大气压直流电晕放电等离子体激励器在气流控制领域中的应用概述

齐晓华雷济宇史冬梅

（1.渤海大学数理学院，辽宁锦州121013；2.大石桥市高级中学，辽宁大石桥115110）

0 引言

气流主动流动控制是通过主动控制气流来实现预期的改变.例如，有效的流动控制可以改变内部的层状或湍流过渡至边界层，以防止或诱导分离，进而减少或增加翼型的阻力和升力，从而使其稳定或转向混合气流以避免产生不稳定不必要的振动、噪音和能量损失.这种技术在航空学领域具有极其重要的应用.为了操纵自由气流，有三种主要现象可以被改变：气流从层流到湍流的过渡，流动分离和湍流.推迟边界层从层流到湍流的过渡有很多的优势.例如，层流的表面摩擦阻力边界层在某些条件下可以低于湍流阻力.对于一架飞机来说，减少阻力意味着降低燃料成本，更长的航程和更高的速度.流动分离可以影响机翼的最大升力和飞行特性，包括起飞和降落距离等.最后一种气动现象是湍流，一个湍流度的增加可以导致混合层内气流更好的流动混合，而湍流度减小在气动降噪中起着基础性的作用.近些年来，等离子体主动流动控制技术一直是人们广泛研究的课题.

等离子体驱动器主要利用放电引起的离子风在边界内层修改其属性，然后主动控制气流.在大多数情况下，等离子体激励器由至少两个电极被安装在介质壁上，然后在这两者之间加一个高电压，从而诱导产生等离子体，进而产生离子风.在大多数情况下，使用离子风的目的是加速气流的方向与壁面相切，且在非常靠近壁面处修正边界层内的气流型线.这个过程的主要优点是它能直接地将电能转化为动能而不涉及机械运动部件.图1显示了一个平板结构电极产生的气流情况.在没有放电的情况下，烟丝是水平的，呈流线型的.当放电产生后，离子风在阳极上引起了一个凹陷，从而导致烟丝的偏移和气流在等离子体区域内的加速.

研究冷等离子体放电对外界气流影响的第一项工作就是研究直流电晕放电对外界气流的影响，所以了解直流电晕放电冷等离子体的相关内容非常重要.电晕放电是一种自持放电形式，通常出现在大气中电场足够大靠近尖利点或细线等曲率半径很小的尖端电极附近.图2显示了点对面电晕放电的示意图.如图2所示，在高压点附近产生强电场、电离和发光.

早在1968年，Velkof等就已经开展了直流表面电晕放电对气流控制的影响研究，他们首次运用电晕放电结构证实了电晕放电可以延迟边界层附近层流向湍流的转换［1，2］.在20世纪八九十年代，Bushnell、Weinstein以及Soetomo等［3-5］继续研究直流表面电晕放电对气流的控制，研究结果表明几米/秒的离子风在低外来气流中能够起到减阻作用.在20世纪90年代末，直流电晕放电在气流应用中的研究被广泛开展［6-12］.

文章接下来先简要介绍几种典型的直流电晕放电等离子体激励器的结构，然后着重介绍直流电晕放电等离子体激励器的物理参数和电气参数，重点关注激励器的机械效应，如离子风，诱导的推力和动能等，以便能够更好地了解直流电晕放电等离子体激励器的机械作用，便于今后有针对性地优化激励器的结构，提高等离子体激励器的机械效率，进而能够更加有效地进行流动控制.

1 几种典型的直流电晕放电等离子体激励器结构

近些年来，直流电晕放电等离子激励器结构日趋完善，直流电晕放电等离子体激励器的几种典型的结构如图3所示.Velkoff等［13，14］证明了平板上的过渡点可能会受到外加电场的影响.在此应用中，等离子激励器包括四个HV放置在平板壁面上方的线电极，没有接地的电极（图3（a））.Bushnell［15］和Malik等［16］报道了几米每秒的离子风速度有助于阻力的减小.1992年，Soetomo等实验观察到交流和直流电晕平板放电诱导的减阻效果［5］.在流动的情况下，直流电晕沿着平板放电速度可达2 m/s.该实验的激励器结构为两个刀片齐平安装在玻璃平板的壁上（图3（e））.其中，Moreau小组［7］研究人员从1998年至今一直从事于没有自由气流流动情况下的表面电晕放电等离子体激励器的研究工作，并对其电特性和机械特性进行表征，他们采用的等离子激励器几何形状如图3（g）所示，等离子激励器包含两根放置在墙面凹槽里的丝电极，电极直径约1 mm.为了在阳极上产生较强的电场，阳极直径小于阴极直径.

2 直流电晕放电的电特性和机械特性

本部分综述的电特性和机械特性都是基于图3（g）中显示的直流电晕放电等离子体激励器机构［7］.放置在槽内的两个电极丝构成电极，电极直径接近1 mm.为了在阳极上产生较强的电场，阳极直径比阴极直径小，阳极直径约等到0.6 mm，阴极直径约为2 mm，电极间的距离为40 mm.为了建立放电条件，其中阴性高压（10 kV）用于阴极而不是接地，另外一个电极接地.在这些条件下，当施加的高压高于击穿电压时，放电电流随着外加电位差的增大而增大.

2.1 直流电晕放电的电特性

图4显示了典型的时间平均的电流密度I（电流i除以电极长度，称为电流密度，单位为mA/m）随减小的电场强度E的变化曲线（电势差V除以电极间隙，单位为kV/cm）.

通常情况下，在点对板激励器结构中，比如，对于体电晕放电来说，V-i特性能够通过i=CV（V-V0）进行拟合.这里，I为电流密度，V为电势差，V0为击穿电压，C为与电极间隙有关的一个常数（典型值介于0.1和1 μA/kV之间）［19］.

在图4中，粗线对应通过方程i=CV（V-V0）获得的最佳拟合图像，而符号线对应表面电晕放电的实验测量值.从图4中可以看到，表面电晕放电与体放电有很大的区别，从7 kV/cm开始，表面电晕放电的电流急剧增加.这一重要的区别归因于电晕放电所作用的气固界面.

图5展示了流光放电区域电流分别是150 μA和500 μA时，放电电流对比时间的变化曲线，这里电极长度为33 cm，电流密度分别为0.45 mA/m和1.5 mA/m.图5说明电流由两部分组成，由于离子迁移引起的连续电流和由于流光传播引起的位移电流，这是这个区域被称为流光区域的原因.在辉光放电区域，位移电流成分可以忽略不计，这意味着这个区域没有流光放电，这个区域的放电表现为类似低气压辉光.

在一些文献中［10，20-24］，表面放电的电特性与大气参数（如空气湿度，气压，不同的气压参数）和电极结构（如电极位置，电极间隙，电极形状）等密切相关，一些趋势可总结如下：

（1）当阳极直径和阴极直径相比很小的情况下，放电比较稳定，放电鲜少发生辉光到弧光的转变［20］.

（2）温度达到60ºC后对放电没有产生影响，但气压起到至关重要的作用［21］.

（3）相对温度越大，放电越不稳定［10］.

（4）有自由气流情况下建立的放电，气流大大改变了物理机制，并能极大限制电弧过渡［22］.

（5）放电的电性能高度依赖于介质壁面［23］.

图6显示了沿平板建立的表面放电情况下电流密度随着自由气流速度变化的曲线.在没有自由气流的情况下，在电场强度E=7.5 kV/cm和E=8.25 kV/cm时，电流分别约等于0.4 mA/m和0.9 mA/m.当气流速度增加时（这里气流与离子风速度同向），电流密度也几乎呈线性增加.此外，从大约15 m/s开始，放电模式发生变化，放电更趋向于向流光放电转变.

2.2 直流电晕放电的机械特性

直流电晕放电等离子体激励器的机械性能.首先展示直流电晕放电离子风的速度轮廓.在固定的x位置，沿介质板壁从y=0到y=20 mm，利用皮托管连接微压力计进行速度测量（坐标系如图3（g）所示），皮托管内径为0.2 mm，阳极和阴极直径分别0.6 mm和2 mm的情况下对速度进行测量［24］.

图7展示了在x=-10 mm情况下，速度随电流值变化的曲线轮廓.速度分布的两个主要特点可总结如下：

（1）离子风速度随着电流的增加而增加.当时间平均的电流为0.3 mA/m时，最大的离子风速度大约为2.1 m/s.而当时间平均的电流为1.2 mA/m时，最大的离子风速度大约为3.5 m/s.

（2）最大的离子风速度通常在距离介质壁1 mm，即y=1 mm处获得.

其他学者对于直流电晕放电的研究也得出了同样的规律.迄今为止，最大的气流速度可达到5 m/s.

图8给出了在x=-10 mm情况下，最大气流速度随时间平均放电电流变化的曲线.图8表明最大气流速度vmax几乎与放电电流密度的平方（I2）成正比.此外，沿x轴的测量结果表明，放电引起的动量不是来自位于阳极上游的区域，而是来自位于阳极上方的区域，在x=40 mm处.这意味着放电会引起阳极凹陷.

图9显示了在2 s内x=-10 mm和y=1 mm条件下，电流值分别为0.3 mA/m和1.5 mA/m时的瞬时速度与时间的关系.图9表明当电流增加时，瞬时速度不稳定.电流为0.3 mA/m时，速度的标准偏差值（sd）为0.07 m/s，而在电流为1.5 mA/m时，速度的标准偏差值等于0.32 m/s.这种影响可通过增加电极的不对称性来减弱.

根据速度分布，电晕放电等离子体激励器的机电效率能够计算出来.在机械工程中，叶片风扇产生的功率或者风道内气流的功率为

其中，ρ为空气密度，VG为气流速度.对于电晕诱导的动能功率，Robinson假设动能对应于能量的导数［25］，

其中，M为运动中的气体的质量，AG为放电横截面积.Sigmond和Lagstad［26］建立了一个理论模型，他们认为机械功率可表示为

这里，SG为通过放电横截面AG的平均气体流速.此外，假设电功率Pelec可以表示为

这里，vi为离子迁移速度.那么电晕放电的机电效率为

从（5）式可以看出，机电效率非常低.

上述两个模型的主要问题是没有考虑到速度在y轴分量的变化，Moreau等在文献［20］介绍了一种计算机电效率的方法，该方法基于能量守恒方程，并将速度的空间分布因素纳入考虑.在定流假设下，机械功率对应于动能密度流量，可表达为

其中，L为电极长度.为了确定每单位长度表面放电的机械功率（这里单位为mW/cm），这个值要除以L，每单位长度的电功率也要除以L.

则无自由气体流动时，等离子体激励器的机电效率可表示如下

图10展示了表面放电引起的机电效率与放电电流的关系.研究结果表明，当电流密度I≤1.5 mA/cm时，机械功率Pmec I；当I ＞1.5 mA/cm时，放电会变得不稳定并且离子风速不会有显著增加.但是，机电效率几乎随着I增加而呈现线性下降的趋势，且机电效率非常低，仅达到百分之零点几，约百分之一.

3 结论

直流电晕放电等离子体驱动器通过放电引起的离子风在边界层实现预期的改变，从而实现主动控制气流，直流电晕放电主要发生在大气中曲率半径很小的尖端电极附近.文章主要综述介绍了几种典型的直流电晕放电等离子体激励器的结构，并着重介绍了直流电晕放电等离子体激励器的电特性和机械特性.综合上面的阐述可以发现，表面电晕放电的电特性与大气参数，如空气湿度，气压，不同的气压参数和电极结构（如电极位置，电极间隙，电极形状）等密切相关，一些趋势可总结如下：

（1）当阳极直径和阴极直径相比很小的情况下，放电比较稳定，放电鲜少发生辉光到弧光的转变.

（2）温度达到60ºC后对放电没有产生影响，但气压起到至关重要的作用.

（3）相对温度越大，放电越不稳定.

（4）有自由气流情况下建立的放电，气流大大改变了物理机制，并能极大地限制电弧过渡.

（5）放电的电性能高度依赖于介质壁面.

（6）离子风速度随着电流的增加而增加.

（7）最大的离子风速度通常在距离介质壁1 mm（y=1 mm）处获得.