张立志，李修乾，陈庆亚，聂万胜，车学科

（1.装备学院 研究生院；2.装备学院 航天装备系：北京101416）

两种翼型螺旋桨ARA-D和S1223的等离子体增效实验研究

张立志1，李修乾2，陈庆亚1，聂万胜2，车学科2

（1.装备学院 研究生院；2.装备学院 航天装备系：北京101416）

文章首先基于雷诺相似理论，在地面螺旋桨实验平台上开展ARA-D翼型螺旋桨微秒脉冲等离子体增效三维实验，结果表明，等离子体对螺旋桨拉力增效效果随着脉冲频率增加而减弱，而螺旋桨转矩受等离子体影响随拉力增效效果增加而减弱，拉力、效率最大增幅分别达到10.79%、11.56%。而后基于雷诺相似理论及叶素理论，在低湍流度风洞开展 S1223翼型螺旋桨叶素微秒脉冲等离子体增效二维实验，结果表明等离子体激励提高了翼型各叶素拉力，其中根部与尖部叶素表现尤为明显。二维实验结果可为三维实验激励器展向排布方案提供理论依据。2种实验结果均表明，等离子体射流可以有效抑制翼型表面流动分离。

螺旋桨；等离子体；叶素理论；流动控制；边界层分离

0 引言

临近空间是指距地面20～100km的空域，在电子对抗、情报收集、通信保障、近地观测等方面有巨大的应用潜力。以螺旋桨为推进力的平流层飞艇是低动态平流层飞行器的代表，其具有结构相对简单、滞空时间长、载荷能力大、飞行高度高等特点，空间优势明显。由于平流层大气环境雷诺数低，使得叶素翼型的升阻比较低，螺旋桨效率也得不到保证。表面介质阻挡放电（surface dielectric barrier discharge, SDBD）的等离子体流动控制是一项基于等离子体气动激励的新技术，近些年得到了广泛关注并已经被应用于改善飞行器气动性能[1]。等离子体流动控制具有质量小、无活动部件、响应速度快等优点[2-3]。有研究表明，在平流层稀薄的大气环境下，空气击穿效果更佳[4]。

为充分利用平流层环境，程钰锋等人[5]运用数值方法，通过比较8种翼型不同攻角和不同速度下升阻比大小和气动稳定性，最终选取 SD8000-PT为合适的平流层螺旋桨翼型。国防科技大学雷光新等人[6]通过分析叶素效率确定设计参数的取值范围，提出平流层飞艇螺旋桨的初步设计流程，并优化设计方法，使螺旋桨效率得到了提高。针对SDBD等离子体流动控制在改善旋转翼型性能方面，Corke等的研究[7]表明SDBD等离子体对于风力机翼型和涡轮叶栅流场流动分离的抑制方面有很好的效果；Visbal等人[8-9]针对NACA0015翼型利用唯象学模型研究了激励器不同工作模式下等离子体对边界层的影响，并考察了等离子体控制湍流分离的能力；程钰锋等人[10]通过仿真，研究了基于二维流场的2种SDBD激励器布置方案对Eppler387翼型螺旋桨根部处于负攻角工况下叶素气动性能的改善效果。

目前采用实验方法研究平流层螺旋桨的公开文献少之又少，因为开展平流层螺旋桨实验主要有地面低密度风洞和高空飞行器实物搭载等方法，虽然此类实验精度较好，但是成本太高不容易实现。因此，运用地面实验平台对平流层螺旋桨等离子体流动控制进行定量评估，便成为一种可行性较高的方法。中国航天空气动力技术研究院李喜乐等人[11]通过车载螺旋桨实验平台对临近空间螺旋桨进行了地面模拟实验并取得了较好的效果，进一步验证了地面螺旋桨平台实验的可行性。

本文首先利用装备学院的螺旋桨等离子体流动控制地面实验平台，采用微秒脉冲等离子体激励的实验来研究等离子体对螺旋桨三维流动控制以及气动性能提高的效果。其次在车学科等人[12]地面模拟高空等离子体对流动控制研究的基础上，基于螺旋桨叶素理论和雷诺相似理论，运用装备学院低湍流度风洞进行等离子体流动控制增效的二维实验，以对地面平台实验进行验证补充。

1 实验方案

1.1 螺旋桨平台实验方案

螺旋桨平台实验方案是基于临近空间螺旋桨试验相似准则进行设计的[12]。螺旋桨选用在低雷诺数下升力特性良好的双桨叶ARA-D翼型，桨径为2 m，桨毂旋转直径为0.24 m，采用环氧树脂高温成型而成。螺旋桨平台实验采用高压导线和碳刷滑环将高频高压电源与桨叶上的激励电极组相连接。每个桨叶上铺设3组电极，每组包含1个暴露电极和1个植入电极，其宽度分别为5 mm和10 mm，长度均为600 mm，2个电极的横向间隙为0 mm[13]。阻挡层采用3层Kapton胶带。3组电极分别布置于桨叶表面，距离前缘10%、30%、50%弦长处。实验平台实物如图1所示，构成如图2所示。

螺旋桨转速为300 r/min。激励器采用脉冲工作模式，载波频率6 kHz，电压峰峰值为8.5 kV，脉冲频率10～160 Hz。用JN-338型转速转矩测量仪测量转速、转矩，用 TS-5B智能测试仪采集拉力数据。为减小周期性误差，重复取样600次，以均值作为测量结果。

1.2 叶素实验（二维实验）方案

二维实验方案是基于平流层螺旋桨地面实验原理与叶素理论进行设计的[12]。SDBD等离子体叶素增效实验依托装备学院低湍流度风洞进行，实验模型选取由环氧树脂加工而成的S1223翼型，弦长200 mm，展长790 mm。实验用激励器的上、下两电极长度均为500 mm，重合长度230 mm，电极间隙0 mm。在上表面距离前缘5 mm和下表面距离后缘5 mm处各布置1个激励器，采用并联连接以保证工作同步性。其中前缘激励器植入电极处于暴露电极之后，后缘激励器植入电极处于暴露电极之前，即来流方向为由前缘吹向后缘，前缘激励器诱导射流与来流方向相同，后缘激励器则反之[14]。

S1223翼型及激励器布置见图3。

实验中模拟螺旋桨的转速300 r/min，分别选取频率为10、40、80、120 Hz时的叶素拉力进行比较。

1.3 高频高压电源与测量设备

螺旋桨平台实验与二维实验中的SDBD等离子体激励器电源均采用 HFHV30-1高频高压交流电源，输出电压±15 kV，输出频率1～50 kHz。螺旋桨平台实验用Agilent N2771B高压探头测量电压，采用Pearson 6595电流线圈测量电流，测量结果使用Agilent DSO-X 3024A示波器进行显示和记录[12]。

2 实验结果及分析

2.1 螺旋桨平台实验结果及分析

图4所示为转速300 r/min时，在SDBD等离子体作用下，10～160 Hz不同脉冲频率下螺旋桨拉力、转矩、效率的变化情况。

由图4(a)可知，激励器开启对拉力产生了较大影响，证明等离子体气动激励影响了螺旋桨三维流场。未开启激励器时，拉力为69.440 N；当开启激励器时，拉力显著提高，并于激励器脉冲频率为10 Hz时达到最大值76.950 N，相比未施加等离子体激励时增加了 10.79%；在脉冲频率不断增大的过程中，拉力的增幅整体呈减小的趋势，并伴有局部振荡，这可能是由空气阻力造成螺旋桨各个叶素表面拉力不稳定，产生沿桨叶方向微小力矩作用，积累后引起整体拉力脉动。脉冲频率160 Hz时，拉力变为69.760 N，相比未施加等离子体激励时增加了0.43%。由此可以看出，等离子体气动激励提高了螺旋桨拉力；而激励效果随脉冲频率的增加而逐渐减弱，而在脉冲频率较低时可能存在一个最佳脉冲频率（本文中最佳频率为10 Hz）。

由图4(b)中螺旋桨转矩随脉冲频率变化的曲线可以看出，随着脉冲频率的增大，转矩呈无规则跳动。其原因可能是由于螺旋桨前缘与后缘的压差阻力受外界环境的影响较大，流场周围空气流动对前、后缘压差阻力造成了不规则的干扰；此外，桨叶上、下表面的摩擦阻力也是很重要的影响因素。从另一个角度看，除脉冲频率20 Hz以外，其余各点较未施加等离子体激励时脉冲频率均有减小，最大幅度出现在160 Hz处，幅度为1.25%；最小为50 Hz处，幅度为0.04%。虽然转矩随脉冲频率增加呈不规则振荡，但由几个振荡的极低点（分别对应10、40、90、160 Hz）不难推测，螺旋桨拉力增效效果与转矩控制效果呈负相关，即拉力增效明显时，对于转矩的控制能力便会减弱，反之亦然。

图4(c)为螺旋桨效率随脉冲频率变化，可以看出开启激励器后每一个脉冲频率下效率相比未施加等离子体激励时都有所提高。效率同时受拉力和功率的影响，尽管功率呈不规则跳动，但拉力增效效果更加明显，因此效率改善效果整体上随脉冲频率增大而减弱，过程中伴有小幅振荡。其中效率增幅最高值出现在10 Hz处，达到了11.56%；最低值出现于150 Hz处，为1.64%。

2.2 二维实验的结果及分析

风洞等离子增效实验模拟螺旋桨转速为300 r/min，激励器开启，设定占空比为10%，脉冲频率分别为10、40、80、120 Hz时翼型各个相对半径处的拉力值如图5所示，其中黑色线为非激励状态。

由图5可知，开启等离子激励器后，螺旋桨各个叶素拉力均有不同程度的提高，表明等离子体气动激励显著改变了S1223翼型的二维流场。其中相对半径r/R在0.3～0.55范围内时，拉力增效明显，最大增幅出现在r/R=0.45处，其中脉冲频率为40 Hz时拉力增幅达到12.339 N；r/R在0.9～0.975范围内，拉力增效大体呈增强趋势，并于r/R=0.95处达到最大，其中脉冲频率为80 Hz时增幅达到16.453 N；整个实验中拉力最大增加了 40.94%。可见等离子体气动激励有效改变了翼型周围的流场，改善了翼型气动性能。增效效果突出在桨根与桨尖，分析其原因为：桨根处于较大攻角条件下，而桨尖存在较大诱导阻力作用且表面积较小，它们的表面雷诺数较小；相对于中间部位，桨根与桨尖局部流场的流动分离状况更加明显，气动效率较低，可优化的空间较中间部位更大。二维实验的结果可以为三维实验的激励器展向排布提供支持。从实验数据中还发现，在r/R=0.55以及0.9附近拉力出现了降低的情况，其中最大降幅为-2.570 N，相比未施加等离子体激励时降低4.4%；最小降幅为0.034%。分析其原因可能是空气阻力干扰造成实验结果不稳定，有待于进一步探究。

不同脉冲频率下，r/R=0.3～0.35附近，桨根端低频脉冲激励效果稍高于高频，翼型其余部分均为高频脉冲激励效果稍好于低频，但二者差别并不明显。三维实验中螺旋桨拉力随脉冲频率变化大体呈线性规律，但在二维实验中没有体现，可能是由于三维实验中螺旋桨存在表面展向速度以及翼尖诱导速度，这些速度之间或存在某种耦合关系。

3 结论

1）运用低湍流度风洞进行S1223翼型等离子体二维增效实验，基于叶素理论与雷诺相似理论研究了 S1223翼型螺旋桨在低雷诺数环境下的工作特性。结果表明：SDBD等离子体激励优化了S1223翼型二维流场，提高了翼型气动性能，其中拉力最大提高40.94%；桨根与桨尖处拉力提高幅度较大，中间部位激励效果不明显。二维实验结果可为三维实验中激励器展向排布方案提供理论依据。

2）基于翼型雷诺相似以及等离子体射流雷诺相似理论，运用地面螺旋桨实验平台进行了等离子体增效三维实验，模拟ARA-D翼型螺旋桨在平流层低雷诺数环境下的工作状况。结果表明，拉力增幅最大达 10.79%，最小 0.43%；效率增幅最大达11.56%，最小1.64%；等离子体激励效果随脉冲频率的增加而逐渐减弱，在脉冲频率较低时可能存在一个最佳脉冲频率，本文中最佳脉冲频率为10 Hz。

3）2种实验都证明了等离子体射流可以抑制翼型表面流动分离，改善翼型表面流场，提高螺旋桨的工作效率。

（References）

[1]聂万胜, 程钰锋, 车学科.介质阻挡放电等离子体流动控制研究进展[J].力学进展, 2012, 42(6): 722-734 NIE W S, CHENG Y F, CHE X K.A review on dielectric barrier discharge plasma flow control[J].Advances in Mechanics, 2012, 42(6): 722-734

[2]MERTZ B E, CORKE T C.Single-dielectric barrier discharge plasma actuator modelling and validation[J].Fluid Mechanics., 2011, 669: 557-583

[3]程钰锋, 聂万胜.离子体提高平流层螺旋桨气动性能的数值分析[J].核聚变与等离子体物理, 2012, 32(4): 372-378 CHENG Y F, NIE W S.Numerical analysis of the effect of plasma flow control on enhancing the aerodynamic characteristics of stratospheric screw propeller[J].Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2012, 32(4): 372-378

[4]吴云, 李应红.等离子体流动控制研究进展与展望[J].航空学报, 2015, 36(2): 381-405.WU Y, LI Y H.Progress and outlook of plasma flow control[J].Acta Aeronautica ET Astronautica Sinica, 2015, 36(2): 381-405

[5]程钰锋, 李国强, 聂万胜.低雷诺数下螺旋桨翼型非定常气动性能的比较[J].直升机技术, 2012, 170(1): 16-19 CHENG Y F, LI G Q, NIE W S.Comparison study of the propeller aerofoil unsteady aerodynamic characteristics in low Renault Number[J].Helicopter Technique, 2012, 170(1): 16-19

[6]雷光新, 刘巍, 杨涛.平流层飞艇螺旋桨初步设计方法[J].导弹与航天运载技术, 2011(2): 1-4 LEI G X, LIU W, YANG T.Primary design method of stratosphere airship propeller[J].Missiles and Space Vehicles, 2011(2): 1-4

[7]VAN NESS II D K, CORKE T C, MORRIS S C.Tip clearance flow control in a linear turbine cascade using plasma actuation: AIAA2009-3000[R]

[8]VISBAL M R, GAITONDE D V, ROY S.Control of transitional and turbulent flows using plasma-based actuators: AIAA2006-3230[R]

[9]GAITONDE D V, VISBAL M R, ROY S.A coupled approach for plasma-based control simulation of wing section: AIAA2006-1205[R]

[10]程钰锋, 聂万胜, 车学科, 等.等离子体提高螺旋桨桨根翼型气动性能的仿真研究[J].核聚变与等离子体物理, 2012, 32(3): 265-270 CHENG Y F, NIE W S, CHE X K, et al.Numerical study on plasma flow control to enhance the aerodynamic characteristic of the aerofoil on propeller root region[J].Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2012, 32(3): 265-270

[11]李喜乐, 李广佳, 周波, 等.一种新的临近空间螺旋桨地面试验方法[J].实验流体力学, 2015, 29(3): 87-92 LI X L, LI G J，ZHOU B, et al.A new ground test method for near space propeller[J].Journal of Experiments in Fluent Mechanics, 2015, 29(3): 87-92

[12]车学科, 聂万胜, 侯志勇, 等.地面试验模拟高空等离子体流动控制效果[J].航空学报, 2015, 36(2): 441-448 CHE X K, NIE W S, HOU Z Y, et al.High altitude plasma flow control simulation through ground experiment[J].Acta Aeronautica ET Astronautica Sinica, 2015, 36(2): 441-448

[13]周朋辉, 田希晖, 车学科, 等.不同压力下微秒脉冲表面介质阻挡放电流场实验[J].航空动力学报, 2013, 28(12): 2691-2697 ZHOU P H, TIAN X H, CHE X K, et al.Experimental of airflow induced by microsecond pulse surface dielectric barrier discharge under pressure influences[J].Journal of Aerospace Power, 2013, 28(12): 2691-2697

[14]陈庆亚, 田希晖, 聂万胜, 等.平流层螺旋桨等离子体流动控制地面实验方法[J].实验流体力学, 2015, 29(5): 90-96 CHEN Q Y, TIAN X H, NIE W S, et al.Ground experimental method for studying on stratospheric propellor plasma flow control[J]. Journal of Experiments in Fluent Mechanics, 2015, 29(5): 90-96

（编辑：肖福根）

Experimental study of the enhancement of plasma flow control of ARA-D and S1223 propeller airfoils

ZHANG Lizhi1, LI Xiuqian2, CHEN Qingya1, NIE Wansheng2, CHE Xueke2
(1.Graduate School, The Academy of Equipment; 2.Department of Space Equipment, The Academy of Equipment: Beijing 101416, China)

Based on the Reynolds-Similarity Theory, an experiment is carried out for the ARA-D propeller airfoil to study the microsecond pulse plasma flow control supported by the ground test platform for the propeller.It is found that the synergy of the thrust decreases with the increase of the actuation frequency.The thrust increases by 10.79% and the efficiency increases by 11.56%.Based on the Reynolds-Similarity Theory and the Blade Element Theory, an experiment is carried out for the S1223 propeller airfoil to study the enhancement performance of the microsecond pulse plasma flow control supported by the low-turbulence wind tunnel.It is found that the plasma actuation improves the thrust of the blade elements, especially in the root and the tip, and the result provides a theoretical basis for the actuator distribution in the span direction in ARA-D experiments.The results of both experiments show that the plasma jet restrains the boundary layer separation on the airfoil surface effectively.

propeller; plasma; blade element theory; flow control; boundary layer separation

P354.4

：A

：1673-1379(2017)01-0081-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.013

张立志（1992—），男，硕士研究生，研究方向为等离子体流动控制技术；E-mail: zlzsaysffndm@163.com。指导教师：李修乾（1977—），男，副研究员，研究方向为航天推进与流动控制。

2016-10-14；

：2017-01-13

国家自然科学基金项目（编号：11205244）；“高分”专项青年创新基金项目（编号：GFZX04060103-5）

张立志,李修乾,陈庆亚,等.两种翼型螺旋桨ARA-D和S1223的等离子体增效实验研究[J].航天器环境工程, 2017, 34(1): 81-85

ZHANG L Z, LI X Q, CHEN Q Y, et al.Experimental study of the enhancement of plasma flow control of ARA-D and S1223 propeller airfoils[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 81-85