气隙构型对高频交流SDBD防除冰激励器的温升影响

2021-07-07魏德宸张国鑫陈永彬刘森云

航空学报 2021年6期

魏德宸，张国鑫，陈永彬，刘森云

1. 滨州学院航空工程技术研究院，滨州 256600

2. 中国航空研究院，北京 100012

3. 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室，绵阳 621000

飞机在云中飞行或遇到降水时，过冷水滴会在机体迎风面冻结形成结冰[1-2]。机翼结冰会改变气动外形，不仅减小升力、增大阻力；更使失速迎角减小，严重危害飞行安全[3-4]。发动机进气道及进气部件的结冰减小了空气流量，降低了发动机功率；不对称性结冰会破坏转动平衡，脱落的冰层可能会对发动机造成严重破坏[5]。研究发现，无需改变气动外形的沿面介质阻挡放电(Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD)不仅可应用于动力推进[6-7]、流动分离抑制[8]、涡稳定性控制[9]、发动机助燃[10]等航空研究领域，在飞行器防除冰方面也有较高的应用前景。

目前SDBD防除冰相关研究仍处在探索阶段，其作用机理可概括为等离子体射流碰撞的气动效应、气体受到电场作用产生的电离效应和激励器产生的热效应[11]，其中热效应是SDBD防除冰作用的重要组成部分[12-13]。有结果表明交流电源激励SDBD相比纳秒脉冲激励SDBD防除冰应用前景更好，具有功耗小、范围广、作用迅速的优势[14]。等离子体激励器应用于飞行器的制约因素之一为电磁辐射对机体其他设备的干扰，高频交流SDBD所用电源为毫秒级，相比纳秒脉冲激励SDBD，其电压时间梯度更小使得电磁辐射降低，电磁兼容性更好[15]。电压、频率等电学特征参数以及电极数目、布局形式等结构参数均可对交流SDBD热效应产生直接影响。Meng等在圆柱表面布置交流SDBD激励器，在激励频率13.4 kHz条件下，红外测温结果表明SDBD对于低温未结冰状态的防冰以及已有冰层的除冰均有较好效果[16]。Hu等在NACA0012翼型的两侧开展交流SDBD防除冰的对照实验，红外测温结果表明在频率8.9 kHz、电压6.71 kV的交流激励下，SDBD产生的热效应能有效防止冰的形成[17]。宋慧敏等在激励频率6 kHz 时开展了防冰实验，结果表明交流SDBD通过对流传热和热传递的方式加温过冷水滴抑制了冰层形成[14]。Meng等在激励频率11.5 kHz固定不变时，采用红外法测量了电压变动范围为6.3～20 kV时的温升效应，结果表明交流SDBD温度随电压增加而升高，两者对应变化关系为准线性[18]。董威等采用热电偶检测防冰效果，在激励频率1～4.5 kHz 范围发现交流SDBD温度随着频率增大增势趋缓，并认为可能存在一个极限频率[19]。Meng等在激励频率10 kHz条件下，通过改变SDBD激励器电极数目及布置方式，研究对翼型防冰效果的影响[20]。Cai 等采用交流SDBD方式，对频率11.67 kHz的条状电极激励器和频率11.04 kHz的网状电极激励器进行了防除冰实验，并验证了SDBD功耗低的特性[21]。李春茂等在激励频率9 kHz条件下研究了交流SDBD温度随电极间隙的变化，红外测温结果表明电极间隙增加使得温度先增后减[22]。

对于电学特征参数的研究可知，提高电压或频率均可提高交流SDBD激励器温度，但高频低压相比低频高压状态减小了绝缘介质击穿可能性，对于安全长效使用激励器有重大意义，上述所用交流SDBD激励范围为1～13.4 kHz，对于更高激励频率的交流SDBD温升目前还没有相关公开报道的研究。对于结构特征参数的研究可知，上述所用的交流SDBD激励器的背面电极均被绝缘体密封，不存在放电气隙，这种结构使得电压在一个周期内只生成一次气隙放电。而气隙放电是SDBD温度提升最关键的来源，正面电极和背面电极均存在放电气隙的激励器温升特性未见公开报道的相关研究。

因此，本文针对交流SDBD激励器，在35～55 kHz的高频范围内开展了不同气隙结构的对照实验，并对影响机理进行了讨论。首先使用红外测温仪和相机得到温度分布和放电形态，接着利用高压探头、电流探头、示波器得到伏安曲线和功率等电学参数，最后综合分析气隙结构对高频交流SDBD防除冰激励器的温升影响机理。

1 实验系统与原理

高频交流SDBD实验系统如图1(a)所示。所用电源为CTP-2000K，电压输出范围为0～30 kV，频率选择范围为30～58 kHz，实验时交流电源正极接正面电极，负极接背面电极。放电参数测试系统包括带宽75 MHz的Tektronix P6015A高压探头，灵敏度1 mA的Tektronix TCP0030A电流探头，带宽200 MHz的Tektronix MDO3024数字示波器。可见光图像采用Nikon D7100数码相机在遮光条件下拍摄，光圈设置为14，曝光时间为0.125 s，测量距离为1.5 m。温度分布由FLUKE Ti480红外热像仪进行测量，其测温量程为-20～1 200 ℃，温度分辨率为0.05 ℃，距离激励器为1 m。此次实验在室温为20 ℃的空气环境中进行，湿度为30%，气压为99.6 kPa。

图1 实验系统示意图

为开展气隙构型对激励器温升效应的影响，所用激励器构型的主视图和侧视图分别为图1(b)与图1(c)。图1(b)所示激励器的正面电极和背面电极均为0.05 mm厚度的铜箔，宽度为15 mm，电极重合长度50 mm，间隙距离为0 mm。所测可见光与红外区域的大小为75 mm×55 mm，为便于后续对激励器温度场进行分析，取正面电极靠近背面电极50 mm长度的边线为“边线A”，取“边线A”下方15 mm位置处为“边线B”。图1(c)所示激励器绝缘介质均采用耐高温的石英玻璃，厚度为3 mm。构型1激励器的背面电极被2层厚度为0.1 mm、宽度为20 mm的耐高温聚酰亚胺薄膜覆盖以隔绝气隙，构型2激励器的背面电极与外界气体接触。为解决金属发射率过低(如铜的发射率常小于0.2)、发射率易受表面状态干扰所造成的红外测温误差问题，在正面电极和背面电极的铜箔表面覆盖高发射率的石墨烯涂层(石墨烯发射率可至0.99)[23]，厚度约0.01 mm。

2 实验结果分析

2.1 不同气隙构型SDBD激励器的放电机理

激励电压18 kV、频率55 kHz时，对不同气隙构型的SDBD防除冰激励器气体电离情况进行观察，可见光图像见图2。如图2(a)所示，构型1激励器仅在正面电极所在一侧产生了空气电离，表现为许多近似平行分布的细丝状放电通道。如图2(b)和图2(c)所示，构型2激励器在正面电极和背面电极所在的两侧均有明显的发光等离子体通道。

图2 构型1和构型2激励器的可见光图像

图3为不同气隙构型激励器的放电电压和电流的波形图。由图3(a)可知对于构型1激励器的电流波形，仅在电压正半周期时出现了一批次的尖峰脉冲，即等离子体放电仅发生在电压的正半周期。图3(b)表明对于构型2的高频交流SDBD激励器，在一个放电周期内电流波形共出现了两个批次的尖峰脉冲，分别对应于电压波形的正半周期和负半周期，表明在电压的正负半周期各自产生了等离子体丝状放电。

图3 激励电压与电流波形图

图3所示不同气隙构型的高频交流SDBD防除冰激励器的放电机理分析为，在电压的正半周期，与激励电源正极相接的正面电极为阳极，与电源地端相接的背面电极为阴极；在外施电场作用下初始生成的电子崩向阳极方向发展，当电子崩头部的电子到达阳极被接触中和时，由于电子崩尾部的正离子运动速度相比电子较慢，使得正离子大量停留积累导致空间畸变，在受到畸变而加强的电场中产生了二次电子崩，二次电子崩的加入使得空间电离度大大增加，最终在构型1和构型2激励器的正面形成了图2(a)和图2(b)所示的流注放电[24]。而在电压的负半周期，交流电源的极性反转使得背面电极成为阳极，构型2激励器的背面电极仍可以中和电子崩头部的电子形成二次电子崩，产生图2(c)所示丝状放电。但构型1激励器的背面电极被聚酰亚胺薄膜覆盖使得电子崩头部的电子无法直接与正电极中和，且聚酰亚胺材质缺乏自由移动的带电粒子，电子积聚在薄膜表面，没有形成电极间的等离子体放电。

2.2 电压对不同气隙构型SDBD激励器的温升影响

激励频率固定为50 kHz，电压变动范围为12～20 kV时，2种不同气隙构型激励器裸露正面的可见光图像见图4。由图4可知对于构型1和构型2的SDBD激励器，放电细丝长度和等离子覆盖面积都随电压提高而增加，同时等离子体电离区域的亮度也随电压提高而增加。这是因为电压的升高增强了电极间的电场强度[13,25-26]，电离区域中的带电粒子受到更大场强力的作用，动能和非弹性碰撞次数增加使得高能电子的分布密度增加。

对比图4(a)中构型1和图4(b)中构型2激励器的可见光图像可知，相同电压时构型2激励器比构型1激励器的丝状通道数目更多，放电细丝长度更长。这表明对于裸漏在外的正面电极，由于受到背面电极气隙结构的影响，施加相同的激励电压时构型2激励器相比构型1激励器的气体放电更加剧烈，必然会造成更强的温升效应。

介质阻挡放电形成以后，大量随机分布的微放电出现在电极间，电子和负电荷粒子沿丝状通道向阳极运动的同时，正电荷粒子也以相对较慢的速度向阴极运动，由于电极间电介质层的存在，正电荷粒子会逐渐积累并形成与外加电场方向相反的电场从而使放电熄灭[27]。对于背面电极存在气隙的构型2激励器，负半周期时背面电极为阳极，因此负半周期输送的正电荷粒子聚集在此阶段作为阴极的正面电极附近；当交流激励极性转换时，前半周期聚集的正电荷和此阶段作为阳极的正面电极的共同作用，使得电场强度更大，如图4(b)所示放电更加剧烈。而背面电极不存在气隙的构型1激励器由于在负半周期时不能形成流注放电，无法输送大量的正电荷粒子至正面电极附近，因此在正半周期时，图4(a)所示正面电极的放电得不到加强。有研究者在采用不同极性脉冲电源的等离子体放电试验中也出现此类结果[28-29]，使用正脉冲、负脉冲、双极性脉冲(正负脉冲兼有)的3种不同高压电源，发现双极性脉冲相比正、负单极性脉冲在激发DBD等离子时具有绝对的优势，分析原因为施加双极性脉冲时，上一个脉冲在介质板表面积聚的电荷可以有效地参与到下一个极性相反脉冲的放电过程中从而增强了等离子体放电强度。

图4 不同电压时构型1和构型2激励器裸露正面的可见光图像

红外测温法通过测量从物体表面辐射出来的红外能量来获得温度信息。发射率为1.0的理想黑体以直接辐射形式辐射出所有能量；但对于非理想黑体，发射率影响目标的直接辐射能量。发射率较小不仅使得直接辐射能量过低，降低了测温分辨率；且发射率范围越小，发射率的微小改变对测温误差的影响越明显。文献[30]指出若物体发射率小于0.5时，不能实现精确测温。因此为了精确分析防除冰激励器的温度场分布，在发射率为0.01～0.22的铜电极表面涂覆黑色无光泽的石墨烯，石墨烯发射率为0.9～0.99，本文研究中取为0.95。激励频率50 kHz、电压12～20 kV条件下，2种不同气隙结构激励器通电5 min后，激励器裸露正面的红外测温图像如图5所示，温度分辨率为0.05 ℃，精度为±2 ℃。

由图5可知，构型1和构型2激励器的整体温度均随电压增加而提高，且不同电压时最高温度总出现在气体电离区域的丝状放电通道上。这是因为SDBD的温升热量来自于气体放电和电极间电介质的介质损耗；电压增加时增大了气体电离区域的场强，带电粒子的动能增加，通过与气体分子发生碰撞的方式提高了电离区域的内能；介质电导和介质极化的滞后效应也会在电介质内产生热量；电极间形成放电通道后，气体电离产生的温度要高于介质发热。

图5也可看出，相同电压条件下，构型2激励器相比构型1激励器的温度更高，温升范围也更大。依据热源分布，以正面电极靠近背面电极的边线A为界进行分析，构型2激励器在边线A上侧区域温升效果更好的主要原因，为具有气隙结构的背面电极在负半周期积聚的正电荷在正半周期的促进作用，构型2激励器在边线A下侧温升效果更好的主要原因，为图2(c)中背面电极在负半周期生成的等离子体对介质板的直接加热作用。

对图5所示的红外测温结果进一步分析，取边线A上侧温度最高值(也为激励器的温度最高值)，得到构型1和构型2激励器正面最高温度随电压的变化曲线见图6。相同电压时，构型2相比构型1激励器的最高温度数值更大，如20 kV时构型2激励器的最高温度为179.92 ℃，相比构型1激励器的118.75 ℃最高温度，增加倍数可至151.51%，其原因为前述图4所分析的构型2激励器背面的气隙构型对正面电极等离子放电的促进作用。

图5 不同电压时构型1和构型2激励器裸露正面的红外测温图像

图6 电压对不同气隙构型高频激励器最高温度的影响

构型1和构型2激励器的最高温度随电压增加而非线性提高。采用对瞬时电压和电流进行积分运算的方法[31]，计算得到构型1和构型2激励器功率随电压的变化曲线如图7所示。两电极间激励电压达到放电阈值后，空气电离形成的大量带电粒子在电场作用下运动，在此过程中对周围气体分子进行碰撞并产生能量转换，因此等离子体电离区域温度升高。电介质在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起能量损耗，电能转换成为热能。放电功率对于SDBD激励器的温升效应具有直接影响关系[22]，且激励器的放电功率与激励电压之间呈幂次方关系[32]，因此激励电压位于较大阶段时产生的温升更显著。将激励器应用在防除冰区域可以使机体表面温度保持在冰点以上，起到防冰效果；或使已形成的冰体融化并在来流作用下脱离，实现结冰消除。

图7 电压对不同气隙构型高频激励器消耗功率的影响

为研究激励器正面的等离子放电反方向的温度影响范围，在图5中选取50 mm测温长度的边线B的测温值，结果如图8所示，可以发现构型1和构型2激励器在此测温范围内均随电压增加而升高，且相同激励电压时构型2的温度更高。这是因为对于构型1激励器，温升源为边线A上方的等离子体加热和介质发热，边线A下方的温度为电介质热传导获得，距离越远温度越低。对于构型2激励器，除构型1中出现的2个升温方式，边线A下方的温度还可以由背面电极产生的等离子体获得，其方向与正面电极产生的等离子体相反。因此对于构型2的高频交流SDBD防除冰激励器，裸露工作面的等离子放电区域反方向具有更大的温升影响范围和更高的温度。

图8 电压对不同气隙构型高频激励器边线B处温度的影响

2.3 频率对不同气隙结构SDBD激励器的温升影响

电介质通常为绝缘体，但当电场进一步增强到某个临界值时，介质内部正负电荷挣脱束缚成为自由电荷，绝缘性能遭到破坏，这种现象称为电介质击穿，所对应的电压称为击穿电压。为增强SDBD激励器使用稳定性和延长使用寿命，开展频率对激励器的温升影响研究。

激励电压固定为16 kV，频率变动范围为35～55 kHz时，2种不同气隙结构激励器正面电极处的可见光图像如图9所示。实验状态不变，2种不同气隙结构激励器通电5 min后，正面电极处的红外测温图像如图10所示。由图9可知对于构型1和构型2激励器的放电细丝长度、可见光面积、等离子体亮度都随频率提高而增加。图10的红外测温结果也表明，两种不同构型激励器的整体温度均随频率增加而提高。原因之一为增加频率使得单位时间内作用在SDBD激励器的放电脉冲次数增多，能量注入密度得到提高；其他影响因素需进一步进行分析。

图9 不同频率时构型1和构型2激励器裸露正面的可见光图像

对比图10中2种不同气隙结构激励器的红外测温图像，可知相同频率状态下，构型2激励器的温度更高，温升范围更大。以边线A为界进行分析，边界A上方温升效果更好的原因是负半周期时使SDBD背面电极流注放电熄灭的积累电荷，在正半周期时对正面电极的气体电离提供了促进作用；边界A下方温升效果更好的原因是构型2相比构型1增加了背面电极的流注放电。

图10 不同频率时构型1和构型2激励器裸露正面的红外测温图像

在边线A上侧区域取温度最高值，得到2种不同气隙构型激励器最高温度随频率的变化曲线，如图11所示。可知在频率为55 kHz状态下，激励电压为18 kV时构型1和构型2的温度分别为89.4 ℃和118 ℃；通过对温度的对照实验，发现在频率为40 kHz时，若要使SDBD防除冰激励器达到同值温度，构型1和构型2的激励电压应分别增至21 kV与20.2 kV。从图11中也可发现相同频率时构型2激励器的最高温度始终高于构型1激励器，不同构型激励器的最高温度随频率提高呈非线性增加。

图11 频率对不同气隙构型高频激励器最高温度的影响

不同构型激励器的功率随频率变化曲线如图12所示。从图12中发现在频率35～50 kHz范围内，对功率影响的线性度较好，这与Forte等的研究结果相符，其在频率较低(300～1 000 Hz)条件下研究了SBSD激励器的功率与频率之间的关系，发现功率随频率提高呈准线性增加[33]。频率为55 kHz时功率的增长梯度变大，分析原因为SDBD激励器在放电过程中，由于电介质表面电导率很低，流注产生的带电粒子无法因电传导而消失，而是在电介质表面形成电荷沉积[34]。且前次气体放电结束后，在电离空间仍能短期存在一些带电粒子，下次放电常在前次放电位置产生，称为记忆效应[35]；相比于低频状态，频率较高时两次放电的时间间隔变短，高频激励更能利用记忆效应残余的带电粒子对下次放电产生有利影响，提升新的带电粒子产生效率，使得功率和温度突增。即提高频率对交流SDBD防除冰激励器的温升影响因素为能量注入密度的增加，以及高频状态对前次放电残余粒子利用率的提高。