[发明专利]一种提高表面DBD激励器诱导射流速度的装置及方法

说明书

提供一种三电极式布局DBD激励器，由高压电极(①)、地电极(②)、第三电极(③)和阻挡介质层(④)四部分组成。基于此，提供一种提高表面DBD激励器诱导射流速度的装置，包括短脉冲高压高频等离子体电源(⑤)、三电极式布局DBD激励器、偏置高压直流源(⑥)。还提供一种提高表面DBD激励器诱导射流速度的方法。该方法显著提升了等离子体诱导射流速度，放电诱导近壁面射流可达10m/s以上。

技术领域

本发明涉及介质阻挡放电等离子体技术和空气动力学领域，具体涉及一种提高表面DBD激励器诱导射流速度的方法。

背景技术

20世纪90年代以来，等离子体流动控制技术，作为一种新概念主动流动控制技术，在提升飞行器和发动机气动特性方面具备良好的优势和潜力，其主要特点有：响应迅速、无运动部件、激励频带宽、激励装置易于布置。目前，国际上研究最为广泛的是高压正弦波作用下产生的表面介质阻挡放电(DBD)等离子体气动激励。激励器由表面裸露电极、掩埋电极和中间绝缘阻挡介质层构成，其基本典型布局为绝缘介质两侧布置非对称电极，上表面电极接通等离子体电源的高压输出端，下表面电极接通等离子体电源的接地端，当升高电极两端的电压超过一定的阈值，电极附近的空气被击穿电离形成等离子体，等离子体中的带电粒子在电场的作用下运动，通过离子与中性气体分子的碰撞，诱导近壁面气体的宏观加速，形成近壁面气体射流，用于飞机在飞行过程中的流动控制。

目前DBD激励器诱导的速度不高，小于10m/s。国内外，就DBD激励器的结构优化、电源波形优化等进行了研究，目前的DBD诱导速度，还没有达到实际飞机/机翼绕流控制需要的射流速度，尤其是还不满足小迎角下翼面减阻、环量控制方面的需求。

根据驱动电压时间尺度和波形不同，可分为毫秒交流(AC-)、微秒脉冲(μs-)、纳秒脉冲(NS-)等多种DBD等离子体激励，不同激励用于流动控制的基本原理有所不同。普遍认为，AC-DBD等离子体激励的体积力效应占主导，μs-DBD等离子体激励可触发体积力和热释放两种效应，NS-DBD激励快速加热效应占主导。

近年来，为了提高表面DBD(SDBD)等离子体激励器的激励强度，提高能量效率，获得大面积低能耗、高密度的适合流动控制实际应用的等离子体，国内外的科研团队主要围绕主动流动控制开展了大量对SDBD激励器结构及参数、阻挡介质材料、电极材料和形状、工作环境的研究，并对新型激励器结构进行了积极探索。对于表面DBD激励器，目前提高射流速度的方法如下：

一是通过优化激励参数，波形，电压，频率；二是通过优化激励器结构；三是通过选取合理的激励器制作材料。最近研究者青睐于在用三电极DBD激励器提高诱导速度。与传统的典型两电极DBD激励器相比，采用三电极激励器并利用双电源供电模式产生表面滑闪放电既有利于大面积等离子体的产生，又可以提高诱导气流的最大速度以及推力，表面滑闪放电在等离子体流动控制领域表现出了非常好的应用前景。然而，这种对激励器结构的研究多采用毫秒交流高压电源叠加高压直流偏置。部分研究者采用了微秒脉冲和纳秒脉冲电源也只是集中在低频范围(＜5000Hz)。

NS-DBD等离子体气动激励的基本原理是：当施加在激励器电极两端的脉冲高压上升沿或下降沿的时间尺度在几纳秒到几十纳秒的量级时，放电在等离子体层迅速形成能量沉积，导致近激励器处的空气被快速加热，时间不足1μs，引起局部气体快速温升和压升，对流场形成强脉冲扰动甚至是冲击波扰动，即等离子体冲击气动激励。通常认为，，与交流驱动相比，，脉冲驱动由于它的快速上升沿决定的。、对于通常交流驱动产生的非平衡等离子体，，电子的等效温度约在1～3eV范围。只有很少数电子的能量在10～15eV。只有这样的高能电子才能够有效地电离。而电子能量在1～3eV的电子会很快地将其能量转化为分子的振动态。通过采用快速上升沿的短脉冲，，其使得施加电压大于最小的击穿电压，，也即此时具有较高的过电压，就有可能使电子能量分布函数向高能端偏移，，从而产生更多的高能电子，，这些能量相对较高的电子能够有效地分解和电离气体分子，，而不至于把能量消耗在激发分子的振动态上。

发明内容