介质材料对大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器产生的最大离子风速的影响

齐晓华，史冬梅

(渤海大学 数理学院，辽宁 锦州 121013)



介质材料对大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器产生的最大离子风速的影响

齐晓华*，史冬梅

(渤海大学 数理学院，辽宁 锦州 121013)

摘要：对两种不同介质材料的介质阻挡放电等离子体激励器在不同峰峰值电压下所诱导的最大离子风速分别进行了测量.实验结果表明，当峰值电压较低时，介质板介电常数较低的激励器所诱导的最大风速要小于介质板介电常数较高的激励器诱导的最大风速，但随着峰值电压的继续增大，具有低介电常数的激励器所诱导的最大风速较大.这主要是因为低介电常数能够显著提高最大可施加电压而不会导致流光放电的产生.

关键词：气流控制;介质阻挡放电;激励器;离子风速

0引言

近十多年来，利用大气压等离子放电来实现气流控制〔1，2〕已成为国际上备受关注的课题之一.目前,在众多的大气压气流控制等离子体放电装置中，沿面介质阻挡放电〔3〕激励器因为其能耗低、结构简单、响应快、参数便于实时控制等特有的优势受到了国内外学者的格外关注.

随着对大气压沿面介质阻挡等离子体放电研究的不断深入，人们越来越认识到控制激励器的参数,如介质板厚度〔4〕和所施加的峰值电压〔5〕等,对于激励器所产生的离子风速有着重要的影响.本文首先介绍了实验所采用的沿面介质阻挡放电等离子体激励器的基本构造和实验测量装置，然后比较了两种不同介质材料的激励器在不同峰峰值电压下所诱导的最大离子风速，并在此基础上简要分析了介质材料对于最大风速的影响机制，为以后的研究提供了理论依据.

1实验装置和测量

图1为实验所使用的等离子体激励器示意图.两条铝箔平板电极作为上下电极非对称地布置在介质板的两端,两个电极间的水平间距为1 mm.上电极(45 mm长，10 mm宽,1 mm厚) 裸露在周围的空气中,下电极(45 mm长，30 mm宽,1 mm厚)被密封在60 μm厚的耐高温绝缘材料kapton中以避免反向放电的发生.为了研究不同的介质材料对于激励器所诱导的最大风速的影响，本实验中石英玻璃片(介电常数约为3.7)和云母片(介电常数约为7)分别作为介质材料，且这两种介质材料都是50 mm长，50 mm宽，20 mm厚.

图2为实验装置示意图.本实验中上电极接地，密封的下电极接AC高压电源(CTP-2000K).当施加在下电极上的AC电压达到击穿电压后，介质表面就会产生等离子体放电.放电产生的高能粒子通过碰撞将从电场中获得的动量传递给周围空气中的中性粒子而产生离子风，而离子风速的大小是衡量激励器性能的一个重要指标.

连接在压力传感器(SETRA Model 268,0-50 Pa,精度0.2 Pa)的一个水平石英玻璃管(内径0.6 mm)被固定在三维位移平台上来测量相应位置的气体压强，测得的压强通过伯努利方程〔6〕演化成相应位置的气流速度.实验的电压和电流分别由电压探头(Tektronix P6015A)和电流探头(Pearson 4100)测量，并在示波器(Tektronix DPO4104)上显示出来.

图1两电极结构介质阻挡放电激励器结构图图2实验装置图

2实验结果及讨论

本实验中交流电源的频率固定在30 kHz,峰值电压以0.5 kV的间隔从8 kV增加到15 kV.两种介质材料的激励器在不同峰值电压下所诱导的最大风速的测量结果如图3所示.从图3中我们可以看到，两种激励器所产生的最大风速的轮廓很相似，最大风速都随着峰值电压的提高而增大最终达到饱和.仔细观察图3，我们发现了一些细微但重要的差别.在峰值电压较低时(<12 kV)，石英玻璃作为介质材料的激励器所产生的最大风速要小于云母作为介质材料的激励器所产生的风速.但随着峰值电压的继续增大，石英玻璃作为介质材料的激励器所产生的最大风速要大于云母作为介质材料的激励器所产生的风速.

这一实验现象的产生主要归因于这两种介质材料的介电常数不同(云母片的介电常数约为7，石英玻璃片的介电常数约为3.7).当峰值电压较低时，介电常数较大的介质材料周围的场强较大，所以诱导的最大风速比较大.但随着峰值电压的不断增大，不断增强的电场容易导致流光放电的形成而使气流速度达到饱和〔5〕.相反地,较低的介质常数能够降低激励器的有效电容，这就相当于降低了局部电场的电流浓度.也就是说,低介质常数的石英玻璃能够显著提高最大的可施加电压而不会导致流光放电的产生〔7〕，所以在高峰值电压下石英玻璃作为介质的激励器诱导的最大风速较高.

3结论

本文对具有不同介质板材料的两个介质阻挡放电等离子体激励器在不同峰峰值电压下所诱导的离子风速进行了测量.实验结果表明,介质材料对于制动器所诱导的最大风速有一定的影响.当峰值电压较低时，介质板介电常数较低的激励器所诱导的最大风速较小,但随着峰值电压的继续增大，介质板介电常数较低的激励器所诱导的最大风速较大.该研究为进一步优化制动器结构,提升制动器性能提供了基础的实验依据.

参考文献:

〔1〕ROUPASSOV D V，NIKIPELOV A A，NUDNOVA M M，et al.Flow separation control by plasma actuator with nanosecond pulse periodic discharge〔J〕.AIAA J.,2009,47(1): 168-185.

〔2〕BENARD N,MOREAU E.Separation control by single nonthermal plasma discharge〔J〕.IEEE Trans.Plasma Sci.,2011,39(11): 2058-2059.

〔3〕李钢，李轶明，徐燕骥，等.介质阻挡放电等离子体对近壁区流场的控制的实验研究〔J〕.物理学报，2009，58(6)：4026-4033.

〔4〕齐晓华，佟慧，李杜，等.不同介质层厚度对表面介质阻挡放电制动器的离子风速影响〔J〕.渤海大学学报(自然科学版)，2014，35(1)：5-7.

〔5〕齐晓华，任超，史冬梅.交流峰值电压对大气压表面介质阻挡放电激励器产生的离子风速的影响〔J〕.渤海大学学报(自然科学版)，2015，36(2)：119-121.

〔6〕郑永令.流体流动状态与伯努利方程〔J〕.大学物理，1994，13(8):1-4.

〔7〕FLINT O T,THOMAS C C,MUHAMMAD I,et al.Optimization of dielectric barrier discharge plasma actuators for active aerodynamic flow control〔J〕.AIAA J.,2009,47(9): 2169-2178.

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.

基金项目：国家自然科学基金项目(No:11305017)．

作者简介：齐晓华(1979- )，女，讲师，大连理工大学博士研究生，主要从事大气压等离子体放电对气流控制方面的研究．

通讯作者：qixiaohuajz@126.com.

中图分类号：TM215

文献标志码：A

文章编号：1673-0569(2016)02-0109-03