新型介质阻挡放电等离子体激励器的放电与诱导流动特性实验

吴阳阳 贾 敏 王蔚龙 张耘玮 李应红

（空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室 西安 710038）

新型介质阻挡放电等离子体激励器的放电与诱导流动特性实验

吴阳阳 贾 敏 王蔚龙 张耘玮 李应红

（空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室 西安 710038）

等离子体流动控制扩大压气机稳定性对等离子体激励器的诱导气流速度提出了更高的要求。进行了新型布局介质阻挡放电等离子体激励器的放电特性与诱导流动特性研究，实验研究不同放电电压和占空比对激励器诱导气流速度的影响，并与传统布局激励器进行了对比分析，探讨其在压气机扩稳实验上应用的可能性。结果表明：相对于传统布局等离子体激励器一个放电周期内有一次“强”放电和一次“弱”放电，新型布局等离子体激励器有两次“强”放电；放电频率为15kHz时，新型布局激励器的诱导气流速度在较低电压下比传统布局激励器小，在较高电压下比传统布局激励器大，最大速度能达到4.7m/s，因此在高电压下能够更好地抑制压气机叶顶泄露流或泄露涡的流动；两种激励器产生的射流都为紊流，随电压增高诱导气流紊流度增大，且新型布局激励器在高电压下紊流度更大，能更好地促进压气机主流与附面层之间的掺混；固定放电电压和放电频率，两种激励器的诱导气流速度均随着占空比增大而线性增大。

等离子体流动控制 粒子成像测速 介质阻挡放电 诱导气流速度 占空比 非定常激励

0 引言

介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）是一种能够在大气压条件下获取非平衡等离子体的最有效手段，也是目前研究最多的等离子体气动激励产生方式[1-4]，具有结构简单、质量轻、响应快和作用范围广等优点。介质阻挡放电在抑制翼型流动分离与飞行器减阻增升、控制叶栅间隙流动、发动机扩稳增效等方面取得了很好的效果[5-13]，具有广阔的应用前景。在等离子体流动控制中，诱导气流速度是非常重要的指标，为提高激励器诱导气流速度，国内外进行了很多研究。宋慧敏等[14]研究了对称布局等离子体激励器的特性，其诱导气流速度为1m/s量级；潘波等[15]测量了多组电极等离子体激励器诱导气流速度和推力特性，得出在一定范围内诱导气流速度和诱导推力随电极对数增加而增大的结论；史志伟等[16]通过测量不同形状（H形、O形和L形）激励器诱导速度场，分析了不同形状激励器产生的诱导气流速度特性，并研究了不同形状参数下射流速度的变化规律；郝江南等[17]研究了一种新型多组等离子体激励器，减小了激励器后面电极对前面电极的影响；Erfani等[18]研究了多段内嵌电极激励器的诱导速度特性，发现该结构能产生更高的诱导气流速度，最大速度能达到2.82m/s；Forte等[19]研究了不同电极间距、电极宽度、电压频率和不同多组布局等条件下激励器的速度特性，通过优化布局参数能显著提高诱导气流速度。

本文采用新型等离子体激励器布局形式，利用工程应用性强的箔状电极激励器进行实验，通过粒子成像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）测试新型布局、传统布局激励器的诱导流动特性。同时为了揭示非定常脉冲激励特性，实验还研究了占空比对诱导流动特性的影响，为后续的压气机等离子体扩稳实验提供基础。

1 实验装置

为研究新型布局等离子体激励器的特性及其与传统布局等离子体激励器的差异，设计如图1所示的激励器。图1a和图1b分别为传统布局和新型布局等离子体激励器，两者不同之处在于：传统布局等离子体激励器是将裸露电极与高压高频电源的高压端相连，将覆盖电极与电源的接地端相连；新型布局等离子体激励器则是将第一个电极组的裸露电极和第二个电极组的覆盖电极与电源的高压端相连，第一个电极组覆盖电极和第二个电极组裸露电极与电源的接地端相连。两种激励器几何尺寸相同，其尺寸示意图如图1c所示。等离子体激励器由绝缘介质材料板和覆在上面的多对平行电极组成。本文选用环氧玻璃布层压板（FR-4）作为绝缘介质材料板，相对介电常数为4.5；绝缘介质材料板厚度h= 1.5mm，板尺寸大小为100mm×100mm；板上、下表面共布置了4对等间距相互平行的铜电极对，电极厚度为35μm；电极长度为50mm，上表面电极宽度d1=1mm，下表面电极宽度d2=5mm；裸露电极与覆盖电极之间的间距Δd=1mm；电极对之间的间距d3=20mm。

图1 等离子体激励器示意图Fig.1 Structure of the plasma actuator

本文实验系统包括高压高频电源、等离子体激励器、调压器等。高压高频电源为CTP-2000K等离子体电源，输出6～30kHz、0～30kV的连续可调正弦波电压，且调制频率10～1000Hz连续可调，占空比1%～100%连续可调。

为测量两种激励器的特性，用P6022型电流探针、P6015A型高压探针和TDS3012B型示波器来测量放电过程中电流、电压和频率等参数。用PIV测量激励器的诱导流动特性，PIV测试系统主要技术指标有：测速范围为0～300m/s；测量距离为距激光口0.3～2m可调；采用双脉冲的Nd：YAG激光器，脉冲激光能量最大为135mJ，脉冲频率为15Hz；CCD像素为1 600×1 280，CCD的最短跨帧时间为120ns。实验中采用的示踪粒子为烟饼燃烧产生的固体小颗粒物，经过实验验证，粒子具有良好的跟随性，测量结果有效可靠。

2 实验结果与分析

2.1 放电特性

图2所示为传统布局和新型布局等离子体激励器放电电压、电流波形。实验条件如下：放电电压为16kV，放电频率为15kHz。从图2的电压、电流波形可以看出，传统布局和新型布局等离子体激励器在放电电压的正半周期上升沿和负半周期下降沿都会有一次明显放电。不同之处在于，传统布局等离子体激励器在一个放电周期内分别有一次“强”放电和一次“弱”放电，“强放电”的时间较长，约为18μs，“弱”放电的时间很短，约为10μs。而新型布局等离子体激励器在一个放电周期内有两次“强”放电，两次“强”放电的时间都较长，约为18μs。造成这一现象的原因是：当给电极加上高电压时，会击穿周围空气产生等离子体。对于传统布局等离子体激励器而言，当放电电压处于正半周期时，绝缘介质材料表面积聚的电子受到从覆盖电极指向裸露电极的电场力，电子会向裸露电极运动，从而导致电场增强，放电电流很大；当放电电压处于负半周期时，材料表面积聚的电子由于受到从裸露电极指向覆盖电极的电场力，电子会向覆盖电极运动，并在覆盖电极表面沉积，无法熄灭，故放电电流很小。对于新型布局等离子体激励器而言，当放电电压处于正半周期时，电子会向第1、3组电极的裸露电极运动，形成强电场。而当放电电压处于负半周期时，电子会向第2、4组电极的裸露电极运动，形成强电场，故新型布局等离子体激励器不管是在正半周期还是在负半周期都会有明显的“强”放电。

图3为一个放电周期内负载功率平均值随放电电压的变化。从图3可知，放电电压小于15kV时，新型布局激励器的负载功率比传统布局激励器小；放电电压在15kV附近时，两种激励器的负载功率相近；放电电压大于15kV时，新型布局激励器的负载功率比传统布局激励器大，传统布局等离子体激励器的负载功率最大为40W（电压为18kV），而新型布局等离子体激励器的负载功率最大能达到53W（电压为18kV）。

图2 等离子体激励器放电电压、电流波形Fig.2 Discharge voltage and current waveforms of plasma actuator

图3 负载功率随放电电压变化Fig.3 Load power along discharge voltage

2.2 诱导气流流场结果分析

在静止空气条件下进行PIV实验。每个实验条件下进行四次测量，最后取平均速度作为最终实验结果。

2.2.1 放电电压对诱导气流速度的影响

图4是放电频率为15kHz时两种等离子体激励器诱导出的水平方向最大时均速度与雷诺数[20]随放电电压变化曲线。从图4可知，两种激励器水平方向最大诱导气流速度基本上都会随着放电电压的增加而线性增加。放电电压小于15kV时，新型布局激励器产生的最大诱导气流速度比传统布局激励器小；放电电压在15kV附近时，两种激励器产生的最大诱导气流速度相近；放电电压大于15kV时，新型布局激励器产生的最大诱导气流速度比传统布局激励器大，传统布局等离子体激励器最大诱导气流速度能达到4.4m/s，而新型布局等离子体激励器最大诱导气流速度能达到4.7m/s。根据文献[20]的结论，当雷诺数大于100时，可认为DBD产生的诱导射流为紊流。因此可知，本文中激励器产生的射流是紊流，且随电压增高紊流度越大，即射流与主流掺混的能力越强。从图3和图4可以知道，负载功率越大，诱导气流速度越大。

图4 水平方向最大时均速度与雷诺数随放电电压变化曲线Fig.4 The maximum horizontal time-averaged velocity and Reynolds number with voltage

造成上述现象的原因是：当DBD两端接上正弦波高压电后，会击穿周围空气产生等离子体，电压处于负半周期时，等离子体中的氧负离子被电场加速，与空气中的中性粒子碰撞，产生动量传递，诱导气流加速；电压处于正半周期时，等离子体中的氮分子离子和氧分子离子被电场加速，与中性粒子碰撞，诱导气流加速。正、负半周期内产生的体积力不相等，负半周期氧负离子加速的贡献更大。对于传统DBD结构，负半周期氧负离子加速，正半周期不加速，在一个周期内只有一次加速。对于新型DBD结构，在负半周期时，氧负离子在第1、3个电极组加速，在正半周期时，氧负离子在第2、4个电极组加速，也就是说一个周期内始终处于加速状态。由于电源电压为正弦波电压，第1、3个电极组处于负半周期时被加速的氧负离子到达第2、4个电极组时，第2、4个电极组正处于正半周期，又被加速，相当于二次加速。因此从平均效果上来，新型结构的效果更好。

图5 两种激励器水平方向诱导气流速度场云图Fig.5 Horizontal time-averaged velocity field above the actuator

图5所示为放电频率为15kHz时，13kV、15kV、17kV电压下两种激励器水平方向诱导气流速度场云图。裸露电极位置分别在X=11mm、31mm、51mm、71mm处。由图4和速度场云图可知，放电电压为13kV时，传统布局等离子体激励器水平方向最大时均速度为1.85m/s，而新型布局激励器仅为1.5m/s，并且传统布局激励器在Y方向上的速度梯度分布比新型布局激励器更加饱满，其诱导气流速度层厚度也更厚；放电电压为15kV时，两种激励器水平方向的最大时均速度都为3.6m/s左右，但从云图来看，传统布局等离子体激励器在Y方向速度梯度分布的饱满程度优于新型布局激励器；放电电压为17kV时，传统布局等离子体激励器水平方向最大时均速度为4.4m/s，新型布局激励器为4.7m/s，而且可以明显看出新型布局等离子体激励器的速度梯度分布更加饱满，激励器诱导气流速度分布与图4中雷诺数变化规律基本吻合。

从图5还可以看出，对于本文研究的两种激励器而言，激励器每一组电极放电都会诱导空气流动，后一对电极对前一对电极产生的诱导气流会起到一定的加速作用，从而使得激励器表面的诱导气流速度不断增加；激励器产生的最大诱导气流速度不是在激励器电极附近，而是在最后一组电极（X=71mm）下游5～10mm处；激励器表面的诱导气流速度层逐渐增厚，说明多组电极激励器随着组数增多，其诱导的气流增强，诱导气流的流量增大；整个激励器表面诱导气流的加速过程不是呈线性增长的趋势。

2.2.2 占空比对诱导气流速度的影响

为深入了解非定常激励情况下等离子体激励器的速度特性，本文研究了占空比对等离子体激励器诱导气流速度特性的影响，为在压气机上实施非定常激励提供参考。

本文所用电源频率基本上都在10kHz以上，对于机翼和压气机等离子体流动控制，附面层流动难以感受10kHz以上的脉冲扰动，一般将其简化为定常的体积力。为了提高流动控制效果，国际上普遍采用非定常脉冲激励，因此本文在高频放电的基础上，进行低频调制。调制波形如图6所示。图6的调制波中T为高压高频电源的正常输出波形，TA为每个周期电源处于工作状态下的时间，TM为调制波的周期。调制频率f=1/TM，占空比D=TA/TM×100%。

图6 等离子体激励电压波形Fig.6 Voltage waveform of the plasma exciting

图7 新型等离子体激励器水平方向和垂直方向时均诱导气流速度场云图Fig.7 Horizontal and vertical time-averaged velocity field above the new DBD actuator along duty cycle

图7为放电电压16kV、放电频率12kHz、占空比D分别为10%、30%、50%、70%和100%时新型布局等离子体激励器诱导气流速度场云图，图7a为水平方向时均速度场云图，图7b为垂直方向时均速度场云图。裸露电极位置分别在X=11mm、31mm、51mm、71mm处。从图7a可知，随着占空比增加，水平方向最大诱导气流速度不断增加，诱导气流产生区域逐渐贴近壁面，但诱导气流速度层厚度呈减小趋势；这说明占空比较小时，诱导气流速度层厚度较大，诱导气流影响区域面积较大；当占空比较大时，近壁面诱导气流速度较大，诱导气流影响区域面积较小。

从图7b可以看出，当给激励器两端加上高压电后，诱导气流速度垂直方向分速度会在裸露电极后部形成明显的负速度区，在裸露电极前部形成正速度区，并且可以明显看出第一组电极处负速度区的速度最大，作用范围最广，电极位置越往后，负速度区的速度越小，作用范围越小。

图8X=20mm、50mm、80mm时水平方向速度随Y轴变化曲线Fig.8 Horizontal time-averaged velocity along vertical axis atX=20mm、50mm、80mm

图8为X=20mm、50mm、80mm时五种占空比条件下水平方向时均速度随Y轴变化曲线。明显可以看出，占空比越大，水平方向最大诱导气流速度越大，从0.5m/s左右增加到3.2m/s；对于任意一个占空比条件，随着X轴坐标增加，诱导气流速度都会增加；诱导气流速度层厚度从X=20mm时的2mm增加到X=80mm处的10mm左右，整个速度梯度分布更加饱满，这与图7a的云图结果是比较吻合的；占空比D=100%时的诱导气流层厚度比D= 10%、30%、50%、70%时的诱导气流速度层厚度薄，并且随着X轴坐标的增加，差距越发明显。

图9为Y=0.6mm、1.1mm、1.6mm时五种占空比条件下垂直方向速度随X轴变化曲线。由图9可知，激励器产生的诱导气流速度在垂直方向上的分布不是线性的，而是呈“正-负-正…”这样一种变化趋势；裸露电极与覆盖电极之间区域的速度是负值，且最大负速度值位于两个电极中间。裸露电极前部区域速度为正值，其最大值靠近裸露电极；占空比越大，负速度区的最大速度值越大，其绝对值最大能达到0.6m/s，并且随着X轴坐标增加，负速度区最大负速度绝对值逐渐减小。但是，值得注意的是，对于占空比D=100%和D=70%这两种情况，除了在第一组电极处D=100%时的最大负速度比D=70%大，后面三组电极处的最大负速度在D=70%时比D=100%时大。

图9Y=0.6mm, 1.1mm, 1.6mm时垂直方向速度随X轴变化曲线Fig.9 Vertical time-averaged velocity along horizontal axis atY=0.6mm, 1.1mm, 1.6mm

通过上述分析可知，施加非定常激励会使激励器产生的诱导气流层厚度增加，作用范围更广，且能够产生更大的垂直方向速度，能促进主流与附面层之间的掺混。当然，从占空比对诱导气流速度的影响来看，并不是占空比越小掺混效果越小，占空比太小必然会导致诱导气流速度太低，很难对主流产生影响。因此，在实际应用中，施加占空比为多少的非定常激励是一个值得研究的问题。

图10为放电电压16kV、放电频率12kHz时两种激励器所产生的水平方向均诱导气流速度随占空比的变化曲线。由图10可知，当占空比增大时，两种激励器产生的诱导气流速度都呈线性增大，且新型布局等离子体激励器产生的诱导气流速度始终比传统布局等离子体激励器产生的诱导气流速度大。

图10 水平方向诱导气流速度随占空比变化曲线Fig.10 Horizontal time-averaged velocity along duty cycle

3 结论

本文进行了新型布局等离子体激励器放电特性与诱导流动特性的实验研究，并与传统布局等离子体激励器的特性作了对比，得出以下结论：

1）传统布局等离子体激励器在一个放电周期内有一次“强”放电和一次“弱”放电，而新型布局等离子体激励器在一个周期内有两次“强”放电。低电压下（15kV）传统布局等离子体激励器的负载功率比新型布局激励器大，高电压下比新型布局激励器小。

2）通过将传统布局和新型布局等离子体激励器速度特性作对比，发现新型布局等离子体激励器在低电压下产生的诱导气流速度比传统布局等离子体激励器的小，高电压下诱导气流速度比传统布局等离子体激励器的大，最大能达到4.7m/s。

3）通过计算激励器产生射流的雷诺数发现，两种激励器产生的诱导射流是紊流，随电压增高紊流度越大，即射流与主流掺混的能力越强，且雷诺数变化规律与速度变化规律一致。

4）对于新型等离子体激励器来说，增大占空比，诱导气流层厚度将会减小，影响区域变小，但诱导气流速度增大。且随着占空比的增大，两种激励器的诱导气流速度都会呈线性增长。

5）通过上述结论可以预测，在等离子体扩大压气机稳定性实验中，新型布局激励器在高电压下产生的诱导气流速度较传统布局激励器略大，抑制压气机转子叶顶泄露流或泄露涡的能力较强。占空比相同的情况下，由于新型布局激励器产生射流的紊流度更大，能更好地促进主流与附面层的掺混，从而产生更佳的控制效果。

在下一步的工作中，将会在低速轴流压气机实验台上进行等离子体气动激励实验，通过测量不同电压、不同占空比条件下两种激励器扩大压气机稳定性的结果，来验证新型布局激励器的扩稳效果。

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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

吴阳阳 男，1992年生，硕士，研究方向为等离子体流动控制。

E-mail: wyy01036@126.com（通信作者）

贾 敏 女，1981年生，副教授，研究方向为等离子体流动控制与点火助燃。

E-mail: duoduo111134@sohu.com

国家自然科学基金资助项目（51336011、51407197）。

2016-06-24 改稿日期 2016-08-30