2017, Vol. 38
等离子体流动控制是基于等离子体激励的新型主动流动控制技术，最早应用于高超声速激波减阻，已有几十年的时间，而压气机等离子体流动控制的研究只有十多年的时间。相对于常规主动流动控制手段，等离子体流动控制具有结构简单、无运动部件、响应速度快和激励频带宽等特征[1~3]，对复杂、非定常流动的控制具有明显的优势[1, 3, 4]，在引入到压气机内流控制之后很快受到了国外学者的广泛关注[5~13]。
作者在“九七三”、“八六三”以及国家自然科学基金重点项目支持下，针对高空低雷诺数条件、新一代高负荷压气机面临的关键气动问题，从2004年开始持续开展了压气机等离子体流动控制研究工作，在国际上首次实验验证了等离子体激励抑制压气机失速和三维角区分离的能力，后续结合数值仿真揭示了压气机等离子体流动控制的相关规律和机制[3]。国际上也开展了大量研究工作，Vo[5~7]通过数值仿真发现布置于转子叶顶机匣的等离子体激励能够拓宽压气机稳定工作范围，其作用机制主要是使主流/泄漏流交界面向下游移动，进而抑制叶顶泄漏流由相邻叶片前缘的溢出。GE公司Jothiprasad和Wadia[8, 9]亦通过数值仿真研究了等离子体激励抑制压气机失速的规律和机制，其研究指出布置于转子叶顶机匣的等离子体激励对压气机失速的抑制与转子叶顶负荷系数的降低直接相关。近期的实验研究则进一步验证了等离子体激励抑制压气机失速的能力。Vo[7]所在课题组设计搭建了一个非金属压气机，通过将等离子体激励布置于转子叶顶机匣，初步验证了等离子体激励抑制压气机失速的能力。GE公司Saddoughi[10]则利用布置于转子叶顶上游机匣的多组等离子体激励器使得跨声速压气机失速裕度提高了4%。在压气机失速流动控制之外，等离子体激励亦被应用于静叶三维角区分离的控制。De Giorgi[11, 12]进行了等离子体激励抑制三维角区分离的探索研究，Akcayoz[13]于2016年也发表了等离子体激励抑制三维角区分离的相关研究成果。
在已有研究成果的基础上[14~31]，为进一步将压气机等离子体流动控制推向工程应用，探索合适的应用途径极为关键。Zhang[32]的研究表明，将压气机叶栅几何与流动控制布局进行耦合优化，可以显著提高流动控制效果。参照吸附式压气机研究所积累的经验[33~40]，等离子体激励与压气机气动设计的耦合优化，则可视为提高等离子体激励流动控制能力的一条有效途径。
受吴仲华先生“叶轮机械三元流动理论”的启发，在前期压气机等离子体流动控制研究的基础上，作者进一步提出等离子体激励式压气机的概念[41]，将等离子体激励融入到S1，S2流面压气机气动设计之中，以释放常规压气机设计中失速裕度、负荷极限以及效率等因素的约束。
本文阐述了等离子体激励式压气机的概念、梳理了作者有关压气机等离子体流动控制研究的若干进展，旨在探讨等离子体流动控制在新一代高负荷压气机中应用的前景和研究趋势。
2 等离子体激励式压气机传统的压气机设计或研究中，流动控制技术一般是作为补救性的手段，以弥补前期气动设计中的不足，进而获得预期的气动负荷、工作效率和稳定裕度，这在一定程度上会限制流动控制效能的发挥。早期吸附式压气机的发展[33~40]，以及近期压气机叶栅几何与流动控制耦合优化研究[32]表明，融合流动控制手段的压气机气动设计可以显著提升流动控制的效能，使原来的不可能变成可能。等离子体激励式压气机概念的内涵，是将等离子体激励作为一个独立设计变量融入压气机气动设计，在提升等离子体流动控制效能的同时，设计空间显著拓宽，设计复杂性也显著增加。等离子体激励式压气机的主要技术特征是，通过等离子体激励与几何造型的耦合优化，实现对附面层、分离流、泄漏流等典型流动的高效宽范围调控，以减弱常规压气机设计中失速裕度、负荷极限以及效率等因素的约束。典型技术途径如下：
（1）等离子体激励与造型耦合优化，调控转子叶尖泄漏流动，拓宽稳定裕度
等离子体激励与转子叶顶造型耦合优化的机制如图 1所示。将等离子体激励器的位置、形状和转子叶顶叶型中弧线形式、厚度分布以及进出口金属构造角等参数进行耦合优化，将泄漏流控制在叶片通道内部，抑制其由相邻叶片前缘的溢出，减弱相应的流动堵塞，进而同时获得高的转子叶顶负荷和宽的压气机稳定工作裕度。
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Fig. 1 Mechanism behind the coupling optimization of the rotor tip modeling and the plasma actuation |
（2）等离子体激励与造型耦合优化，调控端壁角区分离流动
等离子体激励调控端壁角区流动的两种机制如图 2所示。根据图 2（a），在吸力面施加等离子体激励，抑制吸力面附面层的提前转捩，减小吸力面附面层的厚度，可以降低三维角区分离的尺度和流动损失；根据图 2（b），在端壁施加等离子体激励，促进端壁附面层的提前转捩，增强其抵抗逆压梯度的能力，亦可降低三维角区分离的尺度和流动损失。
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Fig. 2 Two mechanisms to suppress the corner separation through changing the boundary layer flow state with plasma actuations |
基于图 2中等离子体激励抑制三维角区分离的两种机制，对于吸力面激励，将等离子体激励器的位置、形状和静子叶型中弧线形式、厚度分布以及进出口金属构造角等参数进行耦合优化，抑制吸力面附面层的提前转捩，进而有效减弱三维角区分离对压气机性能的不利影响；对于端壁激励，将等离子体激励器的位置、形状和端壁修型相关设计参数进行耦合优化，促进端壁附面层的提前转捩，进而有效减弱三维角区分离对压气机性能的不利影响。
（3）等离子体激励与造型耦合优化，调控叶型二维绕流
位于叶片前缘的等离子体激励对于大正攻角和常规攻角下二维叶型绕流的影响如图 3所示。大正攻角下，等离子体激励通过促进吸力面附面层转捩，增强其抵抗逆压梯度的能力，推迟失速的产生，进而拓宽压气机的稳定工作范围；在常规攻角下，等离子体激励通过抑制吸力面附面层转捩，减小湍流附面层所带来的流动损失，进而提高压气机的工作效率。
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Fig. 3 Effects of the leading edge plasma actuation on the airfoil performances at big positive and normal incidence angles |
对于叶片前缘的吸力面激励，将等离子体激励器的位置、形状与激励形式和叶型中弧线形式、厚度分布以及进出口金属构造角等参数进行耦合优化，抑制或促进吸力面附面层的转捩，可有效提高压气机的工作效率和稳定工作范围。叶片前缘的吸力面激励与造型的耦合优化，亦可提高叶片的气动鲁棒性，减弱加工、使用和维护过程前缘型面变化对叶片气动性能的影响。
3 压气机等离子体流动控制若干进展等离子体激励式压气机的概念，源于压气机等离子体流动控制的研究成果。下面简要梳理作者团队有关压气机等离子体流动控制研究的若干进展，以展示等离子体激励式压气机设计的理论和方法基础。
3.1 等离子体激励拓宽压气机稳定裕度对于新一代高负荷压气机，转子叶顶负荷一般较高，故旋转失速往往起始于转子叶顶泄漏流和吸力面流动分离[42, 43]。在转子叶顶机匣处施加等离子体激励，提高叶顶流场轴向动量，可以有效抑制压气机旋转失速的发生。
等离子体激励对压气机叶顶泄漏流引起流动损失以及压气机失速裕度的影响如图 4（a），（c）所示，图 4（b），（d）同时给出了等离子体激励对叶顶流场轴向动量的影响。可以发现等离子体激励改善压气机叶顶泄漏流动、拓宽稳定工作范围的关键在于提高流场轴向动量，即具有最佳流动控制效果的激励布局使得叶顶流场轴向动量增加最多；等离子体激励的最佳位置则与泄漏流的形态密切相关，即具有最佳流动控制效果的激励位置由主流/泄漏流交界面所决定。
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Fig. 4 Effects of the plasma actuation on the compressor cascade tip leakage flow loss as well as compressor stall and the corresponding variance of the tip flow axial momentum |
压气机转子叶顶泄漏流的形态与其负荷水平直接相关，优化转子叶顶叶型气动参数，使得其负荷特征发生改变，进而可以显著改变泄漏流的流动形态[44, 45]。通过等离子体激励与转子叶顶造型的耦合优化，则有可能获得兼顾气动负荷和稳定裕度的最优气动布局。
3.2 非定常等离子体激励拓宽压气机稳定裕度定常等离子体激励作用于流场的体积力为恒定值，非定常等离子体激励则产生周向分布不均或随时间变化的体积力作用于流场之中，典型的定常和非定常等离子体激励布局如图 5（a），（b）所示。
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Fig. 5 Steady and unsteady plasma actuation layouts |
定常和非定常等离子体激励对压气机动态失速过程的影响如图 6所示，A2点为施加等离子体激励的时刻。如图 6（a）所示，在定常等离子体激励作用下，压气机流量系数仍随时间的推移逐渐降低，最终进入稳定的失速状态，即定常等离子体激励并不能有效抑制压气机动态失速过程。如图 6（b）所示，变定常激励为非定常激励，在A2点施加等离子体激励之后，压气机流量系数开始不断增加，最终脱离失速、进入正常工作状态，即非定常激励对于压气机失速的抑制具有更强的流动控制能力。
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Fig. 6 Effects of the steady and unsteady plasma actuation layouts on the compressor dynamic stalling procedure |
对于高度非定常和复杂的压气机内部流动的控制，激励布局（激励周期、激励形式等）应作为独立的变量加入到压气机造型和等离子体激励的耦合优化之中，以利用非定常激励与控制对象的耦合作用提高等离子体流动控制能力。
3.3 等离子体激励调控二维叶型分离流动纳秒脉冲等离子体激励对二维叶型分离流动的调控如图 7所示。高速压气机叶栅吸力面等离子体激励布局如图 7（a）所示，根据图 7（b）来流马赫数为0.7时，在压气机叶栅吸力面施加纳秒脉冲等离子体激励，在大攻角下可抑制二维叶型流动分离，减小栅后流动损失。高速翼型前缘等离子体激励布局如图 7（c）所示，根据图 7（d）来流马赫数为0.5时，在二维翼型前缘施加纳秒脉冲等离子体激励，可以显著增大失速攻角。
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Fig. 7 Effects of the nanosecond pulsed plasma actuation on the separation of the compressor cascade and airfoil blade profile[28] |
纳秒脉冲等离子体激励对高速压气机叶栅和二维翼型流动分离的抑制，来源于对吸力面附面层的调控，通过促进吸力面附面层转捩、诱导旋涡，增强了其抵抗逆压梯度的能力，进而削弱了二维大尺度流动分离。
通过将压气机叶片造型与等离子体激励参数耦合优化，可显著提高等离子体激励流动控制能力，确保吸力面附面层流动处于最佳状态，进而获得可用攻角范围更宽的高效叶型。
4 结论本文首先阐述了等离子体激励式压气机的概念，之后梳理了有关压气机等离子体流动控制的若干研究成果，总结如下：
（1）等离子体激励式压气机概念的内涵，是将等离子体激励作为一个独立的设计变量融入压气机气动设计。典型的技术途径包括：等离子体激励与造型耦合优化，调控转子叶尖泄漏流动，拓宽稳定裕度；等离子体激励与造型耦合优化，调控端壁角区分离流动；等离子体激励与造型耦合优化，调控叶型二维绕流。
（2）等离子体激励通过提高叶顶流场轴向动量，抑制泄漏流的发展，可拓宽压气机稳定工作范围。等离子体激励与转子叶顶造型的耦合优化，实现对叶顶泄漏流的高效控制，有可能获得兼顾气动负荷和稳定裕度的最优气动布局。
（3）变定常激励为非定常激励，可提高其抑制压气机失速的能力。对于高度非定常和复杂的压气机内部流动的控制，激励布局（激励周期、激励形式等）应作为独立的变量加入到压气机造型和等离子体激励的耦合优化之中，以利用非定常激励与控制对象的耦合作用提高等离子体流动控制能力。
（4）纳秒脉冲等离子体激励通过促进吸力面附面层转捩、诱导旋涡，可实现对高速压气机叶栅和二维翼型流动分离的抑制。将压气机叶片造型与等离子体激励参数耦合优化，可显著提高等离子体激励流动控制能力，进而获得可用攻角范围更宽的高效叶型。
致谢 感谢北京航空航天大学于贤君老师和西北工业大学韩忠华老师与作者的讨论。
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