CN213907014U - 一种沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于大气压低温等离子体应用技术领域，涉及一种大气压沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置及使用方法。所述的装置包括上电极、介质板、下电极、交流高压电源，所述的上、下电极采用方形铝箔电极，电极的宽度、长度可根据需求自行设计，介质板为微孔绝缘介质板，本实用新型中采用的是微孔氧化铝陶瓷介质板；上、下电极分别不对称粘在微孔氧化铝陶瓷介质板的上表面和下表面，且下电极被绝缘胶带覆盖；上电极作为高压电极，连接外界交流电源的高压端；下电极作为接地电极，与地线连接；所述的微孔氧化铝陶瓷介质板设有不少于一排水平微孔带。本实用新型能获得大扰动速度、强推力、高性能的等离子体流动控制能力。
Description
技术领域
本实用新型属于大气压低温等离子体应用技术领域，涉及一种大气压沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置及使用方法。
背景技术
物体在流动的过程中会受到阻力的作用，从而运动受阻，产生噪音、振动，更为严重时会导致物体的失稳、变形，这一问题在航空航天领域中极为突出。为了保证飞行器的稳定工作，对其实施一定的流动控制变得重要。
大气压沿面介质阻挡放电等离子体主动流动控制技术由于其具有没有运动部件，不改变既有的气动外形，重量轻，结构简单易安装，反应速度快激励频带宽，激励参数便于实时调控，能耗低等优点而备受关注。等离子体中的带电粒子在电场的作用下加速运动并与中性气体分子发生碰撞，传递动量，产生电流体动力，诱导气流发生定向移动，产生离子风，便具有了流动控制的能力。目前针对亚声速的流动控制的最低目标是实现对流速100m/s的气流控制，因为100m/s可以达到飞行器的起降速度，所以就有了实际的应用价值。但现在沿面介质阻挡放电等离子体产生的最大诱导气流速度才10.5m/s，对于实际应用还远远不够，所以等离子体流动控制的性能还需更进一步的提升。
实用新型内容
针对现有技术提升等离子体流动控制性能的局限，本实用新型提供一种大气压沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置及使用方法。本实用新型采用微孔介质阻挡沿面放电结构，与传统介质板沿面放电相比能够产生大速度的扰动气流，在流动控制性能方面发挥着一定的优势。
本实用新型的技术方案为：
一种沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置，该装置能够加强放电，与传统介质板沿面放电相比能够产生大速度的扰动气流，包括上电极、介质板、下电极、交流高压电源，所述的上、下电极采用方形铝箔电极，电极的宽度、长度可根据需求自行设计，介质板为微孔绝缘介质板，本实用新型中采用的是微孔氧化铝陶瓷介质板；上、下电极分别不对称粘在微孔氧化铝陶瓷介质板的上表面和下表面，且下电极被绝缘胶带覆盖；上电极作为高压电极，连接外界交流电源的高压端；下电极作为接地电极，与地线连接；所述的微孔氧化铝陶瓷介质板设有不少于一排水平微孔带。电极结构也可细丝状的，锯齿状的电极。
所述的微孔带与上电极平行。
所述上电极与水平微孔带以及下电极的间距均可调节。
所述微孔带长度不小于上、下电极的有效长度。
所述微孔带中的彼此相邻的微孔孔心距相等。
所述微孔带中微孔数不易过少，1mm长度内不少于1个微孔。
所述的铝箔电极为方形且四个顶角为弧形，以防止产生尖端放电。
所述的方形铝箔电极的宽度可根据需求调节。
所述的交流电源频率可根据放电要求选取，电压幅值可根据上下电极间距以及介质板厚度确定，所述的电源频率为5kHz，电压峰峰值选取范围为13kV～21kV。
采用上述的装置得到大扰动速度、强推力、高性能的等离子体流动控制的方法，包括以下步骤：
第一步，设计电极与微孔带的位置；
第二步，连接电路：上电极连接交流电源的高压端，下电极接地；
第三步，大气压静态环境下，启动交流电源，在装置的微孔氧化铝陶瓷介质板表面产生大扰动速度、强推力、高流动控制性能的等离子体。
人为的拍摄放电图像作为实验现象保存，利用毛细玻璃管连接皮托管和微压差传感器可实现气流风速的测量，将实验装置放置在电子天平上可测量产生的推力，通过上述的测量结果，比较流动控制的能力。
采用上述装置得到大扰动速度、强推力、高性能的等离子体流动控制能力。通过这种装置和方法，目前本实用新型使用的交流电源频率为5kHz，实验中微孔介质板产生的等离子体推力最大可达到传统介质板推力的1.83倍。实用新型为沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能的提升提供了突破点。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型能获得大扰动速度、强推力、高性能的等离子体流动控制能力。此方法对实现高性能等离子体流动控制提供了一种途径，具有重要意义。
附图说明
图1为微孔氧化铝陶瓷介质板沿面阻挡放电激励器装置的正视图；
图2为微孔氧化铝陶瓷介质板沿面阻挡放电激励器装置的俯视图；
图3为微孔氧化铝陶瓷介质板沿面阻挡放电装置电路连接示意图；
图4为实验装置示意图，其中(a)为微孔氧化铝陶瓷介质板放电装置；(b)为无孔传统氧化铝陶瓷介质板放电装置；
图5为两种放电装置下的放电图像，其中(a)、(b)、(c)分别为电压峰峰值为15kV、16kV、17kV微孔氧化铝陶瓷介质板的放电图像；(d)、(e)、(f)分别为电压峰峰值为15kV、16kV、17kV无孔传统氧化铝陶瓷介质板的放电图像；
图6为电压峰峰值15kV、16kV、17kV时两种装置沿介质板表面产生的风速分布；
图7为微孔氧化铝陶瓷介质板放电和无孔传统氧化铝陶瓷介质板放电产生推力的比较；
图8为氮化铝陶瓷板在电压峰峰值15kV下两种装置的放电图像；
图9为微孔带位于下电极上的激励器装置示意图；
图10为微孔带位于下电极上，两种装置沿介质板表面产生的风速分布，(a)、(b)电压峰峰值分别为18kV和21kV。
图中：1微孔氧化铝陶瓷介质板；2铝箔电极；3微孔带；4绝缘胶带。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本实用新型做进一步阐述。
一种大气压沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置，该装置包括：上电极、微孔介质板、下电极、交流高压电源。
所述的上、下电极均为方形的铝箔电极2，介质板采用微孔氧化铝陶瓷介质板1；上、下电极分别不对称粘在微孔氧化铝陶瓷介质板1的上表面和下表面，且下电极被绝缘胶带4覆盖；上电极作为高压电极，连接外界交流电源的高压端；下电极作为接地电极，与地线连接；所述的微孔氧化铝陶瓷介质板1含有微孔带3。
采用上述装置得到大扰动速度、强推力、高性能的等离子体流动控制的方法，包括以下步骤：
第一步，设计电极与微孔带的位置，组装实验装置。如图1所示，选用氧化铝陶瓷介质板，其中微孔带3总长50mm，相邻微孔孔心距0.5mm，上下电极宽均为10mm，上下电极有效长54mm，上下电极间距3mm，微孔带3位于上下电极之间，与上电极平行排列且相距1mm。
第二步，连接电路。如图3所示，上电极连接交流电源的高压端，下电极连接交流电源的接地端。
第三步，大气压静态环境下，启动5kHz交流电源，设置电压峰峰值15kV，在装置的微孔介质板表面产生大扰动速度、强推力、高流动控制性能的等离子体。人为拍摄放电图像保存实验现象，并利用毛细玻璃管连接皮托管与微压差传感器测量放电产生的扰动气流速度。
第四步，调节电压峰峰值为16kV、17kV，重复上述实验，并在相同条件下进行无孔传统介质板放电实验的对比。
第五步，将上述实验条件下的装置放置在电子天平上测量放电产生的推力。
为了证明本实用新型可以实现预期效果，并且为了突出本实用新型产生的有益效果，在实验中对两个放电结构(微孔介质板和无孔传统介质板)进行了对比研究：
实验参数：上下电极宽度和长度均可随意调节，为了避免尖端放电，方形铝箔的四个顶角剪为弧形，本说明书附图中的图1，上下电极宽均为10mm，电极长度54mm与微孔带长度近似，电极长度无明确要求，仅满足不要长于微孔带长度的8％即可，尽可能小于微孔带长。上下电极的间距和微孔距上电极的距离也可调节，本说明书附图采用两种情况，一种情况是微孔带位于上下电极之间，上下电极间距3mm，上电极距微孔1mm，如图1所示；另一种是微孔带位于下电极之上，上下电极间距1mm，上电极距孔1mm，如图9所示。介质板为绝缘材料，说明书附图中包含三种介质板，氧化铝陶瓷板，规格为80×60×1mm3，微孔直径80μm，相邻孔心距0.5mm，微孔带总长50mm，此介质板对应图1～图7；氮化铝陶瓷板，规格为65×55×0.5mm3，微孔直径40μm，相邻孔心距1mm，微孔带总长55mm，此介质板对应图8；石英玻璃板，规格为50×50×1mm3，微孔直径20μm，相邻孔心距0.5mm，微孔带总长20mm，此介质板对应图9和图10。其中氧化铝陶瓷介质板和氮化铝陶瓷介质板的微孔深径比相同。采用的交流电源频率为5kHz，实验中的电压峰峰值选取范围为13kV～21kV。上、下电极各粘有铝箔条，铝箔条作为连接电极的接口，上电极作为高压电极，与交流电源的高压端连接；下电极作为接地电极，与交流电源的地线连接。实验采取对比方法，简化装置如图4所示。
两个放电结构图4中的(a)和(b)的唯一区别就是在陶瓷介质板有没有微孔带。图4中的(a)为微孔氧化铝陶瓷介质板；图4中的(b)为无孔传统的氧化铝陶瓷介质板。采用尼康D7000数码相机拍摄两个放电结构的放电图像，如图5所示。图5为氧化陶瓷板，微孔带位于上下电极之间的放电图像，其中(a)、(b)、(c)分别为电压峰峰值为15kV、16kV、17kV微孔介质板的放电图像；(d)、(e)、(f)分别为电压峰峰值为15kV、16kV、17kV无孔传统介质板的放电图像。
从图5中可以看到，两种装置相比，微孔介质板的放电更均匀，无孔传统介质板的放电丝状现象很明显。观察微孔带还可以发现微孔处放电有增强。相关研究文献表明相同实验条件下，均匀放电产生的流动控制性能效果要比不均匀的丝状放电的流动控制效果更佳。
在图5的实验条件下，利用毛细玻璃管连接皮托管和微压差传感器测量了放电产生的扰动气流速度，测量结果如图6所示，图中的(a)、(b)、(c)分别为电压峰峰值15kV、16kV、17kV。从图中可以看出，微孔介质板放电产生的扰动气流速度相比无孔传统介质板放电产生的扰动气流速度大。电压峰峰值17kV时，微孔介质板放电最大扰动气流速度可提升约20％。
利用电子天平还测量了放电产生的推力，如图7所示。从图可以看出，微孔介质板放电产生的推力比无孔传统介质板产生的推力大，推力测量是风速的空间总效应，在电压峰峰值15kV下，微孔介质板放电产生的推力相比同条件下的无孔传统板放电产生的推力可提升约40％。这也证明了微孔介质板沿面放电等离子体流动控制性能的有效提升。
除此之外，保证微孔的深径比不变的情况下，减小介质板的厚度，采用0.5mm厚氮化铝陶瓷介质板重复上述实验，放电图像如图8所示。其中a为微孔介质板放电图像，b为无孔传统介质板放电图像。从图8中更能明显看出：微孔介质板产生的放电更均匀，微孔处有放电产生，且微孔处的放电增强。利用天平测量了产生的推力，发现电压峰峰值13kV和14kV时的推力相比无孔传统介质板放电分别能增加约83％和64％，该实验条件下的流动控制性能更佳。
改变微孔带所处的位置，进行了微孔带位于下电极上的实验，激励器装置图如图9所示，介质板为石英玻璃，厚1mm，微孔直径20微米，微孔带位于下电极上，上下电极间距1mm，上电极距孔1mm。放电产生的扰动气流速度如图10所示，(a)、(b)分别为电压峰峰值18kV、21kV，可见放电产生的扰动气流速度仍是微孔介质板的大。
综上所述，相同实验条件下，微孔介质板放电与无孔传统介质板放电相比可以得出结论：
(1)微孔介质板沿面放电更均匀；
(2)微孔介质板沿面放电产生的扰动气流速度更大，产生的推力更强；
(3)在微孔的深径比一定时，薄的氮化铝陶瓷介质板产生的流动控制性能比厚的氧化铝陶瓷介质板产生的流动控制性能更好；
(4)调节微孔的位置，其激励器产生的流动控制性能仍比无孔传统介质板更佳。
目前上述研究表明，微孔介质板放电产生的推力相比无孔介质板放电的推力最大可提升约83％。本实用新型在传统介质板中引入微孔带，提高了扰动气流速度和推力，增强了等离子体流动控制的能力。
在本实用新型的基础上，也可通过在上介质板上打多排微孔带、调节微孔带与上下电极之间的距离或者调节微孔的深径比以获得更好效果的流动控制能力。
上下电极的形状以及宽度对激励器装置的流动控制性能也有影响，本说明仅采用了最普通、做常用的电极形状和宽度，通过对比说明了微孔带对流动控制性能有提升效果，若改用流动控制效果更好的电极结构，在此基础上引入微孔带，其产生的性能应该会更佳。
所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置，其特征在于，包括上电极、介质板、下电极、交流高压电源；所述的上、下电极采用方形铝箔电极(2)，电极结构的宽度、长度根据需求自行设计，介质板为微孔绝缘介质板，微孔绝缘介质板采用的是微孔氧化铝陶瓷介质板(1)、氮化铝陶瓷板或石英玻璃板的一种；上、下电极分别不对称粘在微孔氧化铝陶瓷介质板(1)的上表面和下表面，且下电极被绝缘胶带(4)覆盖；上电极作为高压电极，连接外界交流电源的高压端；下电极作为接地电极，与地线连接；所述的微孔氧化铝陶瓷介质板(1)设有不少于一排水平微孔带(3)；
所述的微孔带(3)与上电极平行；所述上电极与水平的微孔带(3)以及下电极的间距均可调节；所述微孔带(3)长度不小于上、下电极的有效长度；所述微孔带(3)中微孔数为1mm长度内不少于1个微孔。
2.如权利要求1所述的一种沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置，其特征在于，所述微孔带(3)中的彼此相邻的微孔孔心距相等。
3.如权利要求1或2所述的一种沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置，其特征在于，所述的铝箔电极(2)为方形且四个顶角为弧形，以防止产生尖端放电。
4.如权利要求1或2所述的一种沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置，其特征在于，所述的铝箔电极(2)的宽度可调，电极结构是细丝状或锯齿状的电极。
5.如权利要求1或2所述的一种沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置，其特征在于，交流电源频率根据放电要求选取，电压峰峰值选取范围为13kV～21kV。
6.如权利要求3所述的一种沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置，其特征在于，交流电源频率根据放电要求选取，电压峰峰值选取范围为13kV～21kV。
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| CN112689371A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-04-20 | 大连理工大学 | 一种沿面介质阻挡放电等离子体流动控制性能优化的装置 |
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