CN108566718A - 一种用于流动控制的高频等离子体激励器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于流动控制的高频等离子体激励器，激励器产生电弧等离子体的方式有两种：(1)同轴电极(coaxial)；(2)陶瓷平行电极(ceramic)。并具有以下优点：激励器成圆柱形，体积小(外径≤3.5mm)安装方便，可多个组合使用；激励器工作频率覆盖范围宽(实验验证0‑50kHz)；激励器所需击穿电压小(～400V)；激励器功率稳定(～110W)，并在高频下可通过调节单脉冲激励的占空比来实现对加入能量的控制或调节电路参数(电源电压和限流电阻)来控制激励器功率。

Description

一种用于流动控制的高频等离子体激励器

技术领域

本发明属于等离子体流动控制领域，涉及一种用于流动控制的高频等离子体激励器，具体针对超声速流动中激波与剪切层相互作用，通过引入高频的电弧等离子体激励，诱发RM不稳定性的产生，从而达到增强掺混，抑制剪切层内流动分离的目的。

背景技术

激波是超声速流动中特有的气动现象，也是超声速飞行器所必须面对的一个重要问题。其中激波与边界层的相互作用(SWBLI)是普遍存在于飞行器外流场以及发动机内流场中。由此所产生的压力脉动及热负荷对飞行器整体及部件的疲劳寿命，结构完整性以及材料的选择有着重要的影响。对于超燃冲压发动机而言，其需要工作在超声速到高超声速的飞行条件下，马赫数一般从4到8，甚至更高。在这样宽广的飞行条件下，对于目前单一的设计点的发动机进气道而言，很难满足全工况的飞行要求。进气道高的总压恢复需要进气道结尾激波正好位于进气道喉部位置，然而该结尾激波对于边界层或燃烧室所引起的扰动特别敏感，受扰动时可能前移甚至会移出进气道，从而造成进气道不起动，甚至引起发动机喘振，而且在非设计工况下，进气道的不起动问题更为严重，这就为发动机进气道的设计提出了巨大挑战。其次，在超燃冲压发动机的燃烧室中，横向燃料射流将在外部超声速流场中产生十分复杂的非稳态激波-剪切层相互作用。对这一问题的研究，不仅在冲压发动机燃烧室，而且在涡轮叶片冷却，火箭矢量推进控制等方面都具有重要的意义。超燃冲压发动机燃烧室不仅面临着燃料射流激波结构复杂，而且高的气流速度使得燃料在燃烧室内的驻留时间极短，如何实现更有效的燃料加入及混合，一直都是超声速燃烧研究中的热点。

激波-剪切层相互作用就成为超声速研究领域不可回避的最为常见也最为重要的研究课题。近年来，由于等离子体无惯性，响应迅速，可实现实时高频控制等特点，以等离子体激励器为基础的主动流动控制技术得到了广泛的研究，其中包括层流-湍流的转捩控制、流动分离控制、湍流控制(掺混与噪声)、激波控制、超声速点火与助燃。而这些技术也有望实现激波-剪切层的有效控制，并应用于超燃冲压发动机的设计当中，将有望改善发动机进气道起动及燃烧室燃料掺混的问题。

目前常用的等离子体激励器形式主要包含三种，即介质阻挡放电、直流电弧丝放电以及等离子体合成射流。国内外关于等离子体激波控制进行了大量的试验研究，以探究其控制机理。前人的实验研究揭示了纳秒介质阻挡放电等离子体激励器对流场的影响主要体现在两个方面：(1)对边界层的加热；(2)近壁面形成涡结构。对边界层的加热使得SWBLI增强，分离区增大；而近壁面涡结构的形成，促进了主流区与边界层之间的动量交换，可以有效抑制分离区。而关于电弧等离子体激励器的激波控制，理论分析了其热效应及离子化效应影响斜面激波的不同机理，实验验证得到热效应在控制中起到主要作用。关于脉冲等离子体合成射流激励器对SWBLI问题控制的研究，结果发现脉冲等离子体合成射流激励器可以改变分离包自身频率，并促使分离激波以激励器频率前后移动。但由于该激励器的放电频率受到射流腔重新填充过程的限制，使得其对激波的控制缺乏连续性。

这也就表明，要实现对SWBLI问题有效的控制，单纯的加热激励并不一定有效。要实现对SWBLI问题中分离区的有效抑制，所使用的激励器就需具有诱发涡结构的形成以促进动量交换的能力；其次，还需要激励器具有较寛的可控频率及功率调节能力，以实现不同流动工况下的有效控制。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于流动控制的高频等离子体激励器。

技术方案

一种用于流动控制的高频等离子体激励器，包括激励器1、高压直流电源2、限流电阻3和高速开关4；其特征在于：所述激励器1为圆柱形，电极为同轴电极，以钨柱作为同轴轴心为阴极，不锈钢金属管包裹钨柱为阳极，两者之间的间隙填充氧化铝陶瓷进行绝缘处理；所述阳极与阴极之间的间隙为0.6mm。

所述激励器1为圆柱形，电极为陶瓷平行电极，阴阳极为平行的钨柱电极构成，共同置于氧化铝陶瓷管中进行绝缘；阴阳极之间间隙为0.5mm。

所述钨柱直径为1mm时，不锈钢金属管的外径为3mm。

所述不锈钢金属管采用304不锈钢金属管。

所述钨柱直径为1mm时，氧化铝陶瓷管外径为3.5mm。

有益效果

本发明提出的一种用于流动控制的高频等离子体激励器，激励器产生电弧等离子体的方式有两种：(1)同轴电极(coaxial)；(2)陶瓷平行电极(ceramic)。并具有以下优点：激励器成圆柱形，体积小(外径≤3.5mm)安装方便，可多个组合使用；激励器工作频率覆盖范围宽(实验验证0-50kHz)；激励器所需击穿电压小(～400V)；激励器功率稳定(～110W)，并在高频下可通过调节单脉冲激励的占空比来实现对加入能量的控制或调节电路参数(电源电压和限流电阻)来控制激励器功率。

激励器特性：实验已经验证了激励器在静止空气和马赫数为2.5的超声速流场中的稳态和高频工作特性(频率和占空比的影响)。

稳态特性：

(1)在静止空气中，对两种激励器模型进行了伏安特性及功率特性的测试研究，发现其电弧电压随着电流的增加而减小，符合直流电弧基本的伏安特性规律。且两种激励器在高电流(>500mA)工况下，所产生的电弧稳定燃烧，此时随着电流的进一步增加，电弧电压保持不变(≈56.5±1.3V)，并与空气电离电势(～65V)相当，符合直流短电弧放电基本规律。从实验测得的伏安特性来看，两种激励器特性十分接近。对于激励器的稳态工作模式，可以通过调节电路电流来实现及激励功率的控制。

(2)在高速流场中(M＝2.5)，同样进行了两种激励器特性的研究。结果发现，由于高速流场中气流的对流冷却效果，等离子体电弧呈现出恒定电阻的伏安特性，随着电弧电流的增加，电弧电压基本线性增加，电弧功率表现为电流的二次方关系。同样可以通过调节电路电流来实现及激励功率的控制。

高频特性：实验中可以通过调节控制高速开关(HFS)的TTL信号，来实现激励器工作频率以及激励占空比的控制。

(1)频率影响：首先保持激励信号的占空比为50％，进行激励器频率特性的研究。实验在静止空气中，获得了高达50kHz的稳定脉冲激励电弧。并发现激励器在高频(>5kHz)与低频(<5kHz)下不同的工作特性：低频时(f＝1kHz)，由于单脉冲周期较长，高压电源的限流功能足以发挥作用，激励器电弧电流被限制在电源所设置的最大值，此时即可通过调节电源电流来实现对激励器功率的控制；而当激励频率进一步增加时，单脉冲周期时间很短，电源限流发生作用前，激励已经关闭，此时电弧电流将取决于电路中电源电压以及限流电阻(E/Rc)。因此，激励器在高频(f>5kHz)工作时，电弧电流不随频率发生变化。这就使得电弧功率在高频工作时也基本保持不变(～110W)，其值可通过调节电路参数(电源电压，限流电阻)进行控制。

(2)占空比影响：此时保持激励器的工作频率为10kHz，进行激励器占空比特性的研究。实验结果表明：高频工作时，激励器电弧电流幅值不随激励时间(占空比)发生变化，从而其功率也基本保持不变。这时，激励器单脉冲所加入的能量就与占空比呈线性关系。通过调节占空比就可以方便地进行高频能量加入的控制。

附图说明

图1是高频激励器应用于超声速流场斜激波控制的示意图，

其中，1表示高频激励器，2表示高压电源(E)，3表示限流电阻(Rc)，4表示高速开关(HFS)，5表示用于产生斜激波的压缩斜面模型；

图2是两种激励器结构尺寸(单位：mm)，

其中，(a)同轴电极激励器(coaxial)；(b)陶瓷平行电极激励器(ceramic)；

图3是等离子体激励器实物图；

图4是激励器放电形成电弧等离子体；

图5是静止空气中激励器的伏安特性；

图6是静止空气中激励器的功率特性；

图7是高速流场(M＝2.5)中激励器的伏安特性；

图8是高速流场(M＝2.5)中激励器的功率特性；

图9是静止空气中激励器高频工作时的电流特性；

图10是静止空气中激励器高频工作时的功率特性；

图11是静止空气中激励器功率随频率变化特性；

图12是静止空气中激励器以10kHz工作时电流随占空比的变化特性；

图13是静止空气中激励器以10kHz工作时功率随占空比的变化特性；

图14是静止空气中激励器以10kHz工作时脉冲能量随占空比的变化特性；

图15是激励器应用于斜激波控制的示意图；

图16是壁面等离子体激波控制；

图17是激励器应用于SWBLI问题的分离涡流动控制的示意图；

图18是激励器应用于射流掺混控制的示意图；

图19是脉冲激励应用于射流掺混控制的数值验证纹影图像，

其中，(a)无激励初始流场，(b)激励流场，OS-斜激波，TS-透射激波，BS-分离包激波，EF-膨胀波，RC-再压缩波，BV-斜压涡量，BW-爆炸波。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

用于流动控制的高频等离子体激励器，包括激励器1，高压直流电源2，限流电阻3和高速开关4。该激励器成圆柱形，体积小安装方便，可多个组合使用；激励器工作频率覆盖范围宽(实验验证0-50kHz)；激励器所需击穿电压小(～400V)；激励器功率稳定(～110W)，并在高频下可通过调节单脉冲激励的占空比来实现对加入能量的控制或调节电路参数(电源电压和限流电阻)来控制激励器功率。

所述激励器，体积小(外径≤3.5mm)安装方便，采用两种形式来产生电弧等离子体：

1、同轴电极(coaxial)，由直径为1mm钨柱作阴极，外径为3mm的304不锈钢金属管作阳极，两者之间0.6mm的间隙填充氧化铝陶瓷进行绝缘处理，保证放电时只在激励器顶部发生气体击穿；阴阳极之间间隙为0.6mm，形成典型的短弧放电，有利于在流场中引入局部快速的激励响应。

2、陶瓷平行电极(ceramic)，阴阳极都由直径1mm的钨柱电极构成，并安装于外径为3.5mm的氧化铝陶瓷管中进行绝缘处理，阴阳极之间间隙为0.5mm。

所述激励器工作频率范围宽，可在50kHz下稳定工作。激励器高频工作时，功率可通过调节电路电阻进行控制。

激励器适用场合举例：

本发明激励器尺寸小(外径≤3.5mm)，且便于安装(圆柱形)，适用于多种流动控制场合，现以高速流场中的流动控制问题进行举例：

●在高速流场中，当激励器平嵌于流场壁面时，对流场几乎无扰动影响(激励器不工作时)，可进行壁面电弧等离子体流动控制研究，主要可应用于激波强度及位置控制，相关实验研究验证激励器在稳态模式工作时对流场激波具有明显的减弱效果；

●当激励器作用于流场边界层时，其可应用于SWBLI问题中分流涡的控制。激励器高频工作产生的脉动加热区与流场分离激波相互作用，将诱发加热区产生RM不稳定性，其将促进边界层外流与分离区的动量交换，从而达到减小分离区的目的；

当激励器浸入安装时，虽然对流场产生一定影响，但其尺寸小，对流场扰动有限，同样利用激励器高频激励所产生的加热区，经过激波诱导形成RM不稳定性，其在射流掺混方面具有很好的增强效果。相关数值研究验证了脉动热源的加入，可有效增强射流掺混以及抑制射流中心的亚声速区。

正如图1所示，将该激励器应用于超声速流场激波控制研究当中。实验中将激励器1(coaxial或者ceramic)安装于实验流场用于产生斜激波的压缩斜面模型5的下壁面，并将激励器1串联在电路中，采用高压直流电源2对其供电，电源2最大电压电流输出为10kV，1A。电路中使用限流电阻3(Rc＝4.9kΩ)来限制气体击穿后电路中的电流。电路的开关控制通过高速开关4来实现，高速开关4则由TTL信号控制，调节TTL信号的频率及占空比就可实现对激励器1的控制。

图2则给出了激励器1的两种不同结构形式及尺寸。图2(a)为同轴电极激励器(coaxial)，由d＝1mm圆柱钨电极作阴极，外径为3mm的304不锈钢金属管作阳极，两者之间0.6mm的间隙填充氧化铝陶瓷进行绝缘处理，保证放电时只在激励器顶部发生气体击穿。图2(b)为陶瓷平行电极(ceramic)激励器，其阴阳极都由d＝1mm圆柱钨电极构成，并安装于外径为3.5mm的氧化铝陶瓷管中进行绝缘处理，阴阳极之间间隙为0.5mm。

图3给出了实验用于测试激励器特性所制作的激励器1实物图。

图4给出了激励器1在静止空气中，激励器1以5kHz，50％占空比工作时产生电弧的瞬时照片。图4(a)为coaxial激励器，工作时在阴阳极之间的凹腔内(见图2(a))形成电弧，图4(b)为ceramic激励器，电弧形成于激励器顶端。

图5给出了激励器1在静止空气中，稳态工作时的伏安特性曲线，该曲线是通过改变电源限制电流而获得的。随着电弧电流的增加，电弧电压值及其脉动值都减小，激励器1工作更为稳定。当电弧电流大于500mA后，电弧电压基本保持不变。且两种形式的激励器特性十分接近。

图6给出了激励器1在静止空气中，稳态工作时功率随电弧电流的变化关系，在小电流下(I<500mA)，电弧功率波动较大，主要是因为此时放电电弧不稳定，随着电弧电流进一步增加，电弧功率与电弧电流基本成线性关系，这就方便通过调节回路电流来实现对激励器1功率的控制。

类似地，图7给出了激励器1在高速气流中(M＝2.5)，稳态工作时的伏安特性曲线。其特性明显不同于在静止空气中的变化，由于高速气流对电弧的冷却作用，在放电稳定后，电弧表现出类似于阻值恒定电阻的性质，电弧电压随电流呈现出线性关系，导致了其功率与电流呈现出2次方变化，如图8所示。

图9则给出了激励器1在静止空气中高频工作特性。此时，保持高速开关控制信号的占空比50％不变，不同激励频率下，ceramic激励器在单个脉冲激励中电流随时间的变化，结果表明：低频时(f＝1kHz)，由于脉冲周期较长，高压电源的限流功能足以发挥作用，激励器电弧电流被限制在电源所设置的最大值(800mA)；而当激励频率进一步增加时，单脉冲周期时间变短，电源限流发生作用前，激励器已经关闭，此时电弧电流将取决于电路中电源电压以及限流电阻的比值(E/Rc＝9.8kV/4.9kΩ＝2.0A)，其近似为电路所允许的最大值。因此，激励器在高频(f>5kHz)工作时，电弧电流不随频率发生变化。这就使得电弧功率在高频工作时也基本保持不变(～110W)，如图10所示。且电弧功率值可通过调节电路参数(电源电压，限流电阻)进行控制。

图11给出了激励器1在高频工作时的时均功率随工作频率的变化规律。可以发现，高频下激励器平均功率基本保持不变，且两种形式的激励器具有相近的功率水平。

进一步研究占空比对激励器1工作特性的影响，此时保持激励器的工作频率为10kHz，图12给出了不同占空比时ceramic激励器单周期内电流的随时间的变化，结果表明10kHz工作时，激励器电弧电流幅值不随激励时间(占空比)发生变化，从而其功率也基本保持不变，如图13所示。这时，激励器单脉冲所加入的能量就与占空比呈线性关系，如图14所示。通过调节占空比就可以方便地进行激励器高频能量加入的控制。

图15给出了激励器1应用于超声速流场激波控制的示意图。通过在流场壁面边界层内引入等离子体热激励，其将诱导产生新的斜激波，促使下游气流马赫数减小；同时由于等离子体加热的影响，也促使壁面附近气流马赫数降低；再者，等离子体加热使得壁面边界层位移厚度增加，对下游压缩斜面产生修正，促使其有效压缩角度减小；三者综合导致了下游斜激波前移，强度的减弱，角度增加。之前的实验研究已经验证了近壁面等离子体对斜激波的减弱作用，如图16所示，在激励状态下，激波前移，强度减弱，角度增加。

图17给出了将激励器1应用于激波边界层相互作用(SWBLI)控制以抑制压缩斜面角区流动分离的示意图。通过在边界层上层引入电弧等离子体加热，当其随主流向下游运动并与分离激波相互作用后，加热区将被诱发产生RM不稳定性，并伴随有大尺度涡的形成，这就可以促进分离区与主流区的动量交换，从而达到抑制分离区的目的。

基于相同的原理，图18给出了将激励器1应用于超声速流场射流掺混控制的示意图，通过在射流边剪切层附近引入等离子体热源，当其与流场激波相互作用后，产生RM不稳定，并伴随有大尺度涡的形成，可以促进射流与主流之间的掺混，该应用已通过数值的方法得以验证。

图19给出了将激励器1应用于超声速流场射流掺混控制的数值模拟结果。低速射流遭遇斜激波(OS)时，在射流内部形成前驱的正激波，前驱正激波外沿，在外部主流区形成分离包激波(BS)。正激波后形成一亚声速区，由于粘性及膨胀波(EF)的作用，亚声速区气流被重新加速到超声速，这就使得射流宽度出现了先减小后增加的变化，在其喉部区域，由于射流宽度的变化，将在外流场中形成再压缩波(RC)，如图19(a)所示。脉冲热源的加入，由于迅速加热而形成的爆炸波(BW)向外扩张，与射流剪切层相互作用，产生斜压涡量(BV)，促使涡结构的形成。当热源高温区(低密度区)与分离包激波(BS)相互作用，此时斜压项作用于高温核心区表面，促使高温核心区压缩变形，内凹旋转(图19(b))，触发形成RM不稳定性，促进高温核心区与周围流体掺混。高温区的内凹旋转结构对射流区产生抽吸作用，促进射流与外部流体混合，并有效抑制了射流亚声速区。

当然，浸入式安装的激励器1会对流场产生一定的干扰。

Claims (5)

1.一种用于流动控制的高频等离子体激励器，包括激励器(1)、高压直流电源(2)、限流电阻(3)和高速开关(4)；其特征在于：所述激励器(1)为圆柱形，电极为同轴电极，以钨柱作为同轴轴心为阴极，不锈钢金属管包裹钨柱为阳极，两者之间的间隙填充氧化铝陶瓷进行绝缘处理；所述阳极与阴极之间的间隙为0.6mm。

2.根据权利要求1所述用于流动控制的高频等离子体激励器，其特征在于：所述激励器(1)为圆柱形，电极为陶瓷平行电极，阴阳极为平行的钨柱电极构成，共同置于氧化铝陶瓷管中进行绝缘；阴阳极之间间隙为0.5mm。

3.根据权利要求1所述用于流动控制的高频等离子体激励器，其特征在于：所述钨柱直径为1mm时，不锈钢金属管的外径为3mm。

4.根据权利要求1或3所述用于流动控制的高频等离子体激励器，其特征在于：所述不锈钢金属管采用304不锈钢金属管。

5.根据权利要求2所述用于流动控制的高频等离子体激励器，其特征在于：所述钨柱直径为1mm时，氧化铝陶瓷管外径为3.5mm。