CN101511146A - 介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器 - Google Patents

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张攀峰
王晋军
刘爱兵
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Abstract

一种介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器，该等离子体零质量射流激励器由一对相对放置的条形等离子激励器或者平行相对放置的多个条形等离子激励器构成的等离子激励器栅组成；或者该等离子体零质量射流激励器由单个环状等离子激励器或者同心放置的多个环状等离子激励器构成的等离子体激励器栅组成。所述的等离子体激励器由两个非对称放置的电极组成，一个电极(阴极)直接暴露在空气中，另一个电极(阳极)被埋设在绝缘介质中。所述的等离子激励器的电极用金属薄片制成，所述的等离子激励器的绝缘介质为聚四氟乙烯或环氧树脂；或者柔性绝缘材料如聚酰亚胺薄膜、特氟龙绝缘材料；等离子激励器采用粘贴的方式做成或者采用印刷电路板的方式做成。

Description

介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器
技术领域
本发明涉及一种介质阻挡放电(DBD)等离子体零质量射流激励器，所采用的等离子体激励器基于表面介质阻挡放电(DBD)的原理，在射频电源激励下，等离子激励器形成法向的零质量射流，达到和机械式零质量射流激励器相同的流动控制的目的，而且该等离子激励器具有频响范围宽、响应迅速、无移动部件、重量轻、功耗小等诸多优点。
背景技术
零质量射流自20世纪90年代作为一项主动流动控制技术应用以来，由于其具有结构紧凑，无需气源管道等独特的优势，短时间就引起了众多研究者的广泛关注，成为目前流体力学研究的一个热点。零质量射流已经应用在控制圆柱尾迹、翼面流动分离以及在MAV/UAV上。
零质量射流通常采用活塞或压电薄膜的往复运动吹/吸气体，在狭小孔口外形成一系列涡环/对(圆形孔口形成涡环、二维狭缝形成涡对)，这些涡环/对在向外扩展的过程中相互融合形成一种动量射流(见图1)。其主要的工作原理是，在吹气过程中，空腔流体在活塞或压电薄膜(1a)的压缩下在孔口外形成涡环/对(1b)，并在它们自身诱导作用下向远离孔口方向运动；而在吸气过程内，涡环/对距离孔口较远而不会被吸入到孔口中。因此零质量射流具有仅对外输出动量而输出质量为零的显著特征。与传统的吸/吹气流动控制相比，零质量射流具有无需额外气源、无需移动部件的独特优势，使得其兼备了结构简单紧凑、重量轻、成本低、维护方便等诸多优点，因此受到了众多研究者的广泛关注。
但是这种机械式零质量射流激励器频响范围比较小，反应慢。而DBD等离子体零质量射流激励器不仅具有和机械式零质量射流激励器相同的功能，而且频响范围大(0～kHz)，反应快。并且，等离子体零质量射流激励器完全由电子设备组成，具有无移动部件、响应迅速、重量轻、功耗小以及数值模型简单等优点，近年来在流动控制领域得到广泛应用。特别值得一提的是，基于柔性电极的等离子体激励器具有很强外形适应能力，可以方便的设置在飞行器任意位置，这是目前其它所有激励方式都无法企及的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器，以解决机械式零质量射流激励器频响范围窄，反应慢的缺点。
本发明是一种介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器(图3)，所采用的等离子体激励器基于表面介质阻挡放电(DBD)的原理。该等离子体零质量射流激励器由一对条形等离子激励器或者平行相对放置的多个条形等离子激励器构成的等离子激励器栅(二维)(图3a)组成；或者该等离子体零质量射流激励器由单个环状等离子激励器或者同心放置的多个环状等离子激励器构成的等离子体激励器栅(三维)(图3c)组成。所述的等离子体激励器由两个非对称放置的电极组成，一个电极(阴极)(3a、3e)直接暴露在空气中，而另一个电极(阳极)(3b、3f)被埋设在绝缘介质(2c)中。所述的等离子激励器的电极用金属薄片制成，如铜片或铝片，其尺寸可根据应用的具体情况确定。所述的等离子激励器的绝缘介质为聚四氟乙烯或环氧树脂；或者柔性绝缘材料如聚酰亚胺薄膜(Kapton)、特氟龙(Teflon)绝缘材料；绝缘介质若采用聚酰亚胺薄膜(Kapton)或特氟龙(Teflon)等，等离子激励器采用粘贴的方式做成；绝缘介质若采用聚四氟乙烯或环氧树脂等，等离子激励器采用印刷电路板的方式做成。
在射频电源激励(2g)下，激励器向内侧/中心吹气。定常激励下形成法向射流，非定常激励下形成涡环(3d)/涡对(3c)(图3b、d)。若改变激励方向，向外侧吹气，此零质量射流装置成为一种吸气装置。
本发明是一种介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器，其优点及功效在于：本发明不仅具有和机械式零质量射流激励器相同的功能，而且频响范围大(0～kHz)，反应快。并且，等离子体零质量射流激励器完全由电子设备组成，具有无移动部件、响应迅速、重量轻、功耗小以及数值模型简单等优点。
附图说明
图1为机械式零质量射流激励器示意图。
图2为单个非对称电极介质阻挡放电(SDBD)等离子体激励器示意图。
图3(a)为条形(二维)等离子体零质量射流激励器的电极布置
图3(b)为条形(二维)等离子体零质量射流激励器产生的涡对
图3(c)环状(三维)等离子体零质量射流激励器的电极布置
图3(d)环状(三维)等离子体零质量射流激励器产生的涡环
图中具体标号如下：
1a 压电驱动器   1b机械式零质量射流激励器形成的涡环/对
2a 电极(阴极)   2b电极(阳极)   2c绝缘介质
2d 等离子       2f壁面射流     2g射频电源  2h诱导流体
3a 条状裸露电极 3b条状埋置电极  3c涡对     3d涡环
3f 环状裸露电极(阴极)  3g环状埋置电极(阳极)
具体实施方式
一种介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器(图3)，所采用的等离子体激励器基于表面介质阻挡放电(DBD)的原理。单个等离子激励器(如图2)工作原理为，常温常压下，在射频电源(2g)激励下，就会在与阳极(2b)附近区域产生等离子(2d)，驱动周围流体运动。对等离子体激励器诱导流场的测速实验表明，等离子体激励器最主要的作用是向周围流体中输入动量，并吸附外部流体(2h)，在等离子体激励器下游形成壁面射流(2f)。
该等离子体零质量射流激励器由一对条形等离子激励器或者平行相对放置的多个条形等离子激励器构成的等离子激励器栅(二维)(图3a)组成；或者该等离子体零质量射流激励器由单个环状等离子激励器或者同心放置的多个环状等离子激励器构成的等离子体激励器栅(三维)(图3c)组成。所述的单个等离子体激励器由两个非对称放置的电极组成，一个电极(阴极)(3a、3e)直接暴露在空气中，而另一个电极(阳极)(3b、3f)被埋设在绝缘介质(2c)中。所述的等离子激励器的电极用金属薄片制成，如铜片或铝片，其尺寸可根据应用的具体情况确定。所述的等离子激励器的绝缘介质为聚四氟乙烯或环氧树脂；或者柔性绝缘材料如聚酰亚胺薄膜(Kapton)、特氟龙(Teflon)绝缘材料；绝缘介质若采用聚酰亚胺薄膜(Katon)或特氟龙(Teflon)等，等离子激励器采用粘贴的方式做成；绝缘介质若采用聚四氟乙烯或环氧树脂等，等离子激励器采用印刷电路板的方式做成。尺寸根据需要确定。
如图3所示，在电极之间施加高频(kHz)高压(kV)的激励，电压的波形可以采用正弦，矩形，三角形等多种波形。在埋置电极的上表面产生等离子，等离子驱动周围流体运动。非定常激励时，对二维条状激励器，诱导流体向内侧流动，在壁面法向处产生涡对；对三维环状激励器，诱导流体向中心流动，在壁面法向产生涡环。该激励器可以代替机械式零质量射流激励器的作用。定常激励时，产生垂直于壁面的法向射流。如果向外吹气，等离子体零质量射流激励器成为一种吸气装置。

Claims (7)

1、一种介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器，其特征在于：所述的等离子体零质量射流激励器由一对相对放置的条形等离子激励器或者平行相对放置的多个条形等离子激励器构成的二维的等离子激励器栅组成，向内吹气。
2、根据权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器，其特征在于：所述的等离子体零质量射流激励器由单个环状等离子激励器或者同心放置的多个环状等离子激励器构成的三维等离子体激励器栅组成，向中心吹气。
3、根据权利要求1或2所述的介质阻挡放电等离子体零质量射流激励器，其特征在于：所述的等离子体激励器由两个非对称放置的电极组成，一个电极——阴极直接暴露在空气中，而另一个电极——阳极被埋设在绝缘介质中。
4、根据权利要求3所述的等离子体格尼襟翼，其特征在于：所述的电极用金属薄片制成。
5、根据权利要求3所述的等离子体格尼襟翼，其特征在于：所述的绝缘介质为聚四氟乙烯或环氧树脂；或者柔性绝缘材料——聚酰亚胺薄膜或特氟龙。
6、根据权利要求1或2或3或4或5所述的等离子体格尼襟翼，其特征在于：若绝缘材料采用聚四氟乙烯或环氧树脂，所述的等离子激励器采用印刷电路板的方式做成。
7、根据权利要求1或2或3或4或5所述的等离子体格尼襟翼，其特征在于：若绝缘材料采用柔性绝缘材料——聚酰亚胺薄膜或特氟龙，所述的等离子激励器采用粘贴的方式做成。
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