CN115790855B

CN115790855B - 介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置和方法

Info

Publication number: CN115790855B
Application number: CN202310077439.3A
Authority: CN
Inventors: 张鑫; 李昌; 岳廷瑞
Original assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2023-02-08
Filing date: 2023-02-08
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2043-02-08
Also published as: CN115790855A

Abstract

本发明公开了介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置和方法，本发明涉及风洞试验技术领域，装置中布置有介质阻挡放电等离子体激励器布置的模型安装在风洞实验段内；红外相机和高速相机从风洞顶部透过光学玻璃俯视等离子体激励器的安装面；光谱仪的透镜安装在移测架上，从风洞侧面透过光学玻璃聚焦于温度测量点；高压探头测量端与等离子体激励器连接，用于测量等离子体激励器的工作参数；光谱仪在数字延迟信号发生器的触发下，能够实现不同时刻的等离子体温度测量。本发明利用光谱测量技术，对等离子体激励空间温度进行准确测量，获取不同来流条件下的介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场，满足防除冰试验中对防除冰系统的测量评估需求。

Description

介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置和方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，具体涉及一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置和方法。

背景技术

飞行器或风力机表面的防结冰一直是广受关注的课题，而随着传统的气动、材料和能源技术取得突破，原有的防/除冰技术出现了更多的改进方向。近年来，等离子体激励作为主动流动控制技术发展迅速，而等离子体激励器工作过程中，产生气动效应的同时伴随有大量电离热生成，这种电离热不仅仅局限于激励器表面，其在激励器上方空间也有存在，该电离热具有快速温升的特点，将其应用于防除冰有很好的前景。采用介质阻挡放电等离子体激励，能够同时实现流动控制和防除冰功能。

评估介质阻挡放电等离子体激励的防除冰性能，获取其诱导气流场和温度场是关键，尤其是温度场的测量方法，现有测量技术多使用红外相机和热线探头进行测量。其中红外相机仅能获取激励器表面的温度分布，无法获取更为关键的空间温度场；热线探头属于浸入式测量方法，探头本身会对气流场和温度场产生干扰，另外热线探头对电磁干扰较为敏感，仅能测量距离激励器较远位置的温度。

发明内容

为了解决现有温度场测量技术无法获得空间热特性，从而不能满足防除冰性能评估需求的问题，本发明提供了一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置。本发明利用光谱测量技术，对等离子体激励空间温度进行准确测量，获取不同来流条件下的介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场，满足防除冰试验中对防除冰系统的测量评估需求。

本发明通过下述技术方案实现：

介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，

包括：红外相机、高速相机、移测架、介质阻挡放电等离子体激励器、交流电源、光谱仪、数字延迟信号发生器和高压探头；

其中，布置有所述介质阻挡放电等离子体激励器的模型安装在风洞实验段内；

所述红外相机和高速相机从风洞顶部透过光学玻璃俯视介质阻挡放电等离子体激励器的安装面；

所述红外相机用于测量模型表面温度，所述高速相机用于测量模型表面状态；

所述光谱仪的透镜安装在移测架上，从风洞侧面透过光学玻璃聚焦于温度测量点；

所述交流电源与所述介质阻挡放电等离子体激励器电连接，用于为激励器工作提供能量；

所述高压探头测量端与所述介质阻挡放电等离子体激励器连接，用于测量所述介质阻挡放电等离子体激励器的工作参数；

所述数字延迟信号发生器的通道A与交流电源输入端连接，通道B与光谱仪输入端连接；

所述交流电源的工作和关闭可以由所述数字延迟信号发生器通道A输出信号进行控制；

所述光谱仪在所述数字延迟信号发生器通道B输出信号的触发下，能够周期性工作，获取测量点的等离子体温度变化历程。

作为优选实施方式，本发明的介质阻挡放电等离子体激励器包括上层电极、绝缘介质层、下层电极和电阻；

所述上层电极和下层电极分别位于所述绝缘介质层两侧，所述交流电源输出高压端与所述上层电极连接，所述交流电源输出低压端接地并通过电阻与所述下层电极连接。

作为优选实施方式，本发明的上层电极和下层电极均采用铜箔制成；

所述绝缘介质层采用聚酰亚胺薄膜。

作为优选实施方式，本发明的交流电源输出5~20kV的高压交流电，波形可以为正弦波、锯齿波或方波。

作为优选实施方式，本发明的光谱仪的透镜采用短聚焦石英透镜，将介质阻挡放电等离子体激励器在大气中放电并诱发的N离子发射的光辐射信号聚焦于光谱仪的光纤收集口，从而得到介质阻挡放电等离子体激励器的转动温度和平动温度。

作为优选实施方式，本发明的数字延迟信号发生器与所述光谱仪连接，能够控制输出周期信号，触发光谱仪在不同时刻下进行等离子体温度测量。

作为优选实施方式，本发明的移测架能够带动其上的透镜位置改变，从而实现调节测量点在 x向和 y向的坐标，所述透镜的焦距可以改变从而调节测量点 z向坐标。

作为优选实施方式，本发明的测量装置还包括示波器；

所述示波器与所述高压探头信号输出端连接，用于监控所述介质阻挡放电等离子体激励器工作参数。

另一方面，本发明提出了一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量方法，该测量方法基于上述测量装置实现，包括如下步骤：

初始化步骤：风洞运作产生均匀来流并开始制冷形成结冰环境，待风洞气流场和温度场稳定后，打开红外相机记录模型表面温度，高速相机记录模型表面状态；

参数设置步骤：在交流电源上设置介质阻挡放电等离子体激励器的工作参数；设置数字延迟信号发生器通道A和通道B的输出信号为高电平5V，低电平0的方波，周期根据实际需要进行设置；

位置调整步骤，通过移测架改变测量点在 x向和 y向的坐标，通过改变透镜焦距确定测量点 z向坐标；

温度测量步骤：打开数字延迟信号发生器，通道A和通道B开始同步输出触发信号，通道A控制等离子体激励器开始放电并诱发等离子体气流场和温度场，同时通道B控制光谱仪周期性工作，等离子体中N离子发射光谱通过透镜将放电区域内的光辐射信号聚焦于光谱仪光纤收集口，从而得到等离子体的转动温度、平动温度；

等离子体激励器工作预设时间后，关闭数字延迟信号发生器，此时光谱仪记录了当前测量点在不同时刻下的等离子体温度；

待激励器表面及附近温度恢复至风洞环境温度后，返回位置调整步骤进行下一测量点在不同时刻下的等离子体温度测量，直到完成空间上不同测量点的等离子体温度测量；

重构步骤：根据得到的温度测量结果，重构得到三维等离子体温度场的时间变化过程。

作为优选实施方式，本发明的方法还包括：

通过调整通道B输出信号周期，实现在时间上加密测量。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明能够在不同空间坐标下实现等离子体温度的周期测量，通过调整测量点的空间坐标进行重复测量，进而分析重构出等离子体激励气流的温度场变化，从而得到等离子体激励在不同结冰环境下的工作特性，为防除冰特性评估提供数据和技术支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的装置结构示意图。

图2为本发明实施例的测量截面示意图。

图3为本发明实施例的信号时序图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-风洞，2-红外相机，3-高速相机，4-移测架，5-介质阻挡放电等离子体激励器，51-上层电极，52-绝缘介质层，53-下层电极，54-电阻， 6-模型，7-透镜，8-交流电源，9-光谱仪，10-数字延迟信号发生器，11-高压探头，12-示波器，13-测量点。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

传统的温度场测量技术，多使用红外相机和热线探头进行测量，然而红外相机仅能获取激励器表面的温度分布，无法获取空间温度场；热线探头会对温度场产生干扰，且对电磁干扰较为敏感，仅能测量距离激励器较远位置的温度。因此传统的温度场测量技术无法满足介质阻挡放电等离子体激励的防除冰性能评估要求，基于此，本实施例提供了一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，具体如图1-图2所示，该测量装置包括红外相机2、高速相机3、移测架4、介质阻挡放电等离子体激励器5、交流电源8、光谱仪9、数字延迟信号发生器10、高压探头11、示波器12等器件。

其中，介质阻挡放电等离子体激励器5布置在模型6上，且布置有介质阻挡放电等离子体激励器5的模型6安装在风洞1实验段内；红外相机2、高速相机3、移测架4、交流电源8、光谱仪9、数字延迟信号发生器10、高压探头11、示波器12等器件安装在风洞1外。

红外相机2和高速相机3从风洞1顶部透过光学玻璃俯视介质阻挡放电等离子体激励器5的安装面，光谱仪9的透镜7安装在移测架4上，从风洞1侧面透过光学玻璃聚焦于温度测量截面。本实施例的透镜7可采用但不限于短聚焦石英透镜。

红外相机2用于测量模型6表面温度，高速相机3用于测量模型表面状态。

通过移测架4及其上的透镜来调整测量点13的空间位置。

介质阻挡放电等离子体激励器5安装在模型6易结冰位置如机翼上表面，介质阻挡放电等离子体激励器5包括上层电极51、绝缘介质层52、下层电极53和电阻54。

上层电极51和下层电极53分别位于绝缘介质层52两侧，上层电极51和下层电极53均由铜箔制成，绝缘介质层52采用聚酰亚胺薄膜。

交流电源8可输出5~20kV的高压交流电，波形可以为正弦波、锯齿波或方波等，其输出高压端与上层电极51连接，低压端接地并通过电阻54与下层电极53连接。

高压探头11测量端与介质阻挡放电等离子体激励器5相连接（高压探头11测量端与下层电极53连接），高压探头11信号输出端与示波器12连接，监控介质阻挡放电等离子体的工作参数电压 V和电流 I。

介质阻挡放电等离子体激励器5工作放电并诱发等离子体气流场和温度场，等离子体在大气中激发出的N离子发射光谱通过透镜7（例如短焦距石英透镜）将小范围放电区域内的光辐射信号聚焦于光谱仪9光纤收集口，从而得到等离子体激励器5的转动温度、平动温度。

本发明实施例中，数字延迟信号发生器10的通道A与交流电源8的输入端相连，可控制等离子体激励系统的工作及关闭；通道B与光谱仪9相连接，能够控制输出周期性信号，触发光谱仪9进行周期性的温度测量。

可通过改变透镜位置及焦距的方式实现对测量点13的空间坐标调整。

本发明实施例中，可通过调整数字延迟信号发生器10的通道B触发信号周期，实现在时间上加密测量，得到随等离子体激励电压波动产生的温度波动。

本发明实施例提出的测量装置检测原理为：

本发明实施例利用光谱测量技术，通过谱线强度与电子温度的对应关系获取等离子体特定离子的转动温度和平动温度，介质阻挡放大等离子体激励器在大气中主要激发出N离子，通过光谱仪对N离子转动温度和平动温度进行测量，能够获取介质阻挡放大等离子体激励器上方特定点的温度变化过程，可通过调整数字延迟发生器通道B的输出周期，实现对当前空间点的温度在时间上的加密测量；随后通过调整光谱仪的透镜位置和焦距，可以改变测量点坐标，获取不同测量点温度随时间的变化过程；最后基于不同空间坐标测量点的温度变化，可分析重构出等离子体激励气流温度场的时间历程。

实施例2：

本实施例提出了基于上述实施例1提出的测量装置的测量方法，其具体包括如下步骤：

步骤1，风洞运作产生均匀来流并开始制冷形成结冰环境，待风洞气流场和温度场稳定后，首先打开红外相机记录模型表面温度，高速相机记录模型表面状态。

步骤2，在交流电源上设置介质阻挡放电等离子体激励系统的工作电压、周期（ T ₁）等参数；设置数字延迟信号发生器的输出信号，其中通道A与交流电源输入端相连，可控制等离子体激励系统的工作及关闭，工作时间长度为 T ₀；通道B与光谱仪相连可控制其周期性工作（周期为 T ₂），通过调整通道B输出信号周期 T ₂，可以在时间上加密测量。具体的，数字延迟信号发生器通道A和通道B的输出信号为高电平5V，低电平0的方波，周期根据实际需要进行设置。

步骤3：调整测量点位置，通过移测架改变测量点在 x向和 y向的坐标，通过改变透镜焦距确定测量点 z向坐标。

步骤4，打开数字延迟信号发生器，通道A和通道B开始同步输出触发信号，通道A控制等离子体激励系统开始放电并诱发等离子体气流场和温度场，同时通道B控制光谱仪周期性工作，等离子体中N离子发射光谱通过透镜将小范围放电区域内的光辐射信号聚焦于光谱仪光纤收集口，从而得到等离子体的转动温度、平动温度。

步骤5，等离子体激励器工作一定时间后，关闭数字延迟信号发生器，此时光谱仪记录了当前测量点的温度变化历程。整个测量过程的时序变化如图3所示。

步骤6，待激励器表面及附近温度恢复至风洞环境温度后，重复步骤3~5，从而得到空间上不同测量点的等离子体温度变化历程，每个时刻中各测量点的温度可通过插值进行加密，加密后用于构建三维等离子体温度场的时间历程。

本发明实施例能够得到三维等离子体激励气流温度场，从而分析得到等离子体激励在不同结冰环境下的工作特性，为防除冰能力评估提供数据和技术支撑。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，其特征在于，包括：红外相机、高速相机、移测架、介质阻挡放电等离子体激励器、交流电源、光谱仪、数字延迟信号发生器和高压探头；

所述光谱仪在所述数字延迟信号发生器通道B输出信号的触发下，能够周期性工作，获取测量点的等离子体温度变化历程；

基于所述温度场测量装置进行温度场测量，包括如下步骤：

位置调整步骤，通过移测架改变测量点在x向和y向的坐标，通过改变透镜焦距确定测量点z向坐标；

2.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，其特征在于，所述介质阻挡放电等离子体激励器包括上层电极、绝缘介质层、下层电极和电阻；

3.根据权利要求2所述的一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，其特征在于，所述上层电极和下层电极均采用铜箔制成；

所述绝缘介质层采用聚酰亚胺薄膜。

4.根据权利要求2所述的一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，其特征在于，所述交流电源输出5~20kV的高压交流电，波形可以为正弦波、锯齿波或方波。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，其特征在于，光谱仪的透镜采用短聚焦石英透镜，将介质阻挡放电等离子体激励器在大气中放电并诱发的N离子发射的光辐射信号聚焦于光谱仪的光纤收集口，从而得到介质阻挡放电等离子体激励器的转动温度和平动温度。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，其特征在于，所述数字延迟信号发生器与所述光谱仪连接，能够控制输出周期信号，触发光谱仪在不同时刻下进行等离子体温度测量。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，其特征在于，所述移测架能够带动其上的透镜位置改变，从而实现调节测量点在x向和y向的坐标，所述透镜的焦距可以改变从而调节测量点z向坐标。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，其特征在于，还包括示波器；

9.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电等离子体诱导气流温度场测量装置，其特征在于，还包括：

通过调整通道B输出信号周期，实现在时间上加密测量。