CN217936039U - 一种新型多电极等离子体激励器结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及叶片流动分离控制领域，特别涉及一种新型多电极等离子体激励器结构。该结构包括裸露电极、掩埋电极、电介质层、绝缘层、高压等离子体交流电源、高压等离子体直流电源，电介质层处于裸露电极和绝缘层之间，掩埋电极预埋在电介质层内，高压等离子体交流电源与裸露电极相接，高压等离子体直流电源与掩埋电极相接。通过在裸露电极和掩埋电极上施加高电压激励，激励器放电处将产生流向射流和诱导漩涡，该诱导射流与来流相互作用，在定常激励模式下，壁面法向的速度脉动触发了展向涡结构的生成；在非定常激励模式下，电介质层上方会形成周期性的大尺度漩涡结构，能够大幅延迟翼型的失速角，并获得较大的升力提升。
Description
技术领域
本实用新型涉及风力机叶片流动分离控制领域，特别涉及一种新型多电极等离子体激励器结构。
背景技术
绿色能源在世界能源消费结构中所占比重逐年攀升，其中风能作为未来主要绿色能源而发展迅猛。其中小型发电机这种基于城市环境可推动分布式能源概念推广的发电装置被寄予厚望。随着装机容量的不断增加，提高风力机发电效率和经济效益迫在眉睫。在风机实际运行过程中由于逆压梯度较大，风机叶片周围通常会发生流动分离现象。流动分离现象一方面会导致叶片升力减小，空气动力学性能急剧恶化，造成能量转换率的急剧降低；另一方面，流动分离时产生的尾流会使叶片发生剧烈振动，导致叶片疲劳损伤，使其工作寿命大幅缩短，因此各类流动分离控制技术已被用于叶片翼型的空气动力学性能优化。
目前流动分离控制技术可分为被动型和主动型两种。被动控制技术如增加静态粗糙度和使用自适用表面等工艺，主要采用调节和优化的方法改变几何表面，通过控制流动边界条件或压力梯度的变化来实现流场控制。主动控制技术包括运动表面、抽吸气及介质阻挡放电等离子体激励器等。其中，介质阻挡放电等离子体激励器因其具有响应频率高、无机械活动部件、无寄生阻力和噪声等优点，近些年来发展迅速。在机翼、圆柱及风力涡轮机叶片的增升减阻以及抑振降噪等方面有显著的控制效果。针对非条形裸露电极诱导三维流场的研究，放电过程和诱导流场特征已经明晰，射流速度和涡强度不能同时达到较高的数值。多掩埋电极发挥了介质阻挡放电的非对称特征，在时间和空间上增大裸露电极和掩埋电极间的电场强度，从而增大诱导射流速度。因此只有合理地设置激励电压，才能达到最好的流动分离控制效果。
传统等离子体激励器多是采用两条条形电极分别作为裸露电极和掩埋电极。电极之间使用电介质层隔离，在裸露电极和掩埋电极之间施加以高压交流电使得裸露电极上方空气发生电离，进而在裸露电极上方产生诱导壁面射流。传统等离子体激励器所产生的射流速度较小，对于流动分离的控制效果也较弱。
因此，如何确定最佳的激励信号，从而使得激励器达到最好的流动分离控制效果，以达到优化风力机叶片的空气动力学性能，是本领域技术人员所亟待解决的技术难题。
实用新型内容
本实用新型提供一种新型多电极等离子体激励器结构，旨在提升风力机叶片的气动性能。
本实用新型提供一种新型多电极等离子体激励器结构，其主要构件包括裸露电极、掩埋电极、电介质层、绝缘层、高压等离子体交流电源、高压等离子体直流电源，所述电介质层处于裸露电极和绝缘层之间，所述掩埋电极预埋在电介质层内，所述高压等离子体交流电源与裸露电极相接，所述高压等离子体直流电源与掩埋电极相接。
作为本实用新型的进一步改进，所述掩埋电极包括第一掩埋电极、第二掩埋电极、第三掩埋电极，所述第一掩埋电极连接在电介质层下端并由绝缘层覆盖封装，所述第二掩埋电极、第三掩埋电极预埋在电介质层内部，所述高压等离子体直流电源分别与第一掩埋电极、第二掩埋电极、第三掩埋电极相接。
作为本实用新型的进一步改进，所述裸露电极和第一掩埋电极均为锯齿形电极，两片所述锯齿形电极以齿尖对齿尖、齿槽对齿槽的方式相对布置。
作为本实用新型的进一步改进，所述第二掩埋电极和第三掩埋电极为条形电极，两个所述条形电极与锯齿形电极相邻布置。
作为本实用新型的进一步改进，所述锯齿形的裸露电极与锯齿形的第一掩埋电极之间、所述锯齿形的第一掩埋电极与条形的第二掩埋电极之间、所述条形的第二掩埋电极与条形的第三掩埋电极之间均为零间距。
作为本实用新型的进一步改进，所述锯齿形电极的材料为铜片，所述条形电极的材料为铜箔。
作为本实用新型的进一步改进，所述电介质层包括第一电介质层、第二电介质层、第三电介质层，所述第一电介质层、第二电介质层、第三电介质层依次连接，所述第一掩埋电极位于第一电介质层下方，所述裸露电极位于第三电介质层上方，所述第二掩埋电极封装在第一电介质层内，所述第三掩埋电极封装在第二电介质层内。
作为本实用新型的进一步改进，所述第一电介质层、第二电介质层的材质为硅橡胶，所述第三电介质层的材料为特氟龙薄膜，所述绝缘层的材料为聚酰亚胺薄膜胶带。
作为本实用新型的进一步改进，所述高压等离子体交流电源为裸露电极施加定常或非定常的交流激励电压信号。
作为本实用新型的进一步改进，所述高压等离子体直流电源为掩埋电极施加高压直流电压激励信号，所述高压直流电压激励信号包括但不局限于正极性直流激励信号、负极性直流激励信号、脉冲直流激励信号。
本实用新型的有益效果是：新型多电极等离子体激励器安装到翼型表面，通过在裸露电极和掩埋电极上施加高电压激励，激励器放电处将产生流向射流和流向或展向诱导漩涡，该诱导射流与来流相互作用，在定常激励模式下，壁面法向的速度脉动触发了展向涡结构的生成；在非定常激励模式下，脉冲等离子体射流诱发剪切层的不稳定性，使得剪切层卷起，电介质层上方会形成周期性的大尺度漩涡结构，沿着翼型吸力面向翼型尾缘发展，吸力面形成负压区，能够大幅延迟翼型的失速角，并获得了较大的升力提升。
附图说明
图1是本实用新型一种新型多电极等离子体激励器组成的截面示意图；
图2是本实用新型一种新型多电极等离子体激励器的俯视图；
图3是本实用新型一种新型多电极等离子体激励器的侧视图；
图4是本实用新型高压等离子体交流电源在裸露电极施加定常交流电AC电压信号图；
图5是本实用新型高压等离子体交流电源在裸露电极施加非定常交流电AC电压信号图；
图6是本实用新型一种新型多电极等离子体激励器所产生的诱导射流在不同流向位置的速度剖面图；
图7是本实用新型一种新型多电极等离子体激励器在不同流向位置平面内所产生的最大时均诱导涡量图；
图8是本实用新型一种新型多电极等离子体激励器在流向不同位置无量纲流向涡量图；
图9是本实用新型一种新型多电极等离子体激励器安装在NACA 4412翼型表面后翼型升阻力测量系统搭建示意图；
图10是本实用新型一种新型多电极等离子体激励器在定常激励和非定常激励（激励参数F + = 1.4, DC = 7时）的模式下对NACA 4412翼型空气动力学性能的优化结果图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型的一种新型多电极等离子体激励器结构，其主要构件包括裸露电极1、掩埋电极、电介质层、绝缘层8、高压等离子体交流电源9、高压等离子体直流电源10，电介质层处于裸露电极1和绝缘层8之间，掩埋电极预埋在电介质层内，高压等离子体交流电源9与裸露电极1相接，高压等离子体直流电源10与掩埋电极相接。
多电极等离子体激励器安装在风力机叶片翼型NACA 4412上，多电极等离子体激励器安装于翼型前缘中间与翼型表面平行的凹槽内，以确保激励器安装之后不会改变原有翼型的气动外形，通过在裸露电极1、掩埋电极施加合适的电压信号，激励器放电处将产生诱导射流和诱导漩涡。
通过使用信号发生器向高压等离子体交流电源9输入不同频率、电压及控制参数（无量纲调制频率F + 和占空比DC）下的激励信号，使高压等离子体交流电源9在裸露电极1施加相应的交流电压，同时使用高压等离子体直流电源10在裸露电极1施加不同大小的正极或负极的直流电压，在高压电场的作用下，裸露电极1放电将掩埋电极上方的空气电离产生等离子体，进而在电场的作用下形成了壁面诱导射流，该诱导射流与来流相互作用，在定常激励下，壁面法向的速度脉动触发了展向涡结构的生成，在非定常激励下，脉冲等离子体射流诱发剪切层的不稳定性，使得剪切层卷起，形成周期性的大尺度漩涡结构，从而对翼型的流动分离进行控制。
新型多电极等离子体激励器所产生的壁面诱导射流及诱导涡结构与来流相互作用，改变了翼型吸力面上方的流场结构，对比传统等离子体激励器，在控制效果上能够进一步延迟翼型的失速角，并获得了更大的升力提升，翼型的空气动力学性能得以进一步优化，将激励器贴附于所需应用的物体表面即可，具有无运动部件、响应速度快、调节范围广、易于加工安装等优势。
掩埋电极包括第一掩埋电极2、第二掩埋电极3、第三掩埋电极4，第一掩埋电极2连接在电介质层下端并由绝缘层8覆盖封装，第二掩埋电极3、第三掩埋电极4预埋在电介质层内部，高压等离子体直流电源10分别与第一掩埋电极2、第二掩埋电极3、第三掩埋电极4相接。
如图2所示，多电极等离子体激励器电极一共有四条，由一对锯齿形电极和两条条形电极共同构成。裸露电极1和第一掩埋电极2为锯齿形电极，两片锯齿形电极以齿尖对齿尖、齿槽对齿槽的方式相对布置。第二掩埋电极3和第三掩埋电极4为条形电极，两个条形电极与锯齿形电极相邻布置。
如图1至图3所示，锯齿形的裸露电极1与锯齿形的第一掩埋电极2之间、锯齿形的第一掩埋电极2与条形的第二掩埋电极3之间、条形的第二掩埋电极3与条形的第三掩埋电极4之间均为零间距。
锯齿形电极使用厚度为0.15mm的铜片制作，条形电极使用0.05mm的铜箔制作，锯齿形电极和条形电极的宽度均为10mm。锯齿形电极的锯齿的高度为1.5mm，齿宽为17mm。
如图1所示，电介质层包括第一电介质层7、第二电介质层6、第三电介质层5，第一电介质层7、第二电介质层6、第三电介质层5依次连接，第一掩埋电极2位于第一电介质层7下方，裸露电极1位于第三电介质层5上方，第二掩埋电极3封装在第一电介质层7内，第三掩埋电极4封装在第二电介质层6内。裸露电极1直接暴露在空气当中，第一掩埋电极2位于第一电介质层7之下，被绝缘层8覆盖封装，防止裸露电极1发生放电，第二掩埋电极3封装在第一电介质层7之中，第三掩埋电极4封装在第二电介质层6当中，然后由第三电介质层5覆盖。
第三电介质层5使用0.5mm厚的特氟龙薄膜，第一电介质层7和第二电介质层6均使用0.5mm厚的硅橡胶层对条形电极进行封装，绝缘层8使用0.1mm厚的聚酰亚胺薄膜胶带，将锯齿形掩埋电极进行覆盖封装，可防止与空气接触而放电。
高压等离子体交流电源9为裸露电极1施加定常或非定常的交流激励电压信号，施加定常或非定常的交流电后的电压信号效果如图4和图5。
高压等离子体直流电源10为掩埋电极施加高压直流电压激励信号或者直接进行接地，高压直流电压激励信号包括但不局限于正极性直流激励信号、负极性直流激励信号、脉冲直流激励信号等。
掩埋电极与不同极性的高压直流电相连接时，定常激励与不同参数下的非定常激励会使多电极等离子体激励器所产生的诱导射流速度和诱导涡的强度及范围大小具有明显差异。
本实用新型中三条掩埋电极由高压等离子体直流电源10进行供电，而高压直流电无法通过介质阻挡放电型激励器，因而其作用是增加电介质层两侧电荷的积累，即电荷的密度，电荷运动产生的电流是由高压等离子体交流电源9提供的电压所致，因此只有交流电压信号对多电极等离子体激励器做功。
多电极等离子体激励器工作过程中的能量消耗，由示波器采集的瞬时电压和瞬时电流信号，通过MATLAB软件进行积分计算，得到最终多电极等离子体激励器的功率。
通过使用自制的皮托管（由直径为 0.5mm 的毛细玻璃管制成）连接微压计测量裸露电极1边缘下游不同流向位置平面内的时间平均壁面法向速度剖面。该微压仪的量程为0~50m/s，测量不确定度小于2%。采用一维移动机构移动皮托管对壁面法向的不同高度进行测量，位移精度为0.025mm，图6演示了不同流向位置激励器所诱导的壁面射流速度剖面，当裸露电极11与11kHz，15kV的高压交流电相接，且第一掩埋电极2、第二掩埋电极3、第三掩埋电极4分别与-15kV或+15kV的直流电相接时，此时激励器所产生的最大诱导射流速度分别为6.4m/s和6.83m/s，且都是位于激励器裸露电极1齿尖下游x’= 15mm处。
通过使用二维时间分辨的PIV系统对等离子体激励器诱导的流场进行测量分析。实验在密闭的有机玻璃箱（长0.5m，宽 0.5m，高 0.8m）内完成。所使用的示踪粒子为平均直径为1μm的橄榄油粒子，等离子体激励器通电前应尽可能使粒子均匀地充满有机玻璃箱，激光提供的片光源厚度约为1mm，所选取的拍摄平面有x’-y’平面（与锯齿形电极的齿尖对齐）和不同流向位置的y’-z’平面（x’= 3, 6, 9, 15和25mm），图7展示了不同激励器在不同流向位置平面内所产生的最大时均诱导涡量，当裸露电极1与11kHz，15kV的高压交流电相接，第一掩埋电极2、第二掩埋电极3、第三掩埋电极4分别与-15 kV或+15kV的直流电相接时，所产生的最大时均诱导涡量分别为706s-1和650s-1，且均位于x’= 6mm的y’-z’平面。
图8展示了新型多电极等离子体激励器在流向不同位置的流向涡量，在 x’= 3 mm的流向位置，锯齿形电极的齿槽区域，存在一个等离子体产生的沿流方向的初级漩涡对（较大尺度的漩涡）及其相关的次级漩涡对（较小尺度的漩涡）。与同一侧的初级漩涡相比，相对较小的次级漩涡具有相反的符号且漩涡强度较弱，近壁面次级漩涡对扩大，但由于壁面粘滞效应，其强度逐渐降低。在 x’= 9-25 mm 处，在没有向初级涡旋提供动量的情况下，它们相互挤压并进一步径向扩展，从而导致其漩涡强度降低,当次级漩涡的发展空间被缩小，它们在壁面附近变形并逐渐消散。掩埋电极施加以不同极性的高压直流电时，漩涡的发展是类似的，区别在于诱导涡量的大小不同。
多电极等离子体激励器工作过程中，作用于裸露电极1的瞬时电压信号，难以直接进行测量，需用高压探头（衰减比为1000 : 1）衰减后通过示波器进行采集，所述的多电极等离子体激励器工作过程的瞬时电流信号，通过在裸露电极1与地线之间串联100欧姆电阻，再由电流探头监测流经该电阻的瞬时电流信号，最终由示波器进行采集，多电极等离子体激励器功耗定义如下：
式中，T是采样时间，V ac(t) 为交流电源放大器输入端有负载时测得的瞬时电压，I ac(t) 为同步测得的瞬时电流。
为了测量所述新型多电极等离子体应用于NACA 4412翼型（弦长为 200mm，翼展为300mm）时对于流场的控制效果及对NACA 4412翼型空气动力学性能的优化效果，将激励器安装于翼型前缘中间位置平行于翼型表面的凹槽内，以确保不会对NACA 4412翼型的原有气动外形造成改变，裸露电极1的齿尖与翼型上表面距离前缘2%弦长的位置对齐安装，测试主要在低速低湍流度闭式循环风洞的实验段进行，实验段的主要尺寸为长×宽×高为2.4m×0.6m×0.6m，采用三维载荷传感器测量翼型的升、阻力，翼型升阻力测量系统整体搭建如图9所示。图9中各部件分别为端板11、支撑杆12、风洞壁13、挡风罩14、旋转盘15、测力感应器16、1mm的间隙17、本实用新型的多电极等离子体激励器18。
如图10所示，当来流风速为7.5m/s时，在定常激励模式下，新型多电极等离子体激励器可以使 NACA 4412翼型的失速攻角α延迟4°，并使 C Lmax 提高8.1%。在非定常激励模式下，最优的非定常激励参数无量纲调制频率F + =1.4，占空比DC=7%。与无控制工况相比，此时的失速角延迟和最大升力系数提升分别为5°和19.6%。在α=22°时，升力系数提升101%，同时可节约93%的功耗。
在定常激励下，电场沿流向在掩埋电极上延伸，同时受三个掩埋电极（接正极高压直流电）的影响而强烈波动，从而在机翼的前缘产生较大的横向速度波动，横向速度波动增强了剪切层的不稳定性，随后，在吸力面上诱导出大尺度展向涡结构，从而增大升力及其波动。在非定常激励下，由新型多电极等离子体激励器产生的脉冲流动诱导出的展向涡可增强分离的剪切层在局部滚动，随后朝吸力表面移动并重新附着在吸力表面上。在重新附着的剪切层下方形成了大尺度展向涡旋结构，该结构在吸力面上方向下游发展并移动，将动量卷吸到近壁区域，结果在机翼上方形成了一个低压区域，因此升力提升，从而使得NACA4412翼型的空气动力学性能得以优化。
本实用新型提供的新型多电极等离子体激励器，具有以下优点：
1、通过采用一对锯齿形电极和两条条形电极共同构成激励器的电极，对比传统锯齿形双电级激励器，在相同的功耗下，新型多电极等离子体激励器具有更大的诱导射流速度和更大的诱导涡量，进而在流动分离控制上能比传统激励器能够获得更好的控制效果。
2、掩埋电极所施加的正极或负极高压直流电增加了电介质层两侧电荷的积累，即电荷的密度，不会而外增加激励器功耗，比传统等离子体激励器具有更大的效能比。
3、将等离子体激励器直接贴附于所需进行流动控制的物体表面即可，如风力机叶片上，具有无运动部件、且能达到较好的空气动力学性能优化的特点，具有良好的工程应用前景。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，主要构件包括裸露电极、掩埋电极、电介质层、绝缘层、高压等离子体交流电源、高压等离子体直流电源，所述电介质层处于裸露电极和绝缘层之间，所述掩埋电极预埋在电介质层内，所述高压等离子体交流电源与裸露电极相接，所述高压等离子体直流电源与掩埋电极相接。
2.根据权利要求1所述的新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，所述掩埋电极包括第一掩埋电极、第二掩埋电极、第三掩埋电极，所述第一掩埋电极连接在电介质层下端并由绝缘层覆盖封装，所述第二掩埋电极、第三掩埋电极预埋在电介质层内部，所述高压等离子体直流电源分别与第一掩埋电极、第二掩埋电极、第三掩埋电极相接。
3.根据权利要求2所述的新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，所述裸露电极和第一掩埋电极均为锯齿形电极，两片所述锯齿形电极以齿尖对齿尖、齿槽对齿槽的方式相对布置。
4.根据权利要求3所述的新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，所述第二掩埋电极和第三掩埋电极为条形电极，两个所述条形电极与锯齿形电极相邻布置。
5.根据权利要求4所述的新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，所述锯齿形的裸露电极与锯齿形的第一掩埋电极之间、所述锯齿形的第一掩埋电极与条形的第二掩埋电极之间、所述条形的第二掩埋电极与条形的第三掩埋电极之间均为零间距。
6.根据权利要求4所述的新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，所述锯齿形电极的材料为铜片，所述条形电极的材料为铜箔。
7.根据权利要求2所述的新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，所述电介质层包括第一电介质层、第二电介质层、第三电介质层，所述第一电介质层、第二电介质层、第三电介质层依次连接，所述第一掩埋电极位于第一电介质层下方，所述裸露电极位于第三电介质层上方，所述第二掩埋电极封装在第一电介质层内，所述第三掩埋电极封装在第二电介质层内。
8.根据权利要求7所述的新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，所述第一电介质层、第二电介质层的材质为硅橡胶，所述第三电介质层的材料为特氟龙薄膜，所述绝缘层的材料为聚酰亚胺薄膜胶带。
9.根据权利要求1所述的新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，所述高压等离子体交流电源为裸露电极施加定常或非定常的交流激励电压信号。
10.根据权利要求1所述的新型多电极等离子体激励器结构，其特征在于，所述高压等离子体直流电源为掩埋电极施加高压直流电压激励信号，所述高压直流电压激励信号包括但不局限于正极性直流激励信号、负极性直流激励信号、脉冲直流激励信号。
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