CN116847526A - 半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置包括半导体块(1)、电极(2)、陶瓷块(3)和高压脉冲电源(4)等部分，电极(2)插入半导体块(1)中，多个半导体块(1)与陶瓷块(3)沿展向间隔排列，形成半导体引弧的电极(2)阵列。电极(2)在高压脉冲电源(4)驱动下放电产生电弧(5)，电弧(5)首尾相接，在流场中产生沿流向的热阻塞和虚拟小肋效果，对边界层中的条带结构进行分隔，降低湍流脉动，减小湍流摩擦阻力。利用半导体材料降低击穿电压，提高电极阵列的展向密度，增大有效减阻来流速度。还提供一种基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻方法，该方法实时感知流场状态，计算最佳展向电弧间距，据此控制电弧放电模式，在实际飞行中迅速变化的流场状态下保持最佳的减阻效果，提高减阻适应性。

Description

半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置与方法

技术领域

本发明涉及等离子体流动控制技术领域，尤其是一种用于湍流边界层摩擦减阻的新型等离子体激励器，具体涉及一种半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置与方法。

背景技术

增升减阻一直是飞机气动设计的追求。大型运输机和大展弦比无人机在巡航飞行阶段，摩擦阻力占总阻力的比重接近50％。因此，降低摩擦阻力尤其是湍流摩擦阻力可以提高飞机的巡航升阻比，进而降低发动机油耗、提高飞机航程和航时、节约能源消耗。

边界层流动减阻控制技术主要分为被动控制和主动控制两种方式。典型的被动流动控制方式以小肋为主。小肋指在壁面处沿展向周期性布置的流向突起，其通过对湍流边界层底层条带结构进行分隔，能够实现8％～10％左右的减阻效果，但其适应性较差，工作范围有限，大部分小肋只能在很小的雷诺数范围内实现最佳减阻，一旦由于飞行速度、高度或者天气变化等原因偏离设计雷诺数，减阻效果便将大幅度下降，甚至出现增阻，而上述改变在实际飞行中是不可避免的，这导致在实际飞行中简单的小肋难以实现减阻应用。

典型的主动流动控制方法有吹气、展向壁面振荡等，具有较强的适应性，吹气方法能够实现20％～30％的湍流减阻效果，而展向壁面振荡能使湍流摩擦阻力减小45％。然而，主动控制方法往往需要复杂的引气管路、气源、马达以及复杂的机械结构等，驱动吹气和展向壁面振荡所消耗的能量和代价要超出其所带来的减阻收益，使其无法得到实际应用。

等离子体湍流减阻方法是一种新型的主动减阻方法，其具有结构简单、减阻代价小等优点，是最具有实际应用前景的湍流减阻方法，成为近年来的研究热点。在等离子体湍流减阻方法中，常用的是介质阻挡放电，其能够在20m/s的来流速度下，实现11％的翼型湍流摩擦减阻效果。然而，由于介质阻挡放电的强度十分有限(诱导速度一般仅有2～3m/s)，当来流速度增大到30m/s时，减阻效果迅速下降至2.6％；当来流速度进一步增大时，减阻效果消失。对于典型无人机(如翼龙-2、彩虹-5)而言，其飞行速度普遍大于50m/s，而对于大型客机(如空客A320、C919)而言，其巡航速度均超过200m/s，因此亟需寻求强度更大的等离子体放电方法，以在更高的来流速度下实现有效减阻。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，包括半导体块1、电极2、陶瓷块3和高压脉冲电源4；其中

半导体块1为薄长方体形状，半导体块1侧面开有间隔相同、分布均匀的多个圆柱形盲孔，这些盲孔的轴线在相同平面上，该平面与半导体块1前后表面平行；

建立xyz空间坐标系，x轴正方向指向来流方向，y轴正方向指向水平面内与来流方向垂直的方向，z轴正方向指向竖直向上的方向，半导体块1前后表面与xoz平面平行；半导体块1开有圆柱形盲孔的侧面与xoy平面平行；

放电电极2为实心圆柱体长棒，形状与半导体块1的盲孔相适应，并插入其中，放电电极2插入后，其一端与半导体块侧面平齐并裸露在空气中，另一端插入盲孔底部；

多个圆柱形盲孔中最上端的盲孔底部穿孔，用于穿过导线，将最上端的电极与高压脉冲电源4高压输出端连接；最下端的放电电极2同样通过在盲孔底部穿孔引线接地；中间电极悬空，不进行任何连接；高压脉冲电源4低压输出端接地；

陶瓷块3为薄长方体形状，陶瓷块3与xoz平面平行的前后表面在xoz平面上的投影与半导体块1的完全重叠；

多个插入放电电极2的半导体块1与陶瓷块3间隔布置，且最外层为陶瓷块3，使半导体块1上插入的多个放电电极2形成电极阵列，每个半导体块1单独使用一个高压脉冲电源4。

在本发明的一个实施例中，半导体块1在x方向上的长度与减阻的目标区域相同；y方向厚度取1mm～3mm；z方向宽度取5mm～10mm；盲孔直径应比半导体块厚度小0.5mm以上；盲孔深度应比半导体块1的宽度小1mm以上；同一半导体块1上相邻盲孔间距应大于0.1mm；共有N个圆柱形盲孔，N≥5，第一个和最后一个圆柱形盲孔的圆心与半导体块1的x方向边缘的距离应大于1mm。

在本发明的一个具体实施例中，盲孔直径取0.5mm～2mm；盲孔深度取4mm～9mm。

在本发明的另一个具体实施例中，半导体块1在y方向上厚度为2mm；z方向宽度为10mm；盲孔直径为1mm；盲孔深度为8mm；同一半导体块1上相邻盲孔间距为4mm；共有5个圆柱形盲孔，第一个和最后一个圆柱形盲孔的圆心与半导体块1的x方向边缘的距离为2mm。

在本发明的又一个具体实施例中，

在每个圆柱形盲孔中插入一个放电电极2；

陶瓷块3在x方向的长度为20mm，y方向宽度为1mm，z方向厚度为10mm；陶瓷块3与插入放电电极2的半导体块1间隔布置，形成流向距离为4mm，展向距离为2mm的电极阵列。

在本发明的另一个实施例中，半导体块1采用氮化硅半导体或带氧化亚铜涂层的陶瓷材料；放电电极2采用耐热导电金属材料或石墨等非金属导电材料；高压脉冲电源4选择电压＞3kV、频率＞1kHz的高压脉冲电源，电源体积与重量应尽可能小。

上述半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置具体安装时，将所述装置嵌入到需要减阻的表面内部，装置存在裸露放电电极2的侧面与需要减阻的表面齐平；所述装置的尺寸以及半导体块1、放电电极2、陶瓷块3的数量根据需要减阻的区域大小进行调整，将所述装置布置在减阻区域中偏上游的位置；放电电极2的展向间距d_y由流场状况决定，应满足：

d_y＝15～20δ_v (1)

δ_v＝v/u_τ (2)

其中v为空气的运动粘度，d为展向电极间距，δ_v为边界层粘性长度尺度，u_τ为边界层摩擦速度；放电电极2的流向间距依据展向间距和半导体材料表面的击穿电压决定，保证流向放电而展向不放电。

上述半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，插入放电电极2的单个半导体块1通电后的工作过程为：

高压脉冲电源4产生脉冲高压，施加到放电电极2阵列上，在放电电极2间产生强电场，并在半导体块1中产生初始电流，对电流通路上的半导体形成加热作用；由于半导体材料具有负值的电阻温度系数，在电压不变时，由于电阻的减小，初始电流通路上的电流将不断增大，导致加热效应也不断增强，从而形成一个“加热增强-电阻减小-电流增大-加热进一步增强”的正向循环，导致电路中绝大部分的电流都集中到半导体块1裸露放电电极2的侧面的一条狭窄通路上，即连接各接力放电电极2的流向通路；在这条导电通路上，温度迅速升高，使半导体材料蒸发，在放电电极2间的导电通路上形成电离程度很大、耐电强度却较低的材料蒸汽；这些材料蒸汽进一步增大放电通路的导电性，使放电通路电阻变得极小，等同于一条导线，高压脉冲电源4被放电通路短接，在放电通路上产生强烈的电弧放电，产生等离子体，形成沿流向的爆炸性的加热作用，在流场中产生热阻塞，形成流向的“虚拟小肋”；放电沿半导体的设置方向发生；

半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置的工作过程为：

将插入放电电极2的单个半导体块1展向并排排列，并采用陶瓷块3将相邻半导体块1隔开，形成半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置；由于半导体块1的存在，放电电极2更易沿流向放电产生电弧5，而不易沿展向放电，形成沿流向的电弧5，在接力放电电极2的作用下，各个电弧5沿流向首尾相接，形成“电弧等离子体链”，在流场中形成阵列式的“虚拟小肋”作用，即首尾相连的电弧5串产生的热阻塞作用，对边界层底层的条带结构进行分隔，达到湍流摩擦减阻目的；

最后一个高压脉冲电源4处于关闭状态，因此最后一个半导体块1上的放电电极2并不放电产生电弧5，其他高压脉冲电源4打开，在装置侧面形成电弧5阵列。

还提供一种半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置的工作方法：

当来流速度较高时，将全部高压脉冲电源4打开，使每一列电极组均产生电弧放电，放电在边界层中产生加热作用，对流场造成阻塞从而形成虚拟小肋；虚拟小肋对边界层中的条带结构进行分隔，进而达到抑制湍流脉动，减小湍流摩擦阻力的效果；

当来流速度不高时，展向间距较来流速度较大时更大；根据实际来流速度的需要，采用各列间隔放电的形式，增大虚拟小肋的展向间距；为适应更宽的来流速度场景，使放电电极2展向间距尽可能小；放电电极2流向间距根据展向间距确定，保证不沿展向放电即可。

此外，还提供一种基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻方法，其基于上述半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，具体流程如下：

步骤S1，传感器采集流场数据，将传感器布置在流场中，实时采集流场中的温度、压力、速度、壁面切应力等信息，并将数据输入到控制器中；

步骤S2，在控制器中对传感器收集的数据进行分析，根据传感器测得的主流速度u_∞，取摩擦速度u_τ＝0.035u_∞，运动粘度v＝1.51×10^-5m²/s，基于式(2)计算边界层粘性长度尺度δ_v，

δ_v＝v/u_τ (2)

从而判断当前电弧5的展向间距d_y是否位于15～20δ_v之间；

步骤S3，根据计算分析结果，通过控制电路选择适应的工作模式和参数，不同的模式对应不同的展向间距，使电弧5的展向间距d_y保持在15～20δ_v之间；

控制器根据式(1)(2)判断所需采用的放电策略，

d_y＝15～20δ_v (1)

若当前的小肋展向间距d_y＞15～20δ_v，其中δ_v为测试得到的边界层粘性长度尺度，则需通过控制高压脉冲电源4的开关来控制更多的电极组放电，对电弧5进行展向加密；若当前的小肋展向间距d_y＜15～20δ_v，则需通过控制高压脉冲电源4的开关来减少放电的电极组数目，使电弧5沿展向变稀疏，以适应流场对减阻的要求；

步骤S4，传感器再次采集流场数据，收集电弧放电后的流场信息；

步骤S5，在控制器中再一次对传感器收集的数据进行分析，对比电弧放电前后信息，在所在的温度、压力、速度条件下，对比电弧放电前后所测得的摩擦阻力变化，若测得的摩擦阻力小于电弧放电前的摩擦阻力，则实现预期减阻效果，工作结束，否则重新根据流场信息从步骤S1开始选择新的工作模式或新的放电状态。

本发明在壁面上沿流向布置放电电极阵列，在流场中产生阵列式的电弧放电，利用比介质阻挡放电强度更大的电弧放电对流场产生更强的扰动，从而在更高来流速度下实现湍流摩擦减阻。电弧放电能够产生快速的加热作用，在流场中产生热气团，形成热阻塞作用，本发明装置中，电极沿流向布置，因此能够在流场中形成沿流向的热阻塞带，产生类型小肋减阻方法的“虚拟小肋”作用，对湍流边界层底层条带结构进行分隔，从而起到湍流摩擦减阻的效果。

由于来流速度越高，所需的小肋展向间距越密，而由于电弧放电总是在距离最近的两个电极上发生，电极阵列的展向间距不能大于其流向间距，这限制了其性能的提升。因此，为进一步提高有效减阻的来流速度，在上述电弧阵列湍流摩擦减阻装置的基础上，利用半导体材料降低电弧放电击穿电压的特性，对放电沿流向进行引弧，使电弧阵列的展向密度得以进一步提高，进一步提高有效减阻来流速度。由于电弧放电普遍用于超声速流场(来流速度大于340m/s)中的流动控制中，与典型的基于介质阻挡放电的等离子体湍流减阻方法相比，本发明装置放电强度更大，能够在更高来流速度下实现减阻；而与传统的小肋减阻等被动控制方法相比，本发明属于主动方法，适应性更强，能够根据来流情况实时的调整放电强度与密度，以适应不同来流状况下的减阻需要，在来流状况迅速变化的实际飞行中，也能实现有效减阻。

附图说明

图1示出基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置整体结构示意图；

图2示出电极几何结构图；

图3示出陶瓷块几何结构图；

图4示出半导体块几何结构图；

图5示出触发半导体放电的正向循环示意图；

图6示出速度较大时的湍流摩擦减阻模式图；

图7示出速度较大时的湍流摩擦减阻模式下的展向剖面图；

图8示出速度较小时的湍流摩擦减阻模式图；

图9示出基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻方法流程图；

图10示出基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻方法各部分关系图。

附图标注说明：

1半导体块 2电极 3陶瓷块 4高压脉冲电源 5电弧 6虚拟小肋

具体实施方式

本发明提供半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，包括半导体块1、电极2、陶瓷块3和高压脉冲电源4，如图1所示。

如图4所示，半导体块1为薄长方体形状，由碳化硅半导体材料制成，也可采用表面涂附有氧化亚铜半导体釉的氧化铝陶瓷块。半导体块1侧面(厚度方向的侧面)开有间隔相同、分布均匀的多个圆柱形盲孔，用于插入放电电极2，放电电极2插入后，其一端与半导体块侧面平齐并裸露在空气中，另一端封闭，这些圆柱形盲孔的轴线在一个平面上，该平面与半导体块1前后表面平行。多个圆柱形盲孔中最上端的盲孔底部穿孔，用于穿过导线，将最上端的电极与高压脉冲电源4连接，高压脉冲电源4布置在机舱内部，从机翼蒙皮内侧引线与飞机表面的半导体块1和放电电极2相连。最下端的放电电极2同样通过在盲孔底部穿孔引线接地。中间电极悬空，不连接任何部分，起到接力的作用。其他所有电连接均采用本领域惯用技术手段，不再累述。

建立xyz空间坐标系，x轴正方向指向来流方向，亦即半导体块1的长度方向，y轴正方向指向水平面内与来流方向垂直的方向，亦即半导体块1的厚度方向，z轴正方向指向竖直向上的方向，亦即半导体块1的宽度方向，半导体块1前后表面与xoz平面平行。半导体块1开有圆柱形盲孔的侧面与xoy平面平行。

放电电极2为实心圆柱体长棒，如图2所示，尺寸恰与半导体块1侧面所开圆柱形孔相同(或尺寸略小于圆柱形孔，便于放入)，放电电极2插入圆柱形盲孔中。放电电极2通常由铜或钨制成。

陶瓷块3为薄长方体形状，用于隔开相邻半导体块。如图3所示，陶瓷块3与xoz平面平行的前后表面在xoz平面上的投影与半导体块1的完全重叠。多个插入放电电极2的半导体块1与陶瓷块3间隔布置，且最外层为陶瓷块3(因此陶瓷块3比半导体块1的数量多一块)，使半导体块1上插入的多个放电电极2形成电极阵列，构成本发明半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置的主体结构。在本发明的一个实施例中，陶瓷块3采用氧化铝陶瓷绝缘材料。

高压脉冲电源4用于产生脉冲高压，驱动电极阵列放电，其正极与半导体块1最上端的电极相连，负极接地。当高压脉冲电源4接通时，将会击穿电极间的空气，在电极间产生电弧5。每个半导体块1各自与一个高压脉冲电源4连接，各高压脉冲电源4间互相并联或各自独立工作，各高压脉冲电源4能够独立控制。

在本发明的一个具体实施例中，半导体块1采用碳化硅半导体材料，其x方向长度与减阻的目标区域相同，本实施例取20mm；y方向厚度可取1mm～3mm，本实施例取2mm；z方向宽度可根据具体情况调整，一般取5mm～10mm，本实施例取10mm。半导体块1上的圆柱形盲孔直径应比半导体块厚度小0.5mm以上，一般取0.5mm～2mm，本实施例取1mm；盲孔深度应比半导体块1的宽度小1mm以上，一般取4mm～9mm，本实施例取8mm；同一半导体块1上相邻圆柱形盲孔间距应大于0.1mm，本实施例取4mm；共有5个圆柱形盲孔，第一个和最后一个圆柱形盲孔的圆心与半导体块1的x方向边缘的距离应大于1mm，本实施例中均为2mm。

放电电极2采用铜制成，其尺寸与半导体块1上的圆柱形盲孔完全相同(本实施例中取截面直径1mm，长度8mm)，在每个圆柱形盲孔中插入一个放电电极2。

陶瓷块3采用氧化铝陶瓷材料，在本发明的一个具体实施例中，陶瓷块3尺寸与半导体块1完全相同，陶瓷块3在x方向的长度为20mm，y方向宽度为1mm，z方向厚度为10mm；陶瓷块3与插入放电电极2的半导体块1间隔布置，形成流向(即x轴方向)距离为4mm，展向(即y轴方向)距离为2mm的电极阵列。

高压脉冲电源4采用机载小型化微秒脉冲电源，每个半导体块1单独使用一个高压脉冲电源4。

首先阐述插入放电电极2的单个半导体块1通电后的工作过程。高压脉冲电源4产生脉冲高压，施加到放电电极2阵列上，在放电电极2间产生强电场，并在半导体块1中产生初始电流，对电流通路上的半导体形成加热作用。由于碳化硅、氧化亚铜等半导体材料具有负值的电阻温度系数，即温度越高，电阻越小，根据欧姆定律，在电压不变时，由于电阻的减小，初始电流通路上的电流将不断增大，导致加热效应也不断增强，从而形成一个“加热增强-电阻减小-电流增大-加热进一步增强”的正向循环，如图5所示，最终导致电路中绝大部分的电流都集中到半导体块1裸露放电电极2的侧面的一条狭窄通路上，即连接各接力放电电极2的流向通路。在这条导电通路上，温度迅速升高，使半导体材料蒸发，在放电电极2间的导电通路上形成电离程度很大、耐电强度却较低的材料蒸汽。这些材料蒸汽进一步增大放电通路的导电性(即减小放电通路的电阻)，最终使放电通路电阻变得极小，等同于一条导线，高压脉冲电源4被放电通路短接，在放电通路上产生强烈的电弧放电，产生等离子体，形成沿流向的爆炸性的加热作用，在流场中产生热阻塞，形成流向的“虚拟小肋”。与普通的电弧放电需要极高的电压直接击穿空气不同，由于上述过程仅需较小的初始电流即可在半导体中逐步诱发电弧放电，放电的击穿电压很低，使放电很容易沿半导体的设置方向(x方向)发生。

下面阐述半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置的工作过程。将插入放电电极2的单个半导体块1展向(即y轴方向)并排排列，并采用陶瓷块3将相邻半导体块1隔开，形成半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置。由于半导体块1的存在，放电电极2更易沿流向(x方向)放电产生电弧5，而不易沿展向(y方向)放电，因此虽然电极间的展向间距(d_y＝2mm)比流向间距(d_x＝4mm)小，电弧放电仍会沿流向(x方向)发生，从而形成沿流向的电弧5，在接力放电电极2的作用下，各个电弧5沿流向首尾相接，形成“电弧等离子体链”，在流场中形成阵列式的“虚拟小肋”作用(即首尾相连的电弧5串产生的热阻塞作用)，对边界层底层的条带结构进行分隔，从而起到湍流摩擦减阻的效果，如图1所示。图1中最后一个高压脉冲电源4处于关闭状态，因此最后一个半导体块1上的放电电极2并不放电产生电弧5，其他高压脉冲电源4打开，在装置侧面形成电弧5阵列。

在具体实施过程中，由于利用半导体材料可将相邻放电电极2间沿流向(x方向)的击穿电压降低1个数量级，放电电极2的展向(y方向)间距可减小至其流向间距的十分之一，假设放电电极2流向间距为4mm，则其展向间距最小可达0.4mm，能够适应更高来流速度下的边界层条带结构间距，显著提高了有效减阻速度范围。

具体实施过程中，将本发明半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置嵌入到需要减阻的表面内部，装置存在裸露放电电极2的侧面与需要减阻的表面齐平，如图6所示。装置的尺寸以及半导体块1、放电电极2、陶瓷块3的数量可根据需要减阻的区域大小进行调整，由于减阻效果在流场中能够在离开装置后持续存在一段距离，在具体布置时，可将本发明装置布置在减阻区域中偏上游的位置，以节省放电能量，提高减阻效率。放电电极2的展向间距(d_y)由流场状况决定，应满足：

d_y＝15～20δ_v (1)

δ_v＝v/u_τ (2)

其中v为空气的运动粘度，d为展向电极间距，δ_v为边界层粘性长度尺度，u_τ为边界层摩擦速度，一般为主流速度u_∞的0.035左右，因此随主流速度增大，粘性长度尺度减小，展向电极间距也要随之减小才能实现较好的减阻效果。放电电极2的流向间距依据展向间距和半导体材料表面的击穿电压决定，保证流向放电而展向不放电。在本实施例中，基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置沿流向长20mm，沿展向宽22mm，电极间的展向间距d＝2mm。

半导体块1的采用优选氮化硅半导体，也可采用带氧化亚铜涂层的陶瓷材料，上述陶瓷材料可选氧化铝。放电电极2采用可选铜、钨等耐热导电金属材料，也可选择石墨等非金属导电材料，由于钨具有优良的耐磨与耐热性能，放电电极2的材料优选钨，其次为铜，最后为石墨等非金属导电材料。陶瓷块3可选择任意绝缘陶瓷材料，此处选择常见的氧化铝陶瓷，也可采用PEEK、有机玻璃等有机材料进行替代，但考虑到材料的机械性能，优选氧化铝等陶瓷材料。高压脉冲电源4可选择任意电压＞3kV、频率＞1kHz的高压脉冲电源，电源体积与重量应尽可能小，以减小装置的结构重量代价，适应无人机等空间和载重受限的应用场景。

在具体减阻应用的实施过程中，当来流速度较高时，将全部高压脉冲电源4打开，使每一列电极组均产生电弧放电，放电在边界层中产生加热作用，对流场造成阻塞从而形成虚拟小肋，如图6、图7所示，图中U_∞代表来流速度。虚拟小肋对边界层中的条带结构进行分隔，进而起到抑制湍流脉动，减小湍流摩擦阻力的效果。

当来流速度不高时，实现最佳减阻效果所需的展向间距较来流速度较大时更大。因此，可根据实际来流速度的需要，采用各列间隔放电的形式(间隔一列如图8，也可间隔多列)，增大虚拟小肋的展向间距，使其继续保持最佳的减阻效果。为适应更宽的来流速度场景，应充分利用半导体材料降低击穿电压引弧的性能，使放电电极2展向间距尽可能小。放电电极2流向间距根据展向间距确定，保证不沿展向放电即可。

基于上述装置，本发明还提出一种基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻方法，其流程如图9所示。

步骤S1，传感器采集流场数据，将传感器布置在流场中，实时采集流场中的温度、压力、速度、壁面切应力等信息，并将数据输入到控制器中。

步骤S2，在控制器中对传感器收集的数据进行分析，根据传感器测得的主流速度u_∞，取摩擦速度u_τ＝0.035u_∞，运动粘度v＝1.51×10^-5m²/s，基于式(2)计算边界层粘性长度尺度δ_v，从而判断当前电弧5的展向间距d_y是否位于15～20δ_v之间。

步骤S3，根据计算分析结果，通过控制电路选择适应的工作模式和参数，不同的模式对应不同的展向间距，使电弧5的展向间距d_y保持在15～20δ_v之间。

具体而言，控制器可根据式(1)(2)判断所需采用的放电策略，若当前的小肋展向间距d_y＞15～20δ_v，其中δ_v为测试得到的边界层粘性长度尺度，则需通过控制高压脉冲电源4的开关来控制更多的电极组放电，主动对电弧5进行展向加密；若当前的小肋展向间距d_y＜15～20δ_v，则需通过控制高压脉冲电源4的开关来减少放电的电极组数目，使电弧5沿展向变稀疏，以适应流场对减阻的要求。

步骤S4，传感器再次采集流场数据，收集电弧放电后的流场信息。

步骤S5，在控制器中再一次对传感器收集的数据进行分析，对比电弧放电前后信息，在所在的温度、压力、速度条件下，对比电弧放电前后所测得的摩擦阻力变化，若测得的摩擦阻力小于电弧放电前的摩擦阻力，则实现预期减阻效果，否则重新根据流场信息选择新的工作模式或新的放电状态。在本发明的一个具体实施例中，采用热膜传感器(公开号：CN111351609A)等表面切应力传感器测量表面摩擦阻力，对比电弧放电前后所测得的摩擦阻力变化，若测得的摩擦阻力小于电弧放电前的摩擦阻力，则实现预期减阻效果，工作结束，否则重新根据流场信息从步骤S1开始选择新的工作模式或新的放电状态。

基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻方法实施过程中，该方法所述各部分的关系如图10所示。

本发明与同领域其他技术的区别如下：

目前存在的技术中，湍流减阻方法多为单纯的基于小肋的被动减阻方法，在采用等离子体放电进行湍流减阻技术中，所采用的放电方式均为介质阻挡放电，尚无采用电弧放电进行湍流减阻的技术，同样也并不存在利用半导体材料降低击穿电压从而起到加密电弧展向布置、提升减阻有效速度范围的技术。

在采用电弧等离子体放电进行流动控制的技术中，其控制对象多为超声速激波、激波-边界层干扰，或采用电弧等离子体放电控制亚声速机翼的大迎角失速分离，进而增大升力、推迟失速、降低大迎角下的压差阻力，而尚无利用电弧放电进行湍流摩擦减阻的技术。飞机阻力可分为压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力等类型，在巡航状态下，摩擦阻力可占总阻力的50％以上，采用电弧放电减小湍流流动导致的摩擦阻力，能够在飞机巡航状态下有效减小摩擦阻力，进而减小飞行总阻力。对于典型客机，巡航状态占整个飞行过程的80％以上，而压差阻力的迅速增大仅在大迎角状态(起飞降落阶段，占飞行过程的20％以下)出现，因此现存的采用电弧放电控制大迎角流动分离进而减小压差阻力的技术与本发明所提出的基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置与方法有本质的区别，与之相比本发明存在独特的优势。

与其他湍流减阻方法相比，本发明有以下优点：

1.适应性更强。与传统的被动小肋减阻方法相比，本发明提出的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置与方法，属于主动方法，能够根据实际飞行中的流场变化，实时调整放电强度与密度、改变控制模式以适应减阻需要，能够有效适应实际飞行中迅速变化的流场状况，时刻保持最佳的减阻状态，适应性和实用性都有了质的增强。

2.有效来流速度更大。与基于介质阻挡放电的等离子体湍流减阻方法相比，本发明提出的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置与方法，所采用的电弧放电强度更大，能够在更大的来流速度下产生有效扰动，从而产生更宽的有效减阻来流速度范围，有效解决现有的基于介质阻挡放电的等离子体湍流减阻技术所存在的，放电强度小、有效减阻速度范围极其有限的问题，在各类飞行器的减阻应用中均具有更强的应用前景。

3.减阻效果好。在湍流边界层减阻应用中，来流速度越大，边界层底层条带结构的展向间距就越小，就需要产生更密的电弧放电和虚拟小肋以实现较好的减阻效果。本发明在电弧阵列中引入半导体材料，将击穿电压从约3千伏/毫米降低至几百伏/毫米，使其产生数量级的降低，从而在保证沿流向正常放电的情况下，将电弧阵列的展向密度显著加大，在更高的来流速度下产生更好的湍流摩擦减阻效果。

Claims (10)

1.一种半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，包括半导体块(1)、电极(2)、陶瓷块(3)和高压脉冲电源(4)；其中

半导体块(1)为薄长方体形状，半导体块(1)侧面开有间隔相同、分布均匀的多个圆柱形盲孔，这些盲孔的轴线在相同平面上，该平面与半导体块(1)前后表面平行；

建立xyz空间坐标系，x轴正方向指向来流方向，y轴正方向指向水平面内与来流方向垂直的方向，z轴正方向指向竖直向上的方向，半导体块(1)前后表面与xoz平面平行；半导体块(1)开有圆柱形盲孔的侧面与xoy平面平行；

放电电极(2)为实心圆柱体长棒，形状与半导体块(1)的盲孔相适应，并插入其中，放电电极(2)插入后，其一端与半导体块侧面平齐并裸露在空气中，另一端插入盲孔底部；

多个圆柱形盲孔中最上端的盲孔底部穿孔，用于穿过导线，将最上端的电极与高压脉冲电源(4)高压输出端连接；最下端的放电电极(2)同样通过在盲孔底部穿孔引线接地；中间电极悬空，不进行任何连接；高压脉冲电源(4)低压输出端接地；

陶瓷块(3)为薄长方体形状，陶瓷块(3)与xoz平面平行的前后表面在xoz平面上的投影与半导体块(1)的完全重叠；

多个插入放电电极(2)的半导体块(1)与陶瓷块(3)间隔布置，且最外层为陶瓷块(3)，使半导体块(1)上插入的多个放电电极(2)形成电极阵列，每个半导体块(1)单独使用一个高压脉冲电源(4)。

2.如权利要求1所述的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，半导体块(1)在x方向上的长度与减阻的目标区域相同；y方向厚度取1mm～3mm；z方向宽度取5mm～10mm；盲孔直径应比半导体块厚度小0.5mm以上；盲孔深度应比半导体块(1)的宽度小1mm以上；同一半导体块(1)上相邻盲孔间距应大于0.1mm；共有N个圆柱形盲孔，N≥5，第一个和最后一个圆柱形盲孔的圆心与半导体块(1)的x方向边缘的距离应大于1mm。

3.如权利要求2所述的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，盲孔直径取0.5mm～2mm；盲孔深度取4mm～9mm。

4.如权利要求2所述的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，半导体块(1)在y方向上厚度为2mm；z方向宽度为10mm；盲孔直径为1mm；盲孔深度为8mm；同一半导体块(1)上相邻盲孔间距为4mm；共有5个圆柱形盲孔，第一个和最后一个圆柱形盲孔的圆心与半导体块(1)的x方向边缘的距离为2mm。

5.如权利要求1所述的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，

在每个圆柱形盲孔中插入一个放电电极(2)；

陶瓷块(3)在x方向的长度为20mm，y方向宽度为1mm，z方向厚度为10mm；陶瓷块(3)与插入放电电极(2)的半导体块(1)间隔布置，形成流向距离为4mm，展向距离为2mm的电极阵列。

6.如权利要求1所述的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，半导体块(1)采用氮化硅半导体或带氧化亚铜涂层的陶瓷材料；放电电极(2)采用耐热导电金属材料或石墨等非金属导电材料；高压脉冲电源(4)选择电压＞3kV、频率＞1kHz的高压脉冲电源，电源体积与重量应尽可能小。

7.如权利要求1所述的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，具体安装时，将所述装置嵌入到需要减阻的表面内部，装置存在裸露放电电极(2)的侧面与需要减阻的表面齐平；所述装置的尺寸以及半导体块(1)、放电电极(2)、陶瓷块(3)的数量根据需要减阻的区域大小进行调整，将所述装置布置在减阻区域中偏上游的位置；放电电极(2)的展向间距d_y由流场状况决定，应满足：

d_y＝15～20δ_v (1)

δ_v＝v/u_τ (2)

其中v为空气的运动粘度，d为展向电极间距，δ_v为边界层粘性长度尺度，u_τ为边界层摩擦速度；放电电极(2)的流向间距依据展向间距和半导体材料表面的击穿电压决定，保证流向放电而展向不放电。

8.如权利要求1所述的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，插入放电电极(2)的单个半导体块(1)通电后的工作过程为：

高压脉冲电源(4)产生脉冲高压，施加到放电电极(2)阵列上，在放电电极(2)间产生强电场，并在半导体块(1)中产生初始电流，对电流通路上的半导体形成加热作用；由于半导体材料具有负值的电阻温度系数，在电压不变时，由于电阻的减小，初始电流通路上的电流将不断增大，导致加热效应也不断增强，从而形成一个“加热增强-电阻减小-电流增大-加热进一步增强”的正向循环，导致电路中绝大部分的电流都集中到半导体块(1)裸露放电电极(2)的侧面的一条狭窄通路上，即连接各接力放电电极(2)的流向通路；在这条导电通路上，温度迅速升高，使半导体材料蒸发，在放电电极(2)间的导电通路上形成电离程度很大、耐电强度却较低的材料蒸汽；这些材料蒸汽进一步增大放电通路的导电性，使放电通路电阻变得极小，等同于一条导线，高压脉冲电源(4)被放电通路短接，在放电通路上产生强烈的电弧放电，产生等离子体，形成沿流向的爆炸性的加热作用，在流场中产生热阻塞，形成流向的“虚拟小肋”；放电沿半导体的设置方向发生；

半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置的工作过程为：

将插入放电电极(2)的单个半导体块(1)展向并排排列，并采用陶瓷块(3)将相邻半导体块(1)隔开，形成半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置；由于半导体块(1)的存在，放电电极(2)更易沿流向放电产生电弧5，而不易沿展向放电，形成沿流向的电弧(5)，在接力放电电极(2)的作用下，各个电弧(5)沿流向首尾相接，形成“电弧等离子体链”，在流场中形成阵列式的“虚拟小肋”作用，即首尾相连的电弧(5)串产生的热阻塞作用，对边界层底层的条带结构进行分隔，达到湍流摩擦减阻目的；

最后一个高压脉冲电源(4)处于关闭状态，因此最后一个半导体块(1)上的放电电极(2)并不放电产生电弧(5)，其他高压脉冲电源(4)打开，在装置侧面形成电弧(5)阵列。

9.如权利要求1所述的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，其工作方法如下：

当来流速度较高时，将全部高压脉冲电源(4)打开，使每一列电极组均产生电弧放电，放电在边界层中产生加热作用，对流场造成阻塞从而形成虚拟小肋；虚拟小肋对边界层中的条带结构进行分隔，进而达到抑制湍流脉动，减小湍流摩擦阻力的效果；

当来流速度不高时，展向间距较来流速度较大时更大；根据实际来流速度的需要，采用各列间隔放电的形式，增大虚拟小肋的展向间距；为适应更宽的来流速度场景，使放电电极(2)展向间距尽可能小；放电电极(2)流向间距根据展向间距确定，保证不沿展向放电即可。

10.一种基于半导体引弧的超密电弧阵列湍流摩擦减阻方法，其基于如权利要求1-6任一项所述的半导体引弧超密电弧阵列湍流摩擦减阻装置，其特征在于，具体流程如下：

步骤S1，传感器采集流场数据，将传感器布置在流场中，实时采集流场中的温度、压力、速度、壁面切应力等信息，并将数据输入到控制器中；

步骤S2，在控制器中对传感器收集的数据进行分析，根据传感器测得的主流速度u_∞，取摩擦速度u_τ＝0.035u_∞，运动粘度v＝1.51×10^-5m²/s，基于式(2)计算边界层粘性长度尺度δ_v，

δ_v＝v/u_τ (2)

从而判断当前电弧(5)的展向间距dy是否位于15～20δ_v之间；

步骤S3，根据计算分析结果，通过控制电路选择适应的工作模式和参数，不同的模式对应不同的展向间距，使电弧(5)的展向间距d_y保持在15～20δ_v之间；

控制器根据式(1)(2)判断所需采用的放电策略，

d_y＝15～20δ_v (1)

若当前的小肋展向间距d_y＞15～20δ_v，其中δ_v为测试得到的边界层粘性长度尺度，则需通过控制高压脉冲电源(4)的开关来控制更多的电极组放电，对电弧(5)进行展向加密；若当前的小肋展向间距d_y＜15～20δ_v，则需通过控制高压脉冲电源(4)的开关来减少放电的电极组数目，使电弧(5)沿展向变稀疏，以适应流场对减阻的要求；

步骤S4，传感器再次采集流场数据，收集电弧放电后的流场信息；

步骤S5，在控制器中再一次对传感器收集的数据进行分析，对比电弧放电前后信息，在所在的温度、压力、速度条件下，对比电弧放电前后所测得的摩擦阻力变化，若测得的摩擦阻力小于电弧放电前的摩擦阻力，则实现预期减阻效果，工作结束，否则重新根据流场信息从步骤S1开始选择新的工作模式或新的放电状态。