大氣壓沿面介質阻擋放電等離子體激勵器流動控制特性綜述齊曉華;雷濟宇【摘要】主要針對大氣壓沿面介質阻擋放電(surfacedielectricbarrierdischarge,SDBD)的電特性和機械特性，綜合概述了交流高壓驅動條件下典型的單個板-板結構的SDBD等離子體激勵器在氣流控制領域中的研究進展.文中僅給出了周圍沒有氣流情況下SDBD等離子體激勵器的研究結果.首先總結了SDBD的放電電流、等離子體的擴展及其形態等主要特征，然后給出了時間平均的電流體動力(Electro-hydro-dynamic,EHD)和離子風速度的測量情況，最后總結了EHD力和離子風速度的時間分辨測量的最新研究進展.研究結果顯示，單個SDBD等離子體激勵器產生的平均EHD力和離子風速分別可高達1mN/W和7m/s,類輝光放電對推力和離子風的產生起主導作用.【期刊名稱】《渤海大學學報(自然科學版)》【年(卷)，期】2019(040)001【總頁數】10頁(P59-68)【關鍵詞】氣流控制;沿面介質阻擋放電;電特性;機械特性【作者】齊曉華;雷濟宇【作者單位】渤海大學數理學院，遼寧錦州121013;大石橋市高級中學，遼寧大石橋市115110【正文語種】中文【中圖分類】TM2150引言近十多年來，利用大氣壓放電等離子體激勵器作為流動控制領域的氣動激勵裝置并研究其流動控制特性已成為國內外的研究熱點課題之一〔1-4〕.其中，大氣壓沿面介質阻擋放電(surfacedielectricbarrierdischarge，SDBD)等離子激勵器由于其結構簡單易操作、能量消耗低、響應速度快以及參數易于實現實時控制等技術優勢而備受關注.這一新研究熱潮的出現主要得益于美國Roth等學者在1998年證明了薄壁射流等離子體對于低速氣流具有非常顯著的控制效果〔5〕.隨后，Roth研究小組開展了關于邊界層氣流控制、翼型攻角分離流再附著〔6,7〕及SDBD等離子體激勵器參數優化等方面的一系列研究工作，研究成果表明SDBD在改善飛行器動力特性方面具有廣闊的應用前景.圖1給出了SDBD等離子體對于低速氣流可以實現邊界層分離再附著的示例.鑒于Roth等學者的研究成果，具有等離子體研究經驗以及具有等離子體與氣流相互作用研究背景的不同研究團體相繼開始致力于SDBD等離子體激勵器作為氣流控制裝置的研究工作.在接下來的十年里，期刊和會議上關于等離子體流動控制方向的出版物數量急速增長，最終成為一個完整的跨學科研究領域.如圖2所示，通過Google搜索詞條檢索“plasmaactuator”，可以發現全世界范圍內等離子體激勵器的研究熱度幾乎呈指數增長〔8〕.圖1沿面介質阻擋放電對邊界層控制效果圖〔6〕近十多年來，國內外眾多學者針對SDBD開展的研究工作主要可以概括為兩個方向：一個方向是針對SDBD等離子體激勵器的結構參數優化和控制參數優化，目的是獲取較高的電流體動力(Electro-hydro-dynamic，EHD)和離子風速度；另一個方向是研究SDBD誘導EHD力的產生機理以爭取實現EHD力質的飛躍，使流動控制技術實際應用于工程領域.本文主要綜合概述近十年在周圍沒有氣流情況下SDBD等離子體激勵器在氣流控制領域中的規律性的研究成果或對后續研究有重要影響的研究成果，針對交流高壓驅動下典型的單個板-板結構的SDBD等離子體激勵器的電特性和機械特性進行總結.首先總結了交流高壓驅動下典型的SDBD的放電電流，等離子體的擴展及其形態等主要特性，其次給出了時間平均的EHD力和離子風速度的測量情況，然后總結了EHD力和離子風速度的時間分辨測量的最新研究進展，最后對SDBD研究成果的主要結論做了總結.圖2等離子體激勵器研究熱度圖表〔8〕1SDBD等離子體激勵器結構典型的單個板-板結構的SDBD等離子激勵器通常包含兩個扁平電極，且兩個電極非對稱地安裝在介質板的兩側，如圖3(a)所示.暴露在空氣中的上電極(以下簡稱裸露電極)與交流高壓電源相連接，另一個是封裝和接地的(以下簡稱密封電極).電極材料通常為銅箔或鋁箔，厚度介于30pm至100pm之間；介質板材料通常為耐熱耐高壓的石英玻璃、有機玻璃、云母、陶瓷等絕緣材料，介質板的厚度通常在100pm到8mm之間.電極間隙一般介于零或幾毫米之間.當在裸露電極施加的交流高壓超過擊穿電壓時，沿介質板表面會擴展出一層明亮的等離子體，等離子體的延展圖片如圖3(b)所示〔9〕.圖3(a)典型的沿面介質阻擋放電結構圖；(b)放電延展圖片〔9〕2放電電流特性圖4給出了44kV峰峰值高壓驅動下單個SDBD(3mm厚PMMA為介質板)的電壓電流波形〔10〕.從圖4中可以看到，對板-板結構的SDBD而言，放電電流在兩個不同的放電半周期呈現截然不同的放電特征.正半周期的放電屬于疏散的強電流絲狀放電，電流的幅值可高達250mA，而負半周期的放電屬于細密的類輝光放電，電流的幅值一般不高于10mA.(a)電流在-40mA至360mA范圍內的寬視圖；(b)電流在-3.5mA至2mA范圍內的放大圖圖4典型SDBD等離子體放電電流對比時間波形〔10〕3等離子體擴展特性等離子體高速演化和擴展圖像可通過快速可控的納秒級增強電荷耦合器件(intensifiedchargecoupleddevice，ICCD)進行拍攝收集.圖5給出了Benard等采用ICCD技術拍攝的等離子體高速演化的圖像〔11〕，該研究成果進一步在微觀層面上證實了交流驅動的SDBD在交流的正負半周期具有不同的放電特性.正半周期的放電屬于絲狀模式的放電，而負半周期的放電屬于類輝光模式的放電.Benard等的這一研究成果為后續SDBD的機理研究提供了依據.圖5(a)SDBD的電壓電流對比時間波形圖;(b)等離子體演化高速照片(曝光時間100同〔11〕4SDBD等離子體激勵器的機械特性4.1功率消耗根據電壓和電流曲線，等離子體激勵器所消耗的時間平均電功率可以通過以下公式進行計算(1)其中v(t)和i(t)分別是電壓和電流與時間的關系，TAC是波形周期,fAC是正弦高壓頻率.通常，采用這種方法時，功率消耗會從一個周期到另一個不同周期，然后需要幾個周期(從10到100)來達到收斂的平均值.這種方法非常簡單準確，但問題是在高電流峰值時，同步電流的幅度比電流峰值至少小一個數量級，很難有一個好的解決方案獲得同步電流.另一種計算時間平均電功率的簡單方法是〃李薩如圖形法”〔12〕.該種方法是由Pons等人首次用于計算SDBD等離子體激勵器的消耗功率.該方法包括在接地電極和接地端之間放置一個電容C(如圖3所示)，并繪制V-Q曲線，如圖6所示.該曲線的面積對應于每個放電周期所消耗的能量.曲線是逆時針方向覆蓋的，每半個部分顯示兩個分支，分別對應于存在(A)或不存在(B)的放電.典型的能量值范圍為1mJ至20mJ,每個周期傳輸的電荷高達幾個K，電功率通過此值與波形頻率fAC相乘獲得.該方法的主要優點是計算不會因高電流峰值的存在而產生偏差，并且從一個循環到另一個循環更具有可重復性.通常，電功率消耗以瓦(W)每單位長度電極(W/cm)表示.典型的等離子體激勵器消耗的功率范圍從0.1到幾W/cm,并且在氣流控制應用中的大多數情況，無論介質板厚度如何，電功率消耗約為1W/cm.圖6電荷電壓曲線圖，通常稱為〃李薩如圖形”(V=20kV,fac=300Hz)〔12〕4.2激勵器誘導的時間平均推力和EHD力縱觀國內外的研究成果，通常采用兩種方法來衡量等離子體激勵器的機械效應.第—種方法是測量放電弓I起的時間平均推力，第二種方法是基于通過流體力學和空氣動力學(如激光多普勒測速儀(laserdopplervelocimeter,LDV)系統或粒子圖像測速儀(particleimagevelocimeter,PIV)系統等)來測量離子風速，進而計算出EHD力.這兩種方法在研究工作中相互補充.等離子體放電時，放電等離子體與介質板表面間存在表面摩擦力，在實驗中測得的水平推力實際上是EHD力與表面摩擦力的差值.但考慮到低速氣流下表面摩擦力很小，通常認為激勵器誘導的推力大小等同于EHD力的大小.SDBD誘導的時間平均推力通常借助實驗室天平進行測量.天平精度必須小于1mN,因為在10cm長激勵器情況下，典型的測量值范圍是從0.1mN到幾個mN.此種方法簡單快速，在全世界范圍內被廣泛采用〔7,10,13-16〕；后一種方法可以在時間和空間范圍內解決流動測量問題，通過使用Navier-Stokes方程，并假設幾個初始條件，進而從速度場推導出EHD力.下面將著重介紹幾種對后續研究有重要影響的研究成果.2004年，Enloe研究小組通過SDBD等離子體激勵器誘導的推力測量來描述激勵器的機械效應〔17，18〕，研究成果表明激勵器誘導的推力與消耗功率成正比，并且幾何參數(例如電極形狀)和電氣參數(例如電壓波形)對誘導的推力大小起重要作用.通過優化，它們的電耗有效性約等于0.15mN/W.最近的一項研究證實〔15〕，推力與消耗的功率幾乎成線性增加，如圖7所示，具有約0.25mN/W的有效性.但是，當功率增加到約50W/m(0.5W/cm)以上時，因為放電變成絲狀，曲線輕微下降.這種飽和效應在Thomas等人的研究成果中也被觀測到〔19〕.到目前為止，最強的推力是由Thomas等人利用6.35mm厚的石英介質板產生的〔19〕.在1kHz時，當施加的交流高壓為40kV時，測得的推力50mN/m和125mN/m時所對應的消耗功率分別為1W/cm和4W/cm，這分別相當于0.5mN/W和0.31mN/W的有效性.該研究成果表明推力效率(以mN/W為單位)隨著電功率消耗的增加而降低.圖8顯示了頻率固定(1500Hz)，電壓從12kV增加到22kV時產生的推力與功率消耗曲線及電壓幅值固定(20kV)，頻率從500Hz調節到2000Hz時產生的推力與功率消耗曲線.研究結果再一次證明，推力與功率消耗幾乎成線性比例增加.當消耗的電功率等于1W/cm時，測得約60mN/m的推力，推力效率相當于0.6mN/W.這一成果也突出了推力的有效性隨著電介質厚度的增加而增加.圖7推力隨功率變化曲線圖〔15〕圖8推力對比功率消耗曲線圖〔10〕4.3時間平均的離子風速度SDBD在放電過程中誘導產生出EHD力,并進一步誘導壁面氣體的流動，氣體的流動也被稱作離子風.離子風速度測量相比于推力測量的優點是可以進行空間分布測量.進行離子風速度測量實驗的最簡單方法是使用壓力探測器連接到皮托管.皮托管測量風速的原理可由伯努利方程給出：(2)其中P為總壓，P0為靜壓，分別對應接入微壓差傳感器的兩個氣壓輸入端口，壓差AP可以在實驗中直接測量得到，p為一個標準大氣壓室溫條件下的空氣密度(1.29kg/m3),v為氣流的速度.將公式(2)進行變換，可以得到氣流速度v的表達式：⑶圖9(a)顯示了水平速度沿y軸分布的典型示例〔20〕，其中y=0對應于電介質墻.在x=10mm(下游10mm),在裸露電極的邊緣處，在約0.5mm處測量的最大速度約等于4m/s，噴射厚度約等于5mm.在下游，由于擴散和粘性效應，最大速度減小而噴射厚度增加.圖9(b)顯示了沿x軸的垂直剖面情況(4mm厚的介質板，V=30kV,fac=1.5kHz)，它突出了橫向離子風速的分量從x=0增加到大約10mm-15mm，最大速度等于7m/s.據我們所知，它是迄今為止用單個SDBD測量得到的離子風速的最高值.圖9(a)四個不同x位置離子風速度沿y軸剖面圖;(b)y=0.9mm處，離子風速度沿x軸的剖面圖〔20〕4.4時間分辨的離子風速度借助于高速PIV系統或LDV系統，可以實現時間分辨的速度測量.該方法可以更準確地表征所產生的離子風的流動特性.在2005年，Forte等第一次進行了離子風速度對比時間的測量研究，實驗第一次證明了交流正負半周期的放電對于產生離子風的貢獻是不同的.但由于電源與LDV系統在時間上不同步的局限性，尚不能判斷交流哪半個周期對于離子風的產生更有效在2006年的速度時間分辨測量研究工作中〔20,21〕，正弦高壓和LDV系統的時間同步性問題得以解決.圖10和圖11展示了離子風速度對比時間的曲線，實驗結果表明，相對于交流正半周期的絲狀放電而言，交流負半周期的類輝光放電更有利于離子風的產生.最近，Benard和Moreau進行的進一步的研究〔11，22〕再一次證明交流負半周期的類輝光放電對于離子風的產生具有重要貢獻，而正半周期的絲狀放電對于離子風的產生幾乎沒有貢獻.圖10離子風速度對比時間曲線圖（fac=700Hz,x=2mm,y=1mm）〔20〕在2012，Debien等〔10〕借助高分辨的PIV系統進一步證明類輝光周期的放電對離子風速度起主導作用.圖11在不同x,y位置離子風速度對比時間曲線圖〔10〕4.5EHD力在時間或空間上的分辨測量主要介紹EHD力時間分辨測量的兩個例子.第一個涉及總誘導推力與時間的關系.Enloe等嘗試在高帶寬激光干涉儀系統的幫助下測量總誘導推力與時間的關系〔22〕，研究發現等離子體放電的負半周和正半周所產生的推力方向相同，但只有負向半周期產生的力足以克服介質板表面的阻力.另一個例子是通過PIV時間平均速度場進行平均力的計算，在這種情況下，力不是時間分辨的，而是空間分辨的.在文獻〔23〕中，Kriegseis等人實施了不同的積分方法和不同的推力估算方法.研究結果證明推力的強度和力作用的域，隨著消耗功率的增加而增加，該結果與圖7和圖8所示的實驗測量結果一致.研究結果還表明約有30%動量消耗于壁摩擦.圖12顯示了推力分布的一個例子和10%的等值線（給出局部力f（x，尸）高于最大力除以10的區域）.它強調，對于0.4mm厚的介質板，在V=12kV,fAC=11kHz條件下，局部力可以達到8x103N/m3.該最大力非常靠近裸露電極邊緣，通常在x?1mm,y?0.15mm處.在這樣的條件下，總的計算推力約等于25mN/m，總測量推力大約等于15mN/m.圖12通過PIV系統測量計算時間分辨的總推力〔23〕5結論在本文中，介紹了SDBD等離子體激勵器的電特性和機械特性.主要結論如下：放電電流曲線和ICCD快速成像技術表明交流正半周期產生絲狀放電，而交流負半周期產生類輝光放電.典型的等離子體激勵器消耗的功率范圍從0.1到幾W/cm，在氣流控制應用中的大多數情況，電功率消耗約為1W/cm.最大測量推力等于125mN/m，消耗功率為4W/cm.⑷當消耗的電功率等于1W/cm時，推力效果最佳，推力效率等于0.6mN/W.在單個SDBD的情況下，最大測量離子風速等于7m/s.速度時間分辨測量結果顯示兩個電壓半周期都能產生正的水平離子風速度，但負半周期放電產生的離子風速度占主導地位.【相關文獻】〔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