CN112333910B - 一种预电离式高效等离子体合成射流激励器 - Google Patents

Abstract

一种预电离式高效等离子体合成射流激励器(103)，由带射流出口的激励器头部(101)和激励器底部(102)两部分连接而成，激励器底部(102)激励器腔体(201)、放电电极、介质阻挡绝缘层(203)，激励器壳体(205)；激励器头部(101)整体为开槽的矩形薄板，该矩形薄板的外围尺寸和激励器底部(102)开放面的外围尺寸相同，保证激励器头部(101)与激励器底部(102)边沿对齐，激励器头部(101)中央开有通孔作为射流孔。本发明的等离子体合成射流激励器通过集成介质阻挡放电模块，利用介质阻挡放电产生预电离，为空间提供大量的初始种子电子，降低击穿电压，增加放电间距，从而提升能量利用率，能够解决目前等离子体合成射流激励器使用过程中遇到的击穿电压高、放电间距小、效率低的问题。

Description

一种预电离式高效等离子体合成射流激励器

技术领域

本发明涉及等离子体流动控制技术，具体涉及一种基于预电离技术的高效等离子合成射流激励器。

背景技术

等离子体流动控制技术具有结构简单、响应快、频带宽等显著优势，是一种具有较大应用潜力的流动控制技术。相比于介质阻挡放电型等离子体流动控制激励器，等离子合成射流激励器诱导产生速度高，能够弥补传统介质阻挡放电激励器的不足，有望在超声速流动控制领域发挥作用。

等离子体合成射流激励器是基于气体放电的激励器，其能量来源于气体放电。根据气体放电理论，放电的击穿电压与气体压力、电极间距直接相关。气体压力增加、电极间距增加，击穿电压增加。在大气压条件下，1mm间隙对应的击穿电压超过3kv。但是，现有研究已经表明增加电极间距能够有效提高能量利用率，是设计高效等离子体合成射流激励器的有效方法。但是，提高电极间距必然增加整个系统的电压，对系统的可靠绝缘带来安全隐患。为了增加电极间距，研究人员还提出了脉冲高压+低压直流的放电形式，通过两个电源的共同作用来提高激励器效率。但引入的两个电源系统必然导致整个系统复杂性的提升。

综上所述，目前等离子体合成射流激励器存在击穿电压高、电极间距小、放电系统复杂的问题。

发明内容

为提高等离子体合成射流激励器的能量利用率，针对现有激励器放电电压高、电极间距短的不足，本发明提出一种预电离式高效等离子体合成射流激励器103，由带射流出口的激励器头部101和激励器底部102两部分连接而成，所述两部分的连接部位保证密封，其特征在于：

激励器底部102整体呈中空长方体状形状，具有一个开放面和五个封闭面；激励器底部102包括：激励器腔体201、放电电极、介质阻挡绝缘层203，激励器壳体205；其中放电电极包括阳极202和阴极204；激励器壳体205是激励器底部102的长方体外壳，开放面正对面的底面并非一整块；壳体205内部形成长方体形腔体201，腔体201仅存在于激励器壳体205内部的上半部分，腔体201的出口处对应开放面，激励器壳体205的下半部分是填实的；阳极202为长条薄片，其紧贴布置于腔体201的左侧面并在激励器壳体205的高度方向上延伸，阳极202的高度等于激励器壳体205的高度，因此，阳极202的上、下两个端面与激励器壳体205的上、下两个端面分别齐平；阳极202的长度C1等于腔体201左、右两个侧面的内部宽度；阴极204为

形状，由两片相互垂直的长条薄片固定连接而成，其中第一片布置于腔体201与阳极202相对的右侧面，第二片从第一片大致中央的位置、垂直于第一片而向腔体201内部伸出，延伸到与阳极202保持一定间隔处；其中第一片的形状和位置与阳极202基本对应，也就是说，第一片的上、下两个端面与激励器壳体205的上、下两个端面分别齐平；介质阻挡绝缘层203位于腔体201内部，分为两部分，第一部分截面形状为拐形/>

由两片相互垂直的长条薄片固定连接而成，其中第壹片布置于阴极204第二片的侧面，位于第二片的上面且紧贴第二片，第壹片的左端紧贴阴极204，右端紧贴阳极202并向第二片与阳极202之间的间隔延伸，该延伸自然形成第贰片，第贰片正好填充满所述间隔，第贰片的延伸结束端面与第二片背对第壹片的端面齐平；第二部分在激励器腔体201内，完全填充了阴极204第二片之下、激励器壳体205的内部空间，第二部分的下表面与阳极202、阴极204第一片、激励器壳体205的下端面保持齐平，第二部分与第贰片的延伸结束端面紧密连接；阳极202与阴极204能够从激励器壳体205穿过，进行进一步的电连接；

激励器头部101整体为开槽的矩形薄板，该矩形薄板的外围尺寸和激励器底部102开放面的外围尺寸相同，保证激励器头部101与激励器底部102边沿对齐，激励器头部101中央开有通孔作为射流孔。

在本发明的一个实施例中，激励器腔体201长方体形槽的长、宽、深范围分别为4mm～10mm、1～5mm、1～5mm，激励器壳体205的壁厚1mm～5mm。

在本发明的一个具体实施例中，激励器腔体201长方体形槽的长、宽、深分别为7mm、3mm、3mm，激励器壳体205的壁厚2mm。

在本发明的一个实施例中，阳极202、阴极204平行于开放面的横截面为矩形；阳极202平行于开放面的横截面的长C1宽a1范围分别为1～5mm、0.5～2mm；阴极204的竖直部分“|”尺寸同阳极202，水平部分“-”的厚度b2范围为0.5～2mm，长度需保证与阳极留有间隙a2，间隙尺寸为0.2～1mm。

在本发明的一个具体实施例中，阳极202平行于开放面的横截面的长C1宽a1分别为3mm、1mmm；阴极204的水平部分“-”的厚度b2为1mm，间隙尺寸为0.5mm。

在本发明的一个实施例中，介质阻挡绝缘层203第一部分第壹片的长度由阴极与阳极间距决定，宽度与激励器腔体201宽度保持一致，厚度b1为0.2～2mm。

在本发明的一个具体实施例中，介质阻挡绝缘层203第一部分第壹片的厚度b1为0.5mm。

在本发明的一个实施例中，激励器头部101的通孔截面是四个角倒圆角的矩形；激励器头部101开槽深度为0.5mm～5mm，该开孔深度即为激励器头部101的方形板厚度，方形槽的宽度为0.5mm～2mm，长度为4～8mm。

在本发明的一个具体实施例中，激励器头部101开槽深度为1mm，方形槽的宽度为1mm，长度为5mm。

在本发明的一个实施例中，激励器壳体205、激励器头部101的耐高温绝缘材料选自可加工微晶玻璃陶瓷、氧化铝陶瓷或其他绝缘材料。

本发明通过在传统两电极等离子体合成射流激励器中集成介质阻挡放电模块，利用介质阻挡放电产生预电离，为空间提供大量的初始种子电子，降低击穿电压，增加放电间距，从而提升能量利用率。

相对于现有技术，本发明的一种预电离式高效等离子体合成射流激励器的有益效果为：通过集成介质阻挡放电模块，利用介质阻挡放电产生预电离，为空间提供大量的初始种子电子，降低击穿电压，增加放电间距，从而提升能量利用率，能够解决目前等离子体合成射流激励器使用过程中遇到的击穿电压高、放电间距小、效率低的问题。

附图说明

图1为本发明预电离式高效等离子体合成射流激励器的结构示意图；

图2为激励器底部示意图，其中图2(a)激励器为底部视图，图2(b)为沿对称面的剖面图。

附图标记：

101——激励器头部分压电容，

102——激励器底部

103——激励器

201——激励器腔体

202——阳极

203——介质阻挡绝缘层

204——阴极

205——激励器壳体

具体实施方式

现结合附图1～2对本发明作进一步描述。

本发明激励器103由带射流出口的激励器头部101和激励器底部102两部分通过胶粘连接而成，胶粘过程中必须保证密封，整体结构如图1所示。

激励器底部102整体呈中空长方体状形状，这个中空长方体只有其中一个面是开放的，其他五个面封闭。激励器底部102包括：激励器腔体201、放电电极(阳极202与阴极204)、介质阻挡绝缘层203，激励器壳体205。图2(a)示出激励器底部102的立体示意图，其前方是唯一的一个开放面，除了该开放面之外，还存在上、下、左、右表面和底面，共计五个封闭面。图2(b)为激励器底部102沿开放面的横向对称轴(针对图2(a)所示开放面而言的横向对称轴)、沿垂直于开放面的平面剖开的剖视图。下面结合图2(b)剖视图，描述激励器结构。激励器壳体205(指长方体外壳)是由耐高温绝缘材料加工的整体结构，一面开放，其他五面封闭，其中开放面正对着的底面并非一整块，如后详述。壳体205内部形成长方体形腔体201，如图2(b)所示，腔体201仅存在于激励器壳体205内部的上半部分，腔体201的出口处对应开放面，激励器壳体205的下半部分是填实的。阳极202为长条薄片，由金属材料加工而成，其平行于开放面的横截面例如为矩形，阳极202紧贴布置于腔体201的左侧面并在激励器壳体205的高度方向上延伸，阳极202的高度等于激励器壳体205的高度，因此，阳极202的上、下两个端面与激励器壳体205的上、下两个端面分别齐平；如图2(a)所示，阳极202的长度C1等于腔体201左、右两个侧面的内部宽度。阴极204为

形状，由两片相互垂直的长条薄片固定连接而成，其中第一片布置于腔体201与阳极202相对的右侧面，第二片从第一片大致中央的位置、垂直于第一片而向腔体201内部伸出，延伸到与阳极202保持一定间隔处；其中第一片的形状和位置与阳极202基本对应，也就是说，第一片的上、下两个端面与激励器壳体205的上、下两个端面分别齐平。介质阻挡绝缘层203位于腔体201内部，分为两部分，第一部分截面形状为拐形/>

由两片相互垂直的长条薄片固定连接而成，其中第壹片布置于阴极204第二片的侧面，如图2(b)所示，在第二片的上面且紧贴第二片，左端紧贴阴极204，右端紧贴阳极202并向第二片与阳极202之间的间隔延伸，该延伸自然形成第贰片，第贰片正好填充满该间隔，第贰片的延伸结束端面与第二片背对第壹片的端面齐平，且保证完全绝缘密封；第二部分在激励器腔体201内，完全填充了阴极204第二片之下、激励器壳体205的内部空间，第二部分的下表面与阳极202、阴极204第一片、激励器壳体205的下端面保持齐平(第二部分与第贰片的延伸结束端面紧密连接)。介质阻挡绝缘层203位于阳极202和阴极204之间，用以保证阴极204和阳极202相互绝缘。阳极202与阴极204能够从激励器壳体205穿过，进行进一步的电连接。

在实际操作中，整个激励器底部102是在一个介质阻挡绝缘矩形块上挖槽加工出来的，也就是，在该矩形块中挖出腔体201和阴极204、阳极202所需的槽。

激励器头部101整体为开槽的矩形薄板，该矩形薄板的外围尺寸和激励器底部102开放面的外围尺寸相同，保证激励器头部101与激励器底部102边沿对齐，激励器头部101中央开有通孔，通孔截面是四个角倒圆角的矩形，通孔作为射流孔，整体由耐高温绝缘材料加工而成。

激励器壳体205和激励器头部101的绝缘材料选自可加工微晶玻璃陶瓷、氧化铝陶瓷或其他绝缘材料，优选耐高温的陶瓷绝缘材料。激励器腔体201长方体形槽的长、宽、深范围分别为4mm～10mm、1～5mm、1～5mm(长度为图2(b)中腔体201在开放面的长边的长度，宽度为图2(b)中腔体201在开放面的短边的长度，深度为腔体201自开放面向内深入的长度)，优选7mm、3mm、3mm，壳体205壁厚1mm～5mm，优选2mm。放电电极材料选用青铜、不锈钢、镍基高温合金、铂或钨。阳极202横截面形状为矩形，长C1宽a1范围分别为1～5mm、0.5～2mm，优选3mm、1mmm。阴极204横截面为

形，竖直部分“|”尺寸同阳极202，水平部分“-”的厚度b2范围为0.5～2mm，优选1mm，长度需保证与阳极留有一定间隙a2，间隙尺寸为0.2～1mm，优选0.5mm。介质阻挡绝缘层203第一部分第壹片的长度由阴极与阳极间距决定，宽度(介质阻挡绝缘层203第一部分第壹片的宽度与阳极202的长度相等，均为C1与激励器腔体201宽度保持一致，厚度b1为0.2～2mm，优选0.5mm，需保证将/>

形阴极204和阳极202完全绝缘，其通过例如高温胶与腔体固定。激励器头部101开槽深度为0.5mm～5mm，优选1mm，该开孔深度即为激励器头部101的方形板厚度，方形槽的宽度为0.5mm～2mm，优选1mm，长度为4～8mm，优选5mm。槽两边的圆弧与直边平滑相切过渡。

当阴极204和阳极202输入脉冲高压时，由于阴极204与阳极202最近处被介质阻挡绝缘层203隔开，在脉冲高压作用下，介质阻挡绝缘层203裸露于空气一侧表面会产生介质阻挡放电，给空气形成预电离。此时阴、阳极间空气中存在大量的种子电子，会加速空气击穿，从而降低大间距情况下的击穿电压，形成长间距放电，提升放电效率。

具体实施例

激励器壳体205和激励器头部101由耐高温的陶瓷绝缘品加工而成；激励器腔体201方形槽的长宽高直径范围分别为7mm、3mm、3mm，壁厚2mm；放电电极材料选用不锈钢，阳极202形状为方形，长宽范围分别为3mm、1mmm；阴极204为

形，竖直部分“|”尺寸同阳极202，横着部分“-”厚度为1mm，长度则保证与阳极留有0.5mm间隙。阴极阳极都贴合腔体201壁面安装。介质阻挡绝缘层203长度为5mm，宽度为3mm，厚度为0.5mm，由陶瓷加工而成，通过高温胶与腔体固定。激励器头部101开槽深度为1mm，方形槽的宽度为1mm，长度为5mm。槽两边的圆弧与直边平滑相切过渡，外部尺寸和激励器底部102一致，两者紧密贴合胶粘。/>

Claims (10)

1.一种预电离式高效等离子体合成射流激励器(103)，由带射流出口的激励器头部(101)和激励器底部(102)两部分连接而成，所述两部分的连接部位保证密封，其特征在于：

激励器底部(102)整体呈中空长方体状形状，具有一个开放面和五个封闭面；激励器底部(102)包括：激励器腔体(201)、放电电极、介质阻挡绝缘层(203)，激励器壳体(205)；其中放电电极包括阳极(202)和阴极(204)；激励器壳体(205)是激励器底部(102)的长方体外壳，开放面正对面的底面并非一整块；激励器壳体(205)内部形成长方体形腔体(201)，腔体(201)仅存在于激励器壳体(205)内部的上半部分，腔体(201)的出口处对应开放面，激励器壳体(205)的下半部分是填实的；阳极(202)为长条薄片，其紧贴布置于腔体(201)的左侧面并在激励器壳体(205)的高度方向上延伸，阳极(202)的高度等于激励器壳体(205)的高度，因此，阳极(202)的上、下两个端面与激励器壳体(205)的上、下两个端面分别齐平；阳极(202)的长度等于腔体(201)左、右两个侧面的内部宽度；阴极(204)为

形状，由两片相互垂直的长条薄片固定连接而成，其中第一片布置于腔体(201)与阳极(202)相对的右侧面，第二片从第一片大致中央的位置、垂直于第一片而向腔体(201)内部伸出，延伸到与阳极(202)保持一定间隔处；其中第一片的形状和位置与阳极(202)基本对应，也就是说，第一片的上、下两个端面与激励器壳体(205)的上、下两个端面分别齐平；介质阻挡绝缘层(203)位于腔体(201)内部，分为两部分，第一部分截面形状为拐形/>

由两片相互垂直的长条薄片固定连接而成，其中第壹片布置于阴极(204)第二片的侧面，位于第二片的上面且紧贴第二片，第壹片的左端紧贴阴极(204)，右端紧贴阳极(202)并向第二片与阳极(202)之间的间隔延伸，该延伸自然形成第贰片，第贰片正好填充满所述间隔，第贰片的延伸结束端面与第二片背对第壹片的端面齐平；第二部分在激励器腔体(201)内，完全填充了阴极(204)第二片之下、激励器壳体(205)的内部空间，第二部分的下表面与阳极(202)、阴极(204)第一片、激励器壳体(205)的下端面保持齐平，第二部分与第贰片的延伸结束端面紧密连接；阳极(202)与阴极(204)能够从激励器壳体(205)穿过，进行进一步的电连接；

激励器头部(101)整体为开槽的矩形薄板，该矩形薄板的外围尺寸和激励器底部(102)开放面的外围尺寸相同，保证激励器头部(101)与激励器底部(102)边沿对齐，激励器头部(101)中央开有通孔作为射流孔。

2.如权利要求1所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于，激励器腔体(201)长方体形槽的长、宽、深范围分别为4mm～10mm、1～5mm、1～5mm，激励器壳体(205)的壁厚1mm～5mm。

3.如权利要求2所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于，激励器腔体(201)长方体形槽的长、宽、深分别为7mm、3mm、3mm，激励器壳体(205)的壁厚2mm。

4.如权利要求1所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于，阳极(202)、阴极(204)平行于开放面的横截面为矩形；阳极(202)平行于开放面的横截面的长宽(a1)范围分别为1～5mm、0.5～2mm；阴极(204)的竖直部分“|”尺寸同阳极(202)，水平部分“-”的厚度(b2)范围为0.5～2mm，长度需保证与阳极留有间隙(a2)，间隙尺寸为0.2～1mm。

5.如权利要求4所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于，阳极(202)平行于开放面的横截面的长宽(a1)分别为3mm、1mmm；阴极(204)的水平部分“-”的厚度(b2)为1mm，间隙尺寸为0.5mm。

6.如权利要求1所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于，介质阻挡绝缘层(203)第一部分第壹片的长度由阴极与阳极间距决定，宽度与激励器腔体(201)宽度保持一致，厚度(b1)为0.2～2mm。

7.如权利要求6所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于，介质阻挡绝缘层(203)第一部分第壹片的厚度(b1)为0.5mm。

8.如权利要求1所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于，激励器头部(101)的通孔截面是四个角倒圆角的矩形；激励器头部(101)开槽深度为0.5mm～5mm，该开槽深度即为激励器头部(101)的方形板厚度，方形槽的宽度为0.5mm～2mm，长度为4～8mm。

9.如权利要求1所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于，激励器头部(101)开槽深度为1mm，方形槽的宽度为1mm，长度为5mm。

10.如权利要求1所述的等离子体合成射流激励器，其特征在于，激励器壳体(205)、激励器头部(101)的耐高温绝缘材料选自可加工微晶玻璃陶瓷、氧化铝陶瓷。

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