等离子体气动激励器布局对放电特性与加速效果的影响

在常规大气环境下,对常规、半圆和锯齿三种不同布局的等离子体气动激励器的放电特性与加速效果进行了实验研究,对不同激励参数下的频率与放电电压和频率与放电电流以及等离子体气动激励器诱导的边界层速度进行了测量。实验结果表明：当等离子气动激励器基本设计参数相同时,布局形式的改变使得放电电压和放电电流参数值发生变化,但其谐振频率保持不变,诱导气流速度则相应的发生改变;实验中还发现,半圆、锯齿等离子体气动激励器放电时离子流对绝缘材料有很强的破坏作用。     

多相等离子体气动激励流动特性

 等离子体激励器电极组相位不同便产生多相等离子体气动激励,建立了粒子图像测速仪流场参数测试系统,利用粒子图像测速仪技术,研究了非对称布局等离子体气动激励诱导空气流动特性,分析了多相等离子体气动激励对诱导空气流动速度的影响。结果表明：粒子图像测速仪流场测试系统能够准确地反映等离子体气动激励诱导空气流动的流场空间结构,等离子体气动激励诱导空气流动是平行于激励器的近壁面射流,多相等离子体气动激励能够增大等离子体气动激励诱导气流速度,或者使等离子体气动激励影响流场区域增大。粒子图像测速仪系统是深入研究等离子体气动激励的流场结构最佳的方式之一。     

多相等离子体气动激励流动特性

等离子体激励器电极组相位不同便产生多相等离子体气动激励,建立了粒子图像测速仪流场参数测试系统,利用粒子图像测速仪技术,研究了非对称布局等离子体气动激励诱导空气流动特性,分析了多相等离子体气动激励对诱导空气流动速度的影响。结果表明：粒子图像测速仪流场测试系统能够准确地反映等离子体气动激励诱导空气流动的流场空间结构,等离子体气动激励诱导空气流动是平行于激励器的近壁面射流,多相等离子体气动激励能够增大等离子体气动激励诱导气流速度,或者使等离子体气动激励影响流场区域增大。粒子图像测速仪系统是深入研究等离子体气动激励的流场结构最佳的方式之一。     

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.      

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

等离子体激励翼型分离流动控制数值模拟

文章利用CFD软件FLUENT中的自定义函数接口, 将等离子体对中性气体的激励作用模型化为体积力引入Navier-Stokes方程, 研究了等离子体气动激励诱导的平板射流, 以及介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励对NACA0015翼型大迎角分离流的控制作用.计算分析表明, 多对电极等离子体激励器可以有效控制NACA0015翼型大迎角分离流动.      

锯齿电极等离子体激励器诱导流场特性分析

本文通过2D PIV及其CCD相机获取锯齿电极等离子体激励器在静态环境下诱导的流场结构以及放电图像。CCD相机拍摄的放电图像显示该激励器在锯齿中间存在一暗带区域,而不同截面的流场结果则验证了该型激励器能够诱导出带涡对三维射流结构,涡对贴近壁面向下游发展,并在激励器壁面上方诱导出下洗流。文中结合各拍摄截面的流场结构以及放电结构,分析了该型激励器诱导的流场结构特性,涡对发展规律和形成原因,以及锯齿电极激励器的放电特性,最后提出了其流场诱导机理模型。     

磁场强度对霍尔推力器放电特性影响的实验研究

为探索霍尔推力器通道内优化磁场的标准,本文研究了磁场强度对其放电特性的影响规律.通过在保持磁场形貌不变（“聚焦”形）下改变磁场强度的大小,使用朗缪尔探针、光谱仪等测量手段分析了工作于不同磁安特性曲线段的推力器放电特性.研究表明：当磁场强度小于优化值时,电子横越磁场的传导以近壁传导机制为主;反之,当磁场强度大于优化值时,放电电流反常变化,而现有的电子输运传导机制不能解释这种现象. 关键词： 霍尔推力器 磁场强度 放电特性     

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.     

Orbital motion of dust particles in an rf magnetron discharge. Ion drag force or neutral atom wind force

Microparticles with sizes up to 130 μm have been confined and the velocity and diameter of particles in a plasma trap of an rf magnetron discharge with an arc magnetic field have been simultaneously measured. The motion of the gas induced by electron and ion cyclotron currents has been numerically simulated using the Navier-Stokes equation. The experimental and numerical results confirm the mechanism of the orbital motion of dust particles in the magnetron discharge plasma that is associated with the orbital motion of the neutral gas accelerated by electron and ion drift flows in crossed electric and magnetic fields.     

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。     

Highly time-resolved investigation of the electric wind caused by surface DBD at various ac frequencies

Surface plasma discharges find relevant applications for manipulating laminar or turbulent flows. The control mechanism can be related to time-averaged momentum transfer or be associated to favorable interactions between the fluctuations imposed by the discharge and the natural instabilities developing in the incoming flow. In the present paper, the electric wind produced by a non-thermal surface dielectric barrier discharge is investigated by a non-intrusive measurement technique having a high temporal resolution. The measurements are carried out for an actuator in quiescent flow condition, but also for an actuator placed in the test section of a wind tunnel with external flow speed from 5 to 30 m/s. The results confirm that a surface DBD actuator has a low control authority on the mean characteristics of the velocity profiles developing above the plasma region. However, it is also demonstrated that the plasma actuator imposes periodic fluctuations at the electrical frequency driving the gas ionization, this over the whole range of tested speeds.     

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.      

Magnetic Control of Diffuse Discharges

By application of a crossed magnetic field, the electron energy distribution in a gas discharge can be shifted to lower energy values, as demonstrated by means of Monte Carlo calculations for electrons in He:SF6 mixtures. Consequently, through the change in the rate coefficients for ionization and attachment, the sustaining field in the discharge plasma is increased. This magnetically induced voltage rise was studied in a low-pressure glow discharge. The cathode fall was found to be the dominant component in determining the characteristics of this magnetically controlled discharge. The drastic rise of the cathode fall above a threshold value could be utilized in operating a glow discharge as an opening switch for an inductive energy storage system.     

等离子体激励器的静特性与高速特性仿真研究

将实验测得的电弧放电能量分布规律拟合为理想热源,采用数值仿真方法对一种高频等离子体射流激励器进行参数化研究,探索了激励器出口角度对激励器静特性的影响,并获得了在超声速来流(Ma0=2.0)情况下射流激励器的高速特性。结果显示:当射流出口流通面积相同时射流出口角度越小,激励器沿流向的动量注入能力越强,并且这一规律在高速射流条件的情况下仍然适用。相比静止条件,在超声速来流条件下,射流的动量注入能力更强,影响域更大。     

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.     

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.