[发明专利]一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置及方法。

背景技术

基于介质表面放电等离子体的气动激励是一种新概念主动流动控制技术，可显著改善飞行器/动力装置的气动特性，已成为等离子体应用技术和空气动力学等交叉领域的研究前沿热点。等离子体流动控制在控制流场附面层、分离流、剪切流、激波，以及抑制失速分离和减小流动阻力等方面都有明显的效果。等离子体流动控制技术作为一种新颖独特的主动控制方法诞生于上世纪90年代，Roth等利用大气压均匀辉光放电等离子体的专利技术最早开展了边界层控制、紊流减阻、翼型大攻角分离等方面的研究。近年来，包括美国、欧洲在内的约30个研究组都开展了等离子体的空气动力学应用研究。

目前对等离子体流动控制激励器的研究以应用试验和模拟计算为主。相比国外而言，国内研究比较注重相关的数值模拟研究，实验研究主要以高频高压电源激励。研究发现，提高等离子体气动激励使用寿命、扩大等离子体与来流之间的相互作用区域对实际应用具有直接的影响。因此，获得低能耗、高浓度的大面积低温等离子体，提高等离子体气动激励的能量利用率，对于提高等离子体气动激励在主动流体控制领域的应用具有重要意义。

等离子体流动控制能力主要受激励器结构和激励源两个因素影响。激励器结构决定了产生等离子体的放电形式，目前国内外的研究中利用等离子体进行主动流动控制常采用的放电形式主要包括直流电晕放电、等离子体合成射流和表面介质阻挡放电(SDBD)等。其中电晕放电等离子体的两个电极位于同一表面，均不覆盖绝缘层，放电不稳定，但电晕电动效率高且装置简单。SDBD是目前最常用的等离子体流动控制方法，与电晕放电相比，SDBD产生的等离子体更均匀，控制效果更好。另外，基于SDBD技术的等离子体激励器具有结构简单、无运动部件、响应迅速且阻力小等优点是最具有发展前景的一种等离子体激励器结构。常规的SDBD激励器是将金属电极紧贴于绝缘介质相对的两个表面，使得放电集中在介质表面发生，放电产生的等离子体对介质表面的气流具有诱导和控制作用。目前研究中采用的SDBD激励器多为常规的两电极激励器结构，且高压电极和地电极多采用条形电极。专利CN 103410680B将由暴露电极、植入电极和介质阻挡层组成的等离子体激励器光滑安装在风力发电机叶片表面，通过放电产生的等离子体对环境空气产生冲击、加速作用和加热作用，实现了对风力发电机叶片表面的流动分离抑制。专利CN 205051958 U采用一种包含氧化铝陶瓷介质板并在介质板上表面布置金属丝网结构，下面表面设置导电涂层结构的等离子体激励器，实现了较稳定的放电以及较低的能耗。专利CN 1777347A采用一种电晕耦合介质阻挡放电装置实现了在较低电压条件下使得微放电均匀稳定的分布在整个放电空间。专利CN 104185354A利用一个表面电极和两个植入介质体内部电极激励器结构，提高了诱导的壁面射流速度，但是过高的输入电压会损坏绝缘介质。近年来，在电极结构方面，除了常规的电极结构，多对电极以及优化电极的布置形式，如锯齿形电极、倒圆形电极均对增强激励器效果有帮助。Antoine Debien等采用直径为μm量级的细丝状电极作为暴露电极对诱导的体积力和电离风进行了测量，最高诱导速度明显提升达到了10.5m/s(Debien A,Benard N,Moreau E.Streamer inhibition for improving force and electric wind produced by DBD actuators[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2012,45(21):215201.)。Liang Yang等采用铜网状的高压电极形状，诱导出了较大的体积力(Yang L,Yan H J,Qi X H,et al.Geometry Effects of SDBD Actuator on Atmospheric-Pressure Discharge Plasma Airflow Acceleration[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2015,43(10):3653-3661.)。赵光银等对锯齿形SDBD激励器放电特性进行了研究，高压电极为锯齿形的激励器具有较高的放电电流、瞬时放电功率以及放电能量并且锯齿形激励器表面的局部最高温度高于典型条形电极激励器(赵光银,李应红,方浩百,等.锯齿形等离子体激励器纳秒脉冲放电及红外辐射温度特性[J].高电压技术,2014,7:023.)。姜家文等研究了不同形状暴露电极下平板介质阻挡放电特性，发现锯齿状电极和普通条形电极的最大不同之处在于可以诱导出三维方向上的射流(姜家文,田希晖,陈庆亚,等.基于光强分布的SDBD暴露电极形状优化实验[J].高电压技术,2016,42(3):843-848.)。Joussot等对锯齿状SDBD激励器放电产生的等离子体形态和诱导的气流特性进行了研究，研究表明锯齿状电极放电可产生弯曲的放电细丝，进而诱导出三维的流动形态(Joussot R,Leroy A,Weber R,et al.Plasma morphology and induced airflow characterization of a DBD actuator with serrated electrode[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2013,46(12):125204.)。Forte等的研究表明具有局部尖锐暴露电极可以显著提高SDBD激励器诱导的推力(Forte M,Jolibois J,Pons J,et al.Optimization of a dielectric barrier discharge actuator by stationary and non-stationary measurements of the induced flow velocity:application to airflow control[J].Experiments in Fluids,2007,43(6):917-928.)。专利CN102602541A通过在机翼表面安装H型激励器并采用高频高压电源激励提升了飞行器的气动特性。