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在超音速风洞中进行了等离子体气动激励改变激波系结构的实验,考察了介质阻挡放电和横向直流放电对于激波系结构的影响。实验结果表明介质阻挡放电所产生的等离子体能够影响流场附面层。采用逆气流DBD放电后,激波强度略有增大;采用顺气流放电后,激波强度略有减弱。相对于介质阻挡放电,横向直流放电对减弱激波强度影响稍大。     

三电极共面介质阻挡放电的放电特性及诱导气流实验研究

等离子体流动控制激励器由于其响应速度快、激励频带宽、能量损耗低、可靠性强的优势,在航空航天领域的主动流动控制等方面得到了广泛应用.文章提出了一种新型的等离子体气动激励器——三电极共面介质阻挡放电激励器,研究了该激励器电极结构对放电特性和诱导气流速度的影响,并与传统共面介质阻挡放电和沿面介质阻挡放电激励器进行了比较.结果表明:（1）随着激励电压的提高,高压电极和地电极之间先出现了丝状放电并逐渐延伸到第三电极;（2）随着第三电极与高压电极之间的距离增大,诱导气流速率从2.4 m/s下降到0 m/s,而第三电极宽度的变动对诱导气流速度影响可忽略不计;（3）相同外部条件下,该激励器诱导的气流速度小于沿面介质阻挡放电激励器,但高于共面介质阻挡放电激励器.      

基于等离子体气动激励的斜劈诱导激波控制

基于弧光等离子体气动激励,采用不同的放电通道间距、放电通道数、放电直流输入电压、斜劈劈角、有无磁场作用等激励条件,实验研究了在超音速来流条件下(马赫数为2.2)斜激波位置、角度、强度的变化规律。结果表明:施加等离子体气动激励后,激波的起始位置平均前移1～8 mm,激波角平均减小4%～8%,激波强度平均减弱8%～26%。这主要是由于等离子体气动激励产生高温高压的表面等离子体层,使边界层分离点逆气流前移,改变了原有激波系结构,使原有的激波位置前移,激波角减小;同时由于局部的高温导致当地音速增大,使得当地马赫数减小,上述两个原因均可导致激波强度减弱。     

不同电极结构下介质阻挡放电电离特征的试验研究

由于具有工作气压高、放电均匀等特点,大气压介质阻挡放电成为近年来非平衡等离子体领域研究的主要技术。电极结构是电离特性的主要影响因素之一,因此,通过电极结构优化来改善电离特性,对等离子体放电设备的应用领域拓展及性能优化至关重要。为改善大气压介质阻挡放电的电离特性,产生高活性、高均匀性的低温等离子体,基于自主设计的同轴介质阻挡放电装置进行了不同电极结构的电离试验及参数诊断;在一个标准大气压、放电频率11.4 kHz、放电峰值电压5.4～13.4 kV条件下进行了氩气电离试验;采用原子发射光谱法（AES）对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析;研究了螺纹电极、齿状电极、圆柱电极放电的特征光谱参数及外施电压对介质阻挡放电特征参数的影响。结果表明,齿状电极放电所形成等离子体的放电强度更大且放电效果显著,电子平均能量利用率低,电子激励温度弱于圆柱电极;圆柱电极放电强度较弱,但易形成大面积均匀性等离子体;大气压环境下电子激励温度不因外源电压的升高而单调递加,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外施电压的供给,而是取决于电极结构、气体组份、气体压强;增大外施电压仅能增加单位时间内微放电的数量,经整合电子激励温度可达3 500 K,符合典型的低温等离子体特征。     

边界层效应影响等离子体气动激励诱导激波机理

 针对小型暂冲式超声速风洞进行的诱导激波实验结果,提出等离子体气动激励诱导激波的机理不仅取决于放电时产生的焦耳热效应,放电区域的边界层厚度也起到了决定性的作用的推论。为进一步验证此思想,在高超声速激波风洞进行了等离子体气动激励诱导激波的实验研究。结果表明,在边界层很薄的情况下,等离子体气动激励能够诱导出斜激波。分别阐述了两种实验条件下诱导激波的机理,证实了边界层效应在等离子体与激波相互作用中起到了决定性作用。     

等离子体处理的聚丙烯和聚乙烯的粘合体

采用射频辉光放电等离子体和介质阻挡放电等离子体对聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）进行处理后,使用聚氨酯进行粘接,并测试了混合粘合体的剪切强度。介质阻挡放电功率是100 W时,等离子体处理对混合粘合体的剪切强度无影响。介质阻挡放电的功率为200 W、处理时间20 s时,等离子体处理效果最佳,剪切强度为1.58 MPa,是未处理的混合粘合体的14.36倍。介质阻挡放电的功率是300 W时,样品在10 s内就被击穿。射频辉光放电等离子体中,使用空气处理后最大剪切强度为1.60 MPa（100 W,3 min）,使用氮气处理后的最大剪切强度为1.57 MPa（200 W,3 min）。通过扫描电镜（SEM）对等离子体处理前后的PP表面形貌观察,发现未处理样品的表面比较平滑,而经等离子体放电处理后的样品表面变得疏松,出现了大量泡状物质,表面粗糙程度提高。     

交错电极介质阻挡放电等离子体弦向特性的研究

在绝缘材料两侧交错布置电极的方式是航空领域所使用的等离子体激励器与众不同之处,因此航空等离子体激励器生成的等离子体具有沿弦向变化特点。利用光谱仪、红外热像仪、激光诱导荧光系统(LIF)对交错电极介质阻挡放电等离子体弦向特性进行了实验研究,并对介质阻挡放电等离子体流动控制机理作了初步的探讨。实验中发现等离子体发光强度和温度沿弦向的分布基本符合高斯分布;发射等离子体光谱强度随着电压升高而增大;等离子体弦向温度随激励电压的增大而增加;通过LIF系统直接检测到放电产生的NO。通过数值模拟得到电极附近的电势和电场强度分布进而对实验现象作了初步的解释,并在以上实验的基础上,将等离子体流动控制机理归纳为撞击效应、温升效应和化学反应效应。     

平面激光诱导荧光技术在交错电极介质阻挡放电等离子体研究中的初步应用

利用平面激光诱导荧光技术对交错电极介质阻挡放电过程中产生的痕量组分NO进行了检测. 通过数值模拟对实验结果进行了分析说明,并对介质阻挡放电等离子体流动控制原理进行了简要分析. 此外还通过平面激光诱导荧光技术对等离子体诱导流动进行了直观显示. 关键词： 平面激光诱导荧光 等离子体 介质阻挡放电     

对称式布局介质阻挡放电等离子体激励器诱导启动涡

为了进一步提高等离子体激励器控制能力,采用粒子图像测速仪技术,以介质阻挡放电等离子体激励器为研究对象,开展了有、无来流条件下等离子体诱导启动涡的实验研究,获得了来流对启动涡发展演化及生存时间的影响.与传统非对称布局介质阻挡放电等离子体激励器相比,本文采用整个平板金属模型作为植入电极的对称布局方式开展研究.在金属模型表面粘贴聚酰亚胺胶带作为绝缘介质.将铜箔作为暴露电极沿平板展向布置,使激励器诱导气流沿流向方向.研究结果表明:对称布局式激励器会在暴露电极两侧产生一对方向相反的启动涡.在顺流向方向,来流加速了启动涡的破碎;在逆来流方向,来流延长了启动涡的生存时间,从而增加了激励器的掺混能力.该布局激励器具有掺混及射流效应两种能力,为提高等离子体激励器在高风速或高雷诺数下的控制效果积累了技术基础.     

激励电压对沿面介质阻挡放电特性的影响分析

近年来, 沿面介质阻挡放电(SDBD) 用作大气压下气流控制的等离子体激励器因其众多的优点受到了广泛的关注. 然而, 国内外对沿面介质阻挡放电及其应用的研究尚处于探索阶段, 对其放电特性的影响因素缺乏规律性的认识. 因此, 对SDBD 相关特性和影响因素进行研究具有重要理论意义和应用价值. 本文使用频率5 ~20 kHz,峰值电压0~30 kV 的可调正弦交流电源激励大气压环境下的 SDBD 装置. 通过调节激励电压大小, 研究了其与SDBD 放电特性之间的关系, 对等离子体放电电流、 放电形貌、 功率损耗、 诱导气流以及机械效率进行了分析. 实验结果表明,SDBD 消耗功率、 放电强度和诱导气流均会随着激励电压的增大而增大, 但机械效率存在先增大后减小的趋势, 说明等离子体流动控制中研究中存在最佳效率点.     

等离子体气动激励机理数值研究

基于介质阻挡与准直流电弧放电的物理过程, 分析了它们的气动激励机理, 建立了各自的气动激励模型, 并分别研究了它们对低速和超声速流动的激励效果. 结果显示: 介质挡板放电等离子体气动激励机理是改变了连续流体中的三种力, 即由牛顿内摩擦引起的剪切应力、由电动力学引起的体积力及由压力突变引起的冲击力, 其中基于电动力学的体积力效应占主导地位; 临近空间环境中体积力的作用效果更强, 诱导速度更大; 超声速来流下准直流电弧放电气动激励机理主要是等离子体的热阻塞效应, 本文所建立的爆炸丝传热模型可以用于仿真其控制激波的过程; 热电弧对于超声速来流而言就像一个具有一定斜坡角度的虚拟突起, 可用于高超声速飞行器前体激波的控制.     

Aerodynamic actuation characteristics of radio-frequency discharge plasma and control of supersonic flow

In this paper, aerodynamic actuation characteristics of radio-frequency(RF) discharge plasma are studied and a method is proposed for shock wave control based on RF discharge. Under the static condition, a RF diffuse glow discharge can be observed; under the supersonic inflow, the plasma is blown downstream but remains continuous and stable.Time-resolved schlieren is used for flow field visualization. It is found that RF discharge not only leads to continuous energy deposition on the electrode surface but also induces a compression wave. Under the supersonic inflow condition, a weak oblique shock wave is induced by discharge. Experimental results of the shock wave control indicate that the applied actuation can disperse the bottom structure of the ramp-induced oblique shock wave, which is also observed in the extracted shock wave structure after image processing. More importantly, this control effect can be maintained steadily due to the continuous high-frequency(MHz) discharge. Finally, correlations for schlieren images and numerical simulations are employed to further explore the flow control mechanism. It is observed that the vortex in the boundary layer increases after the application of actuation, meaning that the boundary layer in the downstream of the actuation position is thickened. This is equivalent to covering a layer of low-density smooth wall around the compression corner and on the ramp surface, thereby weakening the compressibility at the compression corner. Our results demonstrate the ability of RF plasma aerodynamic actuation to control the supersonic airflow.     

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The electric field strength and electron mean kinetic energy in co-axial dielectric barrier discharge (DBD) were estimated based on static electric filed model. Through the comparison of the single dielectric layer DBD with the double dielectric layer DBD, it was found the electric field strength and electron mean kinetic energy in double dielectric layer DBD are greater than that in the single dielectric layer DBD under the same electrode configuration and discharge conditions. The calculation results can successfully applied to explain the toluene degradation efficiency in double dielectric layer DBD is larger than that in the single dielectric layer DBD under the same discharge parameters.     

估算线筒式介质阻挡放电场强和电子平均动能的方法

利用静电场模型对线筒式介质阻挡放电电场强度进行了计算,并对电子平均动能进行了估算。通过对单双介质阻挡放电(DBD)的对比,发现在相同的放电条件下,双介质DBD产生的电场强度和电子平均动能比单介质DBD的要大。这就很好地解释了在相同的放电参数下,甲苯的降解效率在双介质DBD中要比单介质DBD中大。     

常压窄间隙介质阻挡放电等离子体辐射特性

利用带有透明电极与可测向观察的一个介质阻挡放电(DBD)实验装置对它的常压窄间隙等离子体辐射特性进行了实验研究。结果表明：这一DBD装置的辐射特性会受激励电压、激励频率、DBD结构等多种因素影响。在频率为10～20kHz高压电源激励下,采用窄间隙、薄电介质层结构DBD可以大幅度提高放电空间的电场强度,增加放电功率密度,提高了放电装置性能。     

Wind tunnel experiments on flow separation control of an Unmanned Air Vehicle by nanosecond discharge plasma aerodynamic actuation

Plasma flow control(PFC) is a new kind of active flow control technology, which can improve the aerodynamic performances of aircrafts remarkably. The flow separation control of an unmanned air vehicle(UAV) by nanosecond discharge plasma aerodynamic actuation(NDPAA) is investigated experimentally in this paper. Experimental results show that the applied voltages for both the nanosecond discharge and the millisecond discharge are nearly the same, but the current for nanosecond discharge(30 A) is much bigger than that for millisecond discharge(0.1 A). The flow field induced by the NDPAA is similar to a shock wave upward, and has a maximal velocity of less than 0.5 m/s. Fast heating effect for nanosecond discharge induces shock waves in the quiescent air. The lasting time of the shock waves is about 80 μs and its spread velocity is nearly 380 m/s. By using the NDPAA, the flow separation on the suction side of the UAV can be totally suppressed and the critical stall angle of attack increases from 20° to 27° with a maximal lift coefficient increment of 11.24%. The flow separation can be suppressed when the discharge voltage is larger than the threshold value, and the optimum operation frequency for the NDPAA is the one which makes the Strouhal number equal one. The NDPAA is more effective than the millisecond discharge plasma aerodynamic actuation(MDPAA) in boundary layer flow control. The main mechanism for nanosecond discharge is shock effect. Shock effect is more effective in flow control than momentum effect in high speed flow control.     

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基于介质阻挡放电等离子体体积力气动激励机理,数值研究了两种等离子体流动控制方案对螺旋桨桨径根部处于负攻角工况下叶素气动性能的改善效果.结果显示,激励器布置在下翼面时等离子体体积力大于其布置在叶素前后缘时的情况;激励器布置在下翼面时,可抑制流动分离,使得螺旋桨桨根部位叶素产生更大的负拉力,但会减小螺旋桨的扭矩;激励器布置在前后缘时,会使螺旋桨根部叶素拉力增大,提高螺旋桨总拉力,但不能抑制流动分离,所以会增大螺旋桨的扭矩.     

Cathode-sheath driven low-speed aerodynamic flow actuation using direct-current surface glow discharges

Flow actuation by a continuous/pulsed, direct-current (DC) surface glow discharge is explored. The discharge comprises an array of pin electrode pairs flush mounted on a dielectric actuator surface that lies adjacent to stagnant air. Strong electrostatic fields produced in the cathode sheath region of the discharge provides a motive force on the ions which in turn drag the background gas resulting in directed air flow from the anode to the cathode. The induced flow velocity is estimated by particle image velocimetry (PIV) at 10 Hz with TiO₂ seeding. For a pulsed DC discharge with peak power of 5 W per electrode pair, the induced flow velocity reaches peak values of about 1.7 m/s which is comparable to dielectric-barrier discharge (DBD) or corona discharge actuators. The actuation effect quantified by the magnitude of induced velocity increases as the pulse frequency increases from 0 to 1 kHz. The actuation effect decreases for further increase in frequency above 1 kHz. Decreased actuation effect at high frequency is accompanied by structural change in the discharge. At fixed frequency of 1 kHz, flow actuation effect is highest for a square wave pulse with a duty cycle of 50% indicating that pulsed DC discharges produces better actuation than continuous DC with a corresponding reduction in energy consumption.     

等离子体气动激励控制激波的机理研究

针对等离子体气动激励控制激波的热效应机理和电离效应机理的争议,分别采用热阻塞模型和离子声波模型,理论推导出了不同机理前提下电弧等离子体对尖劈斜激波的影响规律.对于热效应机理,激波变化规律是激波起始点前移、形状不弯曲以及角度减小;对于电离效应机理,激波变化规律是激波起始点仍维持在尖劈前缘点处、形状分为两段发生弯曲以及起始段的角度增大.针对该对立的理论推导结果,进行了电弧等离子体控制尖劈斜激波的超声速风洞实验研究,实验观察到尖劈斜激波起始点前移4 mm,激波角度减小8.6%,激波形状未发生弯曲.以热效应机理为前提推导出的理论结果与该实验结果相符,从而验证了等离子体气动激励控制激波是热效应机理在起主要作用. 关键词： 等离子体气动激励 激波 热效应 电离效应