大氣壓直流電暈放電等離子體激勵(lì)器在氣流控制領(lǐng)域中的應(yīng)用概述

齊曉華雷濟(jì)宇史冬梅

（1.渤海大學(xué)數(shù)理學(xué)院，遼寧錦州121013；2.大石橋市高級(jí)中學(xué)，遼寧大石橋115110）

0 引言

氣流主動(dòng)流動(dòng)控制是通過(guò)主動(dòng)控制氣流來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的改變.例如，有效的流動(dòng)控制可以改變內(nèi)部的層狀或湍流過(guò)渡至邊界層，以防止或誘導(dǎo)分離，進(jìn)而減少或增加翼型的阻力和升力，從而使其穩(wěn)定或轉(zhuǎn)向混合氣流以避免產(chǎn)生不穩(wěn)定不必要的振動(dòng)、噪音和能量損失.這種技術(shù)在航空學(xué)領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用.為了操縱自由氣流，有三種主要現(xiàn)象可以被改變：氣流從層流到湍流的過(guò)渡，流動(dòng)分離和湍流.推遲邊界層從層流到湍流的過(guò)渡有很多的優(yōu)勢(shì).例如，層流的表面摩擦阻力邊界層在某些條件下可以低于湍流阻力.對(duì)于一架飛機(jī)來(lái)說(shuō)，減少阻力意味著降低燃料成本，更長(zhǎng)的航程和更高的速度.流動(dòng)分離可以影響機(jī)翼的最大升力和飛行特性，包括起飛和降落距離等.最后一種氣動(dòng)現(xiàn)象是湍流，一個(gè)湍流度的增加可以導(dǎo)致混合層內(nèi)氣流更好的流動(dòng)混合，而湍流度減小在氣動(dòng)降噪中起著基礎(chǔ)性的作用.近些年來(lái)，等離子體主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)一直是人們廣泛研究的課題.

等離子體驅(qū)動(dòng)器主要利用放電引起的離子風(fēng)在邊界內(nèi)層修改其屬性，然后主動(dòng)控制氣流.在大多數(shù)情況下，等離子體激勵(lì)器由至少兩個(gè)電極被安裝在介質(zhì)壁上，然后在這兩者之間加一個(gè)高電壓，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體，進(jìn)而產(chǎn)生離子風(fēng).在大多數(shù)情況下，使用離子風(fēng)的目的是加速氣流的方向與壁面相切，且在非常靠近壁面處修正邊界層內(nèi)的氣流型線.這個(gè)過(guò)程的主要優(yōu)點(diǎn)是它能直接地將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而不涉及機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件.圖1顯示了一個(gè)平板結(jié)構(gòu)電極產(chǎn)生的氣流情況.在沒(méi)有放電的情況下，煙絲是水平的，呈流線型的.當(dāng)放電產(chǎn)生后，離子風(fēng)在陽(yáng)極上引起了一個(gè)凹陷，從而導(dǎo)致煙絲的偏移和氣流在等離子體區(qū)域內(nèi)的加速.

研究冷等離子體放電對(duì)外界氣流影響的第一項(xiàng)工作就是研究直流電暈放電對(duì)外界氣流的影響，所以了解直流電暈放電冷等離子體的相關(guān)內(nèi)容非常重要.電暈放電是一種自持放電形式，通常出現(xiàn)在大氣中電場(chǎng)足夠大靠近尖利點(diǎn)或細(xì)線等曲率半徑很小的尖端電極附近.圖2顯示了點(diǎn)對(duì)面電暈放電的示意圖.如圖2所示，在高壓點(diǎn)附近產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)、電離和發(fā)光.

早在1968年，Velkof等就已經(jīng)開(kāi)展了直流表面電暈放電對(duì)氣流控制的影響研究，他們首次運(yùn)用電暈放電結(jié)構(gòu)證實(shí)了電暈放電可以延遲邊界層附近層流向湍流的轉(zhuǎn)換［1，2］.在20世紀(jì)八九十年代，Bushnell、Weinstein以及Soetomo等［3-5］繼續(xù)研究直流表面電暈放電對(duì)氣流的控制，研究結(jié)果表明幾米/秒的離子風(fēng)在低外來(lái)氣流中能夠起到減阻作用.在20世紀(jì)90年代末，直流電暈放電在氣流應(yīng)用中的研究被廣泛開(kāi)展［6-12］.

文章接下來(lái)先簡(jiǎn)要介紹幾種典型的直流電暈放電等離子體激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)，然后著重介紹直流電暈放電等離子體激勵(lì)器的物理參數(shù)和電氣參數(shù)，重點(diǎn)關(guān)注激勵(lì)器的機(jī)械效應(yīng)，如離子風(fēng)，誘導(dǎo)的推力和動(dòng)能等，以便能夠更好地了解直流電暈放電等離子體激勵(lì)器的機(jī)械作用，便于今后有針對(duì)性地優(yōu)化激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)，提高等離子體激勵(lì)器的機(jī)械效率，進(jìn)而能夠更加有效地進(jìn)行流動(dòng)控制.

1 幾種典型的直流電暈放電等離子體激勵(lì)器結(jié)構(gòu)

近些年來(lái)，直流電暈放電等離子激勵(lì)器結(jié)構(gòu)日趨完善，直流電暈放電等離子體激勵(lì)器的幾種典型的結(jié)構(gòu)如圖3所示.Velkoff等［13，14］證明了平板上的過(guò)渡點(diǎn)可能會(huì)受到外加電場(chǎng)的影響.在此應(yīng)用中，等離子激勵(lì)器包括四個(gè)HV放置在平板壁面上方的線電極，沒(méi)有接地的電極（圖3（a））.Bushnell［15］和Malik等［16］報(bào)道了幾米每秒的離子風(fēng)速度有助于阻力的減小.1992年，Soetomo等實(shí)驗(yàn)觀察到交流和直流電暈平板放電誘導(dǎo)的減阻效果［5］.在流動(dòng)的情況下，直流電暈沿著平板放電速度可達(dá)2 m/s.該實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)器結(jié)構(gòu)為兩個(gè)刀片齊平安裝在玻璃平板的壁上（圖3（e））.其中，Moreau小組［7］研究人員從1998年至今一直從事于沒(méi)有自由氣流流動(dòng)情況下的表面電暈放電等離子體激勵(lì)器的研究工作，并對(duì)其電特性和機(jī)械特性進(jìn)行表征，他們采用的等離子激勵(lì)器幾何形狀如圖3（g）所示，等離子激勵(lì)器包含兩根放置在墻面凹槽里的絲電極，電極直徑約1 mm.為了在陽(yáng)極上產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)，陽(yáng)極直徑小于陰極直徑.

2 直流電暈放電的電特性和機(jī)械特性

本部分綜述的電特性和機(jī)械特性都是基于圖3（g）中顯示的直流電暈放電等離子體激勵(lì)器機(jī)構(gòu)［7］.放置在槽內(nèi)的兩個(gè)電極絲構(gòu)成電極，電極直徑接近1 mm.為了在陽(yáng)極上產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)，陽(yáng)極直徑比陰極直徑小，陽(yáng)極直徑約等到0.6 mm，陰極直徑約為2 mm，電極間的距離為40 mm.為了建立放電條件，其中陰性高壓（10 kV）用于陰極而不是接地，另外一個(gè)電極接地.在這些條件下，當(dāng)施加的高壓高于擊穿電壓時(shí)，放電電流隨著外加電位差的增大而增大.

2.1 直流電暈放電的電特性

圖4顯示了典型的時(shí)間平均的電流密度I（電流i除以電極長(zhǎng)度，稱為電流密度，單位為mA/m）隨減小的電場(chǎng)強(qiáng)度E的變化曲線（電勢(shì)差V除以電極間隙，單位為kV/cm）.

通常情況下，在點(diǎn)對(duì)板激勵(lì)器結(jié)構(gòu)中，比如，對(duì)于體電暈放電來(lái)說(shuō)，V-i特性能夠通過(guò)i=CV（V-V0）進(jìn)行擬合.這里，I為電流密度，V為電勢(shì)差，V0為擊穿電壓，C為與電極間隙有關(guān)的一個(gè)常數(shù)（典型值介于0.1和1 μA/kV之間）［19］.

在圖4中，粗線對(duì)應(yīng)通過(guò)方程i=CV（V-V0）獲得的最佳擬合圖像，而符號(hào)線對(duì)應(yīng)表面電暈放電的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值.從圖4中可以看到，表面電暈放電與體放電有很大的區(qū)別，從7 kV/cm開(kāi)始，表面電暈放電的電流急劇增加.這一重要的區(qū)別歸因于電暈放電所作用的氣固界面.

圖5展示了流光放電區(qū)域電流分別是150 μA和500 μA時(shí)，放電電流對(duì)比時(shí)間的變化曲線，這里電極長(zhǎng)度為33 cm，電流密度分別為0.45 mA/m和1.5 mA/m.圖5說(shuō)明電流由兩部分組成，由于離子遷移引起的連續(xù)電流和由于流光傳播引起的位移電流，這是這個(gè)區(qū)域被稱為流光區(qū)域的原因.在輝光放電區(qū)域，位移電流成分可以忽略不計(jì)，這意味著這個(gè)區(qū)域沒(méi)有流光放電，這個(gè)區(qū)域的放電表現(xiàn)為類似低氣壓輝光.

在一些文獻(xiàn)中［10，20-24］，表面放電的電特性與大氣參數(shù)（如空氣濕度，氣壓，不同的氣壓參數(shù)）和電極結(jié)構(gòu)（如電極位置，電極間隙，電極形狀）等密切相關(guān)，一些趨勢(shì)可總結(jié)如下：

（1）當(dāng)陽(yáng)極直徑和陰極直徑相比很小的情況下，放電比較穩(wěn)定，放電鮮少發(fā)生輝光到弧光的轉(zhuǎn)變［20］.

（2）溫度達(dá)到60oC后對(duì)放電沒(méi)有產(chǎn)生影響，但氣壓起到至關(guān)重要的作用［21］.

（3）相對(duì)溫度越大，放電越不穩(wěn)定［10］.

（4）有自由氣流情況下建立的放電，氣流大大改變了物理機(jī)制，并能極大限制電弧過(guò)渡［22］.

（5）放電的電性能高度依賴于介質(zhì)壁面［23］.

圖6顯示了沿平板建立的表面放電情況下電流密度隨著自由氣流速度變化的曲線.在沒(méi)有自由氣流的情況下，在電場(chǎng)強(qiáng)度E=7.5 kV/cm和E=8.25 kV/cm時(shí)，電流分別約等于0.4 mA/m和0.9 mA/m.當(dāng)氣流速度增加時(shí)（這里氣流與離子風(fēng)速度同向），電流密度也幾乎呈線性增加.此外，從大約15 m/s開(kāi)始，放電模式發(fā)生變化，放電更趨向于向流光放電轉(zhuǎn)變.

2.2 直流電暈放電的機(jī)械特性

直流電暈放電等離子體激勵(lì)器的機(jī)械性能.首先展示直流電暈放電離子風(fēng)的速度輪廓.在固定的x位置，沿介質(zhì)板壁從y=0到y(tǒng)=20 mm，利用皮托管連接微壓力計(jì)進(jìn)行速度測(cè)量（坐標(biāo)系如圖3（g）所示），皮托管內(nèi)徑為0.2 mm，陽(yáng)極和陰極直徑分別0.6 mm和2 mm的情況下對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量［24］.

圖7展示了在x=-10 mm情況下，速度隨電流值變化的曲線輪廓.速度分布的兩個(gè)主要特點(diǎn)可總結(jié)如下：

（1）離子風(fēng)速度隨著電流的增加而增加.當(dāng)時(shí)間平均的電流為0.3 mA/m時(shí)，最大的離子風(fēng)速度大約為2.1 m/s.而當(dāng)時(shí)間平均的電流為1.2 mA/m時(shí)，最大的離子風(fēng)速度大約為3.5 m/s.

（2）最大的離子風(fēng)速度通常在距離介質(zhì)壁1 mm，即y=1 mm處獲得.

其他學(xué)者對(duì)于直流電暈放電的研究也得出了同樣的規(guī)律.迄今為止，最大的氣流速度可達(dá)到5 m/s.

圖8給出了在x=-10 mm情況下，最大氣流速度隨時(shí)間平均放電電流變化的曲線.圖8表明最大氣流速度vmax幾乎與放電電流密度的平方（I2）成正比.此外，沿x軸的測(cè)量結(jié)果表明，放電引起的動(dòng)量不是來(lái)自位于陽(yáng)極上游的區(qū)域，而是來(lái)自位于陽(yáng)極上方的區(qū)域，在x=40 mm處.這意味著放電會(huì)引起陽(yáng)極凹陷.

圖9顯示了在2 s內(nèi)x=-10 mm和y=1 mm條件下，電流值分別為0.3 mA/m和1.5 mA/m時(shí)的瞬時(shí)速度與時(shí)間的關(guān)系.圖9表明當(dāng)電流增加時(shí)，瞬時(shí)速度不穩(wěn)定.電流為0.3 mA/m時(shí)，速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差值（sd）為0.07 m/s，而在電流為1.5 mA/m時(shí)，速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差值等于0.32 m/s.這種影響可通過(guò)增加電極的不對(duì)稱性來(lái)減弱.

根據(jù)速度分布，電暈放電等離子體激勵(lì)器的機(jī)電效率能夠計(jì)算出來(lái).在機(jī)械工程中，葉片風(fēng)扇產(chǎn)生的功率或者風(fēng)道內(nèi)氣流的功率為

其中，ρ為空氣密度，VG為氣流速度.對(duì)于電暈誘導(dǎo)的動(dòng)能功率，Robinson假設(shè)動(dòng)能對(duì)應(yīng)于能量的導(dǎo)數(shù)［25］，

其中，M為運(yùn)動(dòng)中的氣體的質(zhì)量，AG為放電橫截面積.Sigmond和Lagstad［26］建立了一個(gè)理論模型，他們認(rèn)為機(jī)械功率可表示為

這里，SG為通過(guò)放電橫截面AG的平均氣體流速.此外，假設(shè)電功率Pelec可以表示為

這里，vi為離子遷移速度.那么電暈放電的機(jī)電效率為

從（5）式可以看出，機(jī)電效率非常低.

上述兩個(gè)模型的主要問(wèn)題是沒(méi)有考慮到速度在y軸分量的變化，Moreau等在文獻(xiàn)［20］介紹了一種計(jì)算機(jī)電效率的方法，該方法基于能量守恒方程，并將速度的空間分布因素納入考慮.在定流假設(shè)下，機(jī)械功率對(duì)應(yīng)于動(dòng)能密度流量，可表達(dá)為

其中，L為電極長(zhǎng)度.為了確定每單位長(zhǎng)度表面放電的機(jī)械功率（這里單位為mW/cm），這個(gè)值要除以L，每單位長(zhǎng)度的電功率也要除以L.

則無(wú)自由氣體流動(dòng)時(shí)，等離子體激勵(lì)器的機(jī)電效率可表示如下

圖10展示了表面放電引起的機(jī)電效率與放電電流的關(guān)系.研究結(jié)果表明，當(dāng)電流密度I≤1.5 mA/cm時(shí)，機(jī)械功率Pmec I；當(dāng)I ＞1.5 mA/cm時(shí)，放電會(huì)變得不穩(wěn)定并且離子風(fēng)速不會(huì)有顯著增加.但是，機(jī)電效率幾乎隨著I增加而呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)，且機(jī)電效率非常低，僅達(dá)到百分之零點(diǎn)幾，約百分之一.

3 結(jié)論

直流電暈放電等離子體驅(qū)動(dòng)器通過(guò)放電引起的離子風(fēng)在邊界層實(shí)現(xiàn)預(yù)期的改變，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制氣流，直流電暈放電主要發(fā)生在大氣中曲率半徑很小的尖端電極附近.文章主要綜述介紹了幾種典型的直流電暈放電等離子體激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)，并著重介紹了直流電暈放電等離子體激勵(lì)器的電特性和機(jī)械特性.綜合上面的闡述可以發(fā)現(xiàn)，表面電暈放電的電特性與大氣參數(shù)，如空氣濕度，氣壓，不同的氣壓參數(shù)和電極結(jié)構(gòu)（如電極位置，電極間隙，電極形狀）等密切相關(guān)，一些趨勢(shì)可總結(jié)如下：

（1）當(dāng)陽(yáng)極直徑和陰極直徑相比很小的情況下，放電比較穩(wěn)定，放電鮮少發(fā)生輝光到弧光的轉(zhuǎn)變.

（2）溫度達(dá)到60oC后對(duì)放電沒(méi)有產(chǎn)生影響，但氣壓起到至關(guān)重要的作用.

（3）相對(duì)溫度越大，放電越不穩(wěn)定.

（4）有自由氣流情況下建立的放電，氣流大大改變了物理機(jī)制，并能極大地限制電弧過(guò)渡.

（5）放電的電性能高度依賴于介質(zhì)壁面.

（6）離子風(fēng)速度隨著電流的增加而增加.

（7）最大的離子風(fēng)速度通常在距離介質(zhì)壁1 mm（y=1 mm）處獲得.