CN107914865A - 用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置及方法，其等离子体激励器由圆环形暴露电极(13)、掩埋电极(14)和中间介质阻挡层(5)组成，激励器与电源控制系统(16)连接。单个圆形等离子体激励器在高电压作用下进行气体放电，产生半球形诱导速度区域，即虚拟动态结节。将至少一个等离子体激励器安装在机翼前缘表面，电源控制系统通过调节电压、频率和占空比等电学参数，对前缘虚拟动态结节尺寸进行调节。本发明可在不改变实际几何外形的基础上，应用于任意气动外形的机翼。

Description

用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置和方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体虚拟动态仿生装置及将其应用于翼型前缘的方法。
背景技术
通过对座头鲸鱼鳍前缘结节的了解，研究者产生了在机翼前缘施加凸起的想法。机翼前缘凸起可有效改变前缘流动，增升减阻、推迟失速迎角，提升飞行器整体气动性能。通过比较直机翼和正弦波前缘机翼的各项气动参数，研究证实正弦波前缘机翼在提升升阻比、推迟失速迎角方面表现更为卓越。
毫无疑问，波浪形前缘可改善翼型/机翼的气动性能，有效提高升阻比和推迟失速迎角，但因为此种设计必须改变前缘几何形状，操作复杂，无法在传统直机翼前缘应用。
近些年，等离子体主动流动控制技术受到越来越多的关注，其具有无机械部件、宽频带、零反应时间和低能耗等多个优势。其中，介质阻挡放电等离子体(SurfaceDielectric Barrier Discharge,SDBD)是应用较为广泛的一类。SDBD等离子体激励器由两个电极和中间介质阻挡放电层组成，通过交流放电(Alternating Current,AC-)激励，对电极周围空气粒子进行弱电离，在掩埋电极和介质层上方产生等离子体。介质阻挡放电层可防止电弧放电的产生，形成大量等离子体。等离子体的产生方向被定义为下游方向，由暴露电极指向掩埋电极。激励产生诱导气流向主流分离流动注入动量，使得流动发生再附。目前，AC-SDBD等离子体激励器被广泛的应用于空气动力学的多个研究中，包括分离流控制、顶端间隙控制、起落架降噪、附面层控制和合成射流制动等。
发明内容
针对传统方法通过改变机翼前缘几何形状为波浪形来形成结节所存在的问题，本发明提出一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置和方法，在不改变前缘形状的前提下，利用AC-SDBD等离子体激励器在任意机翼或翼型前缘生成结节：通过在传统直机翼/翼型前缘敷设AC-SDBD等离子体激励器，产生与主流流动方向相反的诱导速度，两种流动相互作用产生结节。本发明在不改变机翼/翼型几何外形的前提下实现结节效应，可应用于任意常规直机翼布局。
本发明公布的第一方面为等离子体虚拟动态仿生装置，装置包括等离子体激励器和电源控制系统。等离子体激励器为介质阻挡放电等离子体激励器，由暴露电极、掩埋电极和介质阻挡层组成，暴露电极和掩埋电极分别敷设于介质阻挡层两侧；暴露电极暴露于空气，与电源高压端连接；所述掩埋电极敷设于机翼前缘表面，包裹于机翼前缘内，接地连接。介质阻挡层选取绝缘性能较强的材质聚酰亚胺。电源控制系统包括交流放电等离子体电源和信号控制器；等离子体电源高压端与等离子体激励器暴露电极连接，等离子体电源低压端和等离子体激励器掩埋电极连接，同时接地；信号控制器与等离子体电源输出端连接，控制激励电源的输出电压、频率和占空比等电学参数。当对等离子体虚拟动态仿生装置施加高电压时，两侧激励分别诱导出射流，相互作用，分别诱导出垂直于激励器表面向上的速度剖面。
本发明公布的第二方面为在机翼前缘实现虚拟动态结节的方法。将一系列的等离子体虚拟动态仿生装置敷设于机翼前缘，对其施加高电压，产生一系列半球形的速度分布；与来流相互作用后，形成虚拟结节。通过调节激励的电学参数，如电压、电流、频率等可实现对结节幅度的控制；通过调节等离子体激励器的距离，可实现对结节波长的控制。
基于上述原理，本发明的技术方案为：
所述一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：包括等离子体激励器和电源控制系统；
在机翼前缘沿机翼展向布置若干等离子体激励器；所述等离子体激励器为介质阻挡放电等离子体激励器，由暴露电极、掩埋电极和介质阻挡层组成；暴露电极和掩埋电极分别敷设于介质阻挡层两侧；所述掩埋电极敷设于机翼前缘表面或埋入机翼前缘内部，接地连接；所述介质阻挡层敷设于机翼前缘表面，并将掩埋电极遮蔽；所述暴露电极敷设于介质阻挡层上，暴露于空气；
所述电源控制系统包括交流放电等离子体电源和信号控制器；等离子体电源的高压端与等离子体激励器暴露电极连接，等离子体电源低压端和等离子体激励器掩埋电极连接；所述信号控制器与等离子体电源连接，控制等离子体电源的电学参数。
进一步的优选方案，所述一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：所述介质阻挡层采用聚酰亚胺材质。
进一步的优选方案，所述一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：所述暴露电极采用圆环电极，掩埋电极采用圆心电极，且掩埋电极的直径与暴露电极的内径相等。
进一步的优选方案，所述一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：对于沿机翼展向布置的相邻两个等离子体激励器，圆环形暴露电极沿机翼展向能够部分重叠。
进一步的优选方案，所述一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：对于沿机翼展向布置的若干等离子体激励器，两两相邻的等离子体激励器中，圆环形暴露电极沿机翼展向的重叠宽度可变；重叠宽度OV的最大值为圆环形暴露电极的圆环宽度AV，当重叠宽度为负时，表示相邻的等离子体激励器中，圆环形暴露电极沿机翼展向不重叠。
利用上述装置，在机翼前缘产生等离子体虚拟结节的方法，其特征在于：通过等离子体电源对圆环形暴露电极施加高电压产生气体放电，等离子体辉光沿圆形掩埋电极轴向发展，在圆形掩埋电极外侧形成垂直于圆环形暴露电极的诱导速度分布场；在存在来流情况下，半球形诱导速度分布场产生的诱导气流方向和来流方向相反，在机翼前缘产生气泡，形成虚拟结节。
进一步的优选方案，所述一种在机翼前缘产生等离子体虚拟结节的方法，其特征在于：虚拟结节沿圆形掩埋电极轴向的结节振幅AMP由等离子体电源的激励电压控制。
进一步的优选方案，所述一种在机翼前缘产生等离子体虚拟结节的方法，其特征在于：相邻两个连续虚拟结节波峰之间的距离W由相邻等离子体激励器沿展向的距离控制。
有益效果
通过风洞实验研究，利用PIV流场显示技术可观测到一个明显的气泡区域(速度为零)，证明本发明可在模型前缘产生结节。因此，本发明可被应用于任意翼型、机翼模型。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为双环等离子体激励器示意图。
图2为敷设于基板的双环等离子体激励器上视图。
图3为双环等离子体激励器的诱导速度场示意图。
图4为翼型前缘双环等离子体系列激励器示意图。
图5为翼型前缘双环等离子体系列激励器前视图。
图6为来流环境下施加高电压形成的翼型前缘虚拟动态结节示意图。
图7为来流环境下施加高电压形成的翼型前缘虚拟动态结节上视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施例详细叙述了在不改变前缘几何形状的前提下，利用等离子体激励产生虚拟结节，并将一系列单个激励器敷设于翼型/机翼前缘，产生复杂结节效应的具体过程。下列叙述只具有说明性，并不旨在限制发明的实施或应用。
图1为双环等离子体激励器示意图。图中所示激励器由两个圆形掩埋电极17,18和两个圆环形暴露电极A2，A3组成，介质层5将掩埋电极和暴露电极分隔开，掩埋电极敷设在基板6上。两个圆环形暴露电极有效放电宽度为AV，重叠宽度为OV，重叠宽度OV可变，最大值为圆环形暴露电极有效放电宽度AV，最小值取决于所敷设机翼弦长，且数值可为负，表示没有重叠。
图2为双环等离子体激励器的上视图。两个圆形掩埋电极直径D1和D3相等，两个圆环暴露电极D2和D4的直径是相等的，掩埋电极3和4利用电线10与地面8相连，而暴露电极A2，A3利用电线9与电源高压段7相连接。通过施加高电压HV，掩埋电极上方形成垂直于激励器表面的速度剖面。
图3为双环形等离子体激励器的诱导速度示意图。对暴露电极16和18施加高电压，在掩埋电极17和19上方会形成诱导速度区域，该区域涵盖整个掩埋电极17和19，形成11和12的近似半球形的速度分布场。通过调节激励电压可以实现对诱导速度大小的控制，提高激励电压，诱导速度增加；降低激励电压，诱导速度下降，最大诱导速度与激励器尺寸大小相关。例如，激励器由15mm直径的掩埋电极、30mm直径的暴露电极和Kapton介质层组成，对其施加9kV激励电压和13kHz激励频率电信号，最大诱导速度为3.12m/s。进一步将电压提高到11kV，最大诱导速度增加到3.98m/s；当激励电压提高到13kV时，诱导速度可达4.82m/s。
图4为布置于翼型前缘的系列双环形激励器示意图，图5为其前视图。激励器在翼型前缘的分布与基板6上的保持一致。首先，将第一个圆形激励器PA1的掩埋电极14敷设于前缘，随后将介质阻挡放电层5布置于其上方，最后将圆环形暴露电极13敷设于介质层上。依次将一系列相同激励器(PA1,PA2,PA3…PA13)敷设于前缘，所有激励器以重叠方式布置，每个激励器暴露电极之间重叠宽度取最大值。
图6为来流环境下施加高电压形成的翼型前缘虚拟动态结节示意图，图7为其上视图。如图3所示，施加高电压后产生等离子体诱导速度，由于诱导气流方向和主流来流方向相反，当其与主流来流15作用时，在翼型或机翼前缘会形成近似半球形气泡，形成虚拟结节。两个虚拟结节之间的距离为DD，形成结节的波长W定义为沿展向两个连续结节波峰之间的距离。结节沿轴向最大距离被定义为结节振幅AMP，可以通过控制激励电压改变。
通过风洞实验研究，利用PIV流场显示技术可观测到一个明显的气泡区域(速度为零)，证明本发明可在模型前缘产生结节。因此，本发明可被应用于任意翼型、机翼模型。由现有描述可知，本发明装置可在任意前缘产生虚拟动态结节，上述对其中的一种特殊形式已经进行了举例和描述。此外，本发明具有广泛的应用范围，包括在舵面、转子、桨叶、扰流板和多种附属物前缘形成结节效应。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：包括等离子体激励器和电源控制系统；
在机翼前缘沿机翼展向布置若干等离子体激励器；所述等离子体激励器为介质阻挡放电等离子体激励器，由暴露电极、掩埋电极和介质阻挡层组成；暴露电极和掩埋电极分别敷设于介质阻挡层两侧；所述掩埋电极敷设于机翼前缘表面或埋入机翼前缘内部，接地连接；所述介质阻挡层敷设于机翼前缘表面，并将掩埋电极遮蔽；所述暴露电极敷设于介质阻挡层上，暴露于空气；
所述电源控制系统包括交流放电等离子体电源和信号控制器；等离子体电源的高压端与等离子体激励器暴露电极连接，等离子体电源低压端和等离子体激励器掩埋电极连接；所述信号控制器与等离子体电源连接，控制等离子体电源的电学参数。
2.根据权利要求1所述一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：所述介质阻挡层采用聚酰亚胺材质。
3.根据权利要求1或2所述一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：所述暴露电极采用圆环电极，掩埋电极采用圆心电极，且掩埋电极的直径与暴露电极的内径相等。
4.根据权利要求3所述一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：对于沿机翼展向布置的相邻两个等离子体激励器，圆环形暴露电极沿机翼展向能够部分重叠。
5.根据权利要求4所述一种用于机翼前缘的等离子体虚拟动态仿生装置，其特征在于：对于沿机翼展向布置的若干等离子体激励器，两两相邻的等离子体激励器中，圆环形暴露电极沿机翼展向的重叠宽度可变；重叠宽度OV的最大值为圆环形暴露电极的圆环宽度AV，当重叠宽度为负时，表示相邻的等离子体激励器中，圆环形暴露电极沿机翼展向不重叠。
6.利用权利要求5所述装置在机翼前缘产生等离子体虚拟结节的方法，其特征在于：通过等离子体电源对圆环形暴露电极施加高电压产生气体放电，等离子体辉光沿圆形掩埋电极轴向发展，在圆形掩埋电极外侧形成垂直于圆环形暴露电极的诱导速度分布场；在存在来流情况下，半球形诱导速度分布场产生的诱导气流方向和来流方向相反，在机翼前缘产生气泡，形成虚拟结节。
7.根据权利要求6所述一种在机翼前缘产生等离子体虚拟结节的方法，其特征在于：虚拟结节沿圆形掩埋电极轴向的结节振幅AMP由等离子体电源的激励电压控制。
8.根据权利要求6所述一种在机翼前缘产生等离子体虚拟结节的方法，其特征在于：相邻两个连续虚拟结节波峰之间的距离W由相邻等离子体激励器沿展向的距离控制。
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