新型介質阻擋放電等離子體激勵器的放電與誘導流動特性實驗

吳陽陽 賈 敏 王蔚龍 張耘瑋 李應紅

（空軍工程大學航空航天工程學院等離子體動力學重點實驗室 西安 710038）

新型介質阻擋放電等離子體激勵器的放電與誘導流動特性實驗

吳陽陽 賈 敏 王蔚龍 張耘瑋 李應紅

（空軍工程大學航空航天工程學院等離子體動力學重點實驗室 西安 710038）

等離子體流動控制擴大壓氣機穩(wěn)定性對等離子體激勵器的誘導氣流速度提出了更高的要求。進行了新型布局介質阻擋放電等離子體激勵器的放電特性與誘導流動特性研究，實驗研究不同放電電壓和占空比對激勵器誘導氣流速度的影響，并與傳統(tǒng)布局激勵器進行了對比分析，探討其在壓氣機擴穩(wěn)實驗上應用的可能性。結果表明：相對于傳統(tǒng)布局等離子體激勵器一個放電周期內有一次“強”放電和一次“弱”放電，新型布局等離子體激勵器有兩次“強”放電；放電頻率為15kHz時，新型布局激勵器的誘導氣流速度在較低電壓下比傳統(tǒng)布局激勵器小，在較高電壓下比傳統(tǒng)布局激勵器大，最大速度能達到4.7m/s，因此在高電壓下能夠更好地抑制壓氣機葉頂泄露流或泄露渦的流動；兩種激勵器產生的射流都為紊流，隨電壓增高誘導氣流紊流度增大，且新型布局激勵器在高電壓下紊流度更大，能更好地促進壓氣機主流與附面層之間的摻混；固定放電電壓和放電頻率，兩種激勵器的誘導氣流速度均隨著占空比增大而線性增大。

等離子體流動控制 粒子成像測速 介質阻擋放電 誘導氣流速度 占空比 非定常激勵

0 引言

介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge, DBD）是一種能夠在大氣壓條件下獲取非平衡等離子體的最有效手段，也是目前研究最多的等離子體氣動激勵產生方式[1-4]，具有結構簡單、質量輕、響應快和作用范圍廣等優(yōu)點。介質阻擋放電在抑制翼型流動分離與飛行器減阻增升、控制葉柵間隙流動、發(fā)動機擴穩(wěn)增效等方面取得了很好的效果[5-13]，具有廣闊的應用前景。在等離子體流動控制中，誘導氣流速度是非常重要的指標，為提高激勵器誘導氣流速度，國內外進行了很多研究。宋慧敏等[14]研究了對稱布局等離子體激勵器的特性，其誘導氣流速度為1m/s量級；潘波等[15]測量了多組電極等離子體激勵器誘導氣流速度和推力特性，得出在一定范圍內誘導氣流速度和誘導推力隨電極對數(shù)增加而增大的結論；史志偉等[16]通過測量不同形狀（H形、O形和L形）激勵器誘導速度場，分析了不同形狀激勵器產生的誘導氣流速度特性，并研究了不同形狀參數(shù)下射流速度的變化規(guī)律；郝江南等[17]研究了一種新型多組等離子體激勵器，減小了激勵器后面電極對前面電極的影響；Erfani等[18]研究了多段內嵌電極激勵器的誘導速度特性，發(fā)現(xiàn)該結構能產生更高的誘導氣流速度，最大速度能達到2.82m/s；Forte等[19]研究了不同電極間距、電極寬度、電壓頻率和不同多組布局等條件下激勵器的速度特性，通過優(yōu)化布局參數(shù)能顯著提高誘導氣流速度。

本文采用新型等離子體激勵器布局形式，利用工程應用性強的箔狀電極激勵器進行實驗，通過粒子成像測速（Particle Image Velocimetry, PIV）測試新型布局、傳統(tǒng)布局激勵器的誘導流動特性。同時為了揭示非定常脈沖激勵特性，實驗還研究了占空比對誘導流動特性的影響，為后續(xù)的壓氣機等離子體擴穩(wěn)實驗提供基礎。

1 實驗裝置

為研究新型布局等離子體激勵器的特性及其與傳統(tǒng)布局等離子體激勵器的差異，設計如圖1所示的激勵器。圖1a和圖1b分別為傳統(tǒng)布局和新型布局等離子體激勵器，兩者不同之處在于：傳統(tǒng)布局等離子體激勵器是將裸露電極與高壓高頻電源的高壓端相連，將覆蓋電極與電源的接地端相連；新型布局等離子體激勵器則是將第一個電極組的裸露電極和第二個電極組的覆蓋電極與電源的高壓端相連，第一個電極組覆蓋電極和第二個電極組裸露電極與電源的接地端相連。兩種激勵器幾何尺寸相同，其尺寸示意圖如圖1c所示。等離子體激勵器由絕緣介質材料板和覆在上面的多對平行電極組成。本文選用環(huán)氧玻璃布層壓板（FR-4）作為絕緣介質材料板，相對介電常數(shù)為4.5；絕緣介質材料板厚度h= 1.5mm，板尺寸大小為100mm×100mm；板上、下表面共布置了4對等間距相互平行的銅電極對，電極厚度為35μm；電極長度為50mm，上表面電極寬度d1=1mm，下表面電極寬度d2=5mm；裸露電極與覆蓋電極之間的間距Δd=1mm；電極對之間的間距d3=20mm。

圖1 等離子體激勵器示意圖Fig.1 Structure of the plasma actuator

本文實驗系統(tǒng)包括高壓高頻電源、等離子體激勵器、調壓器等。高壓高頻電源為CTP-2000K等離子體電源，輸出6～30kHz、0～30kV的連續(xù)可調正弦波電壓，且調制頻率10～1000Hz連續(xù)可調，占空比1%～100%連續(xù)可調。

為測量兩種激勵器的特性，用P6022型電流探針、P6015A型高壓探針和TDS3012B型示波器來測量放電過程中電流、電壓和頻率等參數(shù)。用PIV測量激勵器的誘導流動特性，PIV測試系統(tǒng)主要技術指標有：測速范圍為0～300m/s；測量距離為距激光口0.3～2m可調；采用雙脈沖的Nd：YAG激光器，脈沖激光能量最大為135mJ，脈沖頻率為15Hz；CCD像素為1 600×1 280，CCD的最短跨幀時間為120ns。實驗中采用的示蹤粒子為煙餅燃燒產生的固體小顆粒物，經過實驗驗證，粒子具有良好的跟隨性，測量結果有效可靠。

2 實驗結果與分析

2.1 放電特性

圖2所示為傳統(tǒng)布局和新型布局等離子體激勵器放電電壓、電流波形。實驗條件如下：放電電壓為16kV，放電頻率為15kHz。從圖2的電壓、電流波形可以看出，傳統(tǒng)布局和新型布局等離子體激勵器在放電電壓的正半周期上升沿和負半周期下降沿都會有一次明顯放電。不同之處在于，傳統(tǒng)布局等離子體激勵器在一個放電周期內分別有一次“強”放電和一次“弱”放電，“強放電”的時間較長，約為18μs，“弱”放電的時間很短，約為10μs。而新型布局等離子體激勵器在一個放電周期內有兩次“強”放電，兩次“強”放電的時間都較長，約為18μs。造成這一現(xiàn)象的原因是：當給電極加上高電壓時，會擊穿周圍空氣產生等離子體。對于傳統(tǒng)布局等離子體激勵器而言，當放電電壓處于正半周期時，絕緣介質材料表面積聚的電子受到從覆蓋電極指向裸露電極的電場力，電子會向裸露電極運動，從而導致電場增強，放電電流很大；當放電電壓處于負半周期時，材料表面積聚的電子由于受到從裸露電極指向覆蓋電極的電場力，電子會向覆蓋電極運動，并在覆蓋電極表面沉積，無法熄滅，故放電電流很小。對于新型布局等離子體激勵器而言，當放電電壓處于正半周期時，電子會向第1、3組電極的裸露電極運動，形成強電場。而當放電電壓處于負半周期時，電子會向第2、4組電極的裸露電極運動，形成強電場，故新型布局等離子體激勵器不管是在正半周期還是在負半周期都會有明顯的“強”放電。

圖3為一個放電周期內負載功率平均值隨放電電壓的變化。從圖3可知，放電電壓小于15kV時，新型布局激勵器的負載功率比傳統(tǒng)布局激勵器小；放電電壓在15kV附近時，兩種激勵器的負載功率相近；放電電壓大于15kV時，新型布局激勵器的負載功率比傳統(tǒng)布局激勵器大，傳統(tǒng)布局等離子體激勵器的負載功率最大為40W（電壓為18kV），而新型布局等離子體激勵器的負載功率最大能達到53W（電壓為18kV）。

圖2 等離子體激勵器放電電壓、電流波形Fig.2 Discharge voltage and current waveforms of plasma actuator

圖3 負載功率隨放電電壓變化Fig.3 Load power along discharge voltage

2.2 誘導氣流流場結果分析

在靜止空氣條件下進行PIV實驗。每個實驗條件下進行四次測量，最后取平均速度作為最終實驗結果。

2.2.1 放電電壓對誘導氣流速度的影響

圖4是放電頻率為15kHz時兩種等離子體激勵器誘導出的水平方向最大時均速度與雷諾數(shù)[20]隨放電電壓變化曲線。從圖4可知，兩種激勵器水平方向最大誘導氣流速度基本上都會隨著放電電壓的增加而線性增加。放電電壓小于15kV時，新型布局激勵器產生的最大誘導氣流速度比傳統(tǒng)布局激勵器??；放電電壓在15kV附近時，兩種激勵器產生的最大誘導氣流速度相近；放電電壓大于15kV時，新型布局激勵器產生的最大誘導氣流速度比傳統(tǒng)布局激勵器大，傳統(tǒng)布局等離子體激勵器最大誘導氣流速度能達到4.4m/s，而新型布局等離子體激勵器最大誘導氣流速度能達到4.7m/s。根據(jù)文獻[20]的結論，當雷諾數(shù)大于100時，可認為DBD產生的誘導射流為紊流。因此可知，本文中激勵器產生的射流是紊流，且隨電壓增高紊流度越大，即射流與主流摻混的能力越強。從圖3和圖4可以知道，負載功率越大，誘導氣流速度越大。

圖4 水平方向最大時均速度與雷諾數(shù)隨放電電壓變化曲線Fig.4 The maximum horizontal time-averaged velocity and Reynolds number with voltage

造成上述現(xiàn)象的原因是：當DBD兩端接上正弦波高壓電后，會擊穿周圍空氣產生等離子體，電壓處于負半周期時，等離子體中的氧負離子被電場加速，與空氣中的中性粒子碰撞，產生動量傳遞，誘導氣流加速；電壓處于正半周期時，等離子體中的氮分子離子和氧分子離子被電場加速，與中性粒子碰撞，誘導氣流加速。正、負半周期內產生的體積力不相等，負半周期氧負離子加速的貢獻更大。對于傳統(tǒng)DBD結構，負半周期氧負離子加速，正半周期不加速，在一個周期內只有一次加速。對于新型DBD結構，在負半周期時，氧負離子在第1、3個電極組加速，在正半周期時，氧負離子在第2、4個電極組加速，也就是說一個周期內始終處于加速狀態(tài)。由于電源電壓為正弦波電壓，第1、3個電極組處于負半周期時被加速的氧負離子到達第2、4個電極組時，第2、4個電極組正處于正半周期，又被加速，相當于二次加速。因此從平均效果上來，新型結構的效果更好。

圖5 兩種激勵器水平方向誘導氣流速度場云圖Fig.5 Horizontal time-averaged velocity field above the actuator

圖5所示為放電頻率為15kHz時，13kV、15kV、17kV電壓下兩種激勵器水平方向誘導氣流速度場云圖。裸露電極位置分別在X=11mm、31mm、51mm、71mm處。由圖4和速度場云圖可知，放電電壓為13kV時，傳統(tǒng)布局等離子體激勵器水平方向最大時均速度為1.85m/s，而新型布局激勵器僅為1.5m/s，并且傳統(tǒng)布局激勵器在Y方向上的速度梯度分布比新型布局激勵器更加飽滿，其誘導氣流速度層厚度也更厚；放電電壓為15kV時，兩種激勵器水平方向的最大時均速度都為3.6m/s左右，但從云圖來看，傳統(tǒng)布局等離子體激勵器在Y方向速度梯度分布的飽滿程度優(yōu)于新型布局激勵器；放電電壓為17kV時，傳統(tǒng)布局等離子體激勵器水平方向最大時均速度為4.4m/s，新型布局激勵器為4.7m/s，而且可以明顯看出新型布局等離子體激勵器的速度梯度分布更加飽滿，激勵器誘導氣流速度分布與圖4中雷諾數(shù)變化規(guī)律基本吻合。

從圖5還可以看出，對于本文研究的兩種激勵器而言，激勵器每一組電極放電都會誘導空氣流動，后一對電極對前一對電極產生的誘導氣流會起到一定的加速作用，從而使得激勵器表面的誘導氣流速度不斷增加；激勵器產生的最大誘導氣流速度不是在激勵器電極附近，而是在最后一組電極（X=71mm）下游5～10mm處；激勵器表面的誘導氣流速度層逐漸增厚，說明多組電極激勵器隨著組數(shù)增多，其誘導的氣流增強，誘導氣流的流量增大；整個激勵器表面誘導氣流的加速過程不是呈線性增長的趨勢。

2.2.2 占空比對誘導氣流速度的影響

為深入了解非定常激勵情況下等離子體激勵器的速度特性，本文研究了占空比對等離子體激勵器誘導氣流速度特性的影響，為在壓氣機上實施非定常激勵提供參考。

本文所用電源頻率基本上都在10kHz以上，對于機翼和壓氣機等離子體流動控制，附面層流動難以感受10kHz以上的脈沖擾動，一般將其簡化為定常的體積力。為了提高流動控制效果，國際上普遍采用非定常脈沖激勵，因此本文在高頻放電的基礎上，進行低頻調制。調制波形如圖6所示。圖6的調制波中T為高壓高頻電源的正常輸出波形，TA為每個周期電源處于工作狀態(tài)下的時間，TM為調制波的周期。調制頻率f=1/TM，占空比D=TA/TM×100%。

圖6 等離子體激勵電壓波形Fig.6 Voltage waveform of the plasma exciting

圖7 新型等離子體激勵器水平方向和垂直方向時均誘導氣流速度場云圖Fig.7 Horizontal and vertical time-averaged velocity field above the new DBD actuator along duty cycle

圖7為放電電壓16kV、放電頻率12kHz、占空比D分別為10%、30%、50%、70%和100%時新型布局等離子體激勵器誘導氣流速度場云圖，圖7a為水平方向時均速度場云圖，圖7b為垂直方向時均速度場云圖。裸露電極位置分別在X=11mm、31mm、51mm、71mm處。從圖7a可知，隨著占空比增加，水平方向最大誘導氣流速度不斷增加，誘導氣流產生區(qū)域逐漸貼近壁面，但誘導氣流速度層厚度呈減小趨勢；這說明占空比較小時，誘導氣流速度層厚度較大，誘導氣流影響區(qū)域面積較大；當占空比較大時，近壁面誘導氣流速度較大，誘導氣流影響區(qū)域面積較小。

從圖7b可以看出，當給激勵器兩端加上高壓電后，誘導氣流速度垂直方向分速度會在裸露電極后部形成明顯的負速度區(qū)，在裸露電極前部形成正速度區(qū)，并且可以明顯看出第一組電極處負速度區(qū)的速度最大，作用范圍最廣，電極位置越往后，負速度區(qū)的速度越小，作用范圍越小。

圖8X=20mm、50mm、80mm時水平方向速度隨Y軸變化曲線Fig.8 Horizontal time-averaged velocity along vertical axis atX=20mm、50mm、80mm

圖8為X=20mm、50mm、80mm時五種占空比條件下水平方向時均速度隨Y軸變化曲線。明顯可以看出，占空比越大，水平方向最大誘導氣流速度越大，從0.5m/s左右增加到3.2m/s；對于任意一個占空比條件，隨著X軸坐標增加，誘導氣流速度都會增加；誘導氣流速度層厚度從X=20mm時的2mm增加到X=80mm處的10mm左右，整個速度梯度分布更加飽滿，這與圖7a的云圖結果是比較吻合的；占空比D=100%時的誘導氣流層厚度比D= 10%、30%、50%、70%時的誘導氣流速度層厚度薄，并且隨著X軸坐標的增加，差距越發(fā)明顯。

圖9為Y=0.6mm、1.1mm、1.6mm時五種占空比條件下垂直方向速度隨X軸變化曲線。由圖9可知，激勵器產生的誘導氣流速度在垂直方向上的分布不是線性的，而是呈“正-負-正…”這樣一種變化趨勢；裸露電極與覆蓋電極之間區(qū)域的速度是負值，且最大負速度值位于兩個電極中間。裸露電極前部區(qū)域速度為正值，其最大值靠近裸露電極；占空比越大，負速度區(qū)的最大速度值越大，其絕對值最大能達到0.6m/s，并且隨著X軸坐標增加，負速度區(qū)最大負速度絕對值逐漸減小。但是，值得注意的是，對于占空比D=100%和D=70%這兩種情況，除了在第一組電極處D=100%時的最大負速度比D=70%大，后面三組電極處的最大負速度在D=70%時比D=100%時大。

圖9Y=0.6mm, 1.1mm, 1.6mm時垂直方向速度隨X軸變化曲線Fig.9 Vertical time-averaged velocity along horizontal axis atY=0.6mm, 1.1mm, 1.6mm

通過上述分析可知，施加非定常激勵會使激勵器產生的誘導氣流層厚度增加，作用范圍更廣，且能夠產生更大的垂直方向速度，能促進主流與附面層之間的摻混。當然，從占空比對誘導氣流速度的影響來看，并不是占空比越小摻混效果越小，占空比太小必然會導致誘導氣流速度太低，很難對主流產生影響。因此，在實際應用中，施加占空比為多少的非定常激勵是一個值得研究的問題。

圖10為放電電壓16kV、放電頻率12kHz時兩種激勵器所產生的水平方向均誘導氣流速度隨占空比的變化曲線。由圖10可知，當占空比增大時，兩種激勵器產生的誘導氣流速度都呈線性增大，且新型布局等離子體激勵器產生的誘導氣流速度始終比傳統(tǒng)布局等離子體激勵器產生的誘導氣流速度大。

圖10 水平方向誘導氣流速度隨占空比變化曲線Fig.10 Horizontal time-averaged velocity along duty cycle

3 結論

本文進行了新型布局等離子體激勵器放電特性與誘導流動特性的實驗研究，并與傳統(tǒng)布局等離子體激勵器的特性作了對比，得出以下結論：

1）傳統(tǒng)布局等離子體激勵器在一個放電周期內有一次“強”放電和一次“弱”放電，而新型布局等離子體激勵器在一個周期內有兩次“強”放電。低電壓下（15kV）傳統(tǒng)布局等離子體激勵器的負載功率比新型布局激勵器大，高電壓下比新型布局激勵器小。

2）通過將傳統(tǒng)布局和新型布局等離子體激勵器速度特性作對比，發(fā)現(xiàn)新型布局等離子體激勵器在低電壓下產生的誘導氣流速度比傳統(tǒng)布局等離子體激勵器的小，高電壓下誘導氣流速度比傳統(tǒng)布局等離子體激勵器的大，最大能達到4.7m/s。

3）通過計算激勵器產生射流的雷諾數(shù)發(fā)現(xiàn)，兩種激勵器產生的誘導射流是紊流，隨電壓增高紊流度越大，即射流與主流摻混的能力越強，且雷諾數(shù)變化規(guī)律與速度變化規(guī)律一致。

4）對于新型等離子體激勵器來說，增大占空比，誘導氣流層厚度將會減小，影響區(qū)域變小，但誘導氣流速度增大。且隨著占空比的增大，兩種激勵器的誘導氣流速度都會呈線性增長。

5）通過上述結論可以預測，在等離子體擴大壓氣機穩(wěn)定性實驗中，新型布局激勵器在高電壓下產生的誘導氣流速度較傳統(tǒng)布局激勵器略大，抑制壓氣機轉子葉頂泄露流或泄露渦的能力較強。占空比相同的情況下，由于新型布局激勵器產生射流的紊流度更大，能更好地促進主流與附面層的摻混，從而產生更佳的控制效果。

在下一步的工作中，將會在低速軸流壓氣機實驗臺上進行等離子體氣動激勵實驗，通過測量不同電壓、不同占空比條件下兩種激勵器擴大壓氣機穩(wěn)定性的結果，來驗證新型布局激勵器的擴穩(wěn)效果。

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Experimental Research on the Discharge and Induced Flow Characteristics of a New Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuator

Wu Yangyang Jia Min Wang Weilong Zhang Yunwei Li Yinghong
（Science and Technology on Plasma Dynamics Laboratory Air Force Engineering University Xi’an 710038 China）

Improving the stability of compressor with plasma flow control required higher induced flow velocity produced by plasma actuator. This paper carried out related experiments to study the electrical and induced flow characteristics by new dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuator. Moreover, the effects of the different discharge voltage amplitudes and duty cycles on the induced flow velocity of the new DBD actuator were analyzed. Compared with the characteristics of the traditional DBD actuator, the possibility for improving the stability of compressor was also discussed. The results show that, the traditional DBD actuator has one strong and one weak discharges in one discharge cycle, but the new DBD actuator has two strong discharges. When the discharge frequency is 15kHz, the induced flow velocity of the new DBD actuator is smaller than that of the traditional DBD actuator under low voltage, while it is bigger under high voltage. The maximum induced flow velocity of the new DBD actuator can increase to 4.7m/s, so the flow of compressor can be better controlled. Both induced flows produced by two actuators are turbulent flow. The turbulence of induced flow rises with the increase of voltage, and the turbulence of new DBD actuator is stronger at high voltage.Therefore it can promote the mixing between the main flow and boundary layer. With the fixed discharge voltage amplitude and frequency, the induced flow velocities of the two types of DBD actuator ascend linearly with the increase of cycle duty.

Plasma flow control, particle image velocimetry, dielectric barrier discharge, induced flow velocity, duty cycle, unsteady excitation

O53

吳陽陽 男，1992年生，碩士，研究方向為等離子體流動控制。

E-mail: wyy01036@126.com（通信作者）

賈 敏 女，1981年生，副教授，研究方向為等離子體流動控制與點火助燃。

E-mail: duoduo111134@sohu.com

國家自然科學基金資助項目（51336011、51407197）。

2016-06-24 改稿日期 2016-08-30