新型等離子體主動流動控制器及其誘導流場研究

林 麒，黃印陽，潘 波，牛中國

（1.福建省等離子體與磁共振重點實驗室，廈門大學航空系，福建 廈門361005；2.廈門航空有限公司，福建 廈門361006；3.中國科學院工程熱物理研究所，北京100190；4.中國科學院研究生院，北京100190；5.中國航空工業空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引 言

為了對流場的流動狀態進行有效的控制，流體力學學者們一直進行著不懈的努力，發明了或提出了許多方法，特別是主動流動控制方法。

現有的主動流動控制方法包括各種常規和非常規的氣動控制面和吹吸氣技術，如縱向溝槽式致動器、渦流發生器等，其缺點是非工作狀態下對流場會造成較大的負面影響，削弱、抵消其應用意義［1］。近來MEMS技術也被應用于流動控制。MEMS致動器具有許多優點，但實施應用較為復雜［1］。“零質量”射流也是近年的研究熱點之一，國內外學者都在積極地開展該研究［2－3］。近十年來，等離子體在流動控制中的作用也受到學者們的重視，這方面也取得了一些研究成果［4－6］。

本文利用空氣中介質阻擋沿面放電等離子體誘導定向氣流的特性發明和設計了多種可用于主動流動控制的新型等離子體無源流動控制器。

1 DBD沿面放電等離子體誘導定向氣流特性

大氣壓下阻擋介質放電（簡稱為DBD放電）等離子體會誘導氣體流動。在圖1所示的DBD沿面放電中，當上下電極交錯布置時，放電集中于兩電極之間相鄰近側的空氣間隙，放電產生的沿面等離子體誘導氣體呈圖中所示的定向流動，該流動常稱為“電子風”。

由于圖1的“電子風”產生于近壁表面，因此吸引了不少流體力學學者的興趣。根據交錯布置電極方式DBD放電的這種特性，學者們多設計如圖2的平行梳狀電極等離子體發生器，以產生具有一定流速的貼近壁面的定向氣流，用于邊界層流動控制。圖2中，細實線范圍表示絕緣介質板，粗實線和粗虛線分別為覆于板上、下表面的電極。各對電極的上下電極條均向同一方向交錯布置。

然而，本文采用PIV技術對圖2的平行梳狀電極放電誘導的氣流流場測量結果表明，DBD沿面放電等離子體誘導的定向氣流的流動厚度僅有10mm～20mm的厚度，且流速不夠大（見圖3）。

圖1 DBD放電等離子體誘導定向氣流示意圖Fig.1 Schematic of DBD plasma inducing directional flow

圖2 梳狀電極等離子體發生器誘導定向氣流示意圖Fig.2 Schematic of the plasma actuator with cardiform electrode inducing directional flow

圖3 梳狀電極等離子體發生器上表面誘導氣流流場Fig.3 Flow field induced above plasma actuator with cardiform electrode

文獻［7］對平行梳狀電極放電誘導的氣流進行加速特性研究的結果也雷同：雖然增加電極對數可以加速誘導氣流，但對增加誘導氣流的流動厚度作用并不大，而且流速仍有限。

顯然，對于邊界層較厚的流動，類似圖2和圖3的平行梳狀電極放電誘導的氣流只能影響邊界層層流底層附近的流動，流動控制的作為是有限的。

分析上述現象，可發現平行梳狀電極放電誘導的氣流在絕緣介質板表面能量分布分散，且誘導流動層很薄，故不能有效地發揮流動控制的作用。如何集中其能量，使其深入邊界層流動中，增強其控制流動的影響作用，是將DBD沿面放電等離子體有效應用于流動控制的關鍵。

2 新型等離子體流動控制器

若有目的地利用圖1所示的DBD沿面放電等離子體誘導平行于絕緣介質板表面的定向氣流這一特性來組織流動，將產生意想不到的結果。就此，本文從改進電極的排布入手，發明和設計了多種新型等離子體流動控制器，意在獲得所需的流動結構以用于流動控制。

2.1 射流式和匯流式等離子體流動控制器

本文首先改進平行電極的排布。圖4和圖5是改變平行電極交錯布置方向所獲得的片射流和片匯流形式的誘導流動的示意圖。兩幅圖都是等離子體流動控制器橫剖面視圖。箭頭所指為誘導氣流方向；兩陰影區分別表示兩層絕緣介質；黑色小矩形塊分別表示上下電極條。為簡明起見，圖中略去電源與導線連接的標注。

圖4 相向交錯排列的平行電極放電誘導的片射流Fig.4 Sheeted jet induced by discharge of opposite parallel electrodes staggered

圖5 相向交錯排列的平行電極放電誘導的片匯流Fig.5 Sheeted confluence induced by discharge of opposite parallel electrodes staggered

仔細觀察，圖5其實就是圖4的等離子體流動控制器反向使用的效果。這兩種情況是將相同對數的交錯電極相向或背向布置得到的。

為使能量更為集中，本文設計了柱狀射流和匯流的等離子體流動控制器。為減小篇幅，下面僅給出柱狀射流等離子體流動控制器示意圖（見圖6）。圖6中的粗實線和粗虛線分別表示覆于圓形電介質絕緣板上下表面的圓形電極條。

同理，圖6的反面可形成柱狀匯流的流動效果。

這幾種射流和匯流的影響都可能深入邊界層或分離包的深處，發揮較大的流動控制作用。

2.2 平面旋流式等離子體流動控制器

射流式和匯流式等離子體流動控制器都保留了電極對之間互相平行的基本格局。本文力圖打破這種局限，設計和制作了一款產生平面旋流的等離子體流動控制器，如圖7所示。圖中各線條的含義同圖6。

圖7中均采用向同一方向彎曲的電極條。顯然，這樣布置的電極放電后誘導的氣流將是逆時針方向的平行于絕緣板表面的旋轉流動。各對電極放電后的誘導氣流會相互加強，維持較高的流動強度。設計這種等離子體流動控制器的目的是增加邊界層內流動的動量，以提高其抵抗逆壓的能力，避免過早分離，或推遲、抑制分離。

圖6 柱狀射流等離子體流動控制器Fig.6 Plasma flow controller to make columnar jet

圖7 平面旋流等離子體流動控制器Fig.7 Plasma flow controller to make horizontal rotational flow

2.3 垂直渦流式等離子體流動控制器

本文在圖6和圖7所示的等離子體流動控制器的基礎上進一步改進，結合兩者設計了如圖8所示的可產生垂直渦流的等離子體流動控制器。圖中各線條的含義同圖6。

圖8 垂直渦流等離子體流動控制器Fig.8 Plasma flow controller to make vertical vortex flow

在圖8的設計中，內部的彎曲電極放電誘導旋轉氣流，外部的圓形電極放電誘導向心的朝上的氣流。兩者結合便產生逆時針方向旋轉，同時向上的氣流流動，即垂直于絕緣板面的渦流流動。

2.4 各型等離子體流動控制器

圖9列出的是若干已制作出的等離子體流動控制器實體。照片上的黃色區域是等離子體流動控制器的絕緣介質板范圍，黑色線條是覆于板上表面的電極，板的下表面覆有與上表面電極相配對的交錯排列的電極條。

圖9中的1＃ 是常用的梳狀平行電極等離子體流動控制器，2＃、3＃、4＃、5＃ 分別是可以產生柱狀射流、平面旋流、垂直渦流的等離子體流動控制器。這三類新型的等離子體流動控制器已獲得發明專利或實用新型專利授權。

圖9 各種新型的等離子體流動控制器Fig.9 Several kinds of new－style plasma flow controllers

發明這三類新型結構的等離子體流動控制器的思路是有效地組織空氣放電誘導氣流，形成流動控制所需的氣流結構。根據以上設計思想，還可以設計出各種不同的，或者更有效的等離子體流動控制器，如產生斜射流的等離子體流動控制器等。

3 新型等離子體流動控制器誘導氣流流場的流動顯示實驗

本文采用了流動顯示的方法定性地考察上述新型的等離子體流動控制器所產生的誘導流動能否構成所預期流場，以便加以改進。

本文綜合圖9中2＃和3＃控制器，設計了4＃和5＃新型結構的等離子體流動控制器。兩者的設計目的都是要組織垂直于絕緣介質板面的渦流。其中的弧形電極條放電形成逆時針方向的成順時針方向平面旋流，同心圓電極放電形成向心的匯聚氣流，希望兩者疊加的結果形成一個能量集中的旋轉向上的流動，即垂直渦流。

本文采用輕質白泡沫球進行流動顯示試驗。事先將一些泡沫球集中平鋪在等離子體流動控制器上表面電極區內，在電極放電過程進行攝像，記錄泡沫球在等離子體誘導氣流作用下的運動過程，再從所攝視頻中截取不同時刻的圖像分別列于圖10、圖11中。圖中時刻t1＜t2＜t3＜t4。

圖10是4＃等離子體流動控制器上泡沫球流動顯示試驗的圖像。實驗時可看到（從圖中也可看出），放電后，集中于板中央的白泡沫球在誘導氣流的作用下，迅速按逆時針方向旋轉著向上運動，一些泡沫球騰起，跳得很高，飛離放電區，呈“井噴”現象；一些落回放電區及其附近的泡沫球重被卷入再次騰起參與旋轉的“井噴”運動。泡沫球的運動表明放電誘導的氣流流動是旋轉著上升的，達到了設計垂直渦流流動控制器的目的。實驗中白色輕質泡沫球不斷地從板的中心“井噴”似地快速飛起也表明所獲得的垂直渦流具有一定的強度，有望在流動控制中發揮作用。

圖11的試驗顯示5＃控制器上的誘導氣流是按預計的呈逆時針方向旋轉上升的垂直渦流，但是與4＃控制器相比，旋轉能量較強，而上升趨勢較弱，即誘導氣流的旋轉運動分量大于垂直向上的運動分量。雖然白色輕質泡沫球也會向上騰起，但很快旋轉著沿切線方向飛離放電區。

比較圖10與圖11可知，對電極條布置采用不同的設計方法，所獲得的放電誘導流動差異很大。為了組織起所期望的等離子體誘導流動，需要進行分析研究與精心設計。

用輕質泡沫球做流動顯示可以簡便觀察到新型等離子體流動控制器放電誘導氣流的結構形式，很形象地驗證了本文的設計思路是正確的，證明本文通過設計電極條的排布方式組織放電誘導氣流的嘗試是成功的。

4 新型等離子體流動控制器誘導氣流流場PIV測量結果

用輕質泡沫球做流動顯示試驗只能給出定性的概念，無法定量地描述新型等離子體流動控制器的誘導流場。本文采用了PIV粒子圖像測速技術對各型等離子體流動控制器的誘導流場進行了測量。

由于等離子體流動控制器工作時，空氣放電發光會影響PIV的測量，即PIV方法難以測量緊貼控制器板面的流動，所以下面給出的部分測量結果的流場圖像下沿都距控制器板表面有一定高度。

對于圖9中的2＃控制器，放電等離子體的誘導氣流是沿半徑方向向圓心聚集流動的，根據流體流動的連續性原理和質量守恒定理，匯聚到圓心的流體必然會垂直于板面向上涌出，形成一股垂直于板面的柱狀射流。

PIV測量結果與預期完全一致。圖12給出的圖像表明由2＃控制器產生的柱狀射流不僅能量相當集中，而且向上達到的高度約160mm，也就是說該射流的垂直影響高度有望穿透較厚的邊界層，對壁面分離流動進行有效控制。

圖12 2＃控制器放電等離子體誘導的柱狀射流Fig.12 Columnar jet induced by 2＃plasma flow controller

在圖10中，雖然已對4＃控制器進行過流動顯示試驗，本文仍然采用PIV技術進一步進行測量。4＃控制器中心的弧形電極和外側同心圓電極放電誘導的逆時針旋轉氣流和向心匯聚氣流疊加而成的垂直渦流是一個三維流動結構，本文在不同的位置進行測量來考察其流場。因篇幅的原因，這里只給出圖13的過垂直渦流軸對稱平面的測得結果。圖像的下沿離控制器板面有較大的距離。

圖13反映出4＃控制器板上方空氣放電產生的等離子體誘導氣流形成了一個結構較緊湊（能量較集中）的垂直渦流，而且它向上縱深影響的高度達到10多厘米，也可望用于壁面附近的分離流動控制。

圖13 4＃控制器放電等離子體誘導的垂直渦流Fig.13 Vertical vortex induced by 4＃plasma flow controller

圖14給出的是3＃控制器放電誘導的平面旋流。該圖是對3＃控制器板面俯視的PIV測量結果。該控制器的電極條設計成圍繞一個中心圓，且向同一方向彎曲的一系列弧形線條。空氣放電誘導的氣流平行于板表面，形成一個平行于板面的逆時針方向的平面旋流。圖中箭頭稀少、空白的弧形區域為彎曲形電極所在處。圖示的平面旋流主要集中在板表面附近，雖然該流動可能無法對邊界層有太大的向上縱深影響，但是有望提高邊界層內流動的動量，增強抵抗負壓和分離的能力。

圖14 3＃控制器放電等離子體誘導的平面旋流Fig.14 Horizontal rotational flow induced by 3＃plasma flow controller

本文在研究中還設計制作了多種不同的產生片射流的等離子體流動控制器，并對它們所產生的誘導流場進行比較。

圖15是一股片射流的正面PIV圖像，圖16是它的側面PIV圖像。產生這股片射流的等離子體流動控制器上的電極是按圖4設計的：在絕緣介質板上下表面布置兩組各三對尺寸結構相同、交錯方向相向的平行電極條。放電時，兩組電極誘導的氣流相向流動，相聚后向上涌起，構成片射流。

圖15 片射流正面測量結果Fig.15 Frontal image of sheeted jet

圖16 片射流側面測量結果Fig.16 Side image of sheeted jet

圖17是三股片射流的側面測量結果。與圖16不同的是，其中每股片射流是由一組兩對交錯方向相向布置的電極對放電誘導而成的。

圖17 三股片射流側面測量結果Fig.17 Side mage of three streams of sheeted jet

比較圖15、圖16與圖17，可以看出，圖15的射流速度比圖17的大，強度高且能量集中。但是圖17的作用區域大，三股片射流實際上是作用在一個平面區域上，而圖15、圖16的片射流只作用在一條較狹窄的區域內。因此，應該根據對流動控制的不同需求設計不同的等離子體流動控制器。

5 結 論

本文根據DBD沿面放電等離子體誘導定向氣流的特性，提出新型的等離子體流動控制器的設計方法，改進電極的布置方式，有效地組織等離子體放電誘導的氣流形成所需的流動結構用于主動流動控制。它們具有如下共同的特點：

（1）都是無源流動結構，即不需要額外附加的氣源，因而也不需要為提供氣源而配備氣泵和輔助管道等，結構和構件簡單；

（2）能夠保持流動壁面原有設計的氣動外形不變，即控制流動的壁面上不需開孔或添加任何導流裝置，無需使用時不會影響原壁面的流動特性；

（3）便于根據需要操作控制，流動結構的強度，甚至流動結構易于調節改變，即可通過改變加載電壓來啟用和關閉，或調整所形成氣流結構的強度。

可以說，這些新型的等離子體流動控制器為主動流動控制提供了一種嶄新的技術。

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