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.      

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.     

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     

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。     

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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.     

大气压下氩原子谱线辐射诊断试验研究

大气压下介质阻挡放电应用领域具有多范畴、深广度、常态化等优势,针对同轴电极放电试验进行了系列参数诊断。采用自主研发的介质阻挡放电助燃激励器,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(间隔1.0 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;选用二谱线法及Boltzmann法测试了电子激励温度;根据Stark展宽效应计算了电子密度;获得了电子激励温度及电子密度随放电峰值电压增长的变化规律。结果表明,在试验电压条件下电子激励温度并不随外加电压的升高而递增,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外部电压的供给,而是取决于气体组份、气体压强和放电模型,增大外加放电电压仅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;电子密度随外加电压的增长而趋于准线性趋势,电子密度数量级可达到108～109 cm-3,电离度偏弱。这些参数的探索对等离子体研讨有重大意义。     

氩气/空气等离子体助燃激励器的实验研究

为了获得氩气/空气等离子体助燃激励器的特性,首先在空气中加入少量氩气的条件下,对条状、王状和网状三种不同电极形状的等离子体助燃激励器的放电特性进行对比,实验结果表明电极形状对激励器放电特性影响不大。然后对条形电极在纯空气和10%氩气/90%空气两种条件下的放电特性和发射光谱进行研究,发现加入氩气后,放电参数变化趋势与纯空气相似,但电流脉冲增多,放电均匀度增加,起始放电电压由27kV降低到24kV,并且介质阻挡放电发射光谱增强。     

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。     

光谱方法研究大气压氩气等离子体喷枪的放电特性

利用同轴介质阻挡放电喷枪,通过氩气的流动在大气压空气中产生了均匀的等离子体羽。等离子体羽沿气流方向较为均匀,但在喷嘴处为白色且亮度较高,远离喷嘴处为蓝色,亮度较低。研究了等离子体羽长度与外加电压幅值、驱动频率和气体流速的关系,气流小于4 L·min-1时等离子羽的长度随气流的增大而增大,而当气流大于4 L·min-1时长度随气流的增大而减小。当气流保持恒定时,等离子体羽的长度随外加电压幅值或驱动频率的增大而增大。结合气体放电理论以及分析湍流和平流对放电的影响,对等离子体羽长度随实验参数的变化进行了定性解释。光学方法研究发现在外加电压正半周期等离子羽有一个发光脉冲,而负半周期没有发光信号。同轴介质阻挡放电正半周期有两个发光脉冲,负半周期有一个发光脉冲。通过对该N₂现象的分析,为等离子体羽的产生机制提供了一种可能的解释。采集了同轴介质阻挡放电和等离子体羽的发射光谱,研究发现除等离子体羽存在明显的OH和N₂的发射谱线外,其发射光谱没有明显差别。利用光学发射谱N+₂第一负带系,对等离子体羽转动温度进行了测量,发现转动温度沿远离喷嘴的方向逐渐降低,且转动温度随电压幅值的增大而增大。     

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。     

磁加速等离子体激励器激励特性

为了增强等离子体激励器的扰动能力、提升等离子体气动激励的控制效果,采用高压探针、烟流显示和PIV流场测试等多种研究手段,开展了磁场加速等离子体激励器特性研究,获得了激励器不同时刻的放电图像,分析了磁场强度对激励器电学特性与诱导流场特性的影响规律.结果表明,（1）放电等离子体的定向运动速度与磁场强度成正比,磁加速等离子体的最大移动速度达到了6 m/s;（2）通过对不同剖面的诱导流场进行研究发现,磁场加速等离子体激励器能够在近壁区产生一系列涡结构.此外,该诱导流场具有显著的三维特征与非定常特性.研究结果为开展基于磁加速等离子体气动激励的流动控制奠定了基础.      

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。     

Thermal and induced flow characteristics of radio frequency surface dielectric barrier discharge plasma actuation at atmospheric pressure

Thermal and induced flow velocity characteristics of radio frequency(RF) surface dielectric barrier discharge(SDBD)plasma actuation are experimentally investigated in this paper. The spatial and temporal distributions of the dielectric surface temperature are measured with the infrared thermography at atmospheric pressure. In the spanwise direction, the highest dielectric surface temperature is acquired at the center of the high voltage electrode, while it reduces gradually along the chordwise direction. The maximum temperature of the dielectric surface raises rapidly once discharge begins.After several seconds(typically 100 s), the temperature reaches equilibrium among the actuator's surface, plasma, and surrounding air. The maximum dielectric surface temperature is higher than that powered by an AC power supply in dozens of k Hz. Influences of the duty cycle and the input frequency on the thermal characteristics are analyzed. When the duty cycle increases, the maximum dielectric surface temperature increases linearly. However, the maximum dielectric surface temperature increases nonlinearly when the input frequency varies from 0.47 MHz to 1.61 MHz. The induced flow velocity of the RF SDBD actuator is 0.25 m/s.     

空气介质阻挡放电单个微放电通道发光强度及振动激发温度的空间分布

通过清洗放电方法,在平行平板介质阻挡空气放电中得到了单个稳定的微放电通道（又称放电丝）.测量了从瞬时阳极到瞬时阴极单个放电丝的发光强度及振动激发温度的空间分布.研究表明：在外加电压的每半周中放电丝发光呈现杯型分布,杯底位于瞬时阴极处;振动温度在两平行板间隙的中心处最高而在瞬时阳极处最低. 关键词： 介质阻挡放电 微放电通道 振动温度     

若干放电电极的改进设计与分析

在已用于脉冲放电气体激光器中的近似Rogowski电极、紧凑式Chang电极和Ernst电极的基础上,提出了将近似Rogowski电极金属衬板缩短和削减其中央电极厚度、将紧凑式Chang电极和Ernst电极金属衬板改为绝缘介质衬板,并对Ernst电极参数进行优化的改进型电极结构.设计了这些改进型电极的制造方法,并用模拟电荷法计算了改进型电极表面的电场分布.把均匀场电极的电场理论分布和已使用的电极表面电场分布进行比较,可以看出,这些改进型电极在电场分布和结构上优于已使用的电极.     

Dielectric barrier plasma dynamics for active aerodynamic flow control

The paper investigates the dynamics of a new multiple bipolar multiple Dielectric Barrier Discharges(DBD)actuator using in large-scale flow control.Particle image velocimetry experiments are performed to characteristic the effectiveness of the multiple bipolar DBD plasma actuator.The results show that the mutual interaction between the electrodes,one major disadvantage of traditional DBD characterized by reverse discharge can be entirely avoided,and a constantly accelerating electric wind velocity can be obtained by using the new multiple bipolar DBD plasma actuator.     

Optical Emission Spectroscopy Investigation of a Surface Dielectric Barrier Discharge Plasma Aerodynamic Actuator

The optical emission spectroscopy of a surface dielectric barrier discharge plasma aerodynamic actuator is investigated with different electrode configurations, applied voltages and driving frequencies. The rotational temperature of N2 （C^3 Ⅱu） molecule is calculated according to its rotational emission band near 380.5 nm. The average electron energy of the discharge is evaluated by emission intensity ratio of first negative system to second positive system of N2. The rotational temperature is sensitive to the inner space of an electrode pair. The average electron energy shows insensitivity to the applied voltage, the driving frequency and the electrode configuration.