两电极等离子体合成射流激励器工作特性研究

采用放电测量和高速阴影技术对两电极等离子体合成射流激励器工作特性进行了系统实验研究.实验表明:激励器工作击穿电压和放电峰值电流随激励器所处环境压强的降低和放电频率的增大而减小,激励器腔体内的放电过程为火花电弧放电.典型的等离子体合成射流流场包含有一道前驱激波和一股呈蘑菇状的高速射流.在整个射流发展过程中,前驱激波以当地声速恒速传播,不随激励器条件的改变而变化,波的强度则随着激励器出口直径的减小、腔体体积的增大、环境压强的降低和放电频率的升高而减小.激励器腔体体积和放电频率的增加会降低腔内气体的加热效果,并减小射流速度.激励器出口直径和环境压强对射流速度的影响按规律变化且存在最佳值.本文实各验条件下激励器都产生了明显的前驱激波和高速射流,具有实现高速流场主动流动控制的应用潜能.     

面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源研制

为了产生高能等离子体合成射流,设计了一台面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源,输出电压为10 kV,重复频率为100 Hz,可承受高达250 A的放电电流。详细介绍了微秒脉冲源的工作原理,比较了不同放电电容对脉冲变压器原边电流及输出电压的影响。进一步将所设计的微秒脉冲源成功应用于等离子体合成射流实验中,研究了不同间距对等离子体合成射流的影响,比较了有无放电电容条件下的能量消耗率。实验结果表明:不同放电电容在相同激励器间距的条件下,击穿电压基本相同;击穿电压随激励器间距增大而增大。有放电电容能产生较大的放电电流,且电流值随电容值的增大而增大。有放电电容条件下的能量消耗率比无放电电容要高,易于产生高能的等离子体合成射流。     

三电极等离子体合成射流激励器工作特性参数影响实验

采用放电测量和光学诊断技术对三电极等离子体合成射流激励器放电特性及流场特性进行了实验研究,分析了放电电容、激励器腔体体积和射流出口直径对三电极等离子体合成射流流场分布及速度特性的影响.实验结果表明:三电极等离子体合成射流激励器放电过程包含触发、放电增强、放电衰减和电弧熄灭4个阶段,表现出典型的欠阻尼放电特征;等离子体合成射流流场包含射流主流、"前驱激波"和复杂的反射波系.放电电容、腔体体积和射流出口直径均存在一阈值,当电容和出口直径小于阈值、腔体体积大于阈值时,"前驱激波"以当地声速（约345 m/s）恒速传播,否则"前驱激波"则以大于345 m/s的速度传播,且与射流速度呈现相同的变化趋势,即随着放电电容和出口直径的增加而增大,随着腔体体积的增加而减小.      

Influence of air pressure on the performance of plasma synthetic jet actuator

Plasma synthetic jet actuator(PSJA) has a wide application prospect in the high-speed flow control field for its high jet velocity.In this paper,the influence of the air pressure on the performance of a two-electrode PSJA is investigated by the schlieren method in a large range from 7 k Pa to 100 k Pa.The energy consumed by the PSJA is roughly the same for all the pressure levels.Traces of the precursor shock wave velocity and the jet front velocity vary a lot for different pressures.The precursor shock wave velocity first decreases gradually and then remains at 345 m/s as the air pressure increases.The peak jet front velocity always appears at the first appearance of a jet,and it decreases gradually with the increase of the air pressure.A maximum precursor shock wave velocity of 520 m/s and a maximum jet front velocity of 440 m/s are observed at the pressure of 7 k Pa.The averaged jet velocity in one period ranges from 44 m/s to 54 m/s for all air pressures,and it drops with the rising of the air pressure.High velocities of the precursor shock wave and the jet front indicate that this type of PSJA can still be used to influence the high-speed flow field at 7 k Pa.     

等离子体合成射流能量效率及工作特性研究

基于等离子体激励器工作过程中气体放电的焦耳加热作用, 并结合局部热力学平衡等离子体物理假设, 开展了等离子体合成射流三维唯象数值研究, 获得了完整工作周期内等离子体合成射流流场发展演变过程. 研究结果表明, 单次能量沉积建立的自维持周期性射流中存在有实现激励器腔体"充分" 回填的最大脉冲工作频率––饱和频率. 大的能量沉积、小的激励器出口直径和相同腔体体积下大的径高比都可以产生速度更高的射流, 而射流速度的提高会伴随有饱和频率的降低. 一个饱和周期内, 最多约有16%的初始腔内气体喷出, 吸气复原仅能实现初始腔体质量90%左右的回填.一个大气压条件下, 容性电源供能的等离子体合成射流激励器电能向气体热能和射流动能的转化效率分别约为5%和1.6%. 关键词： 等离子体激励器 合成射流 能量效率 饱和频率     

Influence of ambient pressure on the performance of an arc discharge plasma actuator

The arc discharge plasma actuator (ADPA) has wide application prospects in high‐speed flow control because of its local heating effect and strong disturbance. In this paper, the influence of ambient pressure, which ranges from 3 to 20 kPa, on the performance of a two‐electrode ADPA is investigated by a schlieren system. The duration of the arc heated region, as well as its area, is extracted by image processing. As the ambient pressure increases, different flow field evolutions occur. The duration of the ADPA heated region increases with the ambient pressure. The maximum duration reaches 1185.3 µs at 20 kPa. The velocity of the discharge‐induced blast shock wave first decreases gradually and then remains at 345 m/s for all air pressures. The blast shock wave has a higher velocity at lower pressures when it is freshly produced. A maximum blast shock wave velocity of 582 m/s is observed at the pressure of 7 kPa. The arc heated region is not sensitive to ambient pressure, but the deposited energy from the arc increases when the pressure increases.     

介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰特性的影响

本文在高频交流激励模式下,采用同轴圆柱构型激励器,开展了介质阻挡体放电对空气/甲烷同轴剪切扩散火焰燃烧特性影响实验研究。激励器敷设在外喷嘴环缝以电离空气,采用纹影系统和B型热电偶分别获取流场形态和火焰温度,激励频率为8 kHz,通过改变气体流量和放电电压,分析了不同工况下射流流场、火焰结构和火焰温度在等离子体作用下的变化规律。结果表明:等离子体气动效应能有效增强射流湍流强度,强化空气/甲烷掺混,增大射流角,并随激励电压提高作用效果逐渐增强,实验中未形成明显扩张流动的初始射流在放电电压30 kV时其射流角最大为23.5°。贫燃条件下等离子体激励会改善火焰形态,增强燃烧稳定性,并在流量较低时缩短火焰长度。此外,富燃火焰下游温度会随着激励强度增大不断升高,而贫燃火焰下游温度变化受上游燃烧强度影响存在升高和降低两种情况。     

纳秒脉冲等离子体合成射流激励器的流场特性分析

采用一台高重频、快上升沿纳秒脉冲电源作为激励源,对典型的双电极合成射流激励器进行放电,通过粒子图像测速法（particle image velocimetry,PIV）测量放电实验中激励器稳定流场特性以及发展速度.分析实验结果发现,随着重复频率的提高,合成射流的平均发展速度也随之增大,1 kHz时的平均速度最高达到28.28 m/s,并在单脉冲能量远低于微秒脉冲的情况下,实现了更快的稳态流场控制,表明高重复频率下,更多次数的脉冲放电可提高激励总能量,有效地弥补纳秒脉冲单脉冲输出能量不足的缺点.而且频率越高,流场发展速度越快,说明高重频工作模式会对输出总能量有补偿作用.      

等离子体激励器的静特性与高速特性仿真研究

A parametric study of high-frequency plasma jet actuator was carried out, using the experiment- tally measured energy distribution law of arc discharge as an ideal heat source. The influence of the exit angle of the actuator on the flow field was explored. The jet flow field characteristics of the spark discharge actuator under supersonic flow (Ma0=2.0) were investigated. The results show that the energy density of heat flux increases and the jet front and forward shock wave moves faster with the decrease of discharge region, and the smaller the exit angle of the jet is, the stronger the momentum injection ability of the actuator along the flow direction is. The rule still applies under high-speed air flow conditions. Compared to the static condition, the momentum injection capability of the jet is stronger and the influence domain is larger under supersonic flow conditions.     

激波/边界层干扰对等离子体合成射流的响应特性

利用高速纹影系统和数值模拟方法研究了激波/边界层干扰对逆流喷射的等离子体合成射流的响应特性,并揭示了流动控制机理.实验在来流马赫数Ma=3.1的风洞中进行,测试模型采用钝头体和压缩斜坡的组合模型,等离子体合成射流激励器安装在钝头体头部.纹影系统捕捉了放电频率为f=1 kHz和f=3 kHz的激励对附体激波形态和分离激波运动的控制效果.等离子体合成射流使压缩斜坡激波/边界层干扰区域的起始点向下游移动,分离泡尺寸减小,附体激波强度减弱,发生弯曲,再附点移向上游,与此同时分离激波向附体激波逼近.与f=3 kHz激励相比,f=1 kHz激励的射流流量更大,对激波/边界层干扰的影响范围更广、控制效果更好.通过数值模拟,揭示了射流与来流相互作用对下游流场的作用机理:射流与来流相互作用诱导出大尺度旋涡,大尺度旋涡耗散发展增强了近壁面流场的湍流度;压缩斜坡上游近壁面的流场性质发生变化,进而导致了压缩斜坡激波/边界层干扰区域流动的变化.     

微秒脉冲激励的大气压氦等离子体射流放电特性北大核心CSCD

研究了不同电极结构以及放电参数对微秒脉冲激励的氦等离子体射流放电特性的影响。实验中采用不同管内径、不同电极形状、不同重复频率等参数,通过采集放电阶段的电流电压图、发光图像以及发射光谱等,对等离子体射流的电学特性和光学特性进行诊断。实验结果表明,随着管内直径的增大,氦等离子体射流的长度减小;管内径为8mm时,等离子体射流的击穿电压与放电电流最小,同时,其发射光谱中第二正带系N2,N+2和O等高能活性粒子的强度最高;管内径为5mm的等离子体射流的放电电流、功率及消耗的能量最大;在相同实验条件下,针尖电极结构中的放电电流、消耗的功率还有发射光谱强度都较大;随着重复频率的增加,氦等离子体射流的长度会增加,但击穿电压减小。     

Deeply undercritical microwave discharge excited by the field of a quasi-optical electromagnetic beam in a supersonic air jet

Electric discharge in a supersonic air jet is studied. It is ignited in a linearly polarized quasi-optical microwave electromagnetic beam the initial field intensity of which is much lower than the breakdown level. Electric breakdown is initiated by a tubular electromagnetic vibrator, one end of which has spikes and is covered by a quartz tube. Atmospheric air enters into a low-pressure working chamber through the inner channel of the vibrator. As a result, an immersed supersonic air jet forms in the chamber at the outlet from the quartz tube. A microwave discharge ignited in this jet is “attached” to aft spikes of the vibrator. The energy deposit into the discharge plasma and the effective area of energy interaction between the discharge and excited microwave field are estimated from the temperature and stagnation pressure distributions in the wake of the discharge.     

大气压氦气多路低温等离子体射流

为了研究大气压低温等离子体多路射流阵列的放电特性,设计一个实现7路低温等离子体射流的放电装置,采用单电极放电结构,在开放的大气环境下通入氦气。采用高压窄脉冲重复频率电源激励驱动该放电装置,电源脉冲宽度约230 ns,脉冲上升沿约为120 ns。在重复频率为500 Hz的条件下,通过高速摄影初步发现放电电流脉宽约为110 ns,且无反向放电。试验结果表明:平均射流长度随电压幅值增加而增加,在一定电压幅值时射流长度有达到饱和的趋势,这是由于射流通道尾部有空气进入,电压幅值已不再是主要原因;只有在合适的气体流量值时,才能够获得较长的平均射流长度,这是由于气体流量过大或过小时射流均不足以维持形成的放电通道;此外,中心电极放电射流长度受气体流量影响较大,气体流量在一定值时可以观察到中心电极有较长的射流,射流放电强度较弱,气体流量过大或过小时中心电极几乎无放电,这是由于四周电极更易形成放电射流,削弱了中心电极放电。 ,     

Experimental investigation of effects of airflows on plasma-assisted combustion actuator characteristics

The effects of the airflow on plasma-assisted combustion actuator(PACA) characteristics are studied in detail. The plasma is characterized electrically, as well as optically with a spectrometer. Our results show that the airflow has an obvious influence on the PACA characteristics. The breakdown voltage and vibrational temperature decrease, while the discharge power increases compared with the stationary airflow. The memory effect of metastable state species and the transportation characteristics of charged particles in microdischarge channel are the dominant causes for the variations of the breakdown voltage and discharge power, respectively, and the vibrational temperature calculated in this work can describe the electron energy of the dielectric barrier discharge plasma in PACA. These results offer new perspectives for the use of PACA in plasma-assisted combustion.     

水平动量注入型等离子体合成射流激励器工作特性

等离子体合成射流控制技术因其具有不需要外部气源、工作频带宽、射流速度高、射流净质量通量为零、低功耗、激励器形式多样、环境适应性强等特点,成为了目前针对高速流场主动流动控制技术中应用潜能大、有望实现实际工程应用突破的流动控制装置.传统的等离子体激励器的出口多为垂直于流向或与流向成一定夹角,故垂直于流向的动量分量会对激励器的流动控制能力产生影响.为增强流向动量注入能力,拟设计一种新型的水平动量注入型等离子体合成射流激励器.主要内容有:采用外部电路电参数测量与高速纹影技术,对激励器常压下单周期工作特性与重频工作特性进行了初步研究.对水平动量注入型等离子体合成射流激励器的射流结构进行了分析,探究了该激励器工作频率对射流流场的流场特性与控制能力的影响.最后在高速纹影测量的基础上,开展了激励器高频工作时均出口动压的研究.实验表明:水平动量注入型激励器单周期射流初始速度达到220 m/s,单周期激波初始速度达到477 m/s.此外,工作频率对于激励器的影响主要体现在对激励器控制范围的影响,当激励器工作频率增高时,在相同位置时激励器的动压输入能力下降.      

沿面型介质阻挡放电喷枪的发光特性及气体温度研究

利用氩气作为工作气体,采用正弦电压驱动沿面型等离子体喷枪,在大气压空气环境中产生了均匀的等离子体羽。电学和光学测量结果表明,等离子体羽放电只存在于外加峰值电压的正半周期,并且正半周期的放电脉冲个数随气体流量的增加而增加。通过对正半周期不同位置的发光脉冲信号进行比较,发现等离子体羽均按子弹形式传播,其中每一个发光脉冲均对应一次等离子体子弹传播过程。通过对比放电电流和等离子体羽的发光信号,发现等离子体羽的发光脉冲滞后于放电电流脉冲,且该延迟时间基本服从正态分布。该延迟时间随着外加电压峰值及气体流量的增大而减小。利用光纤测温仪测量了等离子体羽的气体温度,发现气体温度随外加峰值电压的增大而升高,随工作气体流量的增大而降低。通过分析放电过程,对上述现象进行了定性解释。     

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明:s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。     

Comparison between AlN and Al_2O_3 ceramics applied to barrier dielectric of plasma actuator

This paper reports the material characterization and performance evaluation of an AlN ceramic based dielectric barrier discharge(DBD) plasma actuator. A conventional Al_2O_3 ceramic is also investigated as a control. The plasma images,thermal characteristics and electrical properties of the two actuators are compared and studied. Then, with the same electrical operating parameters(12-kV applied voltage and 11-kHz power frequency), variations of the surface morphologies,consumed power and induced velocities are recorded and analyzed. The experimental results show that the AlN actuator can produce a more uniform discharge while the discharge of the Al_2O_3 actuator is easier to become filamentary. The later condition leads to higher power consumption and earlier failure due to electrode oxidation. In the plasma process,the power increment of the AlN actuator is higher than that of the Al_2O_3 actuator. The induced velocity is also influenced by this process. Prior to aging, the maximum induced velocity of the AlN actuator is 4.2 m/s, which is about 40% higher than that of the Al_2O_3 actuator. After 120-min plasma aging, the maximum velocity of the aged AlN actuator decreases by 27.8% while the Al_2O_3 actuator registers a decrease of 25%.     

大气压氩气/空气针-环式介质阻挡放电发射光谱诊断

为了更加深入地了解氩气/空气等离子体射流内的电子输运过程及化学反应过程,通过针-环式介质阻挡等离子体发生器在放电频率10 kHz,一个大气压条件下对氩气/空气混合气进行电离并产生了稳定的等离子体射流。通过发射光谱法对不同峰值电压下氩气/空气等离子体射流的活性粒子种类、电子激发温度及振动温度进行了诊断。结果表明,射流中的主要活性粒子为N₂的第二正带系、Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子,其中N₂的第二正带系的相对光谱强度最强、最清晰,在本试验的发射光谱中没有发现N+₂的第一负带系谱线,这说明在氩气/空气等离子体射流中几乎没有电子能量高于18.76 eV的自由电子。利用Ar Ⅰ原子激发能差较大的5条谱线做最小二乘线性拟合对等离子体射流的电子激发温度进行了计算,得到大气压氩气/空气等离子体射流的电子激发温度在7 000~11 000 K之间。随峰值电压的增大,电子激发温度表现出先增大后减小的变化趋势,这说明电子激发温度并不总是随峰值电压的增长单调变化的。通过N₂的第二正带系对等离子体振动温度进行了诊断,发现大气压氩气/空气等离子体射流振动温度在3 000~4 500 K之间,其随峰值电压的增大而减小,这意味着虽然峰值电压的提高可有效提高自由电子的动能,但当电子动能较大时自由电子与氮分子之间的相互作用时间将会缩短,进而二者之间的碰撞能量转移截面将会减小,从而导致等离子体振动温度的降低。     

电弧射流激励器工作特性仿真研究

为了在高超声速飞行器减阻中达到更好的减阻效果,设计了一种电弧射流等离子体激励器。采用有限元法求解非线性多物理方程,对此电弧射流等离子体激励器的工作特性进行了数值模拟,得到了激励器内部的电势、压力、温度和速度分布,综合分析了进气口气体速度、放电电流、激励器管道半径对电势、压力、温度和速度分布的影响。获得了全面的影响规律,通过仿真结果还得到:电弧射流等离子体激励器可产生最高温度为8638 K、最高速度为655 m/s的等离子体射流。当电流20 A,进气速度0.5 m/s,管道半径2.5 mm时,所需功率最小;当电流20 A,入口气体流速5 m/s,管道半径2.5 mm时,出口处平均温度最高;当电流20 A,进口气体速度10 m/s,管道半径2.5 mm时,出口处平均速度最大。并对仿真得到的放电电压进行了实验验证,在等离子体参数相似的情况下,实验结果与仿真结果吻合较好。