介質(zhì)材料對大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器產(chǎn)生的最大離子風(fēng)速的影響

齊曉華，史冬梅

(渤海大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

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介質(zhì)材料對大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器產(chǎn)生的最大離子風(fēng)速的影響

齊曉華*，史冬梅

(渤海大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

摘要：對兩種不同介質(zhì)材料的介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器在不同峰峰值電壓下所誘導(dǎo)的最大離子風(fēng)速分別進(jìn)行了測量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)峰值電壓較低時，介質(zhì)板介電常數(shù)較低的激勵器所誘導(dǎo)的最大風(fēng)速要小于介質(zhì)板介電常數(shù)較高的激勵器誘導(dǎo)的最大風(fēng)速，但隨著峰值電壓的繼續(xù)增大，具有低介電常數(shù)的激勵器所誘導(dǎo)的最大風(fēng)速較大.這主要是因?yàn)榈徒殡姵?shù)能夠顯著提高最大可施加電壓而不會導(dǎo)致流光放電的產(chǎn)生.

關(guān)鍵詞：氣流控制;介質(zhì)阻擋放電;激勵器;離子風(fēng)速

0引言

近十多年來，利用大氣壓等離子放電來實(shí)現(xiàn)氣流控制〔1，2〕已成為國際上備受關(guān)注的課題之一.目前,在眾多的大氣壓氣流控制等離子體放電裝置中，沿面介質(zhì)阻擋放電〔3〕激勵器因?yàn)槠淠芎牡?、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、參數(shù)便于實(shí)時控制等特有的優(yōu)勢受到了國內(nèi)外學(xué)者的格外關(guān)注.

隨著對大氣壓沿面介質(zhì)阻擋等離子體放電研究的不斷深入，人們越來越認(rèn)識到控制激勵器的參數(shù),如介質(zhì)板厚度〔4〕和所施加的峰值電壓〔5〕等,對于激勵器所產(chǎn)生的離子風(fēng)速有著重要的影響.本文首先介紹了實(shí)驗(yàn)所采用的沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器的基本構(gòu)造和實(shí)驗(yàn)測量裝置，然后比較了兩種不同介質(zhì)材料的激勵器在不同峰峰值電壓下所誘導(dǎo)的最大離子風(fēng)速，并在此基礎(chǔ)上簡要分析了介質(zhì)材料對于最大風(fēng)速的影響機(jī)制，為以后的研究提供了理論依據(jù).

1實(shí)驗(yàn)裝置和測量

圖1為實(shí)驗(yàn)所使用的等離子體激勵器示意圖.兩條鋁箔平板電極作為上下電極非對稱地布置在介質(zhì)板的兩端,兩個電極間的水平間距為1 mm.上電極(45 mm長，10 mm寬,1 mm厚) 裸露在周圍的空氣中,下電極(45 mm長，30 mm寬,1 mm厚)被密封在60 μm厚的耐高溫絕緣材料kapton中以避免反向放電的發(fā)生.為了研究不同的介質(zhì)材料對于激勵器所誘導(dǎo)的最大風(fēng)速的影響，本實(shí)驗(yàn)中石英玻璃片(介電常數(shù)約為3.7)和云母片(介電常數(shù)約為7)分別作為介質(zhì)材料，且這兩種介質(zhì)材料都是50 mm長，50 mm寬，20 mm厚.

圖2為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.本實(shí)驗(yàn)中上電極接地，密封的下電極接AC高壓電源(CTP-2000K).當(dāng)施加在下電極上的AC電壓達(dá)到擊穿電壓后，介質(zhì)表面就會產(chǎn)生等離子體放電.放電產(chǎn)生的高能粒子通過碰撞將從電場中獲得的動量傳遞給周圍空氣中的中性粒子而產(chǎn)生離子風(fēng)，而離子風(fēng)速的大小是衡量激勵器性能的一個重要指標(biāo).

連接在壓力傳感器(SETRA Model 268,0-50 Pa,精度0.2 Pa)的一個水平石英玻璃管(內(nèi)徑0.6 mm)被固定在三維位移平臺上來測量相應(yīng)位置的氣體壓強(qiáng)，測得的壓強(qiáng)通過伯努利方程〔6〕演化成相應(yīng)位置的氣流速度.實(shí)驗(yàn)的電壓和電流分別由電壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭(Pearson 4100)測量，并在示波器(Tektronix DPO4104)上顯示出來.

圖1兩電極結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋放電激勵器結(jié)構(gòu)圖圖2實(shí)驗(yàn)裝置圖

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

本實(shí)驗(yàn)中交流電源的頻率固定在30 kHz,峰值電壓以0.5 kV的間隔從8 kV增加到15 kV.兩種介質(zhì)材料的激勵器在不同峰值電壓下所誘導(dǎo)的最大風(fēng)速的測量結(jié)果如圖3所示.從圖3中我們可以看到，兩種激勵器所產(chǎn)生的最大風(fēng)速的輪廓很相似，最大風(fēng)速都隨著峰值電壓的提高而增大最終達(dá)到飽和.仔細(xì)觀察圖3，我們發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)微但重要的差別.在峰值電壓較低時(<12 kV)，石英玻璃作為介質(zhì)材料的激勵器所產(chǎn)生的最大風(fēng)速要小于云母作為介質(zhì)材料的激勵器所產(chǎn)生的風(fēng)速.但隨著峰值電壓的繼續(xù)增大，石英玻璃作為介質(zhì)材料的激勵器所產(chǎn)生的最大風(fēng)速要大于云母作為介質(zhì)材料的激勵器所產(chǎn)生的風(fēng)速.

這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生主要?dú)w因于這兩種介質(zhì)材料的介電常數(shù)不同(云母片的介電常數(shù)約為7，石英玻璃片的介電常數(shù)約為3.7).當(dāng)峰值電壓較低時，介電常數(shù)較大的介質(zhì)材料周圍的場強(qiáng)較大，所以誘導(dǎo)的最大風(fēng)速比較大.但隨著峰值電壓的不斷增大，不斷增強(qiáng)的電場容易導(dǎo)致流光放電的形成而使氣流速度達(dá)到飽和〔5〕.相反地,較低的介質(zhì)常數(shù)能夠降低激勵器的有效電容，這就相當(dāng)于降低了局部電場的電流濃度.也就是說,低介質(zhì)常數(shù)的石英玻璃能夠顯著提高最大的可施加電壓而不會導(dǎo)致流光放電的產(chǎn)生〔7〕，所以在高峰值電壓下石英玻璃作為介質(zhì)的激勵器誘導(dǎo)的最大風(fēng)速較高.

3結(jié)論

本文對具有不同介質(zhì)板材料的兩個介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器在不同峰峰值電壓下所誘導(dǎo)的離子風(fēng)速進(jìn)行了測量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,介質(zhì)材料對于制動器所誘導(dǎo)的最大風(fēng)速有一定的影響.當(dāng)峰值電壓較低時，介質(zhì)板介電常數(shù)較低的激勵器所誘導(dǎo)的最大風(fēng)速較小,但隨著峰值電壓的繼續(xù)增大，介質(zhì)板介電常數(shù)較低的激勵器所誘導(dǎo)的最大風(fēng)速較大.該研究為進(jìn)一步優(yōu)化制動器結(jié)構(gòu),提升制動器性能提供了基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)依據(jù).

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Effect of dielectric material on the maximum ionic wind velocity induced by atmospheric surface dielectric barrier discharge plasma actuator

QI Xiao-hua，SHI Dong-mei

(College of Mathematics and Physics，Bohai University，Jinzhou 121013，China)

Abstract：The maximum ionic wind velocity induced by dielectric barrier discharge actuators with different dielectric materials under different peak-peak voltages are measured，respectively.The experimental results show that,when the peak voltages are lower,the maximum wind velocity induced by the actuator with lower dielectric constant material is lower than that by the actuator with higher dielectric constant material.However,as the peak voltage continues to increase,the induced maximum velocity by actuator with lower dielectric constant material is higher.This is mainly because a lower dielectric constant can allow operation of the actuator at higher voltage without giving rise to streamer formation.

Key words：airflow control; dielectric barrier discharge; actuator; ionic wind velocity

收稿日期：2015-01-18.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No:11305017)．

作者簡介：齊曉華(1979- )，女，講師，大連理工大學(xué)博士研究生，主要從事大氣壓等離子體放電對氣流控制方面的研究．

通訊作者：qixiaohuajz@126.com.

中圖分類號：TM215

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-0569(2016)02-0109-03