CN113286410A - 集匹配电路一体的长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器 - Google Patents

Abstract

集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，包括非金属外壳、金属底盖、正极接线柱、负极接线柱、放电电极和电阻器；非金属外壳内部为激励器腔体；在非金属外壳的顶部开有长狭缝孔；多组V型放电电极通过非金属外壳的底部插入激励器腔体内部；除最后一个外，每一个V型放电电极的底部连接电阻器；电阻器的另一端固定在金属底盖上；最后一个V型电极的底部与金属外壳相连；正、负极接线柱分别固定在非金属外壳和金属底盖上的侧面上；激励器腔体类似于一个漏斗状；从腔体中部到射流孔的收缩是连续的、光滑的，没有任何的拐角。本发明的激励器将匹配电路集成在了内部，具有高度集成、结构简单、控制流场范围大等优点。

Description

集匹配电路一体的长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器

技术领域

本发明涉及主动流动控制领域，尤其是一种集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器。

背景技术

在主动流动控制领域，等离子体合成射流激励器是一种新型的零净质量流量激励器。它最早于2003年由约翰霍普金斯大学应用物理实验室提出。与介质阻挡放电激励器和压电式合成射流激励器相比，等离子体合成射流激励器具有射流速度快(＞500m/s)、激励频率高(＞10kHz)的显著优势，在后缘襟翼的流动分离控制、进气道内部的激波/附面层相互干扰控制、射流噪音控制等方面有着广阔的应用前景。其基本工作原理是，利用脉冲电弧对一个半封闭腔体进行快速加热增压，然后诱导射流从小孔喷出。目前所设计的激励器腔体一般为圆柱形，体积在O(100mm³)量级，射流孔径为1-3mm。因此，单个激励器所能影响到的流场范围非常有限。为了实现飞机襟翼、进气道等大尺寸流动的有效控制，一般需要将几十个甚至上百个激励器并排安装，构成一个阵列。由于每个激励器均需要一个独立的腔体、若干个电极、一个供电电源和一个射流孔，阵列型等离子体合成射流激励器的几何结构极其复杂、外部匹配电路连接繁琐。为了实现高频工作，还需要专门的供电电源设计(邵涛，王磊，章程，严萍，罗振兵，王林。“多个等离子体合成射流激励器同步放电的高压脉冲电源”，申请号：201510578087.5，2015；邵涛，王磊，章程，严萍，罗振兵，王林。“多个等离子体合成射流激励器同步放电的高压脉冲电源”，申请号：201510058090.4，2015)。这导致整个放电装置的质量和成本增加，而且多个激励器与外部供电电源之间的复杂接线还容易引起安全问题，可靠性和稳定性较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，包括非金属外壳、金属底盖、正极接线柱、负极接线柱、放电电极和电阻器；其中

非金属外壳为狭长的长方体形外壳，内部有一个狭长的空腔，也就是激励器腔体；在非金属外壳的顶部靠近长边的位置，开有一个沿长边方向延伸的长狭缝孔，作为气体进出激励器腔体的通道；为实现激励器腔体内部的有效加热，将多组V型放电电极通过非金属外壳底部预先开好的电极安装孔插入激励器腔体内部；多组V型放电电极竖直成排放置，形成断续的波浪形状，V型电极顶部位于激励器腔体内，底部裸露在非金属外壳底面以下，相邻V型电极顶部之间保持一定距离；除最右侧V型放电电极之外，在每个V型放电电极的底部连接一个电阻器；电阻器的一端与V型放电电极底部焊接在一起，另一端焊接在金属底盖上；非金属外壳的下部并不开放，仅有若干个供V型电极插入激励器腔体内部的小孔；

金属底盖的外部形状和内部腔体形状均为长方体，金属底盖顶部开放；金属底盖位于非金属外壳的下部，与非金属外壳之间实现密封连接，起到封装V型放电电极和电阻器、并提供公共接地端的作用；

在非金属外壳和金属底盖的侧面开有电极安装孔；正极接线柱和负极接线柱分别固定在非金属外壳和金属底盖侧面上的电极安装孔中；当正极接线柱固定在非金属外壳的左侧面时，正极接线柱与紧邻的左边第一个V型电极的左侧尖端之间所保持的距离与相邻V型电极顶部之间所保持的距离大致相等；负极接线柱通过连接金属底盖，达到接地的目的；

从激励器腔体的横截面看，激励器腔体类似于一个倾斜的漏斗状，自右下向左上延伸且逐渐收缩，右下方为“斗”，左上方为长狭缝孔；漏斗状激励器腔体从腔体中部到射流孔的收缩是连续的、光滑的，没有任何的拐角；此外，射流出口的角度是倾斜的，射流出口与非金属外壳的上表面所呈的夹角很小。

在本发明的一个实施例中，非金属外壳的长狭缝孔与最近的长边保持3-5mm距离。

在本发明的另一个实施例中，长狭缝孔是若干个短狭缝孔组成的阵列。

在本发明的又一个实施例中，相邻两个V型放电电极的组间距范围为5-30mm；每个V型电极的尖端与相邻电极的尖端之间构成距离为2-3mm的放电间隙。

在本发明的一个具体实施例中，V型电极顶部位于激励器腔体的大约中央轴线位置，V型电极的电极材料为耐高温的金属且具有一定的弹性；相邻两个V型放电电极的组间距范围为10mm。

在本发明的另一个具体实施例中，电阻器阻值为1MΩ。

在本发明的又一个具体实施例中，电极安装孔大致位于各自侧面的中心位置。

上述集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，其具体电路连接方法为：自左至右，激励器阳极，也就是正极接线柱，和第一个V型电极的左端点构成第一气体间隙G1，第一个V型电极的右端与第二个V型电极的左端构成第二气体间隙G2，以此类推...，直至第N个V型电极的右端与第N+1个V型电极的左端之间构成第N+1个气体间隙Gn+1；其中，N+1为V型电极的总数；第i个V型电极的底端与第i个电阻器的上端相连，i＝1，2，3，...N；电阻器的总数为N，比V型电极的总数少一个；每个电阻器的下端均与金属底盖，也就是与激励器的阴极相连；因为金属底盖接地，所以每个电阻器的下端均接地；第N+1个V型电极的底端通过连接导线与金属底盖相连后接地；所有电阻器和气体间隙构成串并联回路，电流从阳极注入、从阴极流出。

上述集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器的工作过程，具体包括下列步骤：

步骤1：在激励器阳极和激励器阴极之间连接一个高压脉冲电源，施加10-20kV的高压脉冲；该高压脉冲首先作用在第一气体间隙G1和第一电阻器R1上，由于气体间隙的电阻值为无穷大，所以电压全部由第一气体间隙G1承担；在高压脉冲作用下，第一气体间隙G1被击穿，形成放电电弧通道；

步骤2：当电弧形成以后，第一气体间隙G1的等效阻值急剧减小至几十欧姆，远远小于第一电阻器R1的阻值；故第一电阻器R1两端的电压分压要远大于第一气体间隙G1两端的电压，此时，第一气体间隙G1两端的电压甚至可以忽略不计；由此，该高压脉冲将施加在第二气体间隙G2和第二电阻器R2上；

步骤3：依照同样的分析，第二气体间隙G2被击穿；该高压脉冲继续传递给第三气体间隙G3和第三电阻器R3…；只要高压脉冲的初始能量足够大、能够克服击穿延迟中的电阻所引起的能量损耗，那么这一击穿过程将会持续下去，直到第N+1气体间隙GN+1被击穿；

步骤4：当全部N+1个气体间隙都被击穿后，从激励器阳极到激励器阴极的电弧通道全部打通，脉冲能量被全部用来加热激励器腔体内的空气，诱导射流从长狭缝孔喷出。

本发明通过在细长腔体内布置数十个电弧加热通道，将单个等离子体合成射流激励器的流场影响范围从10mm量级提升到了100mm量级，同时具有放电加热效率高、射流出口损失小、高度集成等优点。

传统的等离子体合成射流激励器流场影响范围在10mm量级，本发明的激励器，其流场影响范围达到了100mm量级。与传统的解决方案，即等离子体合成射流激励器阵列相比，本发明提出的激励器具有几何结构简单(单腔体)、匹配电路一体化、射流出口损失小、放电加热效率高等优点。

与具有同等影响范围的阵列型等离子体合成射流激励器相比，本发明提出的激励器将匹配电路集成在了内部，具有高度集成、结构简单、系统稳定可靠等优点。

本发明中的激励器采用了漏斗形腔体设计，射流喷出过程中的总压损失小。

本发明中的激励器采用了多个电弧通道对单个腔体进行快速均匀加热，能量转换效率更高。

附图说明

图1示出激励器结构示意图，其中图1(a)示出立体视图，图1(b)示出俯视图，图1(c)示出A-A截面剖视图；

图2示出激励器部件爆炸图；

图3示出激励器腔体的横截面视图(即图2中的B-B截面剖视图)；

图4示出放电电极与电阻器所构成的等效匹配电路。

具体实施方式

图1为所发明的激励器结构示意图。自上至下，分别为立体视图、俯视图和A-A截面剖视图。该激励器主要由非金属外壳、金属底盖、正极接线柱、负极接线柱、放电电极和电阻器(在本发明的一个具体实施例中，阻值为1MΩ)构成。

非金属外壳为狭长的长方体形外壳，内部有一个狭长的空腔，即激励器腔体。在非金属外壳的顶部靠近长边的位置，开有一个沿长边方向延伸的长狭缝孔，作为气体进出激励器腔体的通道，长狭缝孔与最近的长边保持3-5mm距离，以保证边缘处的结构强度。为实现激励器腔体内部的有效加热，将多组V型放电电极(横截面直径：1mm)通过非金属外壳底部预先开好的电极安装孔(在本发明的一个实施例中，直径为1.2mm，详情见图3)插入激励器腔体内部。在本发明的一个具体实施例中，V型放电电极材料具有一定的弹性，能够先收拢从电极安装孔自下而上塞进去，之后自然恢复“V”型形状。多组V型放电电极竖直成排放置，形成断续的波浪形状，V型电极顶部位于激励器腔体的大约中央轴线位置，底部裸露在非金属外壳底面以下。V型电极的电极材料可以为钨丝、铜丝，或者其他耐高温的金属。在本发明的一个具体实施例中，相邻两个V型放电电极的组间距范围为5-30mm，优选10mm。每个V型电极的尖端与相邻电极的尖端之间构成距离为2-3mm的放电间隙。在每个V型放电电极(除最右侧的一个)的底部，都连接一个电阻器。电阻器的一端与V型放电电极底部焊接在一起，另一端焊接在金属底盖上。

图2为激励器各部件的爆炸图。从该爆炸图可以看出，金属底盖和非金属外壳是通过四个螺纹孔连接在一起。非金属外壳的下部并不开放，仅有若干个供V型电极插入激励器腔体内部的小孔。

金属底盖的外部形状和内部腔体形状均为长方体，金属底盖顶部开放(也就是，金属底盖缺上表面)，四个侧壁和底壁的厚度为1-2mm，金属底盖材料可以为导电的铜、铝等材料。金属底盖位于非金属外壳的下部，通过4个螺纹孔与非金属外壳之间实现密封连接，起到封装V型放电电极和电阻器、并提供公共接地端的作用。金属底盖与非金属外壳在水平面上的投影完全重合。

金属底盖的作用有两个：一是将裸露在外的电阻器和V型电极封装起来，二是提供一个公共的接地端。在非金属外壳和金属底盖的侧面(左侧面或右侧面)开有螺纹孔作为电极安装孔，在本发明的一个实施例中，电极安装孔大致位于各自侧面的中心位置。

如图所示，正极接线柱和负极接线柱分别固定在非金属外壳和金属底盖的相同侧面(图中示出为左侧，也可以位于右侧)上的电极安装孔中，大致位于各自侧面的中心位置。正极接线柱和负极接线柱也可以分别固定在非金属外壳和金属底盖的不同侧面上。

在本发明的一个具体实施例中，正极接线柱和负极接线柱均为直径例如为3mm的螺杆。当正极接线柱和负极接线柱分别固定在非金属外壳和金属底盖的左侧面时，正极接线柱与紧邻的左边第一个V型电极的左侧尖端之间的距离为2-3mm(正极接线柱与“左边第一个V型电极的左侧尖端”不连接)。负极接线柱通过连接金属底盖，达到接地的目的。

图3展示出激励器腔体的横截面视图。与以往等离子体合成射流激励器所具有的圆柱形腔体和等截面直喉道不同，本发明中的激励器腔体类似于一个倾斜的漏斗状，自右下向左上延伸且逐渐收缩，右下方为“斗”，左上方为长狭缝孔。漏斗状激励器腔体从腔体中部到射流孔的收缩是连续的、光滑的，没有任何的拐角。因此，当气体从腔体中部流向小孔时，不存在流动分离，沿程压力损失很小。此外，射流出口的角度是倾斜的(图中所示为向左上方倾斜，根据需要，也可以向右上方倾斜)，与非金属外壳的上表面所呈的夹角很小。与传统的垂直射流吼道相比，倾斜射流可以增大边界层底部的动量，有望提高主动流动控制效果。

激励器的工作过程可以结合图4所示的等效匹配电路来说明。自左至右，激励器阳极(相当于“正极接线柱”)和第一个V型电极的左端点构成第一气体间隙G1，第一个V型电极的右端与第二个V型电极的左端构成第二气体间隙G2，以此类推...，直至第N个V型电极的右端与第N+1个V型电极的左端之间构成第N+1个气体间隙Gn+1。其中，N+1为V型电极的总数。第i个V型电极(i＝1，2，3，...N)的底端与第i个电阻器的上端相连。电阻器的总数为N，比V型电极的总数少一个。每个电阻器的下端均与金属底盖，也就是与激励器的阴极相连。因为金属底盖接地，所以每个电阻器的下端均接地。第N+1个V型电极的底端通过连接导线与金属底盖相连后接地。所有电阻器和气体间隙构成串并联回路，电流从阳极注入、从阴极流出。

激励器产生狭缝射流的原理可以概括为以下几个步骤：

步骤1：在激励器阳极和激励器阴极之间连接一个高压脉冲电源，施加10-20kV的高压脉冲。该高压脉冲首先作用在第一气体间隙G1和第一电阻器R1上，由于气体间隙的电阻值为无穷大，所以电压全部由第一气体间隙G1承担。在高压脉冲作用下，第一气体间隙G1被击穿，形成放电电弧通道。

步骤2：当电弧形成以后，第一气体间隙G1的等效阻值急剧减小至几十欧姆，远远小于第一电阻器R1的阻值。故第一电阻器R1两端的电压分压要远大于第一气体间隙G1两端的电压(此时，第一气体间隙G1两端的电压甚至可以忽略不计)；由此，该高压脉冲将施加在第二气体间隙G2和第二电阻器R2上。

步骤3：依照同样的分析，第二气体间隙G2被击穿；该高压脉冲继续传递给第三气体间隙G3和第三电阻器R3…。只要高压脉冲的初始能量足够大、能够克服击穿延迟中的电阻所引起的能量损耗，那么这一击穿过程将会持续下去，直到第N+1气体间隙GN+1被击穿。

步骤4：如图1中的A-A截面剖视图所示，当所有的气体间隙(一共N+1个)都被击穿后，从激励器阳极到激励器阴极的电弧通道全部打通，脉冲能量被全部用来加热激励器腔体内的空气，诱导射流从长狭缝孔喷出。

由于本发明中的腔体是由多个电弧通道进行同时加热的，因此与传统解决方案相比加热效率更高。图1中的长狭缝孔也可以是若干个短狭缝孔组成的阵列，本发明对于狭缝孔的宽度、长度和出口角度不作出具体限制。

Claims (9)

1.集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，其特征在于，包括非金属外壳、金属底盖、正极接线柱、负极接线柱、放电电极和电阻器；其中

非金属外壳为狭长的长方体形外壳，内部有一个狭长的空腔，也就是激励器腔体；在非金属外壳的顶部靠近长边的位置，开有一个沿长边方向延伸的长狭缝孔，作为气体进出激励器腔体的通道；为实现激励器腔体内部的有效加热，将多组V型放电电极通过非金属外壳底部预先开好的电极安装孔插入激励器腔体内部；多组V型放电电极竖直成排放置，形成断续的波浪形状，V型电极顶部位于激励器腔体内，底部裸露在非金属外壳底面以下，相邻V型电极顶部之间保持一定距离；除最右侧V型放电电极之外，在每个V型放电电极的底部连接一个电阻器；电阻器的一端与V型放电电极底部焊接在一起，另一端焊接在金属底盖上；非金属外壳的下部并不开放，仅有若干个供V型电极插入激励器腔体内部的小孔；

金属底盖的外部形状和内部腔体形状均为长方体，金属底盖顶部开放；金属底盖位于非金属外壳的下部，与非金属外壳之间实现密封连接，起到封装V型放电电极和电阻器、并提供公共接地端的作用；

在非金属外壳和金属底盖的侧面开有电极安装孔；正极接线柱和负极接线柱分别固定在非金属外壳和金属底盖侧面上的电极安装孔中；当正极接线柱固定在非金属外壳的左侧面时，正极接线柱与紧邻的左边第一个V型电极的左侧尖端之间所保持的距离与相邻V型电极顶部之间所保持的距离大致相等；负极接线柱通过连接金属底盖，达到接地的目的；

从激励器腔体的横截面看，激励器腔体类似于一个倾斜的漏斗状，自右下向左上延伸且逐渐收缩，右下方为“斗”，左上方为长狭缝孔；漏斗状激励器腔体从腔体中部到射流孔的收缩是连续的、光滑的，没有任何的拐角；此外，射流出口的角度是倾斜的，射流出口与非金属外壳的上表面所呈的夹角很小。

2.如权利要求1所述的集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，其特征在于，非金属外壳的长狭缝孔与最近的长边保持3-5mm距离。

3.如权利要求1所述的集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，其特征在于，长狭缝孔是若干个短狭缝孔组成的阵列。

4.如权利要求1所述的集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，其特征在于，相邻两个V型放电电极的组间距范围为5-30mm；每个V型电极的尖端与相邻电极的尖端之间构成距离为2-3mm的放电间隙。

5.如权利要求4所述的集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，其特征在于，V型电极顶部位于激励器腔体的大约中央轴线位置，V型电极的电极材料为耐高温的金属且具有一定的弹性；相邻两个V型放电电极的组间距范围为10mm。

6.如权利要求5所述的集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，其特征在于，电阻器阻值为1MΩ。

7.如权利要求5所述的集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，其特征在于，电极安装孔大致位于各自侧面的中心位置。

8.如权利要求1至7的任意一项所述的集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器，其特征在于，其具体电路连接方法为：自左至右，激励器阳极，也就是正极接线柱，和第一个V型电极的左端点构成第一气体间隙G1，第一个V型电极的右端与第二个V型电极的左端构成第二气体间隙G2，以此类推...，直至第N个V型电极的右端与第N+1个V型电极的左端之间构成第N+1个气体间隙Gn+1；其中，N+1为V型电极的总数；第i个V型电极的底端与第i个电阻器的上端相连，i＝1，2，3，...N；电阻器的总数为N，比V型电极的总数少一个；每个电阻器的下端均与金属底盖，也就是与激励器的阴极相连；因为金属底盖接地，所以每个电阻器的下端均接地；第N+1个V型电极的底端通过连接导线与金属底盖相连后接地；所有电阻器和气体间隙构成串并联回路，电流从阳极注入、从阴极流出。

9.集匹配电路为一体的细长腔体狭缝孔等离子体合成射流激励器的工作过程，其特征在于，具体包括下列步骤：

步骤1：在激励器阳极和激励器阴极之间连接一个高压脉冲电源，施加10-20kV的高压脉冲；该高压脉冲首先作用在第一气体间隙G1和第一电阻器R1上，由于气体间隙的电阻值为无穷大，所以电压全部由第一气体间隙G1承担；在高压脉冲作用下，第一气体间隙G1被击穿，形成放电电弧通道；

步骤2：当电弧形成以后，第一气体间隙G1的等效阻值急剧减小至几十欧姆，远远小于第一电阻器R1的阻值；故第一电阻器R1两端的电压分压要远大于第一气体间隙G1两端的电压，此时，第一气体间隙G1两端的电压甚至可以忽略不计；由此，该高压脉冲将施加在第二气体间隙G2和第二电阻器R2上；

步骤3：依照同样的分析，第二气体间隙G2被击穿；该高压脉冲继续传递给第三气体间隙G3和第三电阻器R3…；只要高压脉冲的初始能量足够大、能够克服击穿延迟中的电阻所引起的能量损耗，那么这一击穿过程将会持续下去，直到第N+1气体间隙GN+1被击穿；

步骤4：当全部N+1个气体间隙都被击穿后，从激励器阳极到激励器阴极的电弧通道全部打通，脉冲能量被全部用来加热激励器腔体内的空气，诱导射流从长狭缝孔喷出。

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