沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、等離子體流動(dòng)控制技術(shù)通常是指通過等離子體在電磁場(chǎng)作用下誘導(dǎo)產(chǎn)生氣流運(yùn)動(dòng)或通過氣體放電產(chǎn)生溫度、氣壓的變化，以及一些粘性、熱傳導(dǎo)特性的改變對(duì)流場(chǎng)實(shí)施的一種可控?cái)_動(dòng)。等離子體氣動(dòng)激勵(lì)作為一種新型主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、安裝方便、不改變飛行器既有氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)、能耗低、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)，在改善飛行器空氣動(dòng)力特性方面具有廣闊的應(yīng)用前景。沿面介質(zhì)阻擋放電（SurfaceDielectric Barrier Discharge，SDB

2、D）等離子體激勵(lì)器作為一種最基礎(chǔ)的等離子體流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為近十幾年來的熱門研究課題之一。SDBD等離子體中帶電粒子在電場(chǎng)作用下加速，并通過碰撞與中性氣體分子進(jìn)行動(dòng)量傳遞產(chǎn)生電流體動(dòng)力(Electro-hydro-dynamic，EHD)效應(yīng)，誘導(dǎo)壁面氣流加速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生離子風(fēng)，使其具有了流動(dòng)控制的能力。
　　然而誘導(dǎo)氣流速度較低，僅有數(shù)米每秒，難以滿足飛行器實(shí)際應(yīng)用需求。為了使等離子體激勵(lì)器能有效應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域，必須對(duì)SD

3、BD等離子體激勵(lì)器性能進(jìn)行優(yōu)化，提升其EHD效果，同時(shí)也需要深入探究EHD效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，為進(jìn)一步性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。SDBD激勵(lì)器表面電荷積累是影響放電的一個(gè)主要因素，同時(shí)也是影響激勵(lì)器EHD特性的一個(gè)重要因素。通過表面電荷積累的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)器性能的提升。本文以開放大氣中沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器為研究對(duì)象，以其表面電荷積累為主線，以激勵(lì)器性能提升及機(jī)理探究為目的，開展了以下工作:
　　1.搭建了SDBD等離子體激勵(lì)器

4、流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在大氣壓開放空氣環(huán)境中采用介質(zhì)阻擋放電的方式產(chǎn)生了均勻穩(wěn)定的沿面等離子體層，并實(shí)現(xiàn)了等離子體放電特性以及氣動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)診斷。設(shè)計(jì)了一種新型大氣壓等離子體表面電勢(shì)探針測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了SDBD等離子體激勵(lì)器表面電勢(shì)平均值空間分布測(cè)量及固定點(diǎn)電勢(shì)時(shí)間演化測(cè)量。該探針借助激勵(lì)器驅(qū)動(dòng)高壓產(chǎn)生針尖電暈放電，并利用電暈放電產(chǎn)生的微弱導(dǎo)電通道將沿面放電等離子體接入了測(cè)量回路，通過高壓探頭和數(shù)字示波器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SDBD等離子體表面電勢(shì)的

5、測(cè)量并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過測(cè)量回路中阻抗原件的匹配可以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度及較快的時(shí)間響應(yīng)，配合數(shù)控位移臺(tái)可以快速實(shí)現(xiàn)表面電勢(shì)空間分布測(cè)量。該探針系統(tǒng)相對(duì)于商業(yè)化的靜電伏特計(jì)具有安裝使用方便、抗高壓擊穿能力強(qiáng)、空間分辨能力高、時(shí)間響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。
　　2.采用了一種交流與直流雙高壓方式驅(qū)動(dòng)SDBD激勵(lì)器，在交流放電的基礎(chǔ)上通過直流偏壓調(diào)控激勵(lì)器介質(zhì)板上表面電勢(shì)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)離子加速電場(chǎng)的提升，進(jìn)而提升EHD效果。利用電學(xué)診斷系統(tǒng)及ICCD

6、快速拍照研究了雙高壓模式的放電特性，并利用自主設(shè)計(jì)的表面電勢(shì)探針測(cè)量了激勵(lì)器表面電勢(shì)分布的變化規(guī)律，同時(shí)用天平、皮托管、紋影儀等儀器對(duì)誘導(dǎo)氣流特性做了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，著重分析了直流偏壓對(duì)表面電勢(shì)的影響以及電勢(shì)對(duì)EHD效果的影響。放電特性測(cè)量結(jié)果表明交流放電具有顯著的正負(fù)半周期不對(duì)稱性，直流偏壓的引入對(duì)等離子體放電特性影響極小。通過表面電勢(shì)測(cè)量發(fā)現(xiàn)SDBD放電會(huì)在激勵(lì)器介質(zhì)板表面產(chǎn)生一個(gè)有利于負(fù)離子加速的正電勢(shì)分布，而放電不對(duì)稱性是產(chǎn)生這一電勢(shì)

7、分布的主要原因。直流偏壓的引入會(huì)使原有的電勢(shì)分布產(chǎn)生整體的便置，但是對(duì)等離子體自身產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)影響很小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)電極邊緣處存在一個(gè)類鞘層結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)外加直流偏壓起到一定的屏蔽作用。推力測(cè)量結(jié)果顯示，在上電極施加正直流偏壓會(huì)減弱EHD力，而負(fù)直流偏壓則可以有效提升EHD力。電極邊緣處類鞘層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電勢(shì)屏蔽作用會(huì)對(duì)EHD力的提升產(chǎn)生影響。通過皮托管測(cè)得的流場(chǎng)分布數(shù)據(jù)以及紋影圖像可以看出，直流電場(chǎng)在等離子體區(qū)域加速效果較弱，但是在遠(yuǎn)離放電區(qū)域

8、的地方對(duì)氣流加速度的作用比較明顯，這可能是由于等離子體的導(dǎo)電性所致，外加直流偏壓產(chǎn)生的電勢(shì)差主要作用于離子密度較低的遠(yuǎn)處尾流區(qū)域。
　　3.通過脈沖誘導(dǎo)擊穿方式對(duì)SDBD等離子體激勵(lì)器性能進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)了一種交流與脈沖雙高壓驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)器，在激勵(lì)器下電極施加交流高壓，上電極施加脈沖高壓，并通過外觸發(fā)控制，實(shí)現(xiàn)了正弦波交流高壓與納秒脈沖高壓的相位同步疊加，產(chǎn)生一種脈沖增強(qiáng)型SDBD放電。通過推力測(cè)量對(duì)其產(chǎn)生的EHD效果提升做了詳細(xì)的

9、實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果顯示，在交流波谷處施加正脈沖高壓可以顯著增強(qiáng)EHD效果，相比于相同電壓下純交流放電，推力提升可達(dá)三倍，而且推力效率也可以提升一倍。推力隨脈沖觸發(fā)頻率的增長呈現(xiàn)非線性規(guī)律。此外，本文在放電特性、等離子體演化特性以及表面電勢(shì)特性等多方面進(jìn)行了診斷，對(duì)EHD效果提升機(jī)理做了研究。結(jié)果顯示，正脈沖高壓施加于交流波谷會(huì)在脈沖上升沿處產(chǎn)生一次較強(qiáng)的脈沖誘導(dǎo)擊穿放電，但是在脈沖下降沿處則不會(huì)發(fā)生明顯的放電。因此整個(gè)脈沖放電過程會(huì)向激勵(lì)器

10、表面注入正電荷，而且可以在介質(zhì)層表面脈沖放電延伸范圍內(nèi)產(chǎn)生電荷積累。電極附近的額外的表面電荷積累可以增強(qiáng)隨后交流放電的電場(chǎng)強(qiáng)度，產(chǎn)生一次交流類輝光放電的增強(qiáng);距離電極較遠(yuǎn)處的電荷不會(huì)被交流反向放電中和，可以產(chǎn)生一定的亞宏觀積累效果，提升等離子體下游電勢(shì)。通過數(shù)據(jù)分析，可以得出脈沖對(duì)EHD的增強(qiáng)效果主要來自兩個(gè)方面，一是正脈沖高壓會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)表面電荷積累，增強(qiáng)下一交流周期中的類輝光放電;二是脈沖高壓可以顯著提升下游等離子體區(qū)域的電勢(shì)，而對(duì)電