CN113068294B - 用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统及放电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的新型微秒振荡式等离子体激励系统由调压器、函数发生器、双通道等离子体微秒脉冲电源、等离子体激励器模块组成，函数发生器输出信号两个相位差为1/2T的驱动信号，两个驱动信号驱动双通道等离子体微秒脉冲电源实现振荡式输出。微秒振荡式等离子体激励系统可以诱导产生诱导涡、切向流和交替触发的冲击波，流动控制原理主要是“冲击效应”，可以针对性控制湍流边界层中固有的交替分布的条纹结构和流向涡等相干结构，实现更高效的控制；且微秒脉冲脉宽短，其在流动控制过程中的能耗更低。
Description
技术领域
本发明属于流体力学实验中的等离子体流动控制技术领域，特别涉及用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统及放电方法。
背景技术
能源的节约和高效利用是人类一直追求的目标之一，其有效途径就是减少各类运输工具的能源消耗。在航空领域中，能源消耗主要用来克服飞机在飞行过程中所受的阻力，而摩擦阻力占飞机总阻力的很大一部分，对于超声速飞机，湍流摩擦阻力占总阻力的25％-40％，对于亚声速飞机，约40-50％的阻力来源于湍流摩擦阻力，因此，发展湍流边界层减阻技术具有重要的实际应用价值。
现有正弦交流介质阻挡放电(AC-DBD)等离子体减阻控制激励系统实现的是多组激励器的同步放电，激励的流场结构有限，一般为诱导涡和切向流，其流动控制原理主要是“动力效应”，对高速流动控制效果有限。而微秒脉冲介质阻挡放电(MS-DBD)等离子体激励可以诱导产生诱导涡、切向流和冲击波，流动控制原理主要是“冲击效应”，可以实现较高来流速度下的控制。同时，湍流边界层中存在交替分布的条纹结构和流向涡等相干结构，因此使用针对于湍流边界层相干结构的控制方式可以实现更高效的控制，使用交替触发的振荡式微秒等离子体激励可以实现更好的控制效果，且由于微秒脉冲脉宽短，其在流动控制过程中的能耗更低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有同步放电等离子体激励系统在湍流减阻控制中激励流场结构有限，能耗高，不利于实现净减阻，且控制速度较低，不利于在实际航空环境中进行应用的问题。本发明提出一种应用于湍流减阻的微秒振荡等离子体放电系统及放电方法，可以在流场中激励诱导涡、切向流和冲击波，可以实现较高来流速度下的湍流减阻控制，且能耗低。
本发明的技术方案是：用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统，其特征在于，包括调压器、函数发生器、等离子体微秒脉冲电源和等离子体激励器模块；
所述等离子体微秒脉冲电源包括两路高压输出通道和低压输出通道；
所述调压器与等离子体微秒脉冲电源连接，用于供电并调整电压大小；
所述等离子体激励器模块包括A组上电极、B组上电极、介电层、下电极和模型平板；所述下电极位于介电层和模型平板之间，且A组上电极和B组上电极通过介电层隔开；A组上电极和B组上电极分别连接等离子体微秒脉冲电源的两路高压输出通道；下电极一端连接等离子体微秒脉冲电源的低压输出通道，另一端接地。
本发明进一步的技术方案是：所述模型平板上布置8个上电极，构成阵列式等离子体激励器。
本发明进一步的技术方案是：所述介电层为聚酰亚胺薄膜胶带压制而成。
本发明进一步的技术方案是：所述A组上电极和B组上电极均与外界接触，下电极隔绝空气。
本发明进一步的技术方案是：所述微秒脉冲电源在A组上电极和B组上电极与下电极(504)之间施加微秒级脉冲电压，使等离子体激励器模块放电。
本发明进一步的技术方案是：所述等离子体激励器模块使用的电极材料为铜箔胶带。
本发明进一步的技术方案是：所述模型平板上开有凹槽，当A组上电极、B组上电极、介电层和下电极连接好后，装入凹槽中。
本发明进一步的技术方案是：所述模型平板采用有机玻璃制成。
本发明进一步的技术方案是：用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统的放电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：调压器输出端连接双通道等离子体微秒脉冲电源调压输入端，控制电源的输出脉冲电压；
步骤2：设置函数发生器输出驱动信号参数：信号选择为脉冲波，设置CH1和CH2输出信号均为高电平5V,低电平0V，脉宽10μs,频率可根据实验需求设置，一般为100Hz～1kHz，设置CH1和CH2输出信号频率一致，设置两个输出信号相位差为1/2T，开启函数发生器信号输出按钮；
步骤3：函数发生器两个信号输出端通过信号线连接双通道等离子体微秒脉冲电源的两个驱动信号输入端，驱动信号控制双通道等离子体微秒脉冲电源内的驱动模块，驱动模块控制电源实现高压微秒脉冲输出，高压微秒脉冲输出A通道和B通道的相位差为1/2T，同时调节调压器旋钮调整其输出脉冲电压的峰峰值；
步骤4：双通道等离子体微秒脉冲电源的两个高压输出端A和B，分别连接等离子体激励器模块的A组上电极和B组上电极，低压输出端连接等离子体激励器模块的下电极，下电极连同双通道等离子体微秒脉冲电源低压端一起接地，最后，等离子体激励器模块的相邻两个上电极产生1/2T的交替式放电，即实现等离子体激励器模块的振荡式放电。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明提出的新型微秒振荡式等离子体激励系统由调压器、函数发生器、双通道等离子体微秒脉冲电源、等离子体激励器模块组成，函数发生器输出信号两个相位差为1/2T的驱动信号，两个驱动信号驱动双通道等离子体微秒脉冲电源实现振荡式输出。
微秒振荡式等离子体激励系统可以诱导产生诱导涡、切向流和交替触发的冲击波，流动控制原理主要是“冲击效应”，可以针对性控制湍流边界层中固有的交替分布的条纹结构和流向涡等相干结构，实现更高效的控制；且微秒脉冲脉宽短，其在流动控制过程中的能耗更低。
附图说明
图1是本发明一种微秒等离子体振荡式放电系统的实物连接示意图。
图2是本发明等离子体激励器模块的截面图。
图3是本发明等离子体激励器模块的三维示意图。
图4是本发明等离子体微秒脉冲电源施加在等离子体激励器模块上的电压信号图。从图中可以看出，电源A通道和B通道输出为1/2T相位差输出，实现等离子体激励器的振荡式放电。
附图标记说明：1—调压器；2—函数发生器；3—等离子体微秒脉冲电源；4—等离子体激励器模块；401—A组上电极；402—B组上电极；403—介电层；404—下电极；405—模型平板。
具体实施方式
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。
参见图1-图4，本发明的技术方案为：所述一种微秒振荡式等离子体放电系统的特征在于：包括调压器、函数发生器、等离子体微秒脉冲电源、等离子体激励器模块。
作为本发明的进一步改进，所述调压器连接为所述等离子体微秒脉冲电源供电，所述函数发生器为所述等离子体微秒脉冲电源输入两路驱动信号。
作为本发明的进一步改进，所述等离子体激励器模块包括两组上电极、介电层、下电极和模型平板，所述等离子体激励器模块的上电极与下电极用介电层分隔开，其中，等离子体激励器的下电极位于介电层与模型平板之间，通过在上电极和下电极之间施加微秒级脉冲电压，等离子体激励器会产生放电，等离子体激励器上下电极之间空气在高压电场作用下发生电离，形成带电粒子，带电粒子在电场力的作用下与周围空气相互作用形成壁面射流，同时会产生以上电极与下电极交界点为圆心的半圆形冲击波。
作为本发明的进一步改进，在模型平板上布置多个激励器就构成阵列式等离子体激励器。
作为本发明的进一步改进，阵列式等离子体激励器的上电极间距为s，上电极宽度为d，下电极尺寸为l×l，电极厚度为h1，介电层厚度为h2。
作为本发明的进一步改进，所述阵列式等离子体激励器上的两组上电极分别连接微秒脉冲电源的两个高压输出通道，下电极接微秒脉冲电源的低压输出通道。
作为本发明的进一步改进，所述微秒脉冲电源的两个高压输出端电压较大，难以使用普通电压表测量，需要使用两个高压探头分别连接所述微秒脉冲电源的两个高压输出端，使用电流探针连接所述微秒脉冲电源的低压输出端获取电源输出电流，最后使用示波器对所述微秒脉冲电源输出电流和电压进行采集和存储。
本发明还提供了一种微秒等离子体振荡式放电方法，使用所述微秒振荡等离子体激励系统实现等离子体振荡式激励的具体过程是：
步骤1：调压器输出端连接双通道等离子体微秒脉冲电源调压输入端，控制电源的输出脉冲电压。
步骤2：设置函数发生器输出驱动信号参数：信号选择为脉冲波，设置CH1和CH2输出信号均为高电平5V,低电平0V，脉宽10μs,频率可根据实验需求设置，一般为100Hz～1kHz，设置CH1和CH2输出信号频率一致，设置两个输出信号相位差为1/2T，开启函数发生器信号输出按钮。
步骤3：函数发生器两个信号输出端通过信号线连接双通道等离子体微秒脉冲电源的两个驱动信号输入端，驱动信号控制双通道等离子体微秒脉冲电源内的驱动模块，驱动模块控制电源实现高压微秒脉冲输出，高压微秒脉冲输出A通道和B通道的相位差为1/2T，同时调节调压器旋钮调整其输出脉冲电压的峰峰值。
步骤4：双通道等离子体微秒脉冲电源的两个高压输出端A和B，分别连接等离子体激励器模块的A组上电极和B组上电极，低压输出端连接等离子体激励器模块的下电极，下电极连同双通道等离子体微秒脉冲电源低压端一起接地，最后，等离子体激励器模块的相邻两个上电极产生1/2T的交替式放电，即实现等离子体激励器模块的振荡式放电。
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，所述一种微秒振荡式等离子体放电系统的特征在于：包括调压器1、函数发生器2、等离子体微秒脉冲电源4、等离子体激励器模块5。
如图1所示，所述调压器1连接为所述等离子体微秒脉冲电源3供电，所述函数发生器2为所述等离子体微秒脉冲电源3输入两路驱动信号，所述等离子体微秒脉冲电源3的两个高压输出通道A和B连接所述等离子体激励器模块4。
如图2所示，所述等离子体激励器模块4包括A组上电极401和B组上电极402、介电层403、下电极404和模型平板405，所述A组上电极401和B组上电极402与下电极用介电层403分隔开，其中，等离子体激励器的下电极404位于介电层403与模型平板405之间，通过在上电极和下电极之间施加微秒级脉冲电压，等离子体激励器会产生放电，等离子体激励器上下电极之间空气在高压电场作用下发生电离，形成带电粒子，带电粒子在电场力的作用下与周围空气相互作用形成壁面射流，同时会产生以上电极与下电极交界点为圆心的半圆形冲击波。
如图2所示，所述等离子体激励器模块4使用的电极材料为铜箔胶带，胶带厚度约为0.04mm。
如图2所示，所述A组上电极401和B组上电极402间距均为20mm，宽度均为2mm，所述下电极404尺寸为80mm×80mm。
如图2所示，所述介电层403材料为3层聚酰亚胺薄膜胶带压制而成，厚度约为0.3mm。
所述A组上电极401和B组上电极402均直接与外界空气接触，所述下电极404隔绝空气。
所述等离子体激励器模块4中的下电极404接地，保证等离子体激励系统的正常运行。
所述等离子体微秒脉冲电源3在所述A组上电极401和B组上电极402与下电极404之间施加微秒级脉冲电压，使激励器产生微秒放电。
本发明还提供了一种微秒等离子体振荡式放电方法，所述函数发生器2输出两路相位差为1/2T(T为当前脉冲频率下的脉冲周期)的脉冲信号。
所述函数发生器2输出信号对所述等离子体微秒脉冲电源3的两个高压输出通道信号进行调控，使得所述等离子体微秒脉冲电源3两个高压通道输出信号相位差保持为1/2T。
所述调压器1输入为市电，输出连接所述等离子体微秒脉冲电源3，所述调压器1控制所述等离子体微秒脉冲电源3两个高压输出通道的输出脉冲电压。
所述等离子体激励器模块4上布置的A组上电极401和B组上电极402交替布置，分别连接所述等离子体微秒脉冲电源3的两个输出通道。需要说明的是，本实施例中，A组上电极和B组上电极分别为4个，同时需要4个同类型电极分别接入一个通道，因此在A组上电极和B组上电极分别通过铜箔胶带进行连接，连接后分别接入电源的两路高压通道。
为了更加清晰的展示所述等离子体激励器模块4中电极布局，图3所示为所述等离子体激励器模块4的三维布局示意图。
给所述等离子体激励器模块4施加峰峰值脉冲电压Vp-p为7kV，脉冲频率f为1kHz，脉冲周期T为1ms，其电压波形图如图4所示，两通道输出分别为通道A和通道B，分别连接所述等离子体激励器模块4中的A组上电极401和B组上电极402，因此所述等离子体激励模块4中的相邻两个上电极产生交替放电，也即振荡式放电，振荡频率为所述函数发生器2设置的信号脉冲频率。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。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，还可以对上述实施例进行变化、修改和变型。
Claims (6)
1.用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统，其特征在于，包括调压器(1)、函数发生器(2)、等离子体微秒脉冲电源(3)和等离子体激励器模块(4)；
所述等离子体微秒脉冲电源(3)包括两路高压输出通道和一路低压输出通道；
所述调压器(1)与等离子体微秒脉冲电源(3)连接，用于供电并调整电压大小；
所述等离子体激励器模块(4)包括A组上电极(401)、B组上电极(402)、介电层(403)、下电极(404)和模型平板(405)；所述下电极(404)位于介电层(403)和模型平板(405)之间，且A组上电极(401)和B组上电极(402)通过介电层(403)隔开；A组上电极(401)和B组上电极(402)分别连接等离子体微秒脉冲电源(3)的两路高压输出通道；下电极(404)一端连接等离子体微秒脉冲电源(3)的低压输出通道，另一端接地；
所述模型平板(405)上布置8个上电极，构成阵列式等离子体激励器；
所述微秒脉冲电源(4)在A组上电极(401)和B组上电极(402)与下电极(404)之间施加微秒级脉冲电压，使等离子体激励器模块(4)放电；
所述模型平板(405)上开有凹槽，当A组上电极(401)、B组上电极(402)、介电层(403)和下电极(404)连接好后，装入凹槽中。
2.如权利要求1所述的用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统，其特征在于，所述介电层(403)为聚酰亚胺薄膜胶带压制而成。
3.如权利要求1所述的用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统，其特征在于，所述A组上电极(401)和B组上电极(402)均与外界接触，下电极(404)隔绝空气。
4.如权利要求1所述的用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统，其特征在于，所述等离子体激励器模块(4)使用的电极材料为铜箔胶带。
5.如权利要求1所述的用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统，其特征在于，所述模型平板(405)采用有机玻璃制成。
6.基于权利要求1所述用于湍流减阻控制的微秒振荡等离子体放电系统的放电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：调压器输出端连接双通道等离子体微秒脉冲电源调压输入端，控制电源的输出脉冲电压；
步骤2：设置函数发生器输出驱动信号参数：信号选择为脉冲波，设置CH1和CH2输出信号均为高电平5V,低电平0V，脉宽10μs,频率可根据实验需求设置，为100Hz～1kHz，设置CH1和CH2输出信号频率一致，设置两个输出信号相位差为1/2T，开启函数发生器信号输出按钮；
步骤3：函数发生器两个信号输出端通过信号线连接双通道等离子体微秒脉冲电源的两个驱动信号输入端，驱动信号控制双通道等离子体微秒脉冲电源内的驱动模块，驱动模块控制电源实现高压微秒脉冲输出，高压微秒脉冲输出A通道和B通道的相位差为1/2T，同时调节调压器旋钮调整其输出脉冲电压的峰峰值；
步骤4：双通道等离子体微秒脉冲电源的两个高压输出端A和B，分别连接等离子体激励器模块的A组上电极和B组上电极，低压输出端连接等离子体激励器模块的下电极，下电极连同双通道等离子体微秒脉冲电源低压端一起接地，最后，等离子体激励器模块的相邻两个上电极产生1/2T的交替式放电，即实现等离子体激励器模块的振荡式放电。
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