程林 杨晓强 贺强

【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

在流体力学研究领域，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技術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。

图3 等离子体合成射流激励器PIV流场观测结果[30]

目前高速纹影是学者们较为常用的等离子体合成射流激励器流场观测技术。典型的射流流场纹影观测图如图4所示[31]。流场结构一般由前方压缩波、反射压缩波、射流组成。激励器产生的是一种高温射流，密度梯度明显。因此，高速纹影技术在射流流场观测中具有较为明显的优势，但无法进行定量分析，仅能作为定性的流场分析工具。

图4 典型等离子体合成射流流场纹影图[31]

学者们相继开展了激励器电参数、几何参数、环境参数的参数化研究工作[32-39]。空军工程大学李应红等开展了电参数对激励器流场特性影响的参数化研究[32]。实验发现，工作频率低于400Hz，射流速度稳定在97m/s。射流频率达到500Hz时，射流速度出现较大的下降，速度降为90m/s。此后随着频率增高，速度基本保证稳定。实验同时发现，在条件不变的情况下，在两个较强射流之间往往会出现较弱的一次射流。随着工作频率升高，不稳定的情况逐渐增多。

国防科技大学王林等研究了激励器几何参数和环境参数对流场特性的影响[35]。实验发现小的出口更容易获得更高的射流速度，腔体体积对流场演化、射流时间、初始射流速度均有较大的影响[35]。

能量转化效率是衡量激励器实际应用能力的重要参数。基于此，国内外学者相继开展了能量转化效率的研究[40-42]。Haack等运用显微纹影技术、气压测量、电压测量研究激励器的工作状态，发现在大气压条件下激励器的工作效率约为20%-30%[40]。

Belinger等发现容性电源相较感性电源更容易获得更高的能量沉积率，可以获得较快的射流速度[43]。随着等离子体合成射流激励器研究工作的不断推进，为了提高激励器工作效率和实际应用能力，近几年相继出现了三电极[44]、纳秒脉冲[45-46]、“补气式”[47]等新型激励器形式。王林等首先提出了三电极激励器的概念 [44]。

空军工程大学宗豪华、李应红等提出了纳秒脉冲激励器[45-46]。纳秒脉冲电源的瞬间加热效应极为剧烈，能量沉积率较高，可以获得更高的射流速度。同时由于瞬间的剧烈反应，激励器的冲击效应也更强。

佛罗里达州立大學Thomas提出了一种“补气式”激励器 [47]。实验表明“补气式”激励器可以有效地缩短激励器吸气还原的时间，提高激励器工作的频率，并且保证每次射流输出动量的稳定。

四、等离子体合成射流流动控制应用研究

等离子体合成射流激励器由于出流速度大，输入动量能力强，常用于超声速流动控制。Narayanaswamy等于2010年提出了一种用于超声速流动控制的高频激励器[49]。该激励器可以在5kHz的工作频率时稳定工作，射流速度高达300m/s，在超声速流动控制中有很好的应用前景。

Narayanaswamy利用之前设计的激励器开展了控制超声速压缩拐角流动分离控制实验[49]。实验发现当激励器工作频率大于2KHz时，可以有效的抑制分离激波的不稳定性，压力脉动范围减少了30%。

Greene首先开展了运用等离子体合成射流激励器控制入射激波边界层干扰[50]。实验由激波发生器产生一道入射激波，并与下边界层相互干扰。实验中使用三个激励器进行控制实验。实验发现由于激波引起的总压损失并没有太大的变化。

图5 入射激波边界层干扰流动控制实验装置[50]

【参考文献】

[1]Fundamentals and applications of modern flow control [M]. American Institute of Aeronautics and Astronautics.2005：1～2.

[2]张锡金. 飞机设计手册第6册气动设计[M].北京：航空出版社， 2012：86～86.

[3]Lee C， Hong G， Ha Q. A piezoelectrically actuated micro synthetic jet for active flow control [J].

Sensors and Actuators A： Physical， 2003， 108（1-3）： 168-174.

[4]Smith B L. Synthetic jets and their interaction with adjacent jets [D]. Atlanta： Georgia Institute of Technology （PhD） ， 1999.

[5]Chen Y， Liang S， Aung K， et al. Enhanced mixing in a simulated combustor using synthetic jet actuators [R]. AIAA 1999-0449，1999.

[6]Gilarranz J L. Development of high-power， compact synthetic jet actuators for flow separation control [D]. Texas A&M University （PhD）， 2001.

[7]Li Y， Ming X. Control of 2D jets using mininature zero mass flux jets [J]. Chinese Journal of Aeronautics， 2000， 13（3）： 129-133.

[8]Zdenek T， Vaclav T. Annular synthetic jet used for impinging flow mass-transfer [J]. Int. Journal of Heat and Mass Transfer， 2003， 46（17）： 3291-3297.

[9]李斌斌. 合成射流及在主動流动控制中的应用[D].南京航空航天大学（博士学位论文），2012

[10]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.

[11]克拉尔. 等离子体物理学原理[M]. 北京：原子能出版社， 1983：3～4.

[12]Starikovskiy A， Aleksandrov N. Nonequilibrium plasma aerodynamics [M]. Rijeka： InTech， 2011：55-96.

[13]Roth J R， Sherman D M， Wilkinson S P. Boundary layer flow control with a one atmosphere uniform glow discharge surface plasma [R]. AIAA-1998-0328， 1998..

[14]Whalley R D， Choi K S. The starting vortex in quiescent air induced by dielectric-barrier-discharge plasma [J]. Journal of Fluid Mechanics， 2012， 703： 192-203.

[15]Deblena ， Benard N， Moreau E. Streamer Inhibition for improving force and electric wind produced by DBD actuators [J]. Journal of Physics D： Applied Physics ， 2012 ， 44（21）：215201

[16]Little J， Takashima K， Nishihara M， et al. Separation control with nanosecond-pulse-driven dielectric barrier discharge plasma actuators[J]. AIAA journal， 2012， 50（2）： 350-365.

[17]Corke T C， Enloe C L， Wilkinson S P. Dielectric barrier discharge plasma actuators for flow control [J]. Annual Review of Fluid Mechanics， 2010， 42： 505-529.

[18]Schatzman D M， Thomas F O. Turbulent boundary-layer separation control with single dielectric barrier discharge plasma actuators [J]. AIAA journal， 2010， 48（8）： 1620-1634.

[19]Post M L， Corke T C. Separation control on high angle of attack airfoil using plasma actuators [J]. AIAA journal， 2004， 42（11）： 2177-2184.

[20]Im S， Do H， Cappelli M A. Dielectric barrier discharge control of a turbulent boundary layer in a supersonic flow [J]. Applied Physics Letters， 2010， 97（4）： 041503.

[21]Nishihara M， Takashima K， Rich J W， et al. Mach 5 bow shock control by a nanosecond pulse surface dielectric barrier discharge [J]. Physics of Fluids （1994-present）， 2011， 23（6）： 066101.

[22]Wu Y， Li Y H， Liang H， et al. Nanosecond pulsed discharge plasma actuation： characteristics and flow control performance [R]. AIAA-2014-2118， 2014.

[23]Falempin F， Firsov A A， Yarantsev D A， et al. Plasma control of shock wave configuration in off-design mode of M= 2 inlet [J]. Experiments in Fluids， 2015， 56（3）： 1-10.

[24]Utkin Y G， Keshav S， Kim J H， et al. Development and use of localized arc filament plasma actuators for high-speed flow control [J]. Journal of Physics D： Applied Physics， 2006， 40（3）： 685.

[25]Caraballo E， Webb N， Little J， et al. Supersonic inlet flow control using plasma actuators [J]. AIAA-2009- 924， 2009.

[26]Webb N， Clifford C， Samimy M. Preliminary results on shock wave/boundary layer interaction control using localized arc filament plasma actuators[R]. AIAA-2011-3426， 2011.

[27]Webb N， Clifford C， Samimy M. Control of oblique shock wave/boundary layer interactions using plasma actuators [J]. Experiments in fluids， 2013， 54（6）： 1-13.

[28]J Reece R， Daniel M S， Stephen P W. Boundary Layer Flow Control With a One Atmosphere Uniform Glow Discharge Surface Plasma [M]. AIAA， 1998.

[29]Grossman K R， Cybyk B Z， VanWie D M. Sparkjet actuators for flow control [R]. AIAA-2003-57， 2003.

[30]Laurendeau F， Léon O， Chedevergne F， et al. PIV and Electric Characterization of a Plasma Synthetic Jet Actuator[R]. AIAA-2015-2465， 2015.

[31]Kale N V， Dutton J C， et al. Experimental characterization of a pulsed plasma jet[J]. AIAA journal， 2013， 51（8）： 2027-2031.

[32]Di J， Yinghong L， Min J， et al. Experimental characterization of the plasma synthetic jet actuator [J]. Plasma Science and Technology， 2013， 15（10）： 1034.

[33]Sary G， Dufour G， Rogier F， et al. Modeling and parametric study of a plasma synthetic jet for flow control [J]. AIAA Journal， 2014， 52（8）： 1591-1603.

[34]王林， 夏智勛， 罗振兵， 等. 两电极等离子体合成射流激励器工作特性研究[J]. 物理学报， 2014， 63（19）： 194702-194702.

[35]王林. 等离子体高能合成射流及其超声速流动控制机理研究[D]. 国防科学技术大学， 2014.

[36]周岩， 刘冰， 王林， 等. 两电极等离子体合成射流性能及出口构型影响仿真研究 [J]. 空气动力学学报， 2015， 33（06）： 799-805.

[37]Zong H， Wu Y， Jia M， et al. Influence of geometrical parameters on performance of plasma synthetic jet actuator [J]. Journal of Physics D： Applied Physics， 2015， 49（2）： 025504.

[38]Belinger A， Hardy P， Gherardi N， et al. Influence of the spark discharge size on a plasma synthetic jet actuator [J]. Plasma Science， IEEE Transactions on， 2011， 39（11）： 2334-2335.

[39]Zong H， Wu Y， Song H， et al. Investigation of the performance characteristics of a plasma synthetic jet actuator based on a quantitative Schlieren method [J]. Measurement Science and Technology， 2016， 27（5）： 055301.

[40]Haack S J， Taylor T M， Cybyk B Z， et al. Experimental estimation of sparkjet efficiency[C]//42nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. 2011， 3.

[41]Golbabaei-Asl M， Knight D， Wilkinson S. Novel technique to determine SparkJet efficiency [J]. AIAA Journal， 2014， 53（2）： 501-504.

[42]Popkin S H， Cybyk B Z， Foster C H， et al. Experimental Estimation of SparkJet Efficiency [J]. AIAA Journal， 2016： 1831-1845.

[43]Belinger A， Hardy P， Barricau P， et al. Influence of the energy dissipation rate in the discharge of a plasma synthetic jet actuator [J]. Journal of Physics D： Applied Physics， 2011， 44（36）： 365201.

[44]Wang L， Xia Z， Luo Z， et al. Three-electrode plasma synthetic jet actuator for high-speed flow control [J]. AIAA Journal， 2013， 52（4）： 879-882.

[45]宗豪華， 宋慧敏， 梁华， 等. 纳秒脉冲等离子体合成射流特性实验研究[J]. 推进技术， 2015， 36（10）： 1474-1478.

[46]Wu Y， Li Y H， Liang H， et al. Nanosecond pulsed discharge plasma actuation： Characteristics and flow control performance[R]. AIAA-2014-2118， 2014.

[47]Thomas M E. Sparkjet Development And Characterization For High Speed Flow Control [D]. The Florida State University， 2013.

[48]Narayanaswamy V， Raja L L， Clemens N T. Characterization of a high-frequency pulsed-plasma jet actuator for supersonic flow control [J]. AIAA journal， 2010， 48（2）： 297-305.

[49]Narayanaswamy V， Raja L L， Clemens N T. Control of unsteadiness of a shock wave/turbulent boundary layer interaction by using a pulsed-plasma-jet actuator [J]. Physics of Fluids （1994-present）， 2012， 24（7）： 076101.

[50]Greene B R， Clemens N T， Magari P， et al. Effect of Pulsed Plasma Jets on Boundary Layer Recovery Downstream of a Reflected Shock Wave-Boundary Layer Interaction [R]， AIAA-2015-2343， 2015.