jié)果顯示隨著腔體體積增大，射流持續(xù)時(shí)間先增加后減小，射流速度及沖量均減小。宗豪華與Kotsonis研究表明，激勵(lì)器腔體體積越大，射流速度越慢。在相同容積下，腔體直徑與高度的比值(徑高比)對(duì)激勵(lì)器性能也會(huì)發(fā)揮作用，王林等數(shù)值仿真結(jié)果顯示隨著徑高比的減小，射流最大速度增加，飽合頻率降低。更多的研究顯示，腔體體積的影響與放電能量存在一個(gè)耦合作用，放電能量與腔內(nèi)氣體內(nèi)能(取決于腔體體積與氣體密度)之比所定義的無量綱參數(shù)是決定激勵(lì)器性能更本質(zhì)的因素，當(dāng)較大時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著腔體體積增加，射流最大速度都只能達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀?，射流持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)較小時(shí)，隨著腔體體積增加，射流速度降低，因此腔體體積必須與放電能量匹配，否則射流強(qiáng)度會(huì)降低，3.2節(jié)中將對(duì)無量綱參數(shù)的影響進(jìn)一步深入分析。此外，ONERA和法國(guó)圖盧茲大學(xué)還研究了腔體材料對(duì)激勵(lì)器性能的影響，指出當(dāng)激勵(lì)器工作頻率高于750 Hz后，不同材料的差異將開始顯現(xiàn)，熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料有利于激勵(lì)器散熱，能夠改善激勵(lì)器的重頻性能。

PSJ激勵(lì)器能量輸入位置與區(qū)域大小由放電電極直接決定。多個(gè)機(jī)構(gòu)開展的研究表明，隨著電極間距的增加，電弧加熱區(qū)域擴(kuò)大，PSJ激勵(lì)器整體效率提高，導(dǎo)致更高的峰值噴射速度和更長(zhǎng)的噴射持續(xù)時(shí)間。文獻(xiàn)[115]將電弧加熱體積與腔體體積之比定義為無量綱加熱體積，無量綱加熱體積量化了電弧加熱的均勻性。當(dāng)無量綱加熱體積保持不變時(shí)，不同腔體體積的激勵(lì)器會(huì)具有相似的噴流軌跡；隨著無量綱加熱體積的增加，電弧加熱均勻性提高，激勵(lì)器效率增加。ONERA研究了激勵(lì)器電極位置的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電極靠近激勵(lì)器出口時(shí)形成的射流速度更大。JHU-APL還對(duì)不同電極尖端構(gòu)型(尖點(diǎn)、半球形、圓柱形、球形、截?cái)鄨A錐)、不同電極材料(純鎢、多種鎢合金)進(jìn)行了電極壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，電極尖端構(gòu)型對(duì)激勵(lì)器壽命影響顯著，半球形電極雖然減弱尖端效應(yīng)，增加了擊穿電壓，但不容易燒蝕，穩(wěn)定性最好，使用壽命較長(zhǎng)，而電極材料對(duì)激勵(lì)器壽命的影響不大。同時(shí)對(duì)不同激勵(lì)器電極長(zhǎng)徑比的試驗(yàn)結(jié)果表明，增大電極長(zhǎng)徑比能夠提高激勵(lì)器點(diǎn)火的最大截止頻率。

4.2 放電參數(shù)影響規(guī)律

影響PSJ激勵(lì)器性能的主要放電參數(shù)是放電能量、放電頻率、放電時(shí)間和電壓上升沿。早在PSJ激勵(lì)器提出的時(shí)候，JHU-APL就開始了對(duì)放電能量影響的研究，理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值仿真結(jié)果都表明隨著放電能量的增加，射流速度與噴射射流質(zhì)量都將增大，這是由于放電能量增大后，放電對(duì)激勵(lì)器腔內(nèi)氣體的加熱增強(qiáng)，氣體溫升與壓升增大。為了更好地表征放電能量對(duì)氣體溫升和激勵(lì)器工作特性的影響，JHU-APL提出了放電能量與腔內(nèi)氣體內(nèi)能E之比所定義的無量綱參數(shù)，研究表明在一定范圍內(nèi)激勵(lì)器腔內(nèi)可達(dá)到的峰值壓力比基本與無量綱參數(shù)呈正比。Reedy和王林等開展的紋影和PIV數(shù)據(jù)初步顯示了峰值射流速度與的非線性關(guān)系：隨著無量綱參數(shù)增大，峰值射流速度單調(diào)增加，但增幅逐漸放緩。宗豪華與Kotsonis通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)假設(shè)噴射效率恒定且出口速度變化自相似時(shí)，峰值射流速度與的非線性關(guān)系可表示為∝()13，這意味著峰值射流速度加倍將需要能量沉積增加八倍；進(jìn)一步的結(jié)果表明排出的氣體質(zhì)量、射流沖量和射流機(jī)械能將隨著無量綱參數(shù)單調(diào)增加。宗豪華等進(jìn)一步研究了無量綱參數(shù)對(duì)射流形態(tài)的影響，實(shí)驗(yàn)的在0.044～22.1之間，紋影實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同的條件下存在3種流場(chǎng)發(fā)展形態(tài)：① 在較小時(shí)(小于0.35)，激勵(lì)器只能產(chǎn)生較明顯的激波結(jié)構(gòu)；② 在中等水平時(shí)(0.35～1.1)，激勵(lì)器產(chǎn)生激波與弱射流結(jié)構(gòu)，而在射流演化過程中，射流前緣會(huì)從射流主體中分離，形成渦對(duì)；③ 在較大時(shí)(大于1.1)，激勵(lì)器產(chǎn)生激波與強(qiáng)射流結(jié)構(gòu)，射流前緣在整個(gè)演化過程中不會(huì)與射流主體分離。

激勵(lì)器的放電頻率影響腔體吸氣復(fù)原、腔體壁面散熱的時(shí)間，進(jìn)而對(duì)激勵(lì)器性能產(chǎn)生影響。當(dāng)放電頻率增大時(shí)，由于熱量累積，激勵(lì)器腔體內(nèi)氣體的平均溫度增加，平均密度減小。如果激勵(lì)器的放電電壓不由電路進(jìn)行控制，而由激勵(lì)器的擊穿電壓控制，則平均密度的減小將會(huì)導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?，進(jìn)而使得放電電流、放電能量降低，射流速度下降。例如ONERA研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，峰值出口速度在<1 kHz時(shí)略有變化，在>1 kHz之后顯著下降。

眾多研究表明，PSJ激勵(lì)器存在“飽和工作頻率”，超過該頻率，脈沖射流的強(qiáng)度會(huì)顯著惡化，甚至將無法正常工作。例如Narayanaswamy等設(shè)計(jì)的激勵(lì)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)放電頻率在10 kHz以上時(shí)，激勵(lì)器出現(xiàn)嚴(yán)重的“啞火”現(xiàn)象，宗豪華在測(cè)量PSJ平均射流總壓(相當(dāng)于推力)時(shí)發(fā)現(xiàn)，超過一定頻率時(shí)，總壓將出現(xiàn)飽和，不再隨激勵(lì)器工作頻率增加。這是由氣體噴射與吸氣交替的衰減振蕩過程決定的。在激勵(lì)器氣體噴射階段，腔體壓力下降，噴射速度降低，然而由于氣體的慣性，噴射階段不會(huì)在腔體壓力等于外界壓力的時(shí)刻終止，腔體內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，隨后由于負(fù)壓的存在激勵(lì)器將進(jìn)入吸氣復(fù)原階段。噴射階段和吸氣復(fù)原階段將交替進(jìn)行，直到所有的擾動(dòng)能量被黏性力耗散掉。從理論上講，激勵(lì)器正常工作至少需要在噴射階段和吸氣復(fù)原階段之間交替一次，按照一次噴射和一次吸氣復(fù)原計(jì)算的激勵(lì)器工作頻率就是其理論極限工作頻率，也被定義為激勵(lì)器的“飽和工作頻率”。王林等在PSJ激勵(lì)器數(shù)值模擬研究中首次提出了“飽和工作頻率”的概念。宗豪華與Kotsonis進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，激勵(lì)器腔體類似于一個(gè)赫姆霍茲共振腔，激勵(lì)器的“飽和工作頻率”接近此腔體的赫姆霍茲固有頻率，其計(jì)算式為

(24)

式中：和表示環(huán)境密度和環(huán)境壓強(qiáng)；表示腔體體積；表示喉部長(zhǎng)度；表示出口截面積。隨后的PIV測(cè)試結(jié)果證明，在一個(gè)工作周期內(nèi)噴射與吸氣復(fù)原多次交替的過程中，PSJ出口速度的振蕩頻率接近腔體的赫姆霍茲共振頻率。

放電的持續(xù)時(shí)間、電壓的上升沿等對(duì)激勵(lì)器工作特性亦有重要影響。ONERA采用2.1節(jié)所述CPS和IPS兩種類型電源對(duì)放電持續(xù)時(shí)間的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示相比CPS電源(放電持續(xù)時(shí)間一般小于10 μs)，IPS電源(放電持續(xù)時(shí)間在百μs量級(jí))產(chǎn)生的PSJ具有較低的峰值噴射速度，但是噴射持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。宗豪華研究表明對(duì)于固定放電能量的脈沖DC放電，加熱效率和噴射效率隨著放電持續(xù)時(shí)間的增加而降低。朱益飛等基于2.2.3節(jié)所述等離子體動(dòng)力學(xué)模擬的研究表明，放電的上升沿較短時(shí)，可以在更短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此縮短了電離端面的傳播時(shí)間，產(chǎn)生了更強(qiáng)的電離。當(dāng)電壓信號(hào)幅值和脈寬相同時(shí)，更短的上升時(shí)間可以使得退激反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，放電時(shí)更多的激發(fā)態(tài)粒子和正負(fù)離子會(huì)產(chǎn)生和耗散，因此輸入能量可以提升77%，代價(jià)是能量效率降低2.4%。由于輸入能量提升，射流速度、出口處壓力和溫度均隨上升沿縮短而提高。

4.3 環(huán)境參數(shù)影響規(guī)律

包括環(huán)境壓力、溫度、濕度(水蒸氣含量)等在內(nèi)的環(huán)境參數(shù)對(duì)激勵(lì)器工作特性具有不同程度影響，特別是對(duì)于高空巡航飛行器中使用的激勵(lì)器，環(huán)境應(yīng)力的影響至關(guān)重要。對(duì)于文獻(xiàn)[95]中的電源系統(tǒng)，環(huán)境壓力決定了電極間隙的擊穿電壓，進(jìn)而決定了放電能量，峰值射流速度隨環(huán)境壓力略有變化。例如王林等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氣壓的降低，激勵(lì)器工作擊穿電壓及放電峰值電流減小。對(duì)于三電極激勵(lì)器，在某一環(huán)境壓強(qiáng)下，激勵(lì)器工作過程中存在一個(gè)有效擊穿電壓范圍，如果電源電壓超過其最大擊穿電壓或小于其最小擊穿電壓，激勵(lì)器無法安全可靠工作。從1～0.1 atm，擊穿電壓及峰值電流均減小約63%，放電電容及火花電弧沉積能量同步減小，但電容向火花電弧的能量傳遞效率基本維持不變，三電極激勵(lì)器約為85%左右；隨著激勵(lì)器工作環(huán)境壓強(qiáng)的降低，腔體內(nèi)氣體密度減小，射流流場(chǎng)中“前驅(qū)激波”密度梯度降低，但速度基本不變；三電極激勵(lì)器產(chǎn)生的射流及“前驅(qū)激波”速度峰值不隨工作環(huán)境氣體壓強(qiáng)的變化而發(fā)生明顯的改變，但激波強(qiáng)度(圖像灰度比所得)卻在=0.6×10Pa時(shí)達(dá)到最大。對(duì)于文獻(xiàn)[39, 69]中的電源系統(tǒng)，電極間隙的擊穿電壓由電源控制，不受環(huán)境壓力的影響，此時(shí)在不同的環(huán)境壓強(qiáng)下放電能量是固定的，因此隨著環(huán)境壓力/密度的降低，激勵(lì)器的無量綱能量沉積增加，峰值射流速度和峰值噴嘴壓力比(相當(dāng)于峰值射流馬赫數(shù))呈上升趨勢(shì)。李洋等也開展了環(huán)境壓力(變化范圍7～100 kPa)對(duì)PSJ激勵(lì)器性能影響的研究，對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在較高氣壓條件下，一個(gè)旋渦對(duì)將與前驅(qū)激波同時(shí)出現(xiàn)，旋渦對(duì)與射流的發(fā)展保持同步，射流鋒面速度表現(xiàn)為持續(xù)下降；在較低氣壓條件下，射流與前驅(qū)激波仍然出現(xiàn)，但是沒有明顯的旋渦對(duì)產(chǎn)生，此外射流鋒面速度并不是持續(xù)下降，而是存在振蕩。此外，周巖對(duì)于環(huán)境溫度的影響進(jìn)行了初步研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示環(huán)境溫度由500 K升至700 K左右時(shí)，激勵(lì)器擊穿電壓下降約800 V。更多關(guān)于環(huán)境溫度、濕度影響的規(guī)律還需進(jìn)一步開展詳細(xì)研究。

5 流動(dòng)控制應(yīng)用

5.1 橫向主流干擾

射流與橫向主流的相互作用涉及流體的卷吸、渦結(jié)構(gòu)的形成、射流的穿透和動(dòng)量交換等，對(duì)橫向主流的有效干擾在邊界層轉(zhuǎn)捩控制、射流摻混增強(qiáng)、推力矢量等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，是流動(dòng)控制應(yīng)用研究的起點(diǎn)和基礎(chǔ)問題。

5.1.1 低速橫向主流干擾特性

在PSJ與低速橫向主流干擾特性方面，ONERA首先開展了初步探索，基于PIV和三維數(shù)值模擬觀測(cè)到了PSJ誘導(dǎo)流向渦對(duì)的形成，邊界層速度剖面結(jié)果顯示射流激勵(lì)作用下邊界層的動(dòng)量增加，由于來流速度較低(約20～40 m/s)，因此觀測(cè)到的射流穿透特性很強(qiáng)，影響區(qū)域到達(dá)下游10倍孔徑處，不同參數(shù)研究顯示放電能量對(duì)PSJ穿透深度和誘導(dǎo)渦軌跡的影響較小，但會(huì)影響誘導(dǎo)渦的渦量，放電能量較低時(shí)，渦量較小，渦耗散更快。

宗豪華與Kotsonis對(duì)垂直噴射PSJ與低速湍流邊界層(20 m/s，動(dòng)量厚度雷諾數(shù)3 000)的相互干擾作用機(jī)理開展了深入研究，并分析了速度比(PSJ速度與主流速度之比)、無量綱沖程(PSJ沖程與出口直徑之比)對(duì)干擾特性的影響。激勵(lì)器的平均速度比范圍0.7～1.6，峰值速度比范圍1.2～3.5，對(duì)應(yīng)工況的無量綱沖程范圍2.0～5.4，放電頻率為200 Hz(對(duì)應(yīng)斯特勞哈爾數(shù)0.02)。結(jié)果顯示射流與低速主流的干擾作用涉及四種典型渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生：緊靠射流的上游處產(chǎn)生的馬蹄渦(Horseshoe Vortices)、在射流剪切層卷起形成的環(huán)形渦(Ring-type Vortices)、在射流后緣偏斜的混合層形成的一對(duì)準(zhǔn)定常懸掛渦(Hanging Vortices)以及在遠(yuǎn)場(chǎng)形成的準(zhǔn)流向的逆向漩渦對(duì)(Ounter-Rotating Vortex Pair)。在不同的速度比和無量綱沖程下，射流渦環(huán)的動(dòng)力學(xué)特性顯示出兩種截然不同的模式(圖38所示)。

圖38 PSJ與低速湍流邊界層相互作用流動(dòng)狀態(tài)[87]Fig.38 Flow regime of the interaction between PSJ and low-speed turbulent boundary layer[87]

在平均速度比、無量綱沖程大于1.0、2.6時(shí)為A模式，發(fā)展初期，渦環(huán)后面跟隨一個(gè)高速尾跡射流柱，由于渦環(huán)的上游側(cè)和下游側(cè)受到了不均勻的動(dòng)量注入，渦環(huán)將向下游傾斜；當(dāng)尾跡射流柱從渦環(huán)上切斷后，受到庫(kù)塔-儒科夫斯基升力的驅(qū)動(dòng)，渦環(huán)轉(zhuǎn)而向上游的傾斜。相比之下，在平均速度比、無量綱沖程小于1.0、2.6時(shí)為B模式，渦環(huán)從一開始就向上游傾斜，俯仰角單調(diào)增加。渦環(huán)動(dòng)力學(xué)特性直接決定了射流的穿透特性，A模式的射流穿透度要普遍高于B模式；在A模式中，渦環(huán)先下游傾斜、后上游傾斜，兩個(gè)過程相互抵消使得平均俯仰角接近0°時(shí)，射流具有最大的穿透度，此時(shí)射流的無量綱沖程稱之為過渡無量綱沖程。PSJ的過渡無量綱沖程范圍約3.7～5.4，高于一般脈沖射流。

宗豪華與Kotsonis進(jìn)而對(duì)橫向主流干擾中影響邊界層形狀因子和壁面剪切應(yīng)力的近壁面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)開展了研究。結(jié)果顯示對(duì)于A模式，在射流體的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)，分別形成了若干個(gè)剪切渦(Shear-Layer Vortices，SVs)和一個(gè)回流區(qū)?；亓鲄^(qū)內(nèi)存在一個(gè)懸掛渦對(duì)(Hanging Vortex Pair，HVP)，噴射過程結(jié)束后懸掛渦對(duì)演化為一個(gè)準(zhǔn)流向的初級(jí)逆向漩渦對(duì)(Primary Rotating Vortex Pair，p-CVP)。在p-CVP的腿部?jī)蓚?cè)產(chǎn)生下洗速度，導(dǎo)致腿部?jī)蓚?cè)出現(xiàn)低形狀因子的區(qū)域，源于回流的低動(dòng)量流體被困在p-CVP和前渦環(huán)(Front Vortex Ring，F(xiàn)VR)之間，導(dǎo)致在對(duì)稱平面出現(xiàn)高形狀因子的邊界層區(qū)域。對(duì)于B模式，沒有p-CVP產(chǎn)生，然而在FVR縱向(展向)兩側(cè)邊緣的附近，存在著類似的流體下洗效果，因此也存在相似的低形狀因子空間分布。對(duì)于壁面剪切應(yīng)力的計(jì)算顯示，在射流對(duì)稱平面上，PSJ流場(chǎng)的時(shí)均壁面剪切應(yīng)力總是高于無射流基準(zhǔn)流場(chǎng)，原因可能是PSJ吸氣復(fù)原過程去除了部分低能量的流體；隨著PSJ速度比、無量綱沖程的增大，其時(shí)均壁面剪切應(yīng)力也會(huì)增大。

5.1.2 高速橫向主流干擾特性

JHU-APL的Cybyk等首先開展了PSJ與超聲速橫向主流干擾特性的研究，數(shù)值模擬驗(yàn)證了PSJ可以穿透馬赫數(shù)3的超聲速流場(chǎng)邊界層，引起橫向主流邊界層轉(zhuǎn)捩，首次驗(yàn)證了PSJ激勵(lì)器用于超聲速流場(chǎng)主動(dòng)流動(dòng)控制的可行性。UTA的Narayanaswamy等利用自己設(shè)計(jì)的兩電極激勵(lì)器對(duì)PSJ與超聲速主流的干擾特性進(jìn)行了研究，通過鎖相紋影技術(shù)得到的結(jié)果表明峰值電流1.2 A的PSJ激勵(lì)器在馬赫數(shù)3超聲速主流中垂直噴射時(shí)射流穿透度達(dá)到6 mm，并在上游誘導(dǎo)一道激波，初步估計(jì)得到射流與主流的動(dòng)量通量比約為0.6，但是由于觀測(cè)手段和觀測(cè)能力的限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果未能深入分析PSJ與超聲速來流相互干擾的細(xì)節(jié)和詳細(xì)過程，如射流誘導(dǎo)的流動(dòng)分、射流激波的強(qiáng)度和演化過程，以及射流的動(dòng)量變化和腔體回填過程等。Emerick等開展了圖10所示偽串聯(lián)點(diǎn)火三電極激勵(lì)器與馬赫數(shù)1.5超聲速主流干擾作用的研究，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PSJ對(duì)超聲速主流的控制能力，PSJ可以使得主流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)時(shí)刻出現(xiàn)在觸發(fā)放電275 μs后，主流的最大偏轉(zhuǎn)角約為5°，與壓比為3.2的定常微射流所產(chǎn)生的氣流偏折角類似，但是定常射流能夠產(chǎn)生持續(xù)的偏轉(zhuǎn)，而PSJ的作用時(shí)間約為0.7～1 ms，激勵(lì)器單次放電與700 Hz重頻工作顯示了相似的結(jié)果。韓國(guó)蔚山大學(xué)開展了PSJ與馬赫數(shù)3超聲速主流干擾作用的研究，顯示射流可以穿透進(jìn)入邊界層很深的距離，在射流出口誘導(dǎo)產(chǎn)生弓形激波，PSJ的作用大約在放電后10 μs開始顯現(xiàn)。

國(guó)防科技大學(xué)、空軍工程大學(xué)等也開展了相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示PSJ可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲速主流的有效擾動(dòng)，在超聲速主流中產(chǎn)生近壁面射流大尺度渦結(jié)構(gòu)和馬赫波、壓縮波、干擾激波等多道強(qiáng)度不同的擾動(dòng)波，如圖39所示，其中近壁面射流和干擾激波在PSJ超聲速流動(dòng)控制中發(fā)揮主要作用。馬赫波的產(chǎn)生是由于PSJ產(chǎn)生的強(qiáng)擾動(dòng)穿過邊界層后向上游傳遞，在演化過程中馬赫波將保持直線型并不斷上游移動(dòng)，馬赫波波后為超聲速。干擾激波的產(chǎn)生一方面源于PSJ與主流的強(qiáng)相互作用，另一方面根據(jù)干擾激波的產(chǎn)生時(shí)間和形狀發(fā)展過程推斷，PSJ靜態(tài)流場(chǎng)中的前驅(qū)激波在干擾激波的產(chǎn)生過程中也發(fā)揮重要作用，在開始階段干擾激波為一道弓形激波，隨后演化為一道斜激波。不同工況對(duì)比顯示，激勵(lì)器出口直徑的增加會(huì)增大前驅(qū)激波強(qiáng)度和近壁面射流尺度，但對(duì)射流穿透度的影響較小，而射流的有效作用時(shí)間則會(huì)降低。出口傾角的減小會(huì)導(dǎo)致前驅(qū)激波強(qiáng)度的降低、射流大尺度渦空間尺寸的減小和射流作用時(shí)間的縮短。具有較大能量沉積的三電極PSJ可以產(chǎn)生更強(qiáng)的干擾激波、更大的射流穿透度和更長(zhǎng)的射流作用時(shí)間，當(dāng)放電電容由1.0 μF增大到3.0 μF時(shí)，無量綱參數(shù)由75增大到205，射流與主流的動(dòng)量通量比由0.6增大到1.3。對(duì)PSJ激勵(lì)器在超聲速流場(chǎng)中工作特性的數(shù)值仿真進(jìn)一步揭示，由于超聲速主流較大的慣性作用以及對(duì)激勵(lì)器腔體氣體的引射作用，氣體在激勵(lì)器吸氣復(fù)原階段更難以被吸入腔體，因此超聲速條件下的腔體回填速率相比靜態(tài)條件下大幅降低，激勵(lì)器的高頻工作性能下降。

圖39 PSJ與超聲速橫向來流相互作用[103-126]Fig.39 Iinteraction between PSJ and supersonic crossflow[103-126]

5.2 流動(dòng)分離控制

與傳統(tǒng)的壓電式、電磁式合成射流類似，PSJ也可以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)分離的抑制。用于流動(dòng)分離控制時(shí)，PSJ通常放置于分離區(qū)上游。垂直壁面噴射時(shí)候PSJ可以誘導(dǎo)產(chǎn)生準(zhǔn)流向逆向漩渦對(duì)，以一定偏斜和俯仰角噴射時(shí)可以產(chǎn)生單個(gè)主流向漩渦，這些渦結(jié)構(gòu)可以將邊界層上部的高動(dòng)量流體輸運(yùn)到邊界層底部，使得邊界層速度型更為飽滿，形狀因子減小，因此抵抗流動(dòng)分離的能力增強(qiáng)。

ONERA團(tuán)隊(duì)將5個(gè)PSJ激勵(lì)器分兩排布置于一個(gè)20°角擴(kuò)張斜面的上游，用來控制擴(kuò)張斜面帶來的流動(dòng)分離，激勵(lì)器出口設(shè)計(jì)為30°俯仰角和60°偏斜角，實(shí)驗(yàn)來流速度37 m/s，雷諾數(shù)6.2×10(基于斜面高度計(jì)算)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PSJ激勵(lì)頻率在500 Hz以下時(shí)，隨著激勵(lì)頻率提高，分離區(qū)不斷減小，激勵(lì)頻率超過500 Hz時(shí)，分離區(qū)不再顯著變化。Caruana等采用20個(gè)PSJ激勵(lì)器的陣列來控制NACA0015翼型尾緣的流動(dòng)分離，射流最大速度大約200 m/s，單個(gè)周期持續(xù)時(shí)間150 μs，激勵(lì)器被放置于離前緣32%弦長(zhǎng)位置，出口俯仰角和偏斜角分別為30°和60°，來流速度40 m/s，雷諾數(shù)1.2×10(基于弦長(zhǎng)計(jì)算)，攻角為11.5°，分離區(qū)范圍覆蓋弦長(zhǎng)的一半，結(jié)果顯示隨著激勵(lì)頻率提高，分離區(qū)不斷萎縮，當(dāng)激勵(lì)頻率大于250 Hz時(shí)，分離區(qū)消失，流體完全附著。不同攻角結(jié)果表明，來流攻角11°時(shí)由于分離區(qū)較小，導(dǎo)致控制效果不明顯，來流攻角12.5°時(shí)由于分離點(diǎn)到了激勵(lì)器上游，導(dǎo)致控制效果較差。代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展了PSJ控制NACA-0015翼型流動(dòng)分離的實(shí)驗(yàn)研究，與Caruana等實(shí)驗(yàn)不同的是其控制對(duì)象是翼型前緣的流動(dòng)分離，且流場(chǎng)雷諾數(shù)為更低的中等雷諾數(shù)水平(1.7×10)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了PSJ的控制能力，在26個(gè)PSJ激勵(lì)器的作用下，翼型的失速攻角由15.5°延遲到約22°，峰值升力系數(shù)較無控狀態(tài)下增加了21%。

廈門大學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了PSJ控制NACA-0012翼型流動(dòng)分離的研究，共采用了2個(gè)激勵(lì)器，來流速度40 m/s，雷諾數(shù)3.4×10(基于弦長(zhǎng)計(jì)算)，將激勵(lì)器放置于15%和45%弦長(zhǎng)兩個(gè)位置，俯仰角為45°、60°兩種，結(jié)果顯示激勵(lì)器位于15%弦長(zhǎng)位置時(shí)能夠使得失速攻角推遲2°，峰值升力系數(shù)增大約9%，阻力系數(shù)降低31.5%，兩種俯仰角時(shí)的控制效果類似?？哲姽こ檀髮W(xué)團(tuán)隊(duì)開展了高升力翼型流動(dòng)分離控制的研究，高升力翼型由EET(Energy Efficient Transport)翼型主翼和偏角30°無縫簡(jiǎn)單襟翼組成，結(jié)果顯示PSJ可以抑制主翼流動(dòng)分離，使主翼升力增大，但襟翼吸力面壓力增大、升力減小，總體效果使得總升力增大、失速推遲，此外還發(fā)現(xiàn)激勵(lì)器關(guān)閉后增升效果不會(huì)馬上消失，而是存在延遲效應(yīng)，延遲時(shí)間不小于585 s，來流速度提高后，激勵(lì)器控制效果會(huì)顯著弱化。

UTA的Greene等進(jìn)一步將PSJ流動(dòng)分離控制的范圍拓展到超聲速，開展了馬赫數(shù)3超聲速流場(chǎng)20°壓縮拐角流動(dòng)分離控制的研究，如圖40所示，油流測(cè)試顯示位于壓縮拐角上游1.5(表示邊界層厚度)、俯仰角20°、偏航角0°、激勵(lì)頻率3 200 Hz(斯特勞哈爾數(shù)=0.018)工況下的PSJ具有最佳控制效果，可使得分離線到壓縮拐角的距離平均縮短40%，結(jié)果暗示激勵(lì)的頻率需要與分離區(qū)的固有頻率相互耦合才能發(fā)揮較好的控制效果，當(dāng)PSJ與壓縮拐角距離大于3時(shí)控制效果將急劇弱化。王宏宇等開展了馬赫數(shù)2超聲速流場(chǎng)中利用頭部噴射PSJ與鈍頭體弓形激波的相互作用來控制鈍頭體下游流動(dòng)分離的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示PSJ與鈍頭體弓形激波的相互作用可以使得激勵(lì)效果放大，使得鈍頭體下游的邊界層湍流度增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致邊界層流動(dòng)分離減小，研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)激勵(lì)頻率對(duì)于控制效果影響顯著，當(dāng)PSJ的激勵(lì)頻率更接近分離泡的固有頻率時(shí)控制效果更好。

圖40 超聲速壓縮拐角流動(dòng)分離控制效果[51-52]Fig.40 Control effect of flow separation induced by compression corner in supersonic flow[51-52]

5.3 激波控制

國(guó)防科技大學(xué)在2014年首先開展了PSJ控制有限高圓柱激波的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示PSJ使得圓柱弓形激波強(qiáng)度減弱，圓柱前分離區(qū)減小。根據(jù)PSJ位置可以將其分為布置于分離激波上游的U型射流和布置于分離激波下游的D型射流，對(duì)比顯示U型射流比D型射流具有更好的激波控制效果，而對(duì)于U型射流，隨著射流至分離激波距離的減小，PSJ控制效果增強(qiáng)。周巖等隨后開展了PSJ控制壓縮斜面激波的實(shí)驗(yàn)研究，控制過程如圖41所示，結(jié)果顯示在干擾激波和大尺度渦結(jié)構(gòu)的雙重作用下，壓縮斜面激波強(qiáng)度減弱，近壁面部分被消除，從射流前緣到達(dá)斜激波左側(cè)到控制作用基本結(jié)束，PSJ的作用持續(xù)時(shí)間約為400 μs?；趯?shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，國(guó)防科技大學(xué)將PSJ控制激波的機(jī)理歸結(jié)為3種效應(yīng)：① 波控效應(yīng)，PSJ在超聲來流下產(chǎn)生干擾激波，干擾激波降低了壓縮斜面上游的馬赫數(shù)，改變了氣流方向，使得壓縮斜面激波強(qiáng)度減弱，形狀改變；② 熱控效應(yīng)，PSJ加熱近壁面區(qū)域，增大當(dāng)?shù)芈曀伲档彤?dāng)?shù)伛R赫數(shù)，使得聲速線向上抬升，增加了激波的產(chǎn)生高度；③ 虛擬外形效應(yīng)，PSJ在壓縮斜面形成虛擬氣動(dòng)外形，虛擬外形后掠角度與壓縮斜面后掠角相比變小，使得斜面激波角度和強(qiáng)度隨之變小。南京航空航天大學(xué)開展了類似的壓縮斜面激波控制研究，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)射流干擾激波與壓縮斜面激波發(fā)生相交，產(chǎn)生折射激波與透射激波，一開始的相交是一種常規(guī)的激波-激波干擾，隨后會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的激波-激波干擾，產(chǎn)生連接干擾激波與壓縮斜面激波的“馬赫莖”結(jié)構(gòu)?？哲姽こ檀髮W(xué)王宏宇等研究了PSJ對(duì)馬赫數(shù)2超聲速流場(chǎng)30°壓縮拐角分離激波、再附激波的控制特性，結(jié)果顯示PSJ對(duì)主流的阻滯作用使得分離區(qū)附近發(fā)生了一個(gè)“再壓縮”過程，再壓縮過程中，PSJ誘導(dǎo)產(chǎn)生壓縮波，壓縮波向分離區(qū)聚集、強(qiáng)度增強(qiáng)，形成新分離激波，使得分離激波角變大、強(qiáng)度增強(qiáng)，三叉點(diǎn)(分離激波與再附激波的交點(diǎn))持續(xù)上升直到達(dá)到峰值。再附激波由于射流的熱效應(yīng)和上游馬赫數(shù)減小而減弱，整體向上游移動(dòng)，再附激波角度同樣變大，再附激波、分離激波相向運(yùn)動(dòng)，聚集靠攏。此外張志波等研究了激勵(lì)器陣列對(duì)激波的控制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)流向陣列射流在演化過程中相互摻混，可以增加射流的穿透深度和射流角，對(duì)激波產(chǎn)生更強(qiáng)的擾動(dòng)效果。

圖41 PSJ控制壓縮斜面激波流場(chǎng)陰影顯示結(jié)果[103]Fig.41 Shadowgraph images of control effect on compression ramp shock wave by using PSJ[103]

5.4 激波/邊界層干擾控制

Narayanaswamy等首先開展了PSJ激波/邊界層干擾控制的研究，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為馬赫數(shù)3條件下的24°壓縮拐角流場(chǎng)。壁面壓力測(cè)量得到的功率譜顯示，在對(duì)應(yīng)于激波/邊界層干擾低頻不穩(wěn)定性的范圍內(nèi)，干擾區(qū)某些位置的壓力功率譜密度在控制作用下顯著降低(圖42(a))，而某些位置則未發(fā)生明顯變化(圖42(b))，其中表示分離區(qū)長(zhǎng)度。分析認(rèn)為其深入機(jī)理與分離泡的內(nèi)部流場(chǎng)組織關(guān)系密切，需要進(jìn)一步開展研究。高速紋影得到的流場(chǎng)結(jié)果顯示，在PSJ沖擊作用下，壓縮拐角分離激波首先發(fā)生短時(shí)間快速上游移動(dòng)(上移約1)，如圖43所示，之后激波位置慢慢恢復(fù)至下游。激波上游移動(dòng)的現(xiàn)象有兩個(gè)可能的原因：一是激勵(lì)器向邊界層內(nèi)噴射了低動(dòng)量(相對(duì)主流來說)的流體；二是局部流動(dòng)加熱導(dǎo)致當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)降低，而較低的馬赫數(shù)會(huì)導(dǎo)致激波到斜坡拐角的距離更大(即激波的脫體距離更大)，之前對(duì)于激光能量沉積等流動(dòng)控制技術(shù)的研究也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，即當(dāng)熱流體流過激波時(shí)，激波會(huì)發(fā)生上移。

圖42 PSJ控制前后不同位置壓力功率譜變化[49-50]Fig.42 Power spectra of wall pressure at different locations with and without PSJ[49-50]

1—激波時(shí)均位置; 2—激波瞬時(shí)位置圖43 PSJ控制分離激波紋影結(jié)果[49-50]Fig.43 Schlieren images of control effect on separation shock by using PSJ

Narayanaswamy進(jìn)一步研究了激勵(lì)位置、出口構(gòu)型、激勵(lì)頻率對(duì)激波/邊界層干擾控制效果的影響。激勵(lì)位置對(duì)激勵(lì)效果存在很大影響，實(shí)驗(yàn)顯示當(dāng)射流噴射位置在分離激波上游時(shí)控制效果顯著，但是在分離泡內(nèi)時(shí)則沒有效果，其結(jié)果可能是由于對(duì)剪切層的作用不同所致，PIV結(jié)果發(fā)現(xiàn)PSJ在上游引起的擾動(dòng)將在剪切層放大，而在下游引起的擾動(dòng)則沒有這種效果，這也暗示了分離泡上邊界剪切層在分離激波動(dòng)力學(xué)特性中扮演著關(guān)鍵作用。對(duì)PSJ激勵(lì)器出口構(gòu)型的研究顯示，垂直型、傾斜型和偏斜型3種出口構(gòu)型的激勵(lì)器均可以使得激波上移，不同的是偏斜型激勵(lì)器還會(huì)使激波在上移前先向下游微弱移動(dòng)(下移約0.25)，其可能原因有兩點(diǎn)：一是PSJ起到了與微型渦流發(fā)生器類似的作用效果，即誘導(dǎo)產(chǎn)生了流向渦結(jié)構(gòu)，使得邊界層抵抗逆壓梯度的能力增強(qiáng)，因此分離區(qū)減?。欢巧淞骱軠u結(jié)構(gòu)作用于剪切層，使得剪切層失穩(wěn)破壞，進(jìn)而使得分離區(qū)減小，分離激波下移。利用2.3.1節(jié)介紹的激波捕捉程序獲得的分離激波運(yùn)動(dòng)軌跡顯示，當(dāng)PSJ以一定頻率工作時(shí)，分離激波的運(yùn)動(dòng)頻率將被鎖定為PSJ激勵(lì)頻率，并且當(dāng)PSJ頻率較高(約3.3 kHz)時(shí)，分離激波能夠相對(duì)穩(wěn)定地向上游偏移，激波運(yùn)動(dòng)幅值減小(運(yùn)動(dòng)幅度小于0.5)，分離激波的運(yùn)動(dòng)被PSJ控制在一定范圍內(nèi)，而沒有恢復(fù)到初始位置。

此外，Greene等還研究了PSJ對(duì)入射激波/邊界層干擾流場(chǎng)的控制效果，初步的PIV測(cè)量結(jié)果表明PSJ對(duì)入射激波/邊界層干擾區(qū)上游的流動(dòng)分離有一定作用，但是由于PSJ的作用因?yàn)檫吔鐚拥耐牧骱纳⒍眲∷p，PSJ對(duì)干擾區(qū)下游的再附邊界層等流場(chǎng)幾乎沒有影響。方劍等通過大渦模擬方法研究了馬赫數(shù)2.3來流條件下PSJ對(duì)激波(由8°斜劈產(chǎn)生)入射邊界層干擾流場(chǎng)的控制效果，表面摩擦系數(shù)分布結(jié)果顯示施加PSJ激勵(lì)時(shí)，分離泡尺寸減小了約35%，數(shù)值仿真捕捉到PSJ在超聲速流場(chǎng)中誘導(dǎo)的流向渦結(jié)構(gòu)，揭示了PSJ對(duì)分離泡的作用機(jī)制與機(jī)械式微型渦流發(fā)生器相類似，瞬時(shí)和時(shí)間平均流場(chǎng)結(jié)果顯示，PSJ誘導(dǎo)流向渦的作用增加了上游邊界層的混合，提高了邊界層對(duì)流動(dòng)分離的抵抗能力。

5.5 射流噪聲抑制

射流噪聲抑制是未來新型飛行器發(fā)展的重要挑戰(zhàn)之一。根據(jù)20世紀(jì)60年代逐漸發(fā)展起來的渦聲理論，射流噪聲的產(chǎn)生源于流體中的渦與勢(shì)流以及渦之間的相互作用。研究表明射流噪聲中低頻噪音的重要來源之一是射流與外部流場(chǎng)剪切作用產(chǎn)生的大尺度渦結(jié)構(gòu)，通過在噴管上增加被動(dòng)式的條帶結(jié)構(gòu)或者施加定常/脈沖射流等方式可以促進(jìn)大尺度渦結(jié)構(gòu)的破碎，進(jìn)而降低射流噪聲中的低頻部分。

作為一種新型無源脈沖射流產(chǎn)生裝置，PSJ激勵(lì)器在射流噪聲抑制方面具有潛在的應(yīng)用前景，ONERA在這方面開展了初步的探索。文獻(xiàn)[23，54]中介紹了6個(gè)PSJ組成的激勵(lì)器陣列控制馬赫數(shù)0.3～0.9亞聲速射流剪切層的研究，射流噴管直徑50 mm，呈環(huán)形布置的PSJ激勵(lì)器陣列被放置在射流噴管的唇口位置，對(duì)射流與環(huán)境流體的剪切層和大尺度渦結(jié)構(gòu)施加擾動(dòng)，紋影流場(chǎng)顯示觀察到了PSJ激勵(lì)對(duì)射流剪切層的顯著作用，但消聲室內(nèi)的射流噪聲測(cè)量發(fā)現(xiàn)，150 Hz、300 m/s和2 500 Hz、150 m/s兩種激勵(lì)器陣列對(duì)噪聲的抑制效果均不理想，原因可能是激勵(lì)器數(shù)目較少。文獻(xiàn)[65]將激勵(lì)器陣列數(shù)目增加到12個(gè)，開展了馬赫數(shù)0.6射流噪聲抑制的研究，噴管直徑同樣為50 mm，PSJ激勵(lì)的斯特勞哈爾數(shù)為0.3，結(jié)果顯示當(dāng)相鄰激勵(lì)器以180°相位差工作時(shí)，射流噪聲略微減小了約0.3 dB，但是以同相位工作時(shí)，射流噪聲反而增加了3～4 B。為深入分析PSJ的控制機(jī)理，Chedevergne等開展了相應(yīng)的數(shù)值仿真，為減小計(jì)算量采用混合RANS-LES計(jì)算方法進(jìn)行了小空間尺度單個(gè)激勵(lì)器的模擬，結(jié)果顯示在對(duì)射流剪切層大尺度渦結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)過程中，火花電弧放電產(chǎn)生的壓力波擾動(dòng)發(fā)揮了主導(dǎo)作用，脈沖射流的作用處于次要位置。目前PSJ在射流噪聲抑制方面的研究仍處于起步階段，噪聲抑制效果有待提高，未來需要進(jìn)一步增大激勵(lì)器陣列數(shù)目和激勵(lì)頻率，并且借助更大空間尺度的數(shù)值模擬對(duì)PSJ陣列與射流剪切層和大尺度渦結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理開展深入研究，以實(shí)現(xiàn)控制效果的優(yōu)化。

5.6 快響應(yīng)氣動(dòng)力控制

高效快響應(yīng)氣動(dòng)力控制對(duì)于高超聲速飛行器至關(guān)重要，對(duì)于馬赫數(shù)5的飛行器，控制每時(shí)延1 ms，就會(huì)產(chǎn)生15 m的脫靶量。傳統(tǒng)的舵翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(約100～500 ms)，并且隨著飛行高度增加舵面的效率急劇下降。PSJ激勵(lì)器依靠氣體放電方式產(chǎn)生高速射流，響應(yīng)時(shí)間相比常規(guī)機(jī)械機(jī)構(gòu)大大縮短，基于PSJ激勵(lì)器側(cè)向噴流的快響應(yīng)氣動(dòng)力控制技術(shù)是替代舵翼作動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行器高機(jī)動(dòng)飛行的潛在手段之一。美國(guó)羅格斯大學(xué)開展了PSJ進(jìn)行飛行器氣動(dòng)力控制的理論分析，假設(shè)放電在腔體均勻進(jìn)行，射流噴射進(jìn)入靜止環(huán)境，通過理論分析獲得了PSJ激勵(lì)器單個(gè)脈沖的力和沖量特性，并簡(jiǎn)化分析了PSJ用于氣動(dòng)力控制的可行性，計(jì)算結(jié)果顯示PSJ陣列產(chǎn)生的作用力足夠取代傳統(tǒng)氣動(dòng)襟翼，但該結(jié)果僅是在PSJ激勵(lì)器放電時(shí)間尺度上對(duì)比了PSJ與傳統(tǒng)氣動(dòng)襟翼，在這個(gè)時(shí)間尺度上襟翼未完全偏折，因此對(duì)比的襟翼直接力并不是其完全偏折時(shí)候的效果。楊瑞等開展了PSJ進(jìn)行高超聲速飛行器氣動(dòng)力控制的數(shù)值模擬，將PSJ激勵(lì)器布置于飛行器頭錐、中部和尾部3個(gè)位置，分析飛行器表面壓力分布、升阻特性以及俯仰力矩特性變化。結(jié)果表明PSJ控制響應(yīng)時(shí)間約為0.2 ms，飛行器流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)特性隨著射流激勵(lì)出現(xiàn)周期性變化，通過合理布置PSJ激勵(lì)器的位置，可以使得飛行器表面壓力快速變化，從而實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)的快速控制。

5.7 其他應(yīng)用

王鵬與沈赤兵開展了PSJ陣列控制馬赫數(shù)2.39與1.37超-超混合層的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，將PSJ激勵(lì)器安裝于混合層隔板上下表面以及隔板末端兩個(gè)位置，結(jié)果顯示PSJ可以有效增強(qiáng)混合層的厚度，如圖44所示，但無法提高分形維數(shù)值，即無法增加小尺度渦結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)強(qiáng)度。單個(gè)激勵(lì)器的展向作用范圍約為20 mm(6.67倍出口直徑)，激勵(lì)器位于隔板末端時(shí)對(duì)混合層擾動(dòng)效果較好，且控制響應(yīng)時(shí)間較短。分析認(rèn)為這是由于隔板上下表面布置的PSJ工作機(jī)理是通過作用來流進(jìn)而影響混合層，而隔板末端布置的PSJ是直接作用在混合層上，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)混合增強(qiáng)。Natarajan等開展了PSJ用于飛行器推力矢量控制(Thrust Vector Control，TVC)的研究，將PSJ激勵(lì)器放置在拉瓦爾噴管的擴(kuò)張段用于取代傳統(tǒng)的二次射流，利用PSJ產(chǎn)生不同強(qiáng)度的激波以生成合適的推力矢量。土耳其卡拉德尼斯科技大學(xué)Seyhan等開展了PSJ用于質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane，PEM)燃料電池流場(chǎng)控制的研究，將PSJ激勵(lì)器放置于燃料電池陰極附近用于產(chǎn)生流動(dòng)的振蕩。結(jié)果顯示在較高氫氣-空氣流量條件下，PSJ的影響在到達(dá)陰極流道前就已經(jīng)衰減。在較低流量條件下(氫氣0.1 L/min、空氣0.3 L/min)，PSJ可以發(fā)揮較好效果，使得燃料電池的性能提升，峰值功率輸出增大11%，推測(cè)原因可能是由于PSJ引起的流動(dòng)振蕩增強(qiáng)了在陰極通道內(nèi)的氧氣濃度和擴(kuò)散速率。Seyhan等還認(rèn)為目前實(shí)驗(yàn)較大的空氣濕度使得PSJ激勵(lì)器性能降低，在優(yōu)化環(huán)境濕度的情況下PSJ可以達(dá)到更好控制效果。

圖44 PSJ對(duì)超聲速混合層作用的NPLS結(jié)果[112]Fig.44 NPLS results of control effect on supersonic mixing layer by using PSJ[112]

6 結(jié) 論

1) PSJ激勵(lì)器是一種應(yīng)用前景廣泛的新型主動(dòng)流動(dòng)控制裝置，兼具合成射流激勵(lì)器的零質(zhì)量通量特性和等離子體激勵(lì)器的寬頻帶、快響應(yīng)特性，同時(shí)克服了二者誘導(dǎo)射流速度偏低的不足，為亞聲速乃至高超聲速流動(dòng)控制提供了一種新的技術(shù)手段。

2) 單個(gè)PSJ激勵(lì)器最初為兩電極構(gòu)型，后來逐漸發(fā)展為擊穿電壓較低、能量效率較高的三電極構(gòu)型；為了改善高頻放電和高空低密度環(huán)境下的工作性能，進(jìn)而出現(xiàn)了單向閥補(bǔ)氣式、沖壓式、流場(chǎng)增壓式等腔體增壓型PSJ激勵(lì)器；為了解決單個(gè)PSJ激勵(lì)器控制范圍有限的問題，近年來針對(duì)串聯(lián)式(如直接串聯(lián)、電壓接力串聯(lián))、并聯(lián)式PSJ激勵(lì)器陣列系統(tǒng)的研究逐漸增多。

3) 針對(duì)PSJ激勵(lì)器工作特點(diǎn)，多種改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段(如激光微紋影、高速定量紋影、脈沖接地動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量等)在研究中得到了應(yīng)用，但是由于工作空間狹小、電磁干擾強(qiáng)、射流持續(xù)時(shí)間很短且射流流場(chǎng)變化劇烈等原因，實(shí)驗(yàn)測(cè)量還無法獲得PSJ激勵(lì)器較為全面的信息，非定常零唯理論分析模型以及空氣動(dòng)力學(xué)模擬、等離子體動(dòng)力學(xué)模擬方法在深入揭示激勵(lì)器工作機(jī)理方面仍發(fā)揮著不可替代的作用。

4) PSJ激勵(lì)器能量效率可以分為放電效率、加熱效率和噴射效率3個(gè)部分，總體而言PSJ激勵(lì)器的能量效率水平依然偏低，如何提升能量效率是激勵(lì)器設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵問題；針對(duì)影響PSJ激勵(lì)器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如出口直徑、腔體體積、電極間距)、放電參數(shù)(如放電能量、放電頻率)、環(huán)境參數(shù)(如環(huán)境壓強(qiáng))目前已進(jìn)行了大量研究，為PSJ流動(dòng)控制應(yīng)用及控制效果優(yōu)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5) PSJ激勵(lì)器在抑制流動(dòng)分離、減弱激波強(qiáng)度、降低激波/邊界層干擾區(qū)域低頻壓力脈動(dòng)等方面的控制效果已經(jīng)得到了充分地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在增強(qiáng)超-超摻混、降低射流噪聲、快響應(yīng)直接力控制等方面也展現(xiàn)出應(yīng)用前景。未來需要在高效長(zhǎng)壽命激勵(lì)器、小型化電源等方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推進(jìn)PSJ原理性飛行試驗(yàn)驗(yàn)證和工程應(yīng)用，并且進(jìn)一步探索PSJ在其他應(yīng)用場(chǎng)景(如無人機(jī)防除冰、轉(zhuǎn)捩陣面控制、燃料電池流場(chǎng)摻混增強(qiáng)、飛行器動(dòng)態(tài)流場(chǎng)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制)下的控制效果及可行性。