等离子体合成射流流动控制技术研究进展

【摘 要】本论文系统回顾了等离子体合成射流流动控制技术的发展历史，在介绍了主要的等离子体流动控制技术后，从等离子合成射流技术的工作特性研究及流动控制应用研究两个层面详细分析了目前等离子体合成射流的发展现状及所遇到的问题。

【关键词】等离子合成射流激励器；研究进展；工作特性；流动控制

一、流动控制技术概述

在流体力學研究领域，主动流动控制技术广泛应用于航空、航天流体机械的外流空气动力性能提升、进气道与发动机内流组织、燃烧稳定性控制等多个方面。主动流动控制技术通过向主流流场添加质量、动量、热量的微弱扰动从而实现对整个流场的控制和性能改善[1]。

普朗特于1904年提出了边界层理论，使得大家对边界层与流动分离的关系有了较为清楚的认识，从而使主动流动控制技术成为可能。同时也提出了一种目前应用最为广泛的边界层吹吸技术[1]。

边界层吸除技术通过狭缝泄除边界层中的低能流，从而改变边界层速度型，达到抑制流动分离的目的。边界层吸除技术是一种非常实用，并得到广泛应用的流动控制技术，但同时会带来显著的放气阻力，降低主流流量。与吸除技术不同，边界层吹除技术沿流向方向注入高速气流，提高边界层底层流体的动量，从而提高边界层内气体运动速度。边界层吹除技术需要额外的高压附加气源，。

合成射流激励器主要依靠机械振动为气体注入能量，不需要额外的附加气源。目前，传统的合成射流激励器有压电膜式[3，4]、活塞式[5，6]、声激励式 [7，8]等。传统的激励方式中，压电膜式响应最为迅速，工作频带也最宽[9]。然而，机械式合成射流激励器的诱导速度较低，流动控制能力较弱。

等离子体激励形式具有激励频带极宽、激励强度无极可调（电压、电流等参数可控）、低功耗、激励形式多样等诸多优点[11]。等离子体流体控制技术涉及电磁学、材料学、空气动力学等诸多方面，是新兴的交叉型科学研究领域，也为研究带来较大的难度[10]。

二、等离子体主动流动控制技术国内外研究现状

国外在等离子流动控制技术方面的研究起步较早，早期主要应用于高超声速飞行器减阻方面，近些年来逐渐开始应用于亚声速流动控制。流动控制对象涉及流动分离控制、激波形状控制、激波边界层干扰控制等多个方面。美国、俄罗斯、欧洲等各个国家均对等离子流体控制技术高度重视，相继开展相关研究。国内主要研究机构为空军工程大学、国防科技大学、厦门大学等，近几年也取得了较大进步。目前，应用于等离子体气动激励器的主要有介质阻挡放电和电弧放电两种。

1）介质阻挡激励器

介质阻挡放电是指在阳极与阴极之间布置绝缘层的的一种放电方法[11]。早在1960年，苏联就率先开展了利用DBD放电控制翼型分离的实验研究[12]。1998年，美国罗斯教授通过实验证明DBD放电具有流动控制面积大、消耗功率小等多个优点[13]。

英国诺丁汉大学的Richard D. Whalley运用PIV激光测速仪研究发现DBD激励器在激励开始阶段首先形成一个启动涡，随后不断与环境气流相互作用，逐渐演化为沿壁面射流[14]。Font G I 发现DBD激励器所消耗的电能只有18%转化为射流的动能，说明DBD激励器性能仍有很大的提升空间[15]。在应用方面，研究人员相继开展DBD气动激励器抑制翼型流动分离、边界层分离控制、超声速流动控制等应用研究[16-21]。国内空军工程大学李应红、吴云等运用纳秒脉冲电源开展了关于纳秒脉冲DBD等离子体气动激励器的特性研究[22]。

2）电弧放电激励器

常用的电弧激励器有以下两种：一是利用温度扰动的表面电弧激励器（又称当地电弧激励器），二是利用压力扰动的等离子体合成射流气动激励器（Plasma synthetic jet actuator简称 PSJA）。

表面电弧气动激励器主要是指在主流流过的壁面布置放电电极，直接对主流气体放电，提高主流局部气体的温度。该种激励器的流动控制能力较强，能量注入较多，多用在激波形状控制、激波边界层干扰控制、超声速流动分离控制等应用场合[24-28]。

等离子体合成射流气动激励器（PSJA）是由美国霍普金斯大学Grossman在2003年最早提出并设计[29]。激励器的工作原理：当电极间电压大于气体的击穿电压后，腔体内发生电弧放电。腔体内的气体被迅速加热，继而腔内压力升高，由于内外压差作用在上方小孔处形成射流（典型的励器如图1所示）。该种激励器具有放电稳定、射流速度大、控制能力强、电极寿命长等优势。

图1 典型等离子体合成射流气动激励器示意图[29]

三、等离子体合成射流激励器工作特性研究

在Grossman提出等离子体合成射流激励器之后，流动控制领域的学者相继开展了工作原理[29]、流场特性[30-31]、激励器参数化研究[32-39]、激励器工作效率[40-42]、能量沉积率[43]等多种特性研究工作，并出现了三电极[44]、纳秒脉冲[45-46]、“补气式”[47]等新型激励器形式。

2003年Grossman首先开展了激励器工作原理的研究[29]。Grossman提出激励器工作过程由能量沉积阶段、喷气阶段、吸气还原三个阶段组成（图2）。这也是目前学术界广泛认同的对于激励器工作过程的描述。

在能量沉积阶段，腔体内的气体被剧烈加热。这一阶段，腔体内气体压力升高。由于压差作用，气体从上方出口喷出，这被称为激励器的喷气阶段。随着气体不断喷出，射流速度逐渐降低。同时，腔体在环境气体中自然冷却散热。当射流速度继续降低直至降为零，腔内压力低于环境压力。激励器进入吸气还原阶段，环境气体进入腔体内，等待下一次放电。

Laurendeau.F利用PIV技术开展了射流流场观测实验[30]。实验发现射流流场由多对涡环组成。涡环向下游传播的过程与周围静止流体发生卷积作用，进行动量转换（图9）。同时，实验发现射流流场具有明显的对称性，并且与电极形状无关。值得注意的是，实验指出PIV流场观测技术用于观测射流激励器流场时出现了示踪粒子随流性不强的问题，对流场观测结果有较大的影响。