CN103213675A - 等离子体涡流发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种等离子体涡流发生器，通过在控制体表面分离区前缘处沿展向贴附的一个以上的等离子体激励器实现。各等离子体激励器的长向方向与自由来流成0～45度夹角。等离子体激励器的上层裸露电极相对下层覆盖电极，位于上游；在等离子体激励器的宽向上，覆盖电极所处位置与裸露电极所处位置不重叠。等离子体激励器产生由裸露电极指向覆盖电极的壁面射流，壁面射流与自然来流相互作用生成沿自由来流方向的漩涡。本发明相比传统涡流发生器不会引起附加阻力的问题，且结构更加简单，易于安装实现，不需要额外的气源，同时可以实现对机翼增升的实时主动控制以及非定常控制。

Description

等离子体涡流发生器

技术领域

本发明涉及涡流发生器，具体涉及一种新型的等离子体涡流发生器，具体是通过一个或多个等离子体激励器诱导射流与主流产生作用形成沿流向旋涡，增强了边界层内部与来流之间的动量交换，从而抑制或延缓流动分离。

背景技术

在航空工程领域，流动分离控制技术一直是研究人员关注的焦点。涡流发生器作为一种常用的控制流动分离方法，通过产生涡，使边界层外主流中高动量的气流与近壁区低动量的气流进行交换或平衡，从而使边界层内部气流动量增加，进而阻止逆压梯度形成的边界层分离。

早期涡流发生器由一排小扰流片组成，如图1所示，这些扰流片3垂直安置在控制体表面1上，并与来流方向2有一定的安装偏角，主流流过绕流片后，产生流向涡。这种固体涡流发生器逐渐被广泛应用于延缓边界层分离，提高机翼升力，减少机身后体阻力，以及消除或延迟亚音速进气道扩压段分离等。然而其作为一种被动流动控制技术，缺点是工作时无法根据不同的实际情况进行调节，效率容易受流动状态变化影响，在非设计状态下会带来额外的阻力或者付出其他的代价。射流型涡流发生器相比于固体涡流发生器，可以通过对多种射流参数人为地改变，进而对不同的流动状态具有更好的适应性，在不需要的时候可以关闭射流，而不会对流动产生任何不良影响。但是，射流涡流发生器最大的缺陷是需要提供足够功率的气源产生射流，其次灰尘、杂物颗粒对射流孔口的堵塞会引起工作效率的下降甚至失效。

发明内容

针对现有固体涡流发生器和射流涡流发生器存在的缺点，本发明提出一种等离子体涡流发生器，通过在控制体表面贴附一个或者多个特定布局的等离子体激励器实现，通过调整等离子激励器诱导射流与被控制来流的偏角，生成流向涡，进而实现控制流动分离的目的。

本发明提供的等离子体涡流发生器，包括在控制体表面分离区前缘处沿展向贴附的一个以上的等离子体激励器，各等离子体激励器的长向方向与自由来流成夹角θ，夹角θ为0～45度。

等离子体激励器包括三层介质，上层为裸露电极，中间层为绝缘介质，下层为覆盖电极。在等离子体激励器长向上，裸露电极和覆盖电极的长度相同，绝缘介质的长度比裸露电极和覆盖电极的长度长。在等离子体激励器的宽向上，覆盖电极所处位置与裸露电极所处位置不重叠。裸露电极和覆盖电极之间施加高压高频正弦交流电源。

指定自由来流的速度所指方向为下游，相反方向为上游，上游和下游用来表述的是一种位置上的相互关系。各等离子体激励器布置后，裸露电极相对覆盖电极位于上游。

所述的等离子体激励器的布置形式有：（1）每两个等离子体激励器成组对称布置，每组等离子体激励器再等距布置；（2）各等离子体激励器等距布置。

本发明的等离子体涡流发生器，其优点和积极效果在于：

1、本发明作为一种新型的主动控制涡流发生器，可以有效抑制或延缓边界层流动分离，以及由表面摩擦和逆压梯度形成的边界层厚度增长，可以代替传统的涡流发生器。

2、本发明作为一种新型的主动控制涡流发生器，等离子体激励器完全由高压高频电源产生的电场力驱动加速当地边界层流动，而不需要额外的气源，大大的降低了控制系统的复杂程度和结构重量。

3、本发明作为一种新型的主动控制涡流发生器，质量轻、装置简单、易于安装、对流场边界层干扰小、功耗小、响应迅速，特别是基于柔性绝缘材料制作形成的等离子体激励器，可以贴附于任意曲面的表面，提高了该控制方法的适应性。

4、本发明作为一种新型的主动控制涡流发生器，可以实现电气化控制，根据需要随时开启和关闭，实现实时主动控制。

5、本发明的涡流发生器，可通过改变等离子体激励器电极长度、电极与自由来流偏角、每组等离子体激励器之间的展向距离、施加在等离子体激励器上的电压强度等参数，实现针对不同来流状况合理有效地改善流场结构。

附图说明

图1是传统涡流发生器的安装示意图；

图2（a）是本发明的等离子体涡流发生器的一种实现方式示意图；

图2（b）是图2（a）中A截面处的等离子体激励器剖面局部放大示意图；

图3（a）是高压高频正弦交流电源处于负半周期时等离子体激励器的放电形式；

图3（b）是高压高频正弦交流电源处于正半周期时等离子体激励器的放电形式；

图4是本发明的等离子体涡流发生器执行非定常控制模式时的脉冲激励信号示意图；

图5（a）是多个等离子体激励器两两成组对称布置形式；

图5（b）是多个等离子体单个等距布置形式；

图6（a）是等离子体激励器与来流作用诱导形成的流向漩涡的流线图；

图6（b）是流向漩涡在下游发展的流线图；

图7是流向漩涡涡量等值面图。

图中：

1、控制体表面；2、自由来流；3、传统等离子体涡流发生器绕流片；

4、等离子体激励器；4a、裸露电极；4b、覆盖电极；4c、绝缘介质；

4d、电离空气的电子；4e、壁面射流；4f、电离空气由裸露电极运动到覆盖电极方向；

4g、电离空气由覆盖电极运动到裸露电极方向；5、高压高频正弦交流电源；

5a、高压高频正弦交流信号处于负半周期时的放电情景；

5b、高压高频正弦交流信号处于正半周期时的放电情景；

5c、高压高频正弦交流信号；5d、周期性的脉冲激励信号；6、上游位置。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种等离子体涡流发生器，是通过等离子体激励器在平板或机翼等控制体上特定布局实现。一组或多组等离子体激励器贴附于靠近机翼或平板等控制体表面的分离区前缘附近，在自由来流条件下，开启等离子体激励器的电源，其在控制面诱导产生的壁面射流与自由来流方向有一定偏角，从而相互作用产生流向涡，加强了边界层内的动量，达到抑制或延缓流动分离的目的。风洞流动显示实验表明，本发明提出的这种基于非对称型的介质阻挡放电等离子体激励器的涡流发生器可以产生流向涡，此流向涡对边界层有着强烈的下洗作用，从而显著提高边界层抵抗逆压梯度分离的能力。此等离子体涡流发生器可以根据需要随时开启和关闭，避免了传统固体涡流发生器的附加阻力或射流涡流发生器气源设计困难复杂等问题。

如图2（a）所示，本发明的一种等离子体涡流发生器，其增升功能主要通过等离子体激励器4在控制体表面1特定位置采用特定布局形式实现，包括在控制体表面分离区前缘处贴附的一个等离子体激励器，或在控制体表面分离区前缘处沿展向贴附的两个以上的等离子体激励器。本发明实施例以贴附于平板前缘6的4个等离子体激励器来说明。A-A为沿等离子体激励器4的宽向上的横截面图，如图2（b）所示，每个等离子体激励器4包括三层介质：上层为裸露电极4a，中间层为绝缘介质4c，下层为覆盖电极4b。在等离子体激励器的宽向上，覆盖电极4b所处位置与裸露电极4a所处位置不重叠。图2（a）中等离子体激励器4贴附于平板前缘处，等离子体激励器4的长向方向与自由来流2成一定的夹角θ，夹角θ为0度～45度，在等离子体激励器长向上，裸露电极4a和覆盖电极4b的长度相同，绝缘介质4c的长度要长于裸露电极和覆盖电极的长度，以避免裸露电极4a和覆盖电极4b之间通过绝缘介质3c端面放电，提高等离子体激励器4的耐高压性能。如图2（a）和图2（b）所示，裸露电极4a靠近平板前缘的上游位置6，以黑色粗线段标出，覆盖电极4b位于裸露电极4a下游，以虚线方框标出；等离子体激励器4的裸露电极4a和覆盖电极4b之间为阻挡高压高频放电的绝缘介质4c。裸露电极4a和覆盖电极4b分别连接高压高频正弦交流电源5的两个输出端，覆盖电极4b作为参考电势。

等离子体激励器4的工作过程为：裸露电极4a和覆盖电极4b分别连接高压高频正弦交流电源5的两端，高压高频电压的波形为如图4所示的正弦信号5c。如图3（a）所示，当高压高频正弦交流信号处于负半周期5a时，亦即裸露电极4a相对覆盖电极4b处于低电势时，高压高频作用使得裸露电极4a附近的空气电离，形成电子4d，如图2（b）所示，在电场力作用下，电子4d在绝缘介质4c表面运动，形成如图3（a）中4f所示方向的电子流，放电方向从裸露电极4a指向覆盖电极4b。由于绝缘介质4c的阻挡作用，少部分电子4d可以穿过绝缘介质4c表层，但是大部分电子4d不能穿过绝缘介质4c抵达覆盖电极4b，因此大部分电子4d聚集停留在覆盖电极4b外侧的绝缘介质4c表面。该放电过程一直持续，高压高频放电产生的电子4d源源不断地从裸露电极4a运动到覆盖电极4b表面的绝缘介质4c，直到裸露电极4a的电势比覆盖电极4b的电势高为止。在电子4d运动的同时，由于空气粘性作用，带动周围的空气一起运动，从而会产生一种绝缘介质4c表面的从裸露电极4a指向覆盖电极4b方向的壁面射流。

当高压高频正弦交流信号处于正半周期5b时，如图3（b）所示，覆盖电极4b相对裸露电极4a处于低电势时，高压高频作用使得覆盖电极4b附近的空气电离，形成电子。由于绝缘介质4c的阻挡作用，由覆盖电极4b本身产生的电子并不能穿过绝缘介质4c到达裸露电极4a，但是聚集在覆盖电极4b外侧的绝缘介质4c附近的电子4d，则可以在电场力驱动下运动到裸露电极4a，形成如图3（b）中4g所示放电方向的电子流。该放电过程一直持续，聚集在覆盖电极4b表面的电子4d源源不断地从覆盖电极4b方向流向裸露电极4a方向，直到覆盖电极4b的电势比裸露电极4a的电势高为止。在电子4d运动的同时，由于空气粘性作用，带动周围的空气一起运动，从而会产生一种绝缘介质4c表面的从覆盖电极4b指向裸露电极4a方向的壁面射流。

在高压高频正弦交流电源5的驱动下，等离子体激励器4表面周期性地产生从裸露电极4a到覆盖电极4b方向，以及从覆盖电极4b到裸露电极4a方向的壁面射流。但是由于等离子体激励器4的激励频率往往有数千赫兹，肉眼感受不到该种细微的变化。当等离子激励器4工作时，肉眼只能看到覆盖电极4b外侧的绝缘介质4c附近的较为稳定的紫色放电光源，并且能听到尖锐的放电声音。

等离子体激励器4在处于高压高频正弦交流信号的正半周期5b的放电过程时，由于覆盖电极4b本身产生的电子不能穿过绝缘介质4c到达裸露电极4a，因此，高压高频正弦交流信号5c的负周期5a以及正周期5b放电强度不一致。在高压高频正弦交流信号的每一个放电周期，处于负半周期5a的放电强度要高于处于正半周期5b的放电强度，亦即处于负半周期5a产生的从裸露电极4a流向覆盖电极4b方向的射流强度高于处于正半周期5b产生的从覆盖电极4b流向裸露电极4a的射流强度。因此，从总体上看，在高压高频正弦交流电源5的驱动下，等离子体激励器4表面会产生从裸露电极4a流向覆盖电极4b方向的壁面射流，如图2（b）中所示的壁面射流4e。

本发明的等离子体涡流发生器，可通过控制等离子体激励器的高压高频正弦交流电源的工作方式，实现定常模式和非定常模式两种工作方式。在定常模式下，等离子体激励器一直处于开启状态，通过在裸露电极4a和覆盖电极4b之间始终施加高压高频正弦交流电源实现。在非定常模式下，等离子体激励器4周期性地开启和关闭，通过在裸露电极4a和覆盖电极4b之间施加周期性的高压高频正弦交流电源实现，如图4所示，例如，除了施加给等离子体激励器3高压高频正弦交流信号5c外，还施加有周期性的脉冲激励信号5d，脉冲激励信号5d主要有两个参数：激励周期T以及有效脉冲时间T_p。在脉冲激励信号5d的激励周期T内，等离子激励器4关闭，在脉冲激励信号5d的有效脉冲时间T_p内，等离子激励器4开启。

由于由等离子体激励器4诱导的壁面射流4e方向与自然来流2方向并不一致，两者相互作用下，在流场中卷起了一个沿自由来流方向的漩涡。该流向漩涡在等离子体作用区内不断得到加强，并向下游发展，在其诱导作用下，边界层外层高速流体被卷至壁面，边界层底层低速流体被带离物面，这就增强了边界层内部与来流之间能量的掺混，提高了边界层内部能量，增强了其克服逆压梯度的能力，从而对控制分离有很好的效果。

本发明实施例中贴附于控制体表面的等离子体激励器组布置形式有多种，可以参考图5（a）和图5（b）进行布置。如图5（a），等离子体激励器4的个数为偶数个，每两个等离子体激励器4成组对称布置，每组等离子体激励器再等距布置，此时，每组的两个等离子体激励器4可以诱导出一对对称反向旋转的流向漩涡。如图5（b），各等离子体激励器4等距布置，此时，等离子体激励器组可以诱导出一列同向旋转的流向漩涡系。在实施时，可以根据需要选择等离子体激励器4的布置形式，并通过改变等离子体激励器4电极长度、电极与自由来流的偏角、每组等离子体激励器之间的展向距离、施加在等离子体激励器4上的电压强度等参数，针对不同来流状况合理有效地改善流场结构。本发明中指定自由来流的速度所指方向为下游，相反方向为上游，上游和下游用来表述的是一种位置上的相互关系。如图5（a）和图5（b）所示，图中所示箭头方向为上游，也就是自由来流方向的相反方向，贴附的各等离子体激励器4长向方向与自由来流的方向成一定角度θ，各等离子体激励器4的裸露电极4a相对覆盖电极4b处于上游。确切地，当θ为0度时，等离子体激励器4长向方向与自由来流的方向平行，则此时裸露电极4a相对于覆盖电极4b就不存在上游还是下游的说法。

本发明的一个具体实施例中，等离子体激励器4的具体尺度为：裸露电极4a及覆盖电极4b的宽度范围均为所在控制体表面展长的1%到5%，且裸露电极4a的宽度小于覆盖电极4b的宽度；两电极靠近端的距离（亦即电极间隙）为0毫米到8毫米，特别优选采用0毫米，亦即两电极的一端重合，以提高其放电性能；绝缘介质4c的宽度至少等于裸露电极4a、覆盖电极4b以及两个电极之间间隙之和，特别优选绝缘介质4c的宽度至少在裸露电极4a以及覆盖电极4b外侧端分别延伸1毫米到2毫米，以避免裸露电极4a和覆盖电极4b之间通过绝缘介质3c端面放电，提高等离子体激励器4的耐高压性能。裸露电极4a、覆盖电极4b及绝缘介质4c的长度通过所控制位置当地流动边界层厚度确定，一般长度设置与所控制位置当地流动边界层厚度的3-5倍，在相同的放电强度情况下，本发明所提出的等离子体涡流发生器所诱导产生的流向漩涡强度随着等离子体激励器4的长度增加而增强。建议：裸露电极4a和覆盖电极4b的厚度不超过15微米，绝缘介质4c的厚度不超过250微米，从而可以把等离子体激励器4直接贴附于控制体表面，由于等离子体激励器4的厚度相对于当地流动边界层的厚度很小，因此对来流产生的扰动可以忽略。因此，该发明提出的等离子体涡流发生器不需要与控制一体化加工成型，可以分别加工，然后再组合成型，实现方式简单方便，具有较高的可行性。

本发明的等离子体激励器4的构成材料为：裸露电极4a和覆盖电极4b采用具有导电性能的金属材料制作，例如铜箔等，绝缘介质4c采用环氧树脂、石英玻璃、陶瓷、聚酰亚胺薄膜（Kapton）、聚酯薄膜（Mylar）等具有高阻抗，绝缘性能好的绝缘材料。特别的，等离子体激励器4的绝缘介质4c可以采用柔性的聚酯薄膜，制作形成柔性的等离子体激励器4，从而可以贴附于有弯度的表面。

图6（a）和图6（b）显示了本发明等离子体涡流发生器的单个等离子体激励器对平板流动的控制的空间流线图。图6（a）中长方形框为等离子体作用区投影，从图中可以看出，在等离子体作用区附近，上方的来流被吸附到等离子体作用区域，并通过电离出的粒子碰撞后获得加速，沿壁面形成射流；在射流与来流相互剪切作用下，形成了一个往下游发展的流向漩涡，这个流向漩涡在等离子体作用区内不断得到加强，产生强烈的下洗作用，增强了边界层内部与来流之间能量的掺混。图7所示为流向漩涡涡量的等值面图，可以看出由等离子体激励器诱导出的流向漩涡可以达到下游很远的位置，有着较长的影响区。通过绕流流场，可以得到，本发明的等离子体涡流发生器与传统机械式涡流发生器一样，可以在流场中诱导出流向漩涡，加强边界层与外流场的动量交换，提高其克服逆压梯度的能力。

因此，相关结果已经验证，本发明一种基于等离子体壁面射流的等离子体涡流发生器的可以达到与传统机械式涡流发生器相似的增控制效果，并且两者的增控制机理也相似。但是本发明的等离子体涡流发生器相比机械式涡流发生器结构更加简单，易于安装实现，不需要额外的气源，同时可以实现实时主动控制，具有巨大的优势和发展潜力。

Claims (10)

1.一种等离子体涡流发生器，其特征在于，该涡流发生器包括在控制体表面分离区前缘处沿展向贴附的一个以上的等离子体激励器，各等离子体激励器的长向方向与自由来流成夹角θ，θ为0～45度；所述的等离子体激励器包括三层介质，上层为裸露电极，中间层为绝缘介质，下层为覆盖电极；在等离子体激励器长向上，裸露电极和覆盖电极的长度相同，绝缘介质的长度比裸露电极和覆盖电极的长度长；在等离子体激励器的宽向上，覆盖电极所处位置与裸露电极所处位置不重叠；裸露电极和覆盖电极之间施加高压高频正弦交流电源；裸露电极相对覆盖电极位于上游，指定自由来流的速度所指方向为下游，相反方向为上游。

2.根据权利要求1所述的等离子体涡流发生器，其特征在于，所述的等离子体激励器的个数为偶数，每两个等离子体激励器成组对称布置，每组等离子体激励器再等距布置。

3.根据权利要求1所述的等离子体涡流发生器，其特征在于，所述的等离子体激励器等距布置。

4.根据权利要求1或2或3所述的等离子体涡流发生器，其特征在于，所述的裸露电极及覆盖电极的宽度均为控制体表面展长的1%到5%，且裸露电极的宽度小于覆盖电极的宽度；裸露电极与覆盖电极之间的间隙为0毫米到8毫米。

5.根据权利要求4所述的等离子体涡流发生器，其特征在于，所述的绝缘介质的宽度至少等于裸露电极、覆盖电极以及两个电极之间的间隙之和。

6.根据权利要求4所述的等离子体涡流发生器，其特征在于，所述的绝缘介质的宽度，在裸露电极以及覆盖电极的外侧端分别延伸1毫米到2毫米。

7.根据权利要求4所述的等离子体涡流发生器，其特征在于，所述的裸露电极和覆盖电极的厚度不超过15微米，绝缘介质的厚度不超过250微米。

8.根据权利要求4所述的等离子体涡流发生器，其特征在于，所述的裸露电极和覆盖电极采用具有导电性能的金属材料制作，所述的绝缘介质采用环氧树脂、石英玻璃、陶瓷、聚酰亚胺薄膜或者聚酯薄膜制作。

9.根据权利要求4所述的等离子体涡流发生器，其特征在于：所述的裸露电极和覆盖电极采用铜箔制作，所述的绝缘介质采用聚酯薄膜制作。

10.根据权利要求1或2或3所述的等离子体涡流发生器，其特征在于，所述的等离子体激励器，具有定常模式和非定常模式两种工作模式；在定常模式下，等离子体激励器一直处于开启状态，通过在裸露电极和覆盖电极之间始终施加高压高频正弦交流电源实现；在非定常模式下，等离子体激励器周期性地开启和关闭，通过在裸露电极和覆盖电极之间施加周期性的高压高频正弦交流电源实现。

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