CN107072024A - 一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置及方法。所述获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，包括：阻挡介质，其为板状结构，且水平放置，所述阻挡介质的上表面分别贴附有脉冲电极和直流电极，所述脉冲电极和直流电极之间设有放电气隙；所述阻挡介质的下表面贴附有植入电极；其中，所述脉冲电极连接高压脉冲电源，所述直流电极连接直流电源，所述植入电极接地。本发明还涉及一种获得表面滑闪放电的方法。本发明可以产生大面积低温等离子体，并产生不同方向的射流实现三维气动优化，增强等离子体诱导空气流动能力，达到很好的空间均匀性。

Description

一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置及方法

技术领域

本发明涉及一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置及方法。

背景技术

基于介质表面放电等离子体的气动激励是一种新概念主动流动控制技术，可显著改善飞行器/动力装置的气动特性，已成为等离子体应用技术和空气动力学等交叉领域的研究前沿热点。等离子体流动控制在控制流场附面层、分离流、剪切流、激波，以及抑制失速分离和减小流动阻力等方面都有明显的效果。等离子体流动控制技术作为一种新颖独特的主动控制方法诞生于上世纪90年代，Roth等利用大气压均匀辉光放电等离子体的专利技术最早开展了边界层控制、紊流减阻、翼型大攻角分离等方面的研究。近年来，包括美国、欧洲在内的约30个研究组都开展了等离子体的空气动力学应用研究。

目前对等离子体流动控制激励器的研究以应用试验和模拟计算为主。相比国外而言，国内研究比较注重相关的数值模拟研究，实验研究主要以高频高压电源激励。研究发现，提高等离子体气动激励使用寿命、扩大等离子体与来流之间的相互作用区域对实际应用具有直接的影响。因此，获得低能耗、高浓度的大面积低温等离子体，提高等离子体气动激励的能量利用率，对于提高等离子体气动激励在主动流体控制领域的应用具有重要意义。

等离子体流动控制能力主要受激励器结构和激励源两个因素影响。激励器结构决定了产生等离子体的放电形式，目前国内外的研究中利用等离子体进行主动流动控制常采用的放电形式主要包括直流电晕放电、等离子体合成射流和表面介质阻挡放电(SDBD)等。其中电晕放电等离子体的两个电极位于同一表面，均不覆盖绝缘层，放电不稳定，但电晕电动效率高且装置简单。SDBD是目前最常用的等离子体流动控制方法，与电晕放电相比，SDBD产生的等离子体更均匀，控制效果更好。另外，基于SDBD技术的等离子体激励器具有结构简单、无运动部件、响应迅速且阻力小等优点是最具有发展前景的一种等离子体激励器结构。常规的SDBD激励器是将金属电极紧贴于绝缘介质相对的两个表面，使得放电集中在介质表面发生，放电产生的等离子体对介质表面的气流具有诱导和控制作用。目前研究中采用的SDBD激励器多为常规的两电极激励器结构，且高压电极和地电极多采用条形电极。专利CN103410680B将由暴露电极、植入电极和介质阻挡层组成的等离子体激励器光滑安装在风力发电机叶片表面，通过放电产生的等离子体对环境空气产生冲击、加速作用和加热作用，实现了对风力发电机叶片表面的流动分离抑制。专利CN 205051958 U采用一种包含氧化铝陶瓷介质板并在介质板上表面布置金属丝网结构，下面表面设置导电涂层结构的等离子体激励器，实现了较稳定的放电以及较低的能耗。专利CN 1777347A采用一种电晕耦合介质阻挡放电装置实现了在较低电压条件下使得微放电均匀稳定的分布在整个放电空间。专利CN104185354A利用一个表面电极和两个植入介质体内部电极激励器结构，提高了诱导的壁面射流速度，但是过高的输入电压会损坏绝缘介质。近年来，在电极结构方面，除了常规的电极结构，多对电极以及优化电极的布置形式，如锯齿形电极、倒圆形电极均对增强激励器效果有帮助。Antoine Debien等采用直径为μm量级的细丝状电极作为暴露电极对诱导的体积力和电离风进行了测量，最高诱导速度明显提升达到了10.5m/s(Debien A,Benard N,Moreau E.Streamer inhibition for improving force and electric wind producedby DBD actuators[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2012,45(21):215201.)。Liang Yang等采用铜网状的高压电极形状，诱导出了较大的体积力(Yang L,YanH J,Qi X H,et al.Geometry Effects of SDBD Actuator on Atmospheric-PressureDischarge Plasma Airflow Acceleration[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2015,43(10):3653-3661.)。赵光银等对锯齿形SDBD激励器放电特性进行了研究，高压电极为锯齿形的激励器具有较高的放电电流、瞬时放电功率以及放电能量并且锯齿形激励器表面的局部最高温度高于典型条形电极激励器(赵光银,李应红,方浩百,等.锯齿形等离子体激励器纳秒脉冲放电及红外辐射温度特性[J].高电压技术,2014,7:023.)。姜家文等研究了不同形状暴露电极下平板介质阻挡放电特性，发现锯齿状电极和普通条形电极的最大不同之处在于可以诱导出三维方向上的射流(姜家文,田希晖,陈庆亚,等.基于光强分布的SDBD暴露电极形状优化实验[J].高电压技术,2016,42(3):843-848.)。Joussot等对锯齿状SDBD激励器放电产生的等离子体形态和诱导的气流特性进行了研究，研究表明锯齿状电极放电可产生弯曲的放电细丝，进而诱导出三维的流动形态(Joussot R,Leroy A,Weber R,et al.Plasma morphology and induced airflow characterization of a DBDactuator with serrated electrode[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2013,46(12):125204.)。Forte等的研究表明具有局部尖锐暴露电极可以显著提高SDBD激励器诱导的推力(Forte M,Jolibois J,Pons J,et al.Optimization of a dielectricbarrier discharge actuator by stationary and non-stationary measurements ofthe induced flow velocity:application to airflow control[J].Experiments inFluids,2007,43(6):917-928.)。专利CN102602541A通过在机翼表面安装H型激励器并采用高频高压电源激励提升了飞行器的气动特性。

目前的研究中激励电源以直流和高频高压电源居多，且大多采用典型的两电极结构激励器形式。面临的主要问题是典型的两电极SDBD产生的等离子体长度有限，等离子体激励影响区域很小、作用效果不明显且效率不高，很难满足实际应用需求。另外，大量研究表明交流高频电源激励SDBD时，在大气压下通常表现为丝状流注放电的形式，不均匀，在阴极出现很多明显亮斑，能量密度通常较大，控制不当产生的热量很容易对材料表面造成伤害。研究表明在正弦或接近正弦电压情况下正离子背向暴露电极的运动是效率低下的主要原因，并且认为高重复速率纳秒脉冲负电势和正DC电势组成的优化波形能够有效解决上述问题。由于纳秒脉冲施加脉宽与丝状放电过程持续时间基本在同一数量级，使得放电相对均匀，欧姆加热较小。而且脉冲放电是高过电压击穿，折算电场高，放电电流大，容易激发更高活性等离子体，与中性气体动量传递作用更强。因而，利用纳秒脉冲叠加负直流激发表面滑闪放电可有效解决上述问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置及方法，利用纳秒脉冲叠加负直流的混合激励产生表面滑闪放电，将SDBD与直流电晕放电有机结并形成没有辉光-电弧过渡的稳定放电，以产生大面积低温等离子体，增强等离子体诱导空气流动能力，达到很好的空间均匀性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，包括：

阻挡介质，其为板状结构，且水平放置，所述阻挡介质的上表面分别贴附有脉冲电极和直流电极，所述脉冲电极和直流电极之间设有放电气隙；所述阻挡介质的下表面贴附有植入电极；

其中，所述脉冲电极连接高压脉冲电源，所述直流电极连接直流电源，所述植入电极接地。

进一步的，所述高压脉冲电源为纳秒脉冲电源，放电时电压幅值设置在10kV～25kV之间，频率设置在1000Hz～2000Hz之间，上升沿为150ns，半高宽为200ns，纳秒脉冲电源的参数选择以能够产生均匀、稳定的表面滑闪放电为准。

进一步的，所述直流电源为负极性直流电源，放电时电压幅值设置在0kV～-15kV之间，负极性直流电源的参数选择以能够产生均匀、稳定的表面滑闪放电为准。

进一步的，所述阻挡介质材料为FR-4环氧板、有机玻璃、陶瓷或聚酰亚胺。

进一步的，所述阻挡介质材料优选为FR-4环氧板，且相对介电常数为4.3，宽度为120mm，长度120mm，厚度1mm。

进一步的，脉冲电极、直流电极和植入电极为金属铜电极或金属铝电极，其形状为矩形条电极、锯齿形电极、倒圆形电极、刀形电极或细丝状电极。

进一步的，脉冲电极、直流电极和植入电极均为金属铜电极，其中，直流电极和植入电极为矩形条电极，所述直流电极的大小为宽度8mm，长度80mm，厚度50μm；所述植入电极的大小为宽度25mm，长度80mm，厚度50μm。

进一步的，所述脉冲电极为锯齿形电极，且包含14个锯齿，所述脉冲电极宽度为10mm，长度80mm，厚度50μm，每个锯齿高度为5mm，相邻两个锯齿间距为5mm；或所述脉冲电极矩形条电极，宽度8mm，长度80mm，厚度50μm。

进一步的，所述金属铜电极为铜条或由PCB板(印刷电路板)腐蚀制作而成。

进一步的，所述植入电极外侧封装有热熔胶，且所述热熔胶为采用直径5mm，长度100mm的胶棒经加热熔化覆盖到整个植入电极上，直至所述植入电极全部被封装。

进一步的，所述植入电极与放电气隙宽度相同，且所述植入电极布置在所述放电气隙的正下方。

进一步的，脉冲电极、直流电极、植入电极与所述阻挡介质之间的贴附均无气隙。

进一步的，脉冲电极位于所述阻挡介质的上表面左侧，直流电极位于所述阻挡介质的上表面右侧，所述放电气隙为脉冲电极右边缘与直流电极左边缘之间的空气间隙，作为放电时等离子体的发展通道。植入电极的左边缘与脉冲电极的右边缘无水平间距，植入电极的右边缘与直流电极的左边缘无水平间距。

一种利用所述的三电极激励器装置获得表面滑闪放电的方法，包括以下步骤：

步骤1，选用FR-4环氧板作为阻挡介质，并将其上下两个表面的灰尘杂质擦拭干净；分别选用金属铜片作为脉冲电极、直流电极和植入电极，并分别采用乙醇和丙酮进行擦拭以去除表面的油污和杂质；

步骤2，按照所述三电极激励器装置的结构将清洗后的脉冲电极、直流电极和植入电极贴附于所述FR-4环氧板上下表面；

步骤3，将脉冲电极与纳秒脉冲电源相连，直流电极与负极性直流电源相连，植入电极接地并用热熔胶进行封装；

步骤4，分别选择纳秒脉冲电源和负极性直流电源的参数，为防止产生电弧以保证放电的稳定性，先施加纳秒脉冲电压，然后平滑的增加负极性直流电压，进行表面滑闪放电实验并观察放电等离子体形态。

本发明的有益效果为：

本发明所述三电极激励器装置利用纳秒脉冲叠加负直流的混合激励产生表面滑闪放电，将SDBD与直流电晕放电有机结并形成没有辉光-电弧过渡的稳定放电，获得大面积等离子体，增加等离子体与来流之间的相互作用区域，增强等离子体诱导空气流动能力，达到很好的空间均匀性。本发明激励器装置结构简单、操作方便、无运动部件、响应迅速，可以获得大面积等离子体并在流场中诱导出强烈的冲击波和三维方向上的射流，另外，脉冲电极采用锯齿形电极，锯齿形高压电极的激励器放电通道相对集中，在放电时可以将放电能量集中在比较小的区域形成强烈的放电，放电空间的热流密度更高，进而可形成强烈的冲击扰动和三维射流效果。此外，采用具有局部尖锐暴露电极的锯齿形电极时，可降低表面滑闪放电的起始电压值并提高诱导体积力，有利于提高激励器能量效率，增强等离子体诱导空气流动能力。本发明对于提高等离子体气动激励的效果和推进等离子体激励在主动流体控制、高速飞行等领域的实质性应用具有重要意义。

附图说明

图1为所述三电极激励器装置的结构示意图；

图2a为一种实施例中的放电等离子体图像；

图2b为另一种实施例中的放电等离子体图像；

其中，1-高压脉冲电源，2-直流电源，3-脉冲电极，4-直流电极，5-放电气隙，6-阻挡介质，7-植入电极，8-热熔胶，9-接地。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，包括：

阻挡介质6，其为板状结构，且水平放置，所述阻挡介质6的上表面的左侧和右侧分别贴附有脉冲电极3和直流电极4，所述脉冲电极3和直流电极4之间设有放电气隙5，所述放电气隙5为脉冲电极3右边缘与直流电极4左边缘之间的空气间隙，作为放电时等离子体的发展通道。所述阻挡介质6的下表面贴附有植入电极7，所述植入电极7与放电气隙5宽度相同，且所述植入电极7布置在所述放电气隙5的正下方。

其中，所述脉冲电极3连接高压脉冲电源1，所述直流电极4连接直流电源2，所述植入电极7接地。

所述高压脉冲电源1为纳秒脉冲电源，放电时电压幅值设置在10kV～25kV之间，频率设置在1000Hz～2000Hz之间，上升沿为150ns，半高宽为200ns。所述直流电源2为负极性直流电源，放电时电压幅值设置在0kV～-15kV之间。纳秒脉冲电源和负极性直流电源的参数选择均以能够产生均匀、稳定的表面滑闪放电为准。

所述阻挡介质6材料为FR-4环氧板，且相对介电常数为4.3，宽度为120mm，长度120mm，厚度1mm。脉冲电极3、直流电极4和植入电极7均为金属铜电极，且为矩形条电极，其中，所述脉冲电极3和直流电极4的大小均为宽度8mm，长度80mm，厚度50μm；所述植入电极7的大小为宽度25mm，长度80mm，厚度50μm。

所述植入电极7外侧封装有热熔胶8，且所述热熔胶8为采用直径5mm，长度100mm的胶棒经加热熔化覆盖到整个植入电极7上，直至所述植入电极7全部被封装。

一种利用所述的三电极激励器装置获得表面滑闪放电的方法，包括以下步骤：

步骤1，选用FR-4环氧板作为阻挡介质，并将其上下两个表面的灰尘杂质擦拭干净；分别选用金属铜片作为脉冲电极、直流电极和植入电极，并分别采用乙醇和丙酮进行擦拭以去除表面的油污和杂质。

步骤2，按照所述三电极激励器装置的结构将清洗后的脉冲电极、直流电极和植入电极贴附于所述FR-4环氧板上下表面，且脉冲电极3、直流电极4、植入电极7与所述阻挡介质6之间的贴附均无气隙。

步骤3，将脉冲电极与纳秒脉冲电源相连，直流电极与负极性直流电源相连，植入电极接地并用热熔胶进行封装。

步骤4，分别选择纳秒脉冲电源和负极性直流电源的参数，先施加纳秒脉冲电压，然后平滑的增加负极性直流电压，进行表面滑闪放电实验并观察放电等离子体形态。

采用图1所示表面滑闪放电实验装置，选用脉冲电极和直流电极宽度均为8mm，植入电极宽度25mm，长度均为80mm，厚度均为50μm的三电极激励器装置进行实验，当纳秒脉冲电压为18kV，重复频率为1000Hz，直流电压为0kV时得到的放电图像如图2a所示，等离子体长度只有8mm左右。当直流电压为-12kV时得到了如图2b所示的放电等离子体图像，可以看出此时等离子体长度达到了25mm，分布在整个放电气隙内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，其特征在于，包括：

阻挡介质(6)，其为板状结构，且水平放置，所述阻挡介质(6)的上表面分别贴附有脉冲电极(3)和直流电极(4)，所述脉冲电极(3)和直流电极(4)之间设有放电气隙(5)；所述阻挡介质(6)的下表面贴附有植入电极(7)；

其中，所述脉冲电极(3)连接高压脉冲电源(1)，所述直流电极(4)连接直流电源(2)，所述植入电极(7)接地。

2.根据权利要求1所述的获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，其特征在于，所述高压脉冲电源(1)为纳秒脉冲电源，放电时电压幅值设置在10kV～25kV之间，频率设置在1000Hz～2000Hz之间，上升沿为150ns，半高宽为200ns。

3.根据权利要求1所述的获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，其特征在于，所述直流电源(2)为负极性直流电源，放电时电压幅值设置在0kV～-15kV之间。

4.根据权利要求1所述的获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，其特征在于，所述阻挡介质(6)材料为FR-4环氧板、有机玻璃、陶瓷或聚酰亚胺。

5.根据权利要求4所述的获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，其特征在于，所述阻挡介质(6)材料为FR-4环氧板，且相对介电常数为4.3，宽度为120mm，长度120mm，厚度1mm。

6.根据权利要求1所述的获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，其特征在于，脉冲电极(3)、直流电极(4)和植入电极(7)均为金属铜电极，其中，直流电极(4)和植入电极(7)为矩形条电极，所述直流电极(4)的大小为宽度8mm，长度80mm，厚度50μm；所述植入电极(7)的大小为宽度25mm，长度80mm，厚度50μm。

7.根据权利要求1所述的获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，其特征在于，所述脉冲电极(3)为锯齿形电极，且包含14个锯齿，所述脉冲电极(3)宽度为10mm，长度80mm，厚度50μm，每个锯齿高度为5mm，相邻两个锯齿间距为5mm；或所述脉冲电极(3)矩形条电极，宽度8mm，长度80mm，厚度50μm。

8.根据权利要求6所述的获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，其特征在于，所述植入电极(7)外侧封装有热熔胶(8)，且所述热熔胶(8)为采用直径5mm，长度100mm的胶棒经加热熔化覆盖到整个植入电极(7)上，直至所述植入电极(7)全部被封装。

9.根据权利要求1所述的获得表面滑闪放电的三电极激励器装置，其特征在于，所述植入电极(7)与放电气隙(5)宽度相同，且所述植入电极(7)布置在所述放电气隙(5)的正下方。

10.一种利用以上任一项权利要求所述的三电极激励器装置获得表面滑闪放电的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选用FR-4环氧板作为阻挡介质，并将其上下两个表面的灰尘杂质擦拭干净；分别选用金属铜片作为脉冲电极、直流电极和植入电极，并分别采用乙醇和丙酮进行擦拭以去除表面的油污和杂质；

步骤2，按照所述三电极激励器装置的结构将清洗后的脉冲电极、直流电极和植入电极贴附于所述FR-4环氧板上下表面；

步骤3，将脉冲电极与纳秒脉冲电源相连，直流电极与负极性直流电源相连，植入电极接地并用热熔胶进行封装；

步骤4，分别选择纳秒脉冲电源和负极性直流电源的参数，先施加纳秒脉冲电压，然后平滑的增加负极性直流电压，进行表面滑闪放电实验并观察放电等离子体形态。