大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器流動(dòng)控制特性綜述

大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器流動(dòng)控制特性綜述齊曉華;雷濟(jì)宇【摘要】主要針對(duì)大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電(surfacedielectricbarrierdischarge,SDBD)的電特性和機(jī)械特性，綜合概述了交流高壓驅(qū)動(dòng)條件下典型的單個(gè)板-板結(jié)構(gòu)的SDBD等離子體激勵(lì)器在氣流控制領(lǐng)域中的研究進(jìn)展.文中僅給出了周圍沒(méi)有氣流情況下SDBD等離子體激勵(lì)器的研究結(jié)果.首先總結(jié)了SDBD的放電電流、等離子體的擴(kuò)展及其形態(tài)等主要特征，然后給出了時(shí)間平均的電流體動(dòng)力(Electro-hydro-dynamic,EHD)和離子風(fēng)速度的測(cè)量情況，最后總結(jié)了EHD力和離子風(fēng)速度的時(shí)間分辨測(cè)量的最新研究進(jìn)展.研究結(jié)果顯示，單個(gè)SDBD等離子體激勵(lì)器產(chǎn)生的平均EHD力和離子風(fēng)速分別可高達(dá)1mN/W和7m/s,類輝光放電對(duì)推力和離子風(fēng)的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用.【期刊名稱】《渤海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(卷)，期】2019(040)001【總頁(yè)數(shù)】10頁(yè)(P59-68)【關(guān)鍵詞】氣流控制;沿面介質(zhì)阻擋放電;電特性;機(jī)械特性【作者】齊曉華;雷濟(jì)宇【作者單位】渤海大學(xué)數(shù)理學(xué)院，遼寧錦州121013;大石橋市高級(jí)中學(xué)，遼寧大石橋市115110【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM2150引言近十多年來(lái)，利用大氣壓放電等離子體激勵(lì)器作為流動(dòng)控制領(lǐng)域的氣動(dòng)激勵(lì)裝置并研究其流動(dòng)控制特性已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)課題之一〔1-4〕.其中，大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電(surfacedielectricbarrierdischarge，SDBD)等離子激勵(lì)器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作、能量消耗低、響應(yīng)速度快以及參數(shù)易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制等技術(shù)優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注.這一新研究熱潮的出現(xiàn)主要得益于美國(guó)Roth等學(xué)者在1998年證明了薄壁射流等離子體對(duì)于低速氣流具有非常顯著的控制效果〔5〕.隨后，Roth研究小組開(kāi)展了關(guān)于邊界層氣流控制、翼型攻角分離流再附著〔6,7〕及SDBD等離子體激勵(lì)器參數(shù)優(yōu)化等方面的一系列研究工作，研究成果表明SDBD在改善飛行器動(dòng)力特性方面具有廣闊的應(yīng)用前景.圖1給出了SDBD等離子體對(duì)于低速氣流可以實(shí)現(xiàn)邊界層分離再附著的示例.鑒于Roth等學(xué)者的研究成果，具有等離子體研究經(jīng)驗(yàn)以及具有等離子體與氣流相互作用研究背景的不同研究團(tuán)體相繼開(kāi)始致力于SDBD等離子體激勵(lì)器作為氣流控制裝置的研究工作.在接下來(lái)的十年里，期刊和會(huì)議上關(guān)于等離子體流動(dòng)控制方向的出版物數(shù)量急速增長(zhǎng)，最終成為一個(gè)完整的跨學(xué)科研究領(lǐng)域.如圖2所示，通過(guò)Google搜索詞條檢索“plasmaactuator”，可以發(fā)現(xiàn)全世界范圍內(nèi)等離子體激勵(lì)器的研究熱度幾乎呈指數(shù)增長(zhǎng)〔8〕.圖1沿面介質(zhì)阻擋放電對(duì)邊界層控制效果圖〔6〕近十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)SDBD開(kāi)展的研究工作主要可以概括為兩個(gè)方向：一個(gè)方向是針對(duì)SDBD等離子體激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和控制參數(shù)優(yōu)化，目的是獲取較高的電流體動(dòng)力(Electro-hydro-dynamic，EHD)和離子風(fēng)速度；另一個(gè)方向是研究SDBD誘導(dǎo)EHD力的產(chǎn)生機(jī)理以爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)EHD力質(zhì)的飛躍，使流動(dòng)控制技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于工程領(lǐng)域.本文主要綜合概述近十年在周圍沒(méi)有氣流情況下SDBD等離子體激勵(lì)器在氣流控制領(lǐng)域中的規(guī)律性的研究成果或?qū)罄m(xù)研究有重要影響的研究成果，針對(duì)交流高壓驅(qū)動(dòng)下典型的單個(gè)板-板結(jié)構(gòu)的SDBD等離子體激勵(lì)器的電特性和機(jī)械特性進(jìn)行總結(jié).首先總結(jié)了交流高壓驅(qū)動(dòng)下典型的SDBD的放電電流，等離子體的擴(kuò)展及其形態(tài)等主要特性，其次給出了時(shí)間平均的EHD力和離子風(fēng)速度的測(cè)量情況，然后總結(jié)了EHD力和離子風(fēng)速度的時(shí)間分辨測(cè)量的最新研究進(jìn)展，最后對(duì)SDBD研究成果的主要結(jié)論做了總結(jié).圖2等離子體激勵(lì)器研究熱度圖表〔8〕1SDBD等離子體激勵(lì)器結(jié)構(gòu)典型的單個(gè)板-板結(jié)構(gòu)的SDBD等離子激勵(lì)器通常包含兩個(gè)扁平電極，且兩個(gè)電極非對(duì)稱地安裝在介質(zhì)板的兩側(cè)，如圖3(a)所示.暴露在空氣中的上電極(以下簡(jiǎn)稱裸露電極)與交流高壓電源相連接，另一個(gè)是封裝和接地的(以下簡(jiǎn)稱密封電極).電極材料通常為銅箔或鋁箔，厚度介于30pm至100pm之間；介質(zhì)板材料通常為耐熱耐高壓的石英玻璃、有機(jī)玻璃、云母、陶瓷等絕緣材料，介質(zhì)板的厚度通常在100pm到8mm之間.電極間隙一般介于零或幾毫米之間.當(dāng)在裸露電極施加的交流高壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)，沿介質(zhì)板表面會(huì)擴(kuò)展出一層明亮的等離子體，等離子體的延展圖片如圖3(b)所示〔9〕.圖3(a)典型的沿面介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)圖；(b)放電延展圖片〔9〕2放電電流特性圖4給出了44kV峰峰值高壓驅(qū)動(dòng)下單個(gè)SDBD(3mm厚PMMA為介質(zhì)板)的電壓電流波形〔10〕.從圖4中可以看到，對(duì)板-板結(jié)構(gòu)的SDBD而言，放電電流在兩個(gè)不同的放電半周期呈現(xiàn)截然不同的放電特征.正半周期的放電屬于疏散的強(qiáng)電流絲狀放電，電流的幅值可高達(dá)250mA，而負(fù)半周期的放電屬于細(xì)密的類輝光放電，電流的幅值一般不高于10mA.(a)電流在-40mA至360mA范圍內(nèi)的寬視圖；(b)電流在-3.5mA至2mA范圍內(nèi)的放大圖圖4典型SDBD等離子體放電電流對(duì)比時(shí)間波形〔10〕3等離子體擴(kuò)展特性等離子體高速演化和擴(kuò)展圖像可通過(guò)快速可控的納秒級(jí)增強(qiáng)電荷耦合器件(intensifiedchargecoupleddevice，ICCD)進(jìn)行拍攝收集.圖5給出了Benard等采用ICCD技術(shù)拍攝的等離子體高速演化的圖像〔11〕，該研究成果進(jìn)一步在微觀層面上證實(shí)了交流驅(qū)動(dòng)的SDBD在交流的正負(fù)半周期具有不同的放電特性.正半周期的放電屬于絲狀模式的放電，而負(fù)半周期的放電屬于類輝光模式的放電.Benard等的這一研究成果為后續(xù)SDBD的機(jī)理研究提供了依據(jù).圖5(a)SDBD的電壓電流對(duì)比時(shí)間波形圖;(b)等離子體演化高速照片(曝光時(shí)間100同〔11〕4SDBD等離子體激勵(lì)器的機(jī)械特性4.1功率消耗根據(jù)電壓和電流曲線，等離子體激勵(lì)器所消耗的時(shí)間平均電功率可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算(1)其中v(t)和i(t)分別是電壓和電流與時(shí)間的關(guān)系，TAC是波形周期,fAC是正弦高壓頻率.通常，采用這種方法時(shí)，功率消耗會(huì)從一個(gè)周期到另一個(gè)不同周期，然后需要幾個(gè)周期(從10到100)來(lái)達(dá)到收斂的平均值.這種方法非常簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，但問(wèn)題是在高電流峰值時(shí)，同步電流的幅度比電流峰值至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)，很難有一個(gè)好的解決方案獲得同步電流.另一種計(jì)算時(shí)間平均電功率的簡(jiǎn)單方法是〃李薩如圖形法”〔12〕.該種方法是由Pons等人首次用于計(jì)算SDBD等離子體激勵(lì)器的消耗功率.該方法包括在接地電極和接地端之間放置一個(gè)電容C(如圖3所示)，并繪制V-Q曲線，如圖6所示.該曲線的面積對(duì)應(yīng)于每個(gè)放電周期所消耗的能量.曲線是逆時(shí)針?lè)较蚋采w的，每半個(gè)部分顯示兩個(gè)分支，分別對(duì)應(yīng)于存在(A)或不存在(B)的放電.典型的能量值范圍為1mJ至20mJ,每個(gè)周期傳輸?shù)碾姾筛哌_(dá)幾個(gè)K，電功率通過(guò)此值與波形頻率fAC相乘獲得.該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算不會(huì)因高電流峰值的存在而產(chǎn)生偏差，并且從一個(gè)循環(huán)到另一個(gè)循環(huán)更具有可重復(fù)性.通常，電功率消耗以瓦(W)每單位長(zhǎng)度電極(W/cm)表示.典型的等離子體激勵(lì)器消耗的功率范圍從0.1到幾W/cm,并且在氣流控制應(yīng)用中的大多數(shù)情況，無(wú)論介質(zhì)板厚度如何，電功率消耗約為1W/cm.圖6電荷電壓曲線圖，通常稱為〃李薩如圖形”(V=20kV,fac=300Hz)〔12〕4.2激勵(lì)器誘導(dǎo)的時(shí)間平均推力和EHD力縱觀國(guó)內(nèi)外的研究成果，通常采用兩種方法來(lái)衡量等離子體激勵(lì)器的機(jī)械效應(yīng).第—種方法是測(cè)量放電弓I起的時(shí)間平均推力，第二種方法是基于通過(guò)流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)(如激光多普勒測(cè)速儀(laserdopplervelocimeter,LDV)系統(tǒng)或粒子圖像測(cè)速儀(particleimagevelocimeter,PIV)系統(tǒng)等)來(lái)測(cè)量離子風(fēng)速，進(jìn)而計(jì)算出EHD力.這兩種方法在研究工作中相互補(bǔ)充.等離子體放電時(shí)，放電等離子體與介質(zhì)板表面間存在表面摩擦力，在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的水平推力實(shí)際上是EHD力與表面摩擦力的差值.但考慮到低速氣流下表面摩擦力很小，通常認(rèn)為激勵(lì)器誘導(dǎo)的推力大小等同于EHD力的大小.SDBD誘導(dǎo)的時(shí)間平均推力通常借助實(shí)驗(yàn)室天平進(jìn)行測(cè)量.天平精度必須小于1mN,因?yàn)樵?0cm長(zhǎng)激勵(lì)器情況下，典型的測(cè)量值范圍是從0.1mN到幾個(gè)mN.此種方法簡(jiǎn)單快速，在全世界范圍內(nèi)被廣泛采用〔7,10,13-16〕；后一種方法可以在時(shí)間和空間范圍內(nèi)解決流動(dòng)測(cè)量問(wèn)題，通過(guò)使用Navier-Stokes方程，并假設(shè)幾個(gè)初始條件，進(jìn)而從速度場(chǎng)推導(dǎo)出EHD力.下面將著重介紹幾種對(duì)后續(xù)研究有重要影響的研究成果.2004年，Enloe研究小組通過(guò)SDBD等離子體激勵(lì)器誘導(dǎo)的推力測(cè)量來(lái)描述激勵(lì)器的機(jī)械效應(yīng)〔17，18〕，研究成果表明激勵(lì)器誘導(dǎo)的推力與消耗功率成正比，并且?guī)缀螀?shù)(例如電極形狀)和電氣參數(shù)(例如電壓波形)對(duì)誘導(dǎo)的推力大小起重要作用.通過(guò)優(yōu)化，它們的電耗有效性約等于0.15mN/W.最近的一項(xiàng)研究證實(shí)〔15〕，推力與消耗的功率幾乎成線性增加，如圖7所示，具有約0.25mN/W的有效性.但是，當(dāng)功率增加到約50W/m(0.5W/cm)以上時(shí)，因?yàn)榉烹娮兂山z狀，曲線輕微下降.這種飽和效應(yīng)在Thomas等人的研究成果中也被觀測(cè)到〔19〕.到目前為止，最強(qiáng)的推力是由Thomas等人利用6.35mm厚的石英介質(zhì)板產(chǎn)生的〔19〕.在1kHz時(shí)，當(dāng)施加的交流高壓為40kV時(shí)，測(cè)得的推力50mN/m和125mN/m時(shí)所對(duì)應(yīng)的消耗功率分別為1W/cm和4W/cm，這分別相當(dāng)于0.5mN/W和0.31mN/W的有效性.該研究成果表明推力效率(以mN/W為單位)隨著電功率消耗的增加而降低.圖8顯示了頻率固定(1500Hz)，電壓從12kV增加到22kV時(shí)產(chǎn)生的推力與功率消耗曲線及電壓幅值固定(20kV)，頻率從500Hz調(diào)節(jié)到2000Hz時(shí)產(chǎn)生的推力與功率消耗曲線.研究結(jié)果再一次證明，推力與功率消耗幾乎成線性比例增加.當(dāng)消耗的電功率等于1W/cm時(shí)，測(cè)得約60mN/m的推力，推力效率相當(dāng)于0.6mN/W.這一成果也突出了推力的有效性隨著電介質(zhì)厚度的增加而增加.圖7推力隨功率變化曲線圖〔15〕圖8推力對(duì)比功率消耗曲線圖〔10〕4.3時(shí)間平均的離子風(fēng)速度SDBD在放電過(guò)程中誘導(dǎo)產(chǎn)生出EHD力,并進(jìn)一步誘導(dǎo)壁面氣體的流動(dòng)，氣體的流動(dòng)也被稱作離子風(fēng).離子風(fēng)速度測(cè)量相比于推力測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行空間分布測(cè)量.進(jìn)行離子風(fēng)速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)的最簡(jiǎn)單方法是使用壓力探測(cè)器連接到皮托管.皮托管測(cè)量風(fēng)速的原理可由伯努利方程給出：(2)其中P為總壓，P0為靜壓，分別對(duì)應(yīng)接入微壓差傳感器的兩個(gè)氣壓輸入端口，壓差A(yù)P可以在實(shí)驗(yàn)中直接測(cè)量得到，p為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓室溫條件下的空氣密度(1.29kg/m3),v為氣流的速度.將公式(2)進(jìn)行變換，可以得到氣流速度v的表達(dá)式：⑶圖9(a)顯示了水平速度沿y軸分布的典型示例〔20〕，其中y=0對(duì)應(yīng)于電介質(zhì)墻.在x=10mm(下游10mm),在裸露電極的邊緣處，在約0.5mm處測(cè)量的最大速度約等于4m/s，噴射厚度約等于5mm.在下游，由于擴(kuò)散和粘性效應(yīng)，最大速度減小而噴射厚度增加.圖9(b)顯示了沿x軸的垂直剖面情況(4mm厚的介質(zhì)板，V=30kV,fac=1.5kHz)，它突出了橫向離子風(fēng)速的分量從x=0增加到大約10mm-15mm，最大速度等于7m/s.據(jù)我們所知，它是迄今為止用單個(gè)SDBD測(cè)量得到的離子風(fēng)速的最高值.圖9(a)四個(gè)不同x位置離子風(fēng)速度沿y軸剖面圖;(b)y=0.9mm處，離子風(fēng)速度沿x軸的剖面圖〔20〕4.4時(shí)間分辨的離子風(fēng)速度借助于高速PIV系統(tǒng)或LDV系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨的速度測(cè)量.該方法可以更準(zhǔn)確地表征所產(chǎn)生的離子風(fēng)的流動(dòng)特性.在2005年，F(xiàn)orte等第一次進(jìn)行了離子風(fēng)速度對(duì)比時(shí)間的測(cè)量研究，實(shí)驗(yàn)第一次證明了交流正負(fù)半周期的放電對(duì)于產(chǎn)生離子風(fēng)的貢獻(xiàn)是不同的.但由于電源與LDV系統(tǒng)在時(shí)間上不同步的局限性，尚不能判斷交流哪半個(gè)周期對(duì)于離子風(fēng)的產(chǎn)生更有效在2006年的速度時(shí)間分辨測(cè)量研究工作中〔20,21〕，正弦高壓和LDV系統(tǒng)的時(shí)間同步性問(wèn)題得以解決.圖10和圖11展示了離子風(fēng)速度對(duì)比時(shí)間的曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于交流正半周期的絲狀放電而言，交流負(fù)半周期的類輝光放電更有利于離子風(fēng)的產(chǎn)生.最近，Benard和Moreau進(jìn)行的進(jìn)一步的研究〔11，22〕再一次證明交流負(fù)半周期的類輝光放電對(duì)于離子風(fēng)的產(chǎn)生具有重要貢獻(xiàn)，而正半周期的絲狀放電對(duì)于離子風(fēng)的產(chǎn)生幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn).圖10離子風(fēng)速度對(duì)比時(shí)間曲線圖（fac=700Hz,x=2mm,y=1mm）〔20〕在2012，Debien等〔10〕借助高分辨的PIV系統(tǒng)進(jìn)一步證明類輝光周期的放電對(duì)離子風(fēng)速度起主導(dǎo)作用.圖11在不同x,y位置離子風(fēng)速度對(duì)比時(shí)間曲線圖〔10〕4.5EHD力在時(shí)間或空間上的分辨測(cè)量主要介紹EHD力時(shí)間分辨測(cè)量的兩個(gè)例子.第一個(gè)涉及總誘導(dǎo)推力與時(shí)間的關(guān)系.Enloe等嘗試在高帶寬激光干涉儀系統(tǒng)的幫助下測(cè)量總誘導(dǎo)推力與時(shí)間的關(guān)系〔22〕，研究發(fā)現(xiàn)等離子體放電的負(fù)半周和正半周所產(chǎn)生的推力方向相同，但只有負(fù)向半周期產(chǎn)生的力足以克服介質(zhì)板表面的阻力.另一個(gè)例子是通過(guò)PIV時(shí)間平均速度場(chǎng)進(jìn)行平均力的計(jì)算，在這種情況下，力不是時(shí)間分辨的，而是空間分辨的.在文獻(xiàn)〔23〕中，Kriegseis等人實(shí)施了不同的積分方法和不同的推力估算方法.研究結(jié)果證明推力的強(qiáng)度和力作用的域，隨著消耗功率的增加而增加，該結(jié)果與圖7和圖8所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致.研究結(jié)果還表明約有30%動(dòng)量消耗于壁摩擦.圖12顯示了推力分布的一個(gè)例子和10%的等值線（給出局部力f（x，尸）高于最大力除以10的區(qū)域）.它強(qiáng)調(diào)，對(duì)于0.4mm厚的介質(zhì)板，在V=12kV,fAC=11kHz條件下，局部力可以達(dá)到8x103N/m3.該最大力非?？拷懵峨姌O邊緣，通常在x?1mm,y?0.15mm處.在這樣的條件下，總的計(jì)算推力約等于25mN/m，總測(cè)量推力大約等于15mN/m.圖12通過(guò)PIV系統(tǒng)測(cè)量計(jì)算時(shí)間分辨的總推力〔23〕5結(jié)論在本文中，介紹了SDBD等離子體激勵(lì)器的電特性和機(jī)械特性.主要結(jié)論如下：放電電流曲線和ICCD快速成像技術(shù)表明交流正半周期產(chǎn)生絲狀放電，而交流負(fù)半周期產(chǎn)生類輝光放電.典型的等離子體激勵(lì)器消耗的功率范圍從0.1到幾W/cm，在氣流控制應(yīng)用中的大多數(shù)情況，電功率消耗約為1W/cm.最大測(cè)量推力等于125mN/m，消耗功率為4W/cm.⑷當(dāng)消耗的電功率等于1W/cm時(shí)，推力效果最佳，推力效率等于0.6mN/W.在單個(gè)SDBD的情況下，最大測(cè)量離子風(fēng)速等于7m/s.速度時(shí)間分辨測(cè)量結(jié)果顯示兩個(gè)電壓半周期都能產(chǎn)生正的水平離子風(fēng)速度，但負(fù)半周期放電產(chǎn)生的離子風(fēng)速度占主導(dǎo)地位.【相關(guān)文獻(xiàn)】〔1〕MOREAUE.Airflowcontrolbynon-thermalplasmaactuators〔J〕.JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2007,40(3):605-636.〔2〕CORKETC,ENLOECL,WILKINSONSP.Dielectricbarrierdischargeplasmaactuatorsforflowcontrol[J].AnnualReviewofFluidMechanics,2010,42(1):505-529.〔3〕BENARDN,MOREAUE.ElectricalandmechanicalcharacteristicsofsurfaceACdielectricbarrierdischargeplasmaactuatorsappliedtoairflowcontrol〔J〕.ExperimentsinFluids,2014,55(11):1-43.〔4〕CORKETC,POSTML,ORLOVDM.SDBDplasmaenhancedaerodynamics:concepts,optimizationandapplications〔J〕.ProgressinAerospaceSciences,2007,43(7):193-217.〔5〕ROTHJR,SHERMANDM,WILKINSONSP.Boundarylayerflowcontrolwithaoneatmosphereuniformglowdischargesurfaceplasma〔C〕.NASALangleyResearchCenterAerospaceSciencesMeetingandExhibit,Reno,NV,1998,1-28,AIAAPaper199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