对称布局等离子体气动激励器的放电特性与加速效应

等离子体气动激励诱导空气流动特性的测试诊断,是等离子体流动控制的重要基础。为了解等离子体气动激励的电特性,以及激励电压幅值和相位对诱导流动特性的影响,选取对称布局介质阻挡放电激励器进行了实验研究。结果表明：对称布局激励器的放电形式为丝状放电,均匀发生在高压电极周围,与非对称布局激励器的放电图像不同;当激励器相邻高压电极上施加电压的幅值和相位均相同时,诱导的定向射流向上垂直于激励器表面,速度为m/s量级;改变激励器高压电极上施加电压的幅值或相位,可以诱导产生向左上方或右上方的射流,但不能有效增大诱导气流速度。     

不同布局等离子体激励器的纳秒脉冲放电特性与流动控制效果

为研究不同布局等离子体激励器的电压-电流特性及对流动控制的影响规律,针对多组纳秒脉冲等离子体放电,设计了3种不同布局形式的等离子体激励器,对其放电特性以及流动分离控制能力进行了实验研究,并对其激励特性进行了唯象学仿真分析。结果表明:不同布局形式的等离子体激励器均产生了两组放电的效果,在相同激励电压下,其电流峰值基本相同,同单组激励相比,电流峰值约为其两倍;对流动控制的结果表明,纳秒脉冲等离子体激励能够有效增升减阻,不同布局形式的等离子体激励器对流动分离控制效果有很大影响,升力系数最大提高25.2%,而最小只有6.8%;仿真结果表明,纳秒脉冲等离子体激励能够产生冲击波,并且诱导出复杂的涡结构,不同布局激励器诱导的冲击波的传播速度和强度基本相同,但其诱导的涡的运动和涡量的大小不同,从而对流场产生了不同的扰动,造成了不同的流动控制效果。     

基于纳秒脉冲等离子体气动激励的翼型失速涡控制研究

为了揭示纳秒脉冲等离子体气动激励与附面层耦合作用机制,首先开展了NACA0015翼型的大迎角粘性绕流数值模拟,比较了3种典型湍流模型(S-A模型、standard k-w模型和SST k-w模型)对计算结果的影响,分析得到了翼型的近场旋涡分离流动流场结构特性,并对升力特性进行了频谱分析,得到了翼型非定常流动特征频率。进一步开展了基于脉冲等离子体气动激励的翼型大迎角绕流的频率耦合的风洞实验,实验结果表明:当固定激励电压,纳秒脉冲的激励频率大于或等于流场旋涡脱落频率时,控制效果最好,可在来流速度为100 m/s、攻角为22°时,可将翼型的升力系数增大18.1%,阻力系数减小22.5%。研究结论有助于揭示纳秒脉冲等离子体气动激励进行涡控制的作用机理,从而提高纳秒脉冲等离子体气动激励涡控制的能力。     

新型介质阻挡放电等离子体激励器的放电与诱导流动特性实验

等离子体流动控制扩大压气机稳定性对等离子体激励器的诱导气流速度提出了更高的要求。进行了新型布局介质阻挡放电等离子体激励器的放电特性与诱导流动特性研究,实验研究不同放电电压和占空比对激励器诱导气流速度的影响,并与传统布局激励器进行了对比分析,探讨其在压气机扩稳实验上应用的可能性。结果表明:相对于传统布局等离子体激励器一个放电周期内有一次"强"放电和一次"弱"放电,新型布局等离子体激励器有两次"强"放电;放电频率为15k Hz时,新型布局激励器的诱导气流速度在较低电压下比传统布局激励器小,在较高电压下比传统布局激励器大,最大速度能达到4.7m/s,因此在高电压下能够更好地抑制压气机叶顶泄露流或泄露涡的流动;两种激励器产生的射流都为紊流,随电压增高诱导气流紊流度增大,且新型布局激励器在高电压下紊流度更大,能更好地促进压气机主流与附面层之间的掺混;固定放电电压和放电频率,两种激励器的诱导气流速度均随着占空比增大而线性增大。     

静止空气中重频脉冲火花放电等离子体的气动激励特性

不同的状况下的重频脉冲(PRF)火花放电等离子体气动激励特性并不相同。为此,采用重频脉冲电源和激励器在静止空气中产生火花放电等离子体气动激励,研究了其激励特性。实验结果表明:由于重复脉冲火花放电存在快速加热,因此会瞬间产生很大的温度升和气压升,进而诱导产生冲击波;冲击波在流场中以声速传播,随后强度逐渐减弱,一定时间后衰减为弱扰动。保持脉冲重复频率不变,当激励电压绝对值增大时,注入流场的单脉冲能量和冲击波波速都随之增大。而保持激励电压不变,增大脉冲重复频率时,注入流场的单脉冲能量和冲击波波速基本不变,同时由于放电周期变短,因此上一个放电周期产生的弱扰动在下一次放电时仍然存在。     

射频放电等离子体气动激励特性的实验研究

为了提高等离子体气动激励的强度及流动控制的能力,实验研究了射频放电等离子体的气动激励特性。建立了射频放电等离子体气动激励实验系统,由射频信号发生器、阻抗匹配升压变压器、尖–尖电极等离子体激励器等组成。尖–尖电极等离子体激励器由一组对称的电极和固定装置组成,电极材料采用钨,固定装置材料采用胶木,固定之后电极间距为0.5 mm。在静止空气条件下进行实验,研究了射频放电等离子体的电特性和诱导流动特性。实验结果表明:气压变化时,等离子体激励器的阻抗会发生变化,耦合到等离子体激励器的输入功率也不同;在大气压下,由于射频放电存在快速加热作用,在静止空气中诱导产生了近似圆柱形的冲击波;冲击波首先以音速向外传播,随后强度逐渐减弱,一定时间后衰减为弱扰动;采用射频电源、重频脉冲直流电源、ns脉冲电源,均能在静止空气中诱导产生冲击波,冲击波波速接近音速。由于射频电源的体积、重量更小,实现阻抗匹配之后所需的电源输入功率最低,因此,射频放电是一种非常有前景的气动激励产生方式,在等离子体流动控制方面可能取得较好的效果。     

等离子体气动激励的能量转化过程分析

为了提高等离子体气动激励的能量利用率,优化等离子体气动激励,对表面介质阻挡放电的能量转化过程进行了研究。将消耗的能量分为4部分,针对3种典型频率表面介质阻挡放电试验过程波形进行数据处理,得到了等离子体气动激励的能量利用率。试验计算结果表明:ns脉冲最大放电电流最大,可达4A,而且能耗最低,仅为7.5W;ns脉冲等离子气动激励的能量利用率最高、μs脉冲次之、ms脉冲最弱。研究结论有助于提高等离子体气动激励控制附面层的能力,为等离子体流动控制技术的应用奠定基础。     

等离子体气动激励系统电特性的实验研究

为了研究大尺度等离子体激励器和调整电源电感、电容的情况,笔者对等离子体气动激励系统的电特性进行了实验研究,得出等离子体气动激励系统的电感和电容是影响电特性的关键因素。实验结果表明,一定的电源输入电压下,减小电源电感或串联电容分压器,等离子体气动激励系统的谐振频率、电源输入电流和放电电流增大,等离子体气动激励器的放电电压基本保持不变;随着电源频率的增大,等离子体气动激励系统放电有3个典型的方式,电源频率小于谐振频率时,放电电流波形有突变;随着电源频率增大,激励系统的感性不断增大,放电电流增大,电流突变消失;电源频率大于谐振频率后,电容将电压的高次谐波滤掉,放电电流减小。     

飞翼布局纵向气动特性的等离子体激励控制

为提升飞翼布局飞行器的升/阻力、俯仰力矩和失速特性,利用纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励对飞翼模型进行控制实验研究,分析激励对全机绕流的控制机理,讨论最佳激励位置。实验在直径1.5 m的低速风洞中进行,风速30 m/s,迎角范围0°~30°。实验结果发现:纳秒脉冲等离子体激励输出纳秒级的脉冲波形,能耗低,其诱导速度几乎为零,快速的瞬时温升产生平面–半球形组合压缩波,该压缩波在20μs内以超音速传播,随后迅速降低至亚音速水平,最终表现为弱的速度扰动;来流速度v∞=30 m/s下,应用纳秒脉冲激励控制飞翼前缘流动分离,全机最大升力系数提高7.5%,失速迎角推迟3°,俯仰力矩系数平均降低11.6%;小迎角下,前缘分离从机翼外侧翼尖部位开始,位于前缘外侧的激励器控制效果明显,随着迎角逐渐增大,分离点位置向机翼上游内侧移动,位于前缘内侧的激励器控制效果明显。实验研究表明纳秒脉冲等离子体激励可有效控制机翼前缘流动分离,提升飞翼布局的全机纵向气动特性及其失速特性。     

等离子体气动激励系统的谐振特性实验研究

为了揭示等离子体流动控制动力学过程中电参数的演化机制,进行了等离子体气动激励系统谐振特性的实验研究。实验结果表明,接通小尺度等离子体气动激励器时,等离子体气动激励系统的谐振频率在等离子体电源的设计谐振频率附近;接通大尺度等离子体气动激励器时,激励系统的谐振频率变小;随着输入电压的增大,激励系统的谐振频率越来越小;大尺度激励器弯曲时,激励系统的谐振特性未发生显著变化;在工作环境来流速度<25m/s时,激励系统的谐振特性未发生显著变化。     

高压脉冲直流等离子体电源的研制及其放电特性

为满足高超声速磁流体流动控制实验研究的需要,采用同步高压脉冲电离和直流维持放电技术,研制了一种适用于高超声速激波风洞实验系统的高压脉冲直流等离子体电源。首先进行了静止低气压条件下的放电特性研究。通过高速电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)可以发现:初始时刻直流放电强烈,放电电流达到16A;随着电容储存能量的消耗,放电电流逐渐减小,放电强度缓慢减弱,直至完全消失,放电形状近似为一圆形。然后进行了高超声速气流中无磁场激励、磁流体(magnetohydrodynamics,MHD)逆气流减速激励和MHD顺气流加速激励条件下的放电特性研究,提出了用于高超声速激波风洞实验系统的MHD激励强度判定标准。研究结果表明:高超声速气流中施加磁场能够起到稳弧的作用,有磁场激励条件下的电源能量消耗约是无磁场激励条件下的3～4倍;MHD加速激励同MHD减速激励的功率相等,而MHD加速激励的电源能量消耗高于MHD减速激励的电源能量消耗。     

等离子体气动激励的数值仿真

为了优化等离子体气动激励,揭示它与边界层相互作用物理机制,建立了介质阻挡表面放电的数学模型。将等离子体气动激励对流体的宏观作用,等效成体积力,通过求解电势方程和电荷密度方程得到体积力,然后将体积力与Navier-Stokes方程耦合求解,得到等离子体气动激励对流体边界层的加速效应并以此研究激励电压和频率的变化对诱导速度的影响。仿真的结果与实验结果一致,表明模型具有较高的精度,有助于认识等离子体气动激励用于流动控制的机理,为等离子体流动控制技术的应用奠定基础。     

等离子体气动激励器布局对加速效应影响的实验研究

等离子体气动激励器作为等离子体流动控制的执行元件,其性能优劣对流动控制效果有重要影响。诱导气流速度是表征等离子体流动控制能力、衡量等离子体气动激励器性能的一个重要指标。研究了等离子体气动激励器的电极宽度、厚度、电极组内间距、绝缘材料介电常数和厚度等布局参数对诱导气流速度的影响。实验结果表明:选择介电常数合适、尽可能薄的绝缘材料,宽度较大、尽可能薄的条状电极,电极组内间距为1 mm左右的等离子体气动激励器,可提高等离子体气动激励诱导的气流速度。     

锯齿等离子体气动激励器放电特性与加速效应

为研究新型布局的锯齿等离子体气动激励器的放电特性与加速效应,在常规大气环境下测量了不同激励参数下的频率—放电电压—放电电流—电源电流以及等离子体气动激励器诱导的边界层速度。结果表明:与常规布局等离子气动激励器相比,布局形式改变后谐振频率保持不变,放电电压相差不大,但放电电流变小,消耗的功率变小;诱导速度与激励电压呈近线性关系变化,速度值较常规布局小,其尖端放电诱导的气流对流场的扰动影响有待进一步的研究;实验还发现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。     

Analysis of Dielectric Barrier Discharges under Unipolar and Bipolar Pulsed Excitation

In this work we experimentally examine the characteristics of a dielectric barrier discharge reactor driven by two distinct pulsed high voltage (HV) generators. Firstly, the operation under a HV generator delivering positive high voltage pulses with short (tenths of ns) rise and fall times in a low (up to 100 Hz) repetition frequency is illustrated. Then the DBD obtain with the use of a bipolar generator with a larger frequency range (several tenths of kHz) having rise and fall times in the microsecond scale is depicted. In the unipolar excitation regime two discharges per HV pulse occur: a first one during the rising part (or the plateau) of the applied high voltage and a second one during the falling part of the HV signal. On the contrary, the bipolar regime here studied presents a single discharge per HV pulse. Electrical as well as optical measurements give insight in the discharge characteristics in both excitation cases. Several electrical characteristics have been more particularly analyzed such as the quantity of transferred charge, the peak and the average plasma power and the power factor. These preliminary results show that the unipolar case could prove efficient to produce a reactive plasma but higher frequencies (i.e. several tenths of kHz) are needed than the ones used in the present work ones (only up to 100 Hz).     

等离子体气动效应对燃烧室流场的影响

为了研究等离子体气动效应的内在机理,建立燃烧室助燃激励器中等离子体气动效应的数值仿真模型,通过求解电势方程和电荷密度方程,得到等离子体气动效应的体积力分布函数,将动量以源项的形式引入Navier-Stokes方程求解,对助燃激励器中等离子体气动效应诱导燃烧室空气流动进行了数值模拟,研究激励电压、气体流量和电荷密度对燃烧...     

Numerical investigations of a repetitively pulsed MPD thruster

Performance of a repetitively pulsed self‐field MPD thruster consisting of a flared anode and a short cathode was numerically investigated. For a time‐averaged input power of 100 kW and argon propellant, thrust and thrust efficiency were surveyed for various discharge frequencies under the condition of continuous propellant injection and a constant discharge duty ratio of 0.5. The results suggest that thrust efficiency of repetitively pulsed discharge operation can be improved up to about 16% with increasing discharge frequency owing to a relatively high time‐averaged electromagnetic thrust and an increase in aerodynamic thrust, and can surpass that of continuous discharge operation above 50 kHz. It is also shown that the frozen flow loss can be reduced by increasing discharge frequency, because the input power needed for reionization of the propellant can be suppressed. © 2012 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

Behavioral characteristics of nanosecond pulsed discharge in coaxial electrodes

The environmental improvements by pulsed discharge plasma, a type of nonthermal plasma, have received much attention all over the world. The observation of discharge plasmas is beneficial for better understanding of the plasma physics of this growing field. Recently, nanosecond (ns) pulsed discharge with a short pulse duration of 5 ns achieved the higher energy efficiency on ozone generation and NO removal. However, the underlying mechanisms of these high efficiencies remain unclear. In the present study, the effects of electrode geometry on propagation process of ns pulsed discharge in coaxial electrodes were investigated using an ICCD camera. As the results, increasing wire diameters from 0.2 to 2.0 mm lead the different streamer discharge parameters; propagation velocity of streamer heads from 4.8 mm/ns to 12.5 mm/ns, peak of discharge current from 243 to 328 A, respectively. Therefore, it is concluded that the wire diameter is one of the paramount parameters to control the characteristics of the ns pulsed streamer discharge.