大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器流动控制特性综述

大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器流动控制特性综述齐晓华;雷济宇【摘要】主要针对大气压沿面介质阻挡放电(surfacedielectricbarrierdischarge,SDBD)的电特性和机械特性，综合概述了交流高压驱动条件下典型的单个板-板结构的SDBD等离子体激励器在气流控制领域中的研究进展.文中仅给出了周围没有气流情况下SDBD等离子体激励器的研究结果.首先总结了SDBD的放电电流、等离子体的扩展及其形态等主要特征，然后给出了时间平均的电流体动力(Electro-hydro-dynamic,EHD)和离子风速度的测量情况，最后总结了EHD力和离子风速度的时间分辨测量的最新研究进展.研究结果显示，单个SDBD等离子体激励器产生的平均EHD力和离子风速分别可高达1mN/W和7m/s,类辉光放电对推力和离子风的产生起主导作用.【期刊名称】《渤海大学学报(自然科学版)》【年(卷)，期】2019(040)001【总页数】10页(P59-68)【关键词】气流控制;沿面介质阻挡放电;电特性;机械特性【作者】齐晓华;雷济宇【作者单位】渤海大学数理学院，辽宁锦州121013;大石桥市高级中学，辽宁大石桥市115110【正文语种】中文【中图分类】TM2150引言近十多年来，利用大气压放电等离子体激励器作为流动控制领域的气动激励装置并研究其流动控制特性已成为国内外的研究热点课题之一〔1-4〕.其中，大气压沿面介质阻挡放电(surfacedielectricbarrierdischarge，SDBD)等离子激励器由于其结构简单易操作、能量消耗低、响应速度快以及参数易于实现实时控制等技术优势而备受关注.这一新研究热潮的出现主要得益于美国Roth等学者在1998年证明了薄壁射流等离子体对于低速气流具有非常显著的控制效果〔5〕.随后，Roth研究小组开展了关于边界层气流控制、翼型攻角分离流再附着〔6,7〕及SDBD等离子体激励器参数优化等方面的一系列研究工作，研究成果表明SDBD在改善飞行器动力特性方面具有广阔的应用前景.图1给出了SDBD等离子体对于低速气流可以实现边界层分离再附着的示例.鉴于Roth等学者的研究成果，具有等离子体研究经验以及具有等离子体与气流相互作用研究背景的不同研究团体相继开始致力于SDBD等离子体激励器作为气流控制装置的研究工作.在接下来的十年里，期刊和会议上关于等离子体流动控制方向的出版物数量急速增长，最终成为一个完整的跨学科研究领域.如图2所示，通过Google搜索词条检索“plasmaactuator”，可以发现全世界范围内等离子体激励器的研究热度几乎呈指数增长〔8〕.图1沿面介质阻挡放电对边界层控制效果图〔6〕近十多年来，国内外众多学者针对SDBD开展的研究工作主要可以概括为两个方向：一个方向是针对SDBD等离子体激励器的结构参数优化和控制参数优化，目的是获取较高的电流体动力(Electro-hydro-dynamic，EHD)和离子风速度；另一个方向是研究SDBD诱导EHD力的产生机理以争取实现EHD力质的飞跃，使流动控制技术实际应用于工程领域.本文主要综合概述近十年在周围没有气流情况下SDBD等离子体激励器在气流控制领域中的规律性的研究成果或对后续研究有重要影响的研究成果，针对交流高压驱动下典型的单个板-板结构的SDBD等离子体激励器的电特性和机械特性进行总结.首先总结了交流高压驱动下典型的SDBD的放电电流，等离子体的扩展及其形态等主要特性，其次给出了时间平均的EHD力和离子风速度的测量情况，然后总结了EHD力和离子风速度的时间分辨测量的最新研究进展，最后对SDBD研究成果的主要结论做了总结.图2等离子体激励器研究热度图表〔8〕1SDBD等离子体激励器结构典型的单个板-板结构的SDBD等离子激励器通常包含两个扁平电极，且两个电极非对称地安装在介质板的两侧，如图3(a)所示.暴露在空气中的上电极(以下简称裸露电极)与交流高压电源相连接，另一个是封装和接地的(以下简称密封电极).电极材料通常为铜箔或铝箔，厚度介于30pm至100pm之间；介质板材料通常为耐热耐高压的石英玻璃、有机玻璃、云母、陶瓷等绝缘材料，介质板的厚度通常在100pm到8mm之间.电极间隙一般介于零或几毫米之间.当在裸露电极施加的交流高压超过击穿电压时，沿介质板表面会扩展出一层明亮的等离子体，等离子体的延展图片如图3(b)所示〔9〕.图3(a)典型的沿面介质阻挡放电结构图；(b)放电延展图片〔9〕2放电电流特性图4给出了44kV峰峰值高压驱动下单个SDBD(3mm厚PMMA为介质板)的电压电流波形〔10〕.从图4中可以看到，对板-板结构的SDBD而言，放电电流在两个不同的放电半周期呈现截然不同的放电特征.正半周期的放电属于疏散的强电流丝状放电，电流的幅值可高达250mA，而负半周期的放电属于细密的类辉光放电，电流的幅值一般不高于10mA.(a)电流在-40mA至360mA范围内的宽视图；(b)电流在-3.5mA至2mA范围内的放大图图4典型SDBD等离子体放电电流对比时间波形〔10〕3等离子体扩展特性等离子体高速演化和扩展图像可通过快速可控的纳秒级增强电荷耦合器件(intensifiedchargecoupleddevice，ICCD)进行拍摄收集.图5给出了Benard等采用ICCD技术拍摄的等离子体高速演化的图像〔11〕，该研究成果进一步在微观层面上证实了交流驱动的SDBD在交流的正负半周期具有不同的放电特性.正半周期的放电属于丝状模式的放电，而负半周期的放电属于类辉光模式的放电.Benard等的这一研究成果为后续SDBD的机理研究提供了依据.图5(a)SDBD的电压电流对比时间波形图;(b)等离子体演化高速照片(曝光时间100同〔11〕4SDBD等离子体激励器的机械特性4.1功率消耗根据电压和电流曲线，等离子体激励器所消耗的时间平均电功率可以通过以下公式进行计算(1)其中v(t)和i(t)分别是电压和电流与时间的关系，TAC是波形周期,fAC是正弦高压频率.通常，采用这种方法时，功率消耗会从一个周期到另一个不同周期，然后需要几个周期(从10到100)来达到收敛的平均值.这种方法非常简单准确，但问题是在高电流峰值时，同步电流的幅度比电流峰值至少小一个数量级，很难有一个好的解决方案获得同步电流.另一种计算时间平均电功率的简单方法是〃李萨如图形法”〔12〕.该种方法是由Pons等人首次用于计算SDBD等离子体激励器的消耗功率.该方法包括在接地电极和接地端之间放置一个电容C(如图3所示)，并绘制V-Q曲线，如图6所示.该曲线的面积对应于每个放电周期所消耗的能量.曲线是逆时针方向覆盖的，每半个部分显示两个分支，分别对应于存在(A)或不存在(B)的放电.典型的能量值范围为1mJ至20mJ,每个周期传输的电荷高达几个K，电功率通过此值与波形频率fAC相乘获得.该方法的主要优点是计算不会因高电流峰值的存在而产生偏差，并且从一个循环到另一个循环更具有可重复性.通常，电功率消耗以瓦(W)每单位长度电极(W/cm)表示.典型的等离子体激励器消耗的功率范围从0.1到几W/cm,并且在气流控制应用中的大多数情况，无论介质板厚度如何，电功率消耗约为1W/cm.图6电荷电压曲线图，通常称为〃李萨如图形”(V=20kV,fac=300Hz)〔12〕4.2激励器诱导的时间平均推力和EHD力纵观国内外的研究成果，通常采用两种方法来衡量等离子体激励器的机械效应.第—种方法是测量放电弓I起的时间平均推力，第二种方法是基于通过流体力学和空气动力学(如激光多普勒测速仪(laserdopplervelocimeter,LDV)系统或粒子图像测速仪(particleimagevelocimeter,PIV)系统等)来测量离子风速，进而计算出EHD力.这两种方法在研究工作中相互补充.等离子体放电时，放电等离子体与介质板表面间存在表面摩擦力，在实验中测得的水平推力实际上是EHD力与表面摩擦力的差值.但考虑到低速气流下表面摩擦力很小，通常认为激励器诱导的推力大小等同于EHD力的大小.SDBD诱导的时间平均推力通常借助实验室天平进行测量.天平精度必须小于1mN,因为在10cm长激励器情况下，典型的测量值范围是从0.1mN到几个mN.此种方法简单快速，在全世界范围内被广泛采用〔7,10,13-16〕；后一种方法可以在时间和空间范围内解决流动测量问题，通过使用Navier-Stokes方程，并假设几个初始条件，进而从速度场推导出EHD力.下面将着重介绍几种对后续研究有重要影响的研究成果.2004年，Enloe研究小组通过SDBD等离子体激励器诱导的推力测量来描述激励器的机械效应〔17，18〕，研究成果表明激励器诱导的推力与消耗功率成正比，并且几何参数(例如电极形状)和电气参数(例如电压波形)对诱导的推力大小起重要作用.通过优化，它们的电耗有效性约等于0.15mN/W.最近的一项研究证实〔15〕，推力与消耗的功率几乎成线性增加，如图7所示，具有约0.25mN/W的有效性.但是，当功率增加到约50W/m(0.5W/cm)以上时，因为放电变成丝状，曲线轻微下降.这种饱和效应在Thomas等人的研究成果中也被观测到〔19〕.到目前为止，最强的推力是由Thomas等人利用6.35mm厚的石英介质板产生的〔19〕.在1kHz时，当施加的交流高压为40kV时，测得的推力50mN/m和125mN/m时所对应的消耗功率分别为1W/cm和4W/cm，这分别相当于0.5mN/W和0.31mN/W的有效性.该研究成果表明推力效率(以mN/W为单位)随着电功率消耗的增加而降低.图8显示了频率固定(1500Hz)，电压从12kV增加到22kV时产生的推力与功率消耗曲线及电压幅值固定(20kV)，频率从500Hz调节到2000Hz时产生的推力与功率消耗曲线.研究结果再一次证明，推力与功率消耗几乎成线性比例增加.当消耗的电功率等于1W/cm时，测得约60mN/m的推力，推力效率相当于0.6mN/W.这一成果也突出了推力的有效性随着电介质厚度的增加而增加.图7推力随功率变化曲线图〔15〕图8推力对比功率消耗曲线图〔10〕4.3时间平均的离子风速度SDBD在放电过程中诱导产生出EHD力,并进一步诱导壁面气体的流动，气体的流动也被称作离子风.离子风速度测量相比于推力测量的优点是可以进行空间分布测量.进行离子风速度测量实验的最简单方法是使用压力探测器连接到皮托管.皮托管测量风速的原理可由伯努利方程给出：(2)其中P为总压，P0为静压，分别对应接入微压差传感器的两个气压输入端口，压差AP可以在实验中直接测量得到，p为一个标准大气压室温条件下的空气密度(1.29kg/m3),v为气流的速度.将公式(2)进行变换，可以得到气流速度v的表达式：⑶图9(a)显示了水平速度沿y轴分布的典型示例〔20〕，其中y=0对应于电介质墙.在x=10mm(下游10mm),在裸露电极的边缘处，在约0.5mm处测量的最大速度约等于4m/s，喷射厚度约等于5mm.在下游，由于扩散和粘性效应，最大速度减小而喷射厚度增加.图9(b)显示了沿x轴的垂直剖面情况(4mm厚的介质板，V=30kV,fac=1.5kHz)，它突出了横向离子风速的分量从x=0增加到大约10mm-15mm，最大速度等于7m/s.据我们所知，它是迄今为止用单个SDBD测量得到的离子风速的最高值.图9(a)四个不同x位置离子风速度沿y轴剖面图;(b)y=0.9mm处，离子风速度沿x轴的剖面图〔20〕4.4时间分辨的离子风速度借助于高速PIV系统或LDV系统，可以实现时间分辨的速度测量.该方法可以更准确地表征所产生的离子风的流动特性.在2005年，Forte等第一次进行了离子风速度对比时间的测量研究，实验第一次证明了交流正负半周期的放电对于产生离子风的贡献是不同的.但由于电源与LDV系统在时间上不同步的局限性，尚不能判断交流哪半个周期对于离子风的产生更有效在2006年的速度时间分辨测量研究工作中〔20,21〕，正弦高压和LDV系统的时间同步性问题得以解决.图10和图11展示了离子风速度对比时间的曲线，实验结果表明，相对于交流正半周期的丝状放电而言，交流负半周期的类辉光放电更有利于离子风的产生.最近，Benard和Moreau进行的进一步的研究〔11，22〕再一次证明交流负半周期的类辉光放电对于离子风的产生具有重要贡献，而正半周期的丝状放电对于离子风的产生几乎没有贡献.图10离子风速度对比时间曲线图（fac=700Hz,x=2mm,y=1mm）〔20〕在2012，Debien等〔10〕借助高分辨的PIV系统进一步证明类辉光周期的放电对离子风速度起主导作用.图11在不同x,y位置离子风速度对比时间曲线图〔10〕4.5EHD力在时间或空间上的分辨测量主要介绍EHD力时间分辨测量的两个例子.第一个涉及总诱导推力与时间的关系.Enloe等尝试在高带宽激光干涉仪系统的帮助下测量总诱导推力与时间的关系〔22〕，研究发现等离子体放电的负半周和正半周所产生的推力方向相同，但只有负向半周期产生的力足以克服介质板表面的阻力.另一个例子是通过PIV时间平均速度场进行平均力的计算，在这种情况下，力不是时间分辨的，而是空间分辨的.在文献〔23〕中，Kriegseis等人实施了不同的积分方法和不同的推力估算方法.研究结果证明推力的强度和力作用的域，随着消耗功率的增加而增加，该结果与图7和图8所示的实验测量结果一致.研究结果还表明约有30%动量消耗于壁摩擦.图12显示了推力分布的一个例子和10%的等值线（给出局部力f（x，尸）高于最大力除以10的区域）.它强调，对于0.4mm厚的介质板，在V=12kV,fAC=11kHz条件下，局部力可以达到8x103N/m3.该最大力非常靠近裸露电极边缘，通常在x«1mm,y«0.15mm处.在这样的条件下，总的计算推力约等于25mN/m，总测量推力大约等于15mN/m.图12通过PIV系统测量计算时间分辨的总推力〔23〕5结论在本文中，介绍了SDBD等离子体激励器的电特性和机械特性.主要结论如下：放电电流曲线和ICCD快速成像技术表明交流正半周期产生丝状放电，而交流负半周期产生类辉光放电.典型的等离子体激励器消耗的功率范围从0.1到几W/cm，在气流控制应用中的大多数情况，电功率消耗约为1W/cm.最大测量推力等于125mN/m，消耗功率为4W/cm.⑷当消耗的电功率等于1W/cm时，推力效果最佳，推力效率等于0.6mN/W.在单个SDBD的情况下，最大测量离子风速等于7m/s.速度时间分辨测量结果显示两个电压半周期都能产生正的水平离子风速度，但负半周期放电产生的离子风速度占主导地位.【相关文献】〔1〕MOREAUE.Airflowcontrolbynon-thermalplasmaactuators〔J〕.JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2007,40(3):605-636.〔2〕CORKETC,ENLOECL,WILKINSONSP.Dielectricbarrierdischargeplasmaactuatorsforflowcontrol[J].AnnualReviewofFluidMechanics,2010,42(1):505-529.〔3〕BENARDN,MOREAUE.ElectricalandmechanicalcharacteristicsofsurfaceACdielectricbarrierdischargeplasmaactuatorsappliedtoairflowcontrol〔J〕.ExperimentsinFluids,2014,55(11):1-43.〔4〕CORKETC,POSTML,ORLOVDM.SDBDplasmaenhancedaerodynamics:concepts,optimizationandapplications〔J〕.ProgressinAerospaceSciences,2007,43(7):193-217.〔5〕ROTHJR,SHERMANDM,WILKINSONSP.Boundarylayerflowcontrolwithaoneatmosphereuniformglowdischargesurfaceplasma〔C〕.NASALangleyResearchCenterAerospaceSciencesMeetingandExhibit,Reno,NV,1998,1-28,AIAAPaper1998-0328.〔6〕ROTHJR.Aerodynamicflowaccelerationusingparaelectricandperistalticelectrohydrodynamiceffectsofaoneatmosphereuniformglowdischargeplasma〔J〕.PhysicsofPlasmas,2003,10(5):2117-2126.〔7〕ROTHJR,SHERMANDM,WILKINSONSP.Electrohydrodynamicflowcontrolwithaglow-dischargesurfaceplasma〔J〕.AIAAJournal,2000,38(7):1166-1172.〔8〕OPAITSDF.Dielectricbarrierdischargeplasmaactuatorforflowcontrol〔D〕.Princeton,Newjersey;Princetonuniversity,2012.〔9〕BENARDN,MOREAUE.EHDforceandelectricwindproducedbyplasmaactuatorsusedforairflowcontrol〔C〕.6thAIAAFlowControlConference,NewOrleans,Louisiana,2012,1-47,AIAA2012-3136.〔10〕DEBIENA,BENARDN,MOREAUE.StreamerinhibitionforimprovingforceandelectricwindproducedbyDBDactuators〔J〕.JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2012,45(21):215201.〔11〕BENARDN,MOREAUE.Roleoftheelectricwaveformsupplyingadielectricbarrierdischargeplasmaactuator〔J〕.AppliedPhysicsLetters,2012,100(19):193503.〔12〕PONSJ,MOREAUEG,TOUCHARDG.Asymetricsurfacebarrierdischargeinairatatmosphericpressure:electricpropertiesandinducedairflowcharacteristics〔J〕.JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2005,38(19):3635-3642.〔13〕ZHAOPF,ROYS.Studyofspectrumanalysisandsignalbiasingfordielectricbarrierdischargeactuator〔C〕.50thAIAAAerospaceSciencesMeetingincludingtheNewHorizonsForumandAerospaceExposition,Nashville,Tennessee,2012,1-9,AIAA2012-0408.〔14〕HOSKINSONAR,HERSHKOWITZN.Differencesbetweendielectricbarrierdischargeplasmaactuatorswithcylindricalandrectangularexposedelectrodes〔C〕.JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2010,43(6):065205.〔15〕KRIEGSEISJ,GRUNDMANNS,TROPEAC.Powerconsumption,dischargecapacitanceandlightemissionasmeasuresforthrustproductionofdielectricbarrierdischargeplasmaactuators〔J〕.JournalofAppliedPhysics,2011,110(1):013305.〔16〕ENLOECL,THOMASE,MCLAUGHLINTE.Mechanismsandresponsesofasingledielectricbarrierplasmaactuatorplasmamorphology〔J〕.AIAAJournal,2004,42(3):589-594.〔17〕ENLOECL,MCLAUGHLINTE,DYKENRV,etal.Mechanismsandresponsesofasingledielectricbarrierplasmaactuator:geometriceffects〔J〕.AIAAJournal,2004,42(3):595-604.〔18〕DYKENRV,MCLAUGHLINTE,ENLOECL.Parametricinvestigationsofasingledielectricbarrierplasmaactuator〔C〕.42ndAIAAAerospaceSciencesMeetingandExhibit,Reno,Nevada,2004,AIAA2004-846.〔19〕THOMASFO,CORKETC,IQBALM,etal.Optimizationofdi