介质阻挡面放电等离子体流动控制研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北工业大学 作者:倪章松

  介质阻挡面放电(Surface Dielectric Barrier Discharge,SDBD)等离子体主动流动控制技术可以显著改善飞行器的气动性能,已经成为国内外研究的热点问题。通过介绍国外针对SDBD 特性、流动控制机理、气动激励数学模型、流动控制影响因素等的研究现状,总结了国内在SDBD 等离子体流动控制实验、数值模拟和机理研究方面的进展,归纳出现阶段研究中面临的问题及未来需要解决的问题,并指出提高抑制流动分离能力的等离子体冲击流动控制方式是一种重要研究方向。

0、引言

  随着世界能源危机的到来,新型飞行器对能源和动力提出更高的挑战,传统的气动设计手段将不能满足需求,需要采用新的技术途径来改善飞行器的气动性能。主动流动控制技术是21 世纪最有发展潜力的航空前沿技术之一,将作为未来新型飞行器气动设计的新手段。

  等离子体主动流动控制技术的主要目的是增加飞行器的升力、减小阻力,提高升阻比,从而改善飞行器的气动性能。SDBD 是一种重要的大气压放电形式,激励器电极布置在物体表面,使得边界层气体分子加速或局部体积耗散加热,从而改变边界层的流场结构和物理特性,抑制飞行器表面流动分离,最终实现飞行器增升减阻和效率增加。

  SDBD 主动流动控制技术具有体积小、无运动部件、重量轻、功耗低、作用频带宽、可靠性高、响应快,不使用时对流场影响较小等优点,而且对边界层控制和低雷诺数下流动再附作用很高效,被认为是很有前途和价值的流动控制新技术,得到了非常广泛的应用。

  文章主要介绍了国外针对SDBD 特性、流动控制机理、气动激励数学模型、流动控制影响因素等的研究现状,总结了国内在SDBD 等离子体流动控制实验、数值模拟和机理研究方面的进展,归纳出现阶段研究中面临的问题及未来需要解决的问题,并指出提高抑制流动分离能力的等离子体冲击流动控制方式是一种重要研究方向。

1、国外研究现状

  美国研究SDBD 流动控制的团队非常多,包括田纳西大学、空军研究实验室团队(马里兰大学、俄亥俄州大学、凯特灵大学、赖特大学和加州大学)、圣母大学、普林斯顿大学、空军学院、NASA 格伦研究中心、肯塔基大学等,研究的自由流速度跨度大,覆盖了低速、超声速、高超声速。俄罗斯的研究机构主要包括俄罗斯科学院高温所(IVTAN)、莫斯科物理和技术学院、LENINETZ 公司等研究机构,取得了相当显著的成就。总体看来俄罗斯的等离子体流动控制研究主要集中在IVTAN,目前IVTAN 对SDBD研究相对较少。法国代表了欧洲的研究水平,最主要的研究团队是由法国Poitiers 大学和阿根廷Buenos Aires 大学组成的研究团队,对SDBD 流动控制开展了实验研究。英国较早就开始了等离子体展向振荡减阻研究,但是实验自由流速度仍然很低。意大利的SDBD 研究工作基本处于起步和模仿阶段,主要研究力量是博洛尼亚大学Borghi 等。瑞士的研究则强调气流对等离子体的影响。另外还有德国、印度与伊朗进行了一些相关研究。

  1.1、SDBD 研究

  1857 年,西门子第一次进行了DBD 实验。1933 年,Engle 等在一个大气压空气中得到DC正常辉光放电,由于存在辉光-电弧转化,这个放电并不稳定,很少在工业或实验室中得到应用。1995年,Roth 等在电极上使用绝缘平板抑制辉光-电弧转变,从而极大的降低了阴极加热、腐蚀,以及等离子体污染,还使得等离子体稳定,增加了离子数密度;这类放电称为大气压均匀辉光放电等离子体(One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma,OAUGDPTM,也称RF 辉光放电),实际就是SDBD。Andrey Starikovskiy 等发明了一种二极管介质阻挡面放电装置,测量表明该装置可以成功抑制住负半周期的反向减速作用,增强加速作用,然而,该装置还处于发展的初始阶段。

  1.2、流动控制机理研究

  1.2.1、动量加速和动量掺混

  Schatzman 等在实验中用粒子成像测速技术(PIV)测出激励器连续工作和脉冲工作模式下诱导速度场,发现连续激励时等离子体与边界层气体之间进行动量交换,诱导出壁面射流;脉冲工作时等离子体向边界层输入动量的同时诱导出旋涡,从而对激励器下游流场的影响范围更大。Hultgren 等在闭式循环水洞中进行了SDBD 等离子体主动控制边界层流动分离的实验,结果表明激励器通过促进边界层的提前转捩而使流动再附。Enloe 等认为等离子体-中性分子碰撞造成动量传输从而产生体积力是主要的能量耦合机制,激励器附近加热也很重要,但并不是等离子体流动控制的主要机制,Roth等、Jukes 等得到类似的结论。Minton 等认为进入边界层的能量使得流体加热膨胀,造成了一个障碍,从而在放电位置造成流动分离,但是这是一个不愿看到的结果,据此推测认为产生控制效果的是体积力。Gaitonde 等通过仿真表明SDBD 激励器通过促进层流-湍流转捩和增强近壁面动量来实现控制作用,转捩和湍流增强机制比纯粹的壁面动量增强更重要。Kengo Asada 等用大涡模拟方法研究NACA 0015 翼型在脉冲工作模式等离子体控制下的两种作用机制:第一种为DBD 增强边界层旋涡,因而避免翼型前缘更大分离涡的形成;第二种为激励器通过抑制翼型分离,从而改善了翼型气动性能。圣母大学团队研究NACA 0015 机翼处于振荡过程中SDBD 对流动分离的控制效果,发现低雷诺数下一个单独的SDBD 激励器类似于襟翼或者鼓包,对机翼升力具有双重作用:一是无粘动量添加;二是和粘性流场的相互作用。M. Neumannl等利用激光多普勒测速仪(LDV)测出了SDBD激励器诱导二分量速度场和拉格朗日加速度,认为等离子体诱导体积力存在时间和空间两种加速机制,实验得出时间加速机制起主要作用。

  1.2.2、温升效应和热冲击效应

  Correale 等通过实验来研究纳秒脉冲等离子体产生的冲击波与NACA 63-618 翼型流场的相互作用,还在层流条件下进行了纳秒脉冲等离子体控制翼型失速的研究,以此来进一步探索流动控制机理,研究发现纳秒脉冲等离子体在翼型表面诱导出旋涡是流动控制的最主要机制。Roupassov 等[21] 研究表明激励器放电产生的纳秒脉冲等离子体在激励器表面诱导出冲击波,冲击波诱导旋涡对主流产生扰动,从而促进主流和边界层之间的动量交换,使得翼面流动再附。Jonathan Poggie 等对DBD 纳秒脉冲放电的作用机理进行了数值研究,仿真的结果很好的再现了实验中观察到的现象。认为纳秒脉冲可用于高速流动控制,作用机理主要在于激励器迅速将电能转化为快速释放的热能,以及随之而产生的冲击波对流场的扰动作用。Munetake Nishihara 等在小尺寸的超音速风洞中研究了纳秒脉冲介质阻挡放电(NS-DBD)等离子体对斜激波和激波边界层的相互作用。

  1.2.3、综合观点

  目前还存在一些综合观点,比如Menier 等提出亚声速条件下适用动量传输机理,超声速条件下则主要为加热机制,二者更可能同时存在,放电位置的不同导致动量传输和加热作用可能叠加,也可能互相抵消。Roupassov 等认为能量耦合机制与所使用的激励电源有关,对于交流放电来说,电场对流场的动量输入和近壁面流动加速是主要影响机制,对于纳秒脉冲SDBD 来说,主要机制是能量传输到近壁面气体以及边界层的快速加热。

3、研究现状分析与展望

  SDBD 成为目前最常用的等离子体流动控制方法之一。美国、俄罗斯、欧洲及其他国家和地区竞相研究SDBD 等离子体流动控制技术。美国、俄罗斯等国等离子体流动控制技术研究起步较早,如今已经比较成熟,正在逐渐走向工程应用。国内针对等离子体流动控制进行了数值仿真和实验方面的研究,主要单位有空军工程大学、中国空气动力研究与发展中心、西北工业大学、北京航空航天大学、装备学院、中国科学院、哈尔滨工业大学和南京理工大学,在等离子体流动控制机理和应用上进行了研究探索。总体来看,国内外都还没有形成一个被广为接受和认同的等离子体流动控制机理,对等离子体流动控制的具体过程认识还不是很清晰。当然,主要针对等离子体流动控制实现翼型或机身增升减阻和增效方面开展了综合研究,等离子体还在涡轮压气机扩稳、风力机桨叶增效、等离子体助燃、等离子体消音管等方面有重要应用,此不再赘述。

  由于SDBD 激励器连续工作模式下诱导的电场强度比较低,属于弱电离放电,SDBD 诱导气流速度低(最大只有8 m/ s),可以控制的来流速度只有每秒几十米,严重限制了其在较高速度范围的应用,未来还需要进一步探索如何增加等离子体激励强度,提高等离子体的气动激励性能。

  针对现阶段等离子体气动激励强度不高和工程化应用不够,总结提出以下建议:(1)高压纳秒脉冲SDBD 是一种提高抑制流动分离能力的等离子体冲击流动控制方式,近年来成为流动控制领域的研究热点,但是纳秒脉冲作用周期的占空比小,能否产生一个更高的作用效率值得深入的探讨;(2)还应该进一步开展SDBD 等离子体流动控制影响因素的研究,为等离子体控制走向工程应用打下基础;比如,开展不同海拔高度、气候及气象条件下等离子体流动控制的研究。据研究表明,SDBD 等离子体适用于控制平流层环境低雷诺数流动,应该加强这方面的研究。

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