基于交流气体放电的等离子体风速测量技术研究

发布时间：2020-06-08 03:03

【摘要】：基于交流气体放电的等离子体风速测量技术具有空间分辨率高、频响高、无需温度补偿、信噪比高、校准方便等显著优势,是超声速流场研究颇具前途的风速测量技术之一,在航空、航天、军事、气象等领域具有广阔的应用前景,目前,其理论和仿真研究均尚未成熟。本文以交流等离子体风速计为研究对象,从数值仿真、实验、电学建模三个方面开展了等离子体风速测量技术的研究。首先,提出了一种建立交流等离子体风速计数值模型的新方法。研究中,创建了电极间二维气体流场模型,并介绍了基于PIC/MCC方法建立的二维等离子体模型,随后,完成了二者的耦合,搭建出了交流等离子体风速计的二维数值仿真平台。通过此数值仿真平台既可以从微观方面分析气流速度对离子密度分布、电子密度分布和电势的影响,还可以从宏观方面研究放电参数对等离子体风速计性能的影响。其次,设计了一种新型交流等离子体风速计实验系统。通过理论分析,证明了其可行性。随后,详细介绍了实验系统的设备选型及设计过程。系统中引入了电阻与电容串联组成的负反馈耦合电路模块,可以抑制气体放电的正反馈过程并提高放电系统的稳定性。另外,搭建的系统中包含了高压电源模块,可以实现先高压点亮后射频维持的空气放电机制,进而可以得到较稳定的射频空气放电状态。实验研究结果表明,负载电压有效值与风速值之间有着良好的线性关系,可应用于风速的测量。最后,提出了搭建交流等离子体风速计电学模型的思路。基于理论与实验分析建立了等效电路模型,其结构上包含三部分:正柱区、鞘层和扩散区域。正柱区被等效为一个电阻,鞘层被等效为电流源、电容和理想二极管组成的并联电路,而扩散区域被等效为包含电阻和电感的串联电路。根据各部分的连接结构分别搭建出了无气流时与气流下的等离子体风速计电路模型。最后通过OrCAD电路仿真,验证了电学建模的可行性与可靠性。建立的电路模型从电学角度上补充了数值仿真的不足,充分考虑了交流等离子体风速计的电路特性,因此,可以反过来作为研究和优化等离子体风速计的一种电学工具。
【图文】：

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V）也已经成为研究的热点，为了促进超音速飞行应该被深入地研究，而高温高速的工作环境给相关决此难题，目前也急需一种宽范围、高精度的气体被称为风速计或者风速传感器，在现实中，风速计、环境保护等领域[7]。的风速计或风速传感器主要有以下几种：机械旋转风向仪、激光多普勒测速仪（LDV）、粒子成像测8]。，机械旋转式风杯风速计是一种比较古老的气流测一个三叉星形支架，b)四个空杯与一个十字形支，且其凹面朝向同一个旋转方向。支架固定在装置是根据气体流场中风杯的转速反应出气流速度的大装置有旋转件，存在磨损损耗，且设备测量精度不作时测量值一般偏高，此外，它容易受外界环境因测量精度要求不高的管道流速测量和气象监测领域

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图 1.2 皮托管风速仪实物示意图风速风向仪也被称为超声波风速计或者制电路等部分构成。该风速仪的工作间（多普勒变换）差别，最后根据所得瞬时风速值的变化，，不仅可以测量单方测出风速中的高频脉动成分，并且不易受雨、雪、雾等恶劣环境的影响[11]。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH815

【参考文献】