沿面介质阻挡放电等离子体流动控制实验研究

发布时间：2019-01-04 13:31

【摘要】：等离子体流动控制技术通常是指通过等离子体在电磁场作用下诱导产生气流运动或通过气体放电产生温度、气压的变化,以及一些粘性、热传导特性的改变对流场实施的一种可控扰动。等离子体气动激励作为一种新型主动流动控制技术,具有结构简单、无运动部件、安装方便、不改变飞行器既有气动外形结构、能耗低、响应快等优势,在改善飞行器空气动力特性方面具有广阔的应用前景。沿面介质阻挡放电(Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD)等离子体激励器作为一种最基础的等离子体流动控制结构,已经成为近十几年来的热门研究课题之一。SDBD等离子体中带电粒子在电场作用下加速,并通过碰撞与中性气体分子进行动量传递产生电流体动力(Electro-hydro-dynamic, EHD)效应,诱导壁面气流加速运动,产生离子风,使其具有了流动控制的能力。然而诱导气流速度较低,仅有数米每秒,难以满足飞行器实际应用需求。为了使等离子体激励器能有效应用于实际工程领域,必须对SDBD等离子体激励器性能进行优化,提升其EHD效果,同时也需要深入探究EHD效应产生的机理,为进一步性能优化提供理论指导。SDBD激励器表面电荷积累是影响放电的一个主要因素,同时也是影响激励器EHD特性的一个重要因素。通过表面电荷积累的调控可以实现激励器性能的提升。本文以开放大气中沿面介质阻挡放电等离子体激励器为研究对象,以其表面电荷积累为主线,以激励器性能提升及机理探究为目的,开展了以下工作：1.搭建了SDBD等离子体激励器流动控制实验平台,在大气压开放空气环境中采用介质阻挡放电的方式产生了均匀稳定的沿面等离子体层,并实现了等离子体放电特性以及气动特性的实验诊断。设计了一种新型大气压等离子体表面电势探针测量系统,实现了SDBD等离子体激励器表面电势平均值空间分布测量及固定点电势时间演化测量。该探针借助激励器驱动高压产生针尖电晕放电,并利用电晕放电产生的微弱导电通道将沿面放电等离子体接入了测量回路,通过高压探头和数字示波器可以实现对SDBD等离子体表面电势的测量并进行数据采集,通过测量回路中阻抗原件的匹配可以实现较高的测量精度及较快的时间响应,配合数控位移台可以快速实现表面电势空间分布测量。该探针系统相对于商业化的静电伏特计具有安装使用方便、抗高压击穿能力强、空间分辨能力高、时间响应快等优点。2.采用了一种交流与直流双高压方式驱动SDBD激励器,在交流放电的基础上通过直流偏压调控激励器介质板上表面电势,以期实现对离子加速电场的提升,进而提升EHD效果。利用电学诊断系统及ICCD快速拍照研究了双高压模式的放电特性,并利用自主设计的表面电势探针测量了激励器表面电势分布的变化规律,同时用天平、皮托管、纹影仪等仪器对诱导气流特性做了实验测量,着重分析了直流偏压对表面电势的影响以及电势对EHD效果的影响。放电特性测量结果表明交流放电具有显著的正负半周期不对称性,直流偏压的引入对等离子体放电特性影响极小。通过表面电势测量发现SDBD放电会在激励器介质板表面产生一个有利于负离子加速的正电势分布,而放电不对称性是产生这一电势分布的主要原因。直流偏压的引入会使原有的电势分布产生整体的便置,但是对等离子体自身产生的电动势影响很小。同时发现电极边缘处存在一个类鞘层结构,会对外加直流偏压起到一定的屏蔽作用。推力测量结果显示,在上电极施加正直流偏压会减弱EHD力,而负直流偏压则可以有效提升EHD力。电极边缘处类鞘层结构产生的电势屏蔽作用会对EHD力的提升产生影响。通过皮托管测得的流场分布数据以及纹影图像可以看出,直流电场在等离子体区域加速效果较弱,但是在远离放电区域的地方对气流加速度的作用比较明显,这可能是由于等离子体的导电性所致,外加直流偏压产生的电势差主要作用于离子密度较低的远处尾流区域。3.通过脉冲诱导击穿方式对SDBD等离子体激励器性能进行了优化。设计了一种交流与脉冲双高压驱动的激励器,在激励器下电极施加交流高压,上电极施加脉冲高压,并通过外触发控制,实现了正弦波交流高压与纳秒脉冲高压的相位同步叠加,产生一种脉冲增强型SDBD放电。通过推力测量对其产生的EHD效果提升做了详细的实验分析。结果显示,在交流波谷处施加正脉冲高压可以显著增强EHD效果,相比于相同电压下纯交流放电,推力提升可达三倍,而且推力效率也可以提升一倍。推力随脉冲触发频率的增长呈现非线性规律。此外,本文在放电特性、等离子体演化特性以及表面电势特性等多方面进行了诊断,对EHD效果提升机理做了研究。结果显示,正脉冲高压施加于交流波谷会在脉冲上升沿处产生一次较强的脉冲诱导击穿放电,但是在脉冲下降沿处则不会发生明显的放电。因此整个脉冲放电过程会向激励器表面注入正电荷,而且可以在介质层表面脉冲放电延伸范围内产生电荷积累。电极附近的额外的表面电荷积累可以增强随后交流放电的电场强度,产生一次交流类辉光放电的增强；距离电极较远处的电荷不会被交流反向放电中和,可以产生一定的亚宏观积累效果,提升等离子体下游电势。通过数据分析,可以得出脉冲对EHD的增强效果主要来自两个方面,一是正脉冲高压会产生瞬时表面电荷积累,增强下一交流周期中的类辉光放电；二是脉冲高压可以显著提升下游等离子体区域的电势,而对电极附近电势影响较小,产生有利于负离子的加速宏观表面电场,这一电场提升是等离子体激励器推力效率提升的关键,而且这一电场直接作用于离子密度较高的等离子体放电区域,因此可以对EHD效应产生较强的提升效果。当交流电压较高时,电场的增强作用将更加突出。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O53

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