一种多针-网电极离子风激励器推力特性研究

一种多针-网电极离子风激励器推力特性研究

1多针-网电极形式的离子风激励器推力特性在高压下，两个电极的开口角度小的电极会发生电头晕，导致带电粒和空气动力学分子的运动和能量的传输，并导致空气流量的定向运动和离子风。由于其应用的不同，空气电头晕的电离作用风的研究越来越普遍，尤其是离子风的流场分布特征，因此提高了效率，提高了离子风的自由度。此外，空气电头晕电离作用也被用作可开发的研究对象，特别是在飞机流量控制和国际空气动力学领域的研究领域。空气电晕放电离子风流场分布特性是粒子动量和能量在空间局部效应的表现,而推力特性则是反应粒子动量和能量对空间积分的总效应.XavierBorg-Blaze实验研究小组从2001—2004年期间主要采用线-附面电极研制了不同形状的离子风(EHD)推力装置,在不同的电极间隙、线电极长度和电压下获得了不同的推力和推功比.2009年美国NASA研究人员研究了针-附面电极电晕放电产生的推力,考虑了激励源和电极间隙的影响作用,推导出推力的计算公式其中I表示电晕电流,d表示电极间隙,µ表示离子迁移率,并提出该电极形式下推力与推功比不能同时达到最优,Pekkerd等在对EHD推力器理想模型仿真时也提出相同的结论,但均未提出解决的方法.国内学者多关注DBD、辉光、等离子体的放电特性、射流特性,以及放电模式和机理的仿真和理论研究,较少关注离子风的流体和推力特性,在这方面任军学等曾对线-附面电极形式的离子风(EHD)推力装置进行了相关的研究.离子风激励器产生的平均风速越大,产生的推力也就越大,许多研究者对不同的电极结构形式(如针-网、针-环、线-棒和线-板),以及不同的电极结构参数对电晕离子风风速特性的影响都进行了研究,比较这些研究结果发现在相同外界情况下针-网电极与其他电极形式相比,在发生电晕放电时产生的离子风风速相对较高,增加电压提高风速效果明显.Qiu等研制的一种高速、大面积多针-网电极离子风激励器装置,25级离子风激励器串联平均风速最高可达16.1m/s.因此本文将采用多针-网电极形式来研究离子风激励器的推力特性.本文搭建了一种无摩擦气垫悬浮测试平台测量了19针和31针-网电极离子风激励器产生的推力,并研究多针-网间隙、针-针间距、针尖曲率半径和电晕电压电流对离子风激励器产生的推力大小影响作用.通过对影响多针-网电极离子风激励器推力的电极结构参数的研究,一方面可以掌握影响多针-网电极离子风激励器推力大小的规律,进而提出多针-网电极离子风激励器在低功耗下获得大推力的解决方法;同时,另一方面也为多针-网电极离子风激励器向新型动力源的应用提供动力控制方案.2研磨成功率高、测量机理分析不同的微推力产生装置,测试其推力的方式主要是采用力学平衡法(如天平、单摆和无摩擦转台等),有时也利用激光干涉来辅助测量.这些测量方法各有优缺点,适合于不同量级推力和测试精度的测量.本文研究的离子风激励器产生的推力稳定,单级预估能产生的推力在30—100mN范围内,同时考虑到电源引线接入带来的影响,因此搭建了一种无摩擦气垫悬浮推力测试平台,其测试原理、结构简单,安装、操作方便,在国内外相关文献中是首次采用这种测试方式,其中测力计采用美国Mark-10公司生产的M5-012型测力计,量程500mN,精度0.1mN.如图1(a)所示,离子风激励器固定在滑行器水平支撑板上,推力方向与滑行方向保持一致.工作时由空气压缩机作为气垫导轨的气源,向导轨空腔内注入300kPa左右的干燥空气,导轨表面均匀分布着直径为0.5mm小孔使导轨空腔与外界相通,空气从这些小孔高速流出撞击滑行器侧面板,此时导轨外表面与滑行器侧面板之间形成稳定的薄气层,使滑行器悬浮,如图1(b)所示.将整套推力测试装置安装在光学平台上,保证通气后滑行器悬浮静止,再将滑行器一端与测力计传感器触头接触,记录此时测力计的数值,当离子风激励器施加电压工作后,滑行器向离子风流动的反方向运动,再次读取测力计的数值,两次读取的数值之差即为离子风激励器的推力大小.该推力测量平台通过新颖的气垫悬浮方法克服了采用其他方法测试离子风激励器推力带来的摩擦问题,同时通过差值测量法消除由外界因素引起的误差,使测量更加准确.3多针-网电极离子风激励器实验如图2(a)所示,为多针-网电极离子风激励器针电极分布示意图,针电极最小分布单元为正三角形,边长L0为12mm.针电极均采用针尖曲率大致相同的不锈钢针,用锡焊接在网格为1.5mm×1.5mm金属网平面上.如图2(b)所示,针电极和接地网电极分别固定在有机玻璃两端口,有机玻璃管内径D为80mm,长度L1为30mm,如此构成多针-网电极离子风激励器.离子风激励器的电源采用直流高压源,可产生0—50kV可调的正、负极性直流高压,针电极接入负极性高压,网电极通过无感电阻接地.利用静电电压表(Q3-V)测量针-网电极间的电压,通过万用表测量与网电极串联的无感电阻R(100kΩ)之间的电压间接获得电晕电流.所有实验温度在19.6—20.3◦C范围内,湿度在36%—40%范围内.利用搭建的离子风激励器推力测试平台分别研究了离子风激励器在不同电压电流和电极结构参数下推力和推力比的特性.电极结构参数包括针-网间隙d(10mm,15mmm,20mm和25mm),针-针间距L0(6mm,12mm和15mm)以及针尖曲率半径r(5µm,20µm和50µm).另外,在研究针-针间距的影响作用时,针电极数量N为19针,针-网间隙d为15mm,有机玻璃管径和管长与前面实验相同,针电极分布如图3所示,针密度N/S分别约为20,5和3根4关于离子风激励器的推挤测量4.1电极离子风激励器推力与电流的关系如图4所示,为19针和31针-网电极离子风激励器推力与电压的关系曲线.由图可知,推力与电晕电压呈二次关系,电压越大,推力越大;在相同的电压下,针-网间距越大,获得的离子风推力越小,但可以提高电极间隙的击穿电压,使离子风激励器在更高的电压下获得更大的推力.如图5所示,为19针和31针-网电极离子风激励器推力与电流的关系曲线.由图可知,推力与电晕电流呈线性关系,电晕电流越大,推力也越大;在相同的电流下,针-网间距越大,推力也越大.由图4和图5可知,在相同电极间隙和电压下,增加针电极数量,可以增加电晕点数量,进而增大电晕电流,提高离子风激励器推力,19针-网电极离子风激励器产生的最大推力为30mN,31针-网电极离子风激励器产生的最大推力为43.3mN.由于推力与电流之间的线性关系,因此在文章后面进行数据分析时,均以电晕电流作为参考变量.4.2电晕电流和针-网间距的情况如图6所示,为多针-网离子风激励器推力与针-网间距关系曲线.由图可知,在相同电晕电流下,离子风激励器产生的推力与针-网间距成线性关系.综合上述实验结果可知,多针-网电极离子风激励器产生的推力与电晕电流和针-网间距的乘积成正比.对19针和31针-网电极电晕产生的推力与电流数据进行拟合得到离子迁移率是6.83×10-4m2·V-1·s-1.4.3电晕电流影响如图7所示,当针-针间距L0从6mm增加到15mm时,在相同电晕电流下,针-针间距越大,离子风激励器产生的推力越大;在产生相同推力情况下,针-针间距越小,其电晕电流越大,离子迁移率也越大.对其进行直线拟合计算出不同针-针间距下离子迁移率见表1所示.4.4针电极的制作如表2所示,为单针-网电极在电极间隙为10mm时,不同曲率半径下的伏安特性数据.针尖曲率半径越小,在相同电压下电晕电流越大,则产生的推力也越大.因此,为了能产生较大的推力,应该把针电极尖端的曲率半径尽量减小,但是针尖曲率半径减小的同时,尖端耐腐蚀性也就越差,所以应该选取耐电化学腐蚀性强的材料(如钨)制作针电极.5多针-网电极离子风激励器推力与推功比的关系由第4节离子风激励器推力测量研究可知,离子风激励器产生的推力F与推功比θ的函数表达式分别为其中的参数由实验所测数据计算得到,见表3所示.从(2),(3)式可知,随着电压的增加,离子风激励器产生的推力F增加,但其推功比θ随电压的增加而减小.如图8所示,多针-网电极离子风激励器产生的推力与推功比不可能同时达到最大,与理论分析是一致的.图中红色标记为推力与推功比的交点,从图8(a)和(b)可以看出,在相同针电极数量下,比较不同的针-网间隙,离子风激励器的推力与推功比的交点略有差异,但基本在同一水平位置上,可见针-网间隙的改变对提高推力与推功比的影响较小;另外,在相同针-网间隙下,31针-网离子风激励器的推力与推功比的交点比19针-网离子风激励器的交点有较大的提高,推力最大提高5mN,推功比最大提高1.25N/kW,可见针电极数量的改变对提高推力与推功比的影响较大.从图9可以看出,在相同针-网间隙和针电极数量下,对应的针-针间距分别为6mm,12mm和15mm的离子风激励器的推力与推功比依次增大.另外,从表2可知,减小针电极曲率半径也是提高离子风激励器推力与推功比有效的方法.6针-网电极结构参数对离子风激励器推力与推功比特性的影响作用1.本文研究的多针-网电极离子风激励器推力的电压型控制函数为其中参数见表3.通过增加针电极数量N、减小针-网间距d和增加针-针间距L0可以有效的增加离子风激励器产生的推力.在本文研究的离子风激励器中产生的最大推力能达到43.3mN.2.在本文研究