纳秒和微秒脉冲激励表面介质阻挡放电特性对比

表面介质阻挡放电(DBD)在气体流动控制方面有着巨大的应用前景。利用自制的纳秒和微秒脉冲电源进行表面DBD实验,比较了电压幅值、介质厚度、电极水平间距等对两种激励下表面DBD电特性的影响并进行了分析。实验中两种电源激励的表面介质阻挡放电能量均在mJ量级,上升沿瞬时最大功率达到几十kW。实验结果表明:在脉冲上升沿有多次放电,微秒脉冲上升沿放电次数比纳秒脉冲多;随着电压幅值上升,放电次数减少;介质越薄,放电越激烈,能量越大;电极水平间距对表面DBD放电有影响,间距0 mm时能量消耗最大;施加脉冲电压频率越大,放电等离子体的亮度越大;微秒脉冲放电的等离子体区域要大于纳秒脉冲放电。

纳秒脉冲表面介质阻挡放电特性实验研究

在常规大气环境条件下,基于单极性纳秒脉冲电源对表面介质阻挡放电特性进行了实验研究。结果表明:纳秒脉冲表面介质阻挡放电的本质是丝状放电,放电集中在电压脉冲的上升沿;激励电压和脉冲重复频率越大,放电越强烈,越接近均匀放电,但电压的作用更侧重于均匀性,而频率的作用则侧重于放电的强度;电极间隙的优化可以使表面介质阻挡放电特性最好;玻璃作为阻挡介质时容易发生沿面闪络。

不同电极间距下纳秒脉冲表面介质阻挡放电分布特性

电极间距是表面介质阻挡放电(SDBD)的一个重要结构参数。通过实验研究和仿真计算,研究电极间距对纳秒脉冲SDBD等离子体分布特性的影响,并从理论上分析类弥散和离散通道两种等离子体分布的形成机制。实验研究表明,电极间距是造成两种典型特性及不同等离子体分布的关键结构参数。通过对放电区域外电场的仿真计算发现,不同电极间距下外电场分布形态和数值的差异,是形成两种不同等离子体分布模式的直接原因。结合气体放电基本理论,分析认为:等离子体类弥散分布是由于流注前向发展和横向激发电离同时在起作用,而离散通道分布是因为流注通道以前向发展为主、横向电离作用较弱;两种等离子体分布模式形成的根本原因在于电场随时间的增大率和随空间的减小率以及流注通道的发展速度之间的匹配。

表面粗糙度对表面介质阻挡放电特性的影响研究

表面介质阻挡放电因能产生大面积均匀等离子体而被广泛研究及应用。然而多数研究致力于通过改变反应器对放电产生的等离子体参数进行优化。文中重点研究了介质表面粗糙度对沿面介质阻挡放电特性的影响,从介质表面态角度对产生的等离子体进行优化。石英玻璃作为阻挡介质在实验前经均匀机械研磨,并测量处理后的介质表面粗糙度指标Ra。实验结果发现:当放电产生的低温等离子体均匀分布于放电气隙时,表面粗糙度指标Ra为427.1 nm的介质的起始放电电压最低、平均放电功率最大、放电产生等离子体的电子激发温度最高。介质表面经不同程度研磨处理,能够有效改变表面介质阻挡放电产生的等离子体参数。在所制备的样品中,粗糙度指标Ra为427.1 nm的介质产生的等离子体参数相对更优。

电压幅值和频率对表面介质阻挡放电与气动特性的影响

相比传统流动控制技术,表面介质阻挡放电(SDBD)具有响应速度快、体积较小、控制位置灵活、成本较低等优势,具有巨大的应用前景。本文在不同电压幅值和不同频率的条件下,分别进行SDBD实验,并利用纹影技术对SDBD诱导气流进行系统的比较分析。利用像素强度积分法拟合了SDBD诱导气流的速度分布,定性分析电压幅值和电源频率对诱导气流速度的影响。实验结果表明,SDBD消耗功率与电压幅值近似呈指数关系,而与频率近似呈线性关系;随着电压幅值和频率的增大,SDBD诱导气流的长度均先增加后趋于稳定;诱导气流纵向速度分布呈先上升后下降至零的趋势,其最大速度随着电压幅值和频率的增大而增大;不同电压幅值、频率下,诱导气流速度曲线均在距介质表面0.2mm附近达到最大值,几乎不随电压幅值和频率的变化而改变。

大气压N_2-O_2混合气纳秒脉冲表面介质阻挡放电建模仿真

大气压N2-O2混合气ns脉冲表面介质阻挡放电(SDBD)机理是等离子体气动激励与流动耦合作用机制研究的重要内容。为此,耦合等离子体化学反应动力学方程和考虑能量的等离子体漂移-扩散方程组,建立了大气压下N2-O2混合气ns脉冲放电的2维模型。考虑15种粒子、对应的电子碰撞反应以及35个化学反应过程,得到了SDBD的伏安特性、电荷分布和能量分布。综合分析电荷及电子能量分布结果表明,高能电子撞击是产生离子的主要方式,而低能电子的累积和离子在电场驱动下的定向运动是使放电呈现非平衡的重要原因。将计算结果与实验获得的伏安特性数据、放电形态和光谱分析结果进行了比照分析,发现2者比较相符,验证了模型的可靠性。

不同介质层厚度对表面介质阻挡放电制动器的离子风速影响

本文简要介绍了自制的大气压介质阻挡放电制动器的两电极结构,对该两电极制动器放电的电压电流波形进行了分析,并对不同介质层厚度的制动器产生的离子风速进行了测量,实验结果表明介质层厚度会对制动器的性能产生很大的影响.

表面介质阻挡纳秒脉冲放电及其外流控制研究进展

表面介质阻挡纳秒脉冲放电(nanosecond-pulse surface dielectric barrier discharge,简称NS-DBD)等离子体气动激励是流动分离控制研究中的热点。本文介绍了流动控制中常用NS-DBD激励器的基本特性及研究现状,综述其在机翼分离流和旋涡控制中的研究进展.从理论研究和工程应用的角度,对其发展进行展望。

参数化纳秒脉冲电源激励下表面介质阻挡放电特性

为研究纳秒脉冲电压上升沿、下降沿、脉宽、以及覆盖电极宽度对表面介质阻挡放电特性的影响。结合放电图像、电压-电流波形以及高速纹影详细分析了各参数对纳秒脉冲表面介质阻挡放电的放电形态、能量消耗以及诱导流场的影响。实验结果表明:脉冲电压上升沿与下降沿时间对放电细丝的均匀性有影响,而放电细丝的长度受脉宽影响较大,同时也受到覆盖电极宽度的制约;纳秒脉冲激励产生冲击波的同时会诱导产生速度较小的弱射流,且射流方向受到各电参数的影响,因此,纳秒脉冲激励不只是单纯的快速加热,还有体积力的作用。

纳秒脉冲激励的表面介质阻挡放电中表面电离波传播特性

表面介质阻挡放电(SDBD)激励器在等离子体主动流动控制中应用广泛,其表面电离波(SIW)传播特性是优化激励器控制效果的重要参数之一。该文分别以聚四氟乙烯(PTFE)和环氧树脂(ER)为介质材料,制作了多地电极阵列结构的表面介质阻挡放电激励器,采用纳秒高压脉冲电源作为激励源,对表面介质阻挡放电中的表面电离波传播特性进行了实验研究。实验结果表明,在脉冲电压的上升沿发生了两次击穿,形成放电通道,分别为初级电离波和次级电离波。在电流曲线上表现为有两个峰值,第一个电流峰值指示初级电离波,第二个电流峰值指示次级电离波。对不同位置处的电流曲线进行积分得到其电荷分布与演化,发现靠近高压电极处的电荷消散的较快,远离高压电极处的电荷消散的较慢,且聚四氟乙烯介质在放电后有明显的电荷残余,而环氧树脂介质电荷残余不明显。此外,研究了外加电压幅值和重复频率对SIW传播特性的影响,结果表明,当保持电压幅值不变(14kV),在100~1000Hz范围内,脉冲重复频率越高,SIW的电流衰减速率越快,而SIW传播速度变化不大。保持重复频率不变(500Hz),在8~17kV范围内,脉冲电压幅值对SIW的电流衰减速率基本没有影响,但是SIW的传播速度随着脉冲电压幅值的增大而增加。该研究结果有助于SDBD激励器的放电参数优化。

高频高压激励环形表面介质阻挡放电特性实验研究

该文基于高频高压电源,研究不同电压幅值和电源频率对环形表面介质阻挡放电的放电特性以及流场分布的影响。结果表明,位移电流随外加电源电压按照正弦规律变化,但是有正向偏置存在;放电过程中,放电模式随着电压幅值的增加由丝状放电向弥散放电转变,当频率升高时,弥散放电的程度更加明显;放电过程中消耗的平均功率随着电压幅值的增加逐渐增大但并不与电压二次方成正比,在频率变化时,放电消耗的平均功率与频率成正比;诱导气流沿着垂直于介质板的方向延伸,且气流高度可达90mm以上;通过搭建三维模型进行仿真计算得到放电区域外电场分布,计算发现外电场在靠近高压电极放电边缘处最大,向地电极方向和垂直介质板方向衰减;在相同空间点处,环形表面介质阻挡放电的外电场高于条状表面介质阻挡放电的外电场,越靠近高压电极边缘,两种结构外电场差值越大。计算结果可以解释放电过程中观测到的现象。

高频交流激励表面介质阻挡放电特性及其应用

高频交流电激励表面介质阻挡放电在控制流动分离方面有重要应用,电压幅值与频率是关键的因素.为此,通过改变电压幅值及频率,获得了电流、电压波形,以及放电图像.并将研究表面介质阻挡放电特性激励器应用于S1223翼型,在风洞中进行了流动控制实验.实验表明：随电压幅值的增大,电流幅值及每mm激励器消耗功率增大,放电宽度以及放电亮度增加;频率改变几乎不影响暴露电极向植入电极一侧放电,频率增大却可以降低双侧放电强度;通过在翼型表面布置表面介质阻挡放电激励器,可以达到抑制翼型流动分离,提高翼型升力系数的效果;翼型攻角在0＆#176;～4＆#176;与10＆#176;～25＆#176;下等离子体对翼型升力系数均能起到增效作用,而且表面介质阻挡放电对流动分离的控制效果与电压幅值有关,该文实验条件下7 kV时对翼型升力系数的增效最大,可达61.8％.

表面介质阻挡放电等离子体诱导流场相似准则及应用

利用相似变换法,由空气动力学动量方程和能量方程推导得出了表面介质阻挡放电等离子体流动控制实验研究时的体积力和放热相似准则。等离子体体积力相似本质上为一种雷诺数相似,根据实验条件的不同其有不同的表现形式：对于静止空气,体积力相似为基于诱导射流最大速度和射流半高宽的射流雷诺数相似;有来流时,可以采用基于激励器单位长度作用力、来流速度和动力粘性系数的单位长度作用力相似,也可以用诱导射流最大速度与来流速度的比值对静止空气诱导射流雷诺数进行修正,得到速度修正射流雷诺数相似。放热相似为无量纲扰动压力相似。应用速度修正射流雷诺数相似准则开展了20 km高空S1223翼型流动控制实验,可得当来流攻角为正且雷诺数较小时,即使来流攻角比较大,升力系数增大10%-55%,等离子体对翼型上、下表面的流场均有控制作用;当来流雷诺数较大时,增升作用不明显。

电极间距对表面介质阻挡放电产物生成的影响

表面介质阻挡放电可以产生大气压低温等离子体,在空气净化领域有着重大的应用前景。为探究电极间距对表面介质阻挡放电中臭氧及氮氧化物生成的影响,建立二维流体模型进行数值模拟研究。模拟结果表明,在微秒脉冲电压上升沿阶段电流脉冲的个数及幅值均随着电极间距的增大而减小;减小电极间距可以提高臭氧产量,但增大电极间距可以提高臭氧产率。另一方面,NO含量随着电极间距的增大而减少,其余氮氧化物含量几乎不变。本研究对表面介质阻挡放电中有效和有害物质进行了综合模拟分析,能够为表面介质阻挡放电臭氧发生器的设计和优化提供一定的参考。

平流层表面介质阻挡放电等离子体流动控制相似准则验证

基于翼型Reynolds相似和等离子体射流相似准则,可在地面等效模拟位于平流层的等离子体流动控制效果。首先通过表面介质阻挡放电（SDBD）实验确定地面和平流层激励器的几何参数和放电参数,使等离子体射流具有相同的Reynolds数;然后采用几何、放电参数已知的激励器来控制翼型在地面和平流层飞行时（Reynolds数相同）的流动分离;最后采用数值模拟得到地面和平流层等离子体放电前后的翼型升力系数。结果表明：在施加流动控制后,翼型在地面条件飞行时的升力系数增幅与平流层基本一致。模拟平流层的准确度与翼型攻角有关,在临界攻角处偏差相对较大,其余攻角处偏差很小。在施加等离子体流动控制后,翼型在地面条件飞行的升力系数与平流层的升力系数在临界攻角处的偏差率在1.27%-5.26%之间;其余攻角处较小,在0.04%-0.98%之间。

表面介质阻挡放电对扩散火焰燃烧特性的影响

针对表面介质阻挡放电(SDBD)在激发等离子体时具有显著的气动效应和化学活化效应,为分析表面介质阻挡放电对空气/甲烷同轴剪切扩散燃烧的助燃效果,实验使用高频交流电源,基于等离子体诱导射流逆向激励对火焰施加控制。根据获取的射流流场纹影图像、火焰图像和CH自发辐射,研究了等离子体对不同燃烧条件下火焰燃烧特性的影响。结果表明:受等离子体气动激励作用,火焰上游细长剪切层的空气/甲烷掺混得到增强,从而扩大了剪切层燃烧宽度,同时燃烧释热速率会明显提高,这主要与等离子体活化效应有关,并且该效应显著增强了位于喷嘴出口火焰基的燃烧强度。在空气流量较低时,等离子体气动激励可有效增大火焰下游湍流度和射流角,使火焰高度降低、宽度增大,且作用效果随放电电压提高逐渐增强。

表面介质阻挡放电等离子体流场PIV实验研究

为深入理解等离子体气动激励诱导射流形成的物理机制,采用微秒脉冲和正弦交变2种激励电源,在不同压力下进行了等离子体气动激励诱导空气流动的PIV实验研究,获得了表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体气动激励诱导流场。实验结果表明:微秒脉冲激励器放电均匀性优于正弦交变激励器放电;微秒脉冲SDBD诱导流场射流方向与正弦交变SDBD诱导流场射流方向相反,射流从植入电极指向暴露电极;11 700Pa压力下微秒脉冲SDBD诱导射流流场具有双向性质,流场结构为∽型,并对SDBD体积力分布进行了分析。

表面介质阻挡放电功率特性实验研究

研究影响表面介质阻挡放电的因素,能为获得较大功率的激励器设计提供实验基础。本文在大气环境条件下,以环氧作为介质阻挡材料,基于高频高压电源进行了表面介质阻挡放电实验,研究了电压幅值和频率、介质厚度以及电极间距对放电功率特性的影响。结果表明,增大外加电压幅值以及减小介质厚度和电极间距,微放电通道数目增加且发光强度增强,传输电荷能力增强,放电瞬时功率峰值增大,其中电压幅值对放电功率特性的影响尤为显著;频率升高,瞬时功率峰值呈线性上升,但随频率的变化率较小。

表面介质阻挡放电起始演化过程研究

表面介质阻挡放电(SDBD)起始过程决定了放电起始位置,直接影响放电通道的起始发展方向及时空演化。本文搭建了二维流体模型,研究了SDBD起始过程,分析了放电起始时间和位置。结果表明,放电通道起始于高压电极上边缘,放电时电极表面的电场分布呈现“凸起”特征,由此判定为放电起始时间;放电发生在电极表面碰撞电离程度强的位置,碰撞电离与电子数和电场强度呈正相关,从电极表面各点发出的电场线在空气中的长度和汇集于该点的电子数成正比,分析电场线分布发现电极上边缘汇集的电子数更多,因此放电发生在电极上边缘。

空间电荷和介质表面电荷对微放电演化过程的影响

微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例,基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场(情况1)、考虑外加微波场和空间电荷(情况2)以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷(情况3)三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真,并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上,明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用:即空间电荷会使微放电达到饱和状态,介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续,最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致,归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。