雙極性等離子體激勵器流動控制特性研究

郝江南，蔡晉生，李文豐

（西北工業大學 翼型葉柵空氣動力學國防科技重點實驗室，西安 710072）

0 引 言

等離子體激勵器在流動控制領域的應用越來越廣泛。Roth等［1］研究了傳統等離子激勵器對平板邊界層的控制作用。Corke等［2］對傳統的單介質阻擋放電等離子體激勵器進行了詳細介紹，并提出了平板邊界層蠕動加速概念。近年來，眾多研究者利用等離子體激勵器對翼型分離流動控制［3］、鈍頭體減阻［4］、渦輪葉片分離流動控制［5］、氣動噪聲控制［6-7］、圓柱脫落渦控制［8］等方面進行了有效的研究和探索。

但是，等離子體激勵器也有其自身的缺點。受組成材料特性的限制，傳統等離子體激勵器產生的體積力非常小，通常在0.10～0.20N 之間，靜止空氣加速能產生的最大速度為3.0～6.0m／s［9］，因此其流動控制的作用范圍受到較大限制。為克服傳統等離子體激勵器的缺點，就必須研究新型等離子體激勵器。Eric［10］等設計了三電極等離子體激勵器，消除了傳統等離子體激勵器一個放電周期內“向后拉”的作用，從而提高了激勵器的工作效率。Benard［11］對多級等離子體激勵器做了探索性研究。Neal［12］利用二氧化鈦作為等離子體激勵器的催化劑，來提高其工作效率。 提出了一種新型多級雙級性等離子體激勵器，通過粒子示蹤測速系統對傳統多級等離子體激勵器和新型多級雙極性等離子體激勵器對靜止空氣的誘導效果進行了對比分析。同時，利用該新型等離子體激勵器對圓柱尾流流動進行控制，取得了顯著的控制效果。

1 實驗裝置

1.1 激勵器設計

圖1為傳統單級等離子體激勵器，由上下兩塊電極和在兩電極之間的絕緣層組成，通過在兩電極之間施加高頻高壓交流電源，在上下兩電極之間的絕緣層表面產生等離子體，從而對流動進行擾動和控制。實驗中傳統多級等離子體激勵器構造如圖2（a）所示，將5個傳統的單極等離子體激勵器并聯起來，均勻分布在平板表面。

圖1 傳統單級等離子體激勵器Fig.1 Standard DBD plasma actuator

新型等離子體激勵器則是在傳統電極的基礎上，不改變電極的前后相對位置，把5個傳統的單極等離子體激勵器串聯相連，如圖2（b）所示。這樣第一級的下電極和第二級的上電極相連形成新的雙極性電極。以此類推，第二級的下電極與第三級的上電極相連，第三級的下電極與第四級的上電極相連，第四級的下電極與第五級的上電極相連。

圖2 平板等離子激勵器結構示意圖Fig.2 Configurations of two different multiple actuators

1.2 低速風洞及圓柱模型

圓柱尾流控制實驗在西北工業大學流體力學系流動控制實驗室的直流下吹式風洞中進行。該風洞為木質結構，可控風速為3～30m／s，流場湍流度小于1%，風洞實驗段尺寸為700mm（長）×600mm（寬）×500mm（高）。在本實驗中風速為20m／s，風洞阻塞度為8.4%，采 用PIV（Particle Image Velocimetry，PIV）技術測量圓柱尾流區的流場結構。

圓柱采用PCB材質，直徑為42mm，在圓柱模型上對稱布置兩個雙極性等離子體激勵器，每個激勵器各有3組電極，共6組。電極采用0.02mm 厚的銅箔加工而成，上電極寬2mm，下電極寬6mm，上下電極間距3mm，每組電極之間相距2mm，上下電極之間的阻擋介質為厚2mm 硅橡膠。如圖3所示，雙極性等離子體激勵器布置在圓柱肩部，其中第一級電極的前端到圓心的連線與垂直氣流方向的夾角為5°，以保證圓柱尾流的分離點落在等離子體激勵器的有效作用區域內。

圖3 圓柱上等離子體激勵器的布置Fig.3 Setup of the plasma actuators on cylinder

1.3 PIV 及電源介紹

實驗采用南京蘇曼電子有限公司生產的CTP-2000K 介質阻擋放電等離子體電源，其輸出電壓為正弦波，平板實驗的兩種不同結構等離子體激勵器正負極兩端峰-峰電壓Vp-p為15kV，頻率f為14.9kHz。圓柱尾流控制實驗采用文獻［13］中的不對稱非定常激勵方式，其中占空比為50%，占空頻率為100Hz，正弦電壓的峰-峰值和頻率與平板實驗相同。

流場測試采用DANTEC 公司二維PIV 實驗系統。該系統采用Beamtech公司脈沖固體激光器，其輸出能量≤200 mJ；相機分辨率1600pixel×1200pixel，像素12bit，拍攝范圍130mm×110mm，采用鏡頭為Nikon 85mm f／1.4。圖像采集頻率為15Hz，平板實驗中激光脈沖間隔為60μs，圓柱尾流控制實驗中激光脈沖間隔為30μs。每個實驗狀態連續采集10s，得到150 幅流場顯示圖像，通過自相關圖像信號處理方法得到平板上表面流場的速度分布圖。

2 實驗結果分析

2.1 等離子體發光情況

圖4為傳統5級并聯等離子體激勵器與新型5級雙極性等離子體激勵器在Vp-p=15kV、激勵頻率f=14.9kHz下的實驗發光照片。圖4（a）中，傳統多級激勵器上的每一組電極的上電極會和上一組電極的下電極產生反向放電，即文獻［14］所提到的“cross talk”現象。新型雙極性等離子體激勵器的前一組電極的下電極與后一組電極的上電級用導線連接起來，不存在電勢差，所以圖4（b）中沒有出現傳統并聯等離子體激勵器的上下電極之間反向放電現象。由于第一級上電極兩端對相鄰下電極同時存在壓差，所以兩種電極板在第一級處同時產生了雙向放電。

圖4 平板等離子體發光照片Fig.4 Lightening photos of two different multiple actuators

2.2 流場速度云圖和流線圖結果分析

圖5為Vp-p=15kV 時，傳統多級激勵器上表面0～40mm 處PIV 測量結果。從圖中可以看到，此激勵器加速空氣作用不連續，每級之間都有明顯間斷，每級電極附近都會產生一個局部的相對較大的風速。這是因為每個單極等離子體激勵器都獨立放電，在其局部位置處都對空氣產生了加速作用。由于前一組電極的下電極會和后一組電極的上電極出現反向放電，即前文提到的“cross talk”現象，使空氣速度在后一組電極前急劇減速。此時，氣流在達到下一組電極的加速區域之前，其速度已大大減小，甚至減小為零，無法達到逐級加速的效果。圖5（b）所示的流線分布圖表明，傳統的多級等離子體激勵器在平板上表面所產生的等離子體可以誘導靜止空氣流動，形成了一系列渦旋對。這些渦對包括單級等離子體激勵器上電極與下電極之間的正向渦，以及相鄰的后一級激勵器的上電極與該級激勵器下電極之間相互作用形成的反向渦。該現象在文獻［11］中也被發現，它是由于相鄰的后一級激勵器的上電極與前一級的下電極通過同樣的高壓放電產生等離子體誘導反向加速氣流，這樣的反向加速氣流與前一級激勵器誘導的正向加速氣流相互作用，從而導致上述渦對的產生。

圖6為Vp-p=15kV 時，新型多級激勵器上表面0～40mm 處PIV 測量結果，從中可以看出新型多級雙極性電極等離子體激勵器對空氣的加速作用均勻且連續。從第一級開始，等離子體激勵器開始對空氣進行加速，風速在最后一級達到最大，等離子體激勵器所誘導出來的最大風速為2.9m／s。在這種新型多級激勵器對空氣的加速過程中，空氣從靜止開始逐級加速，每一組電極均對空氣的加速產生了有效作用，由于避免了反向放電產生的“cross talk”現象，此等離子體激勵器對空氣的加速效果明顯，避免了空氣先加速再減速的過程。圖6（b）的流線也可以看出，新型雙極性多級等離子體激勵器對于平板上表面空氣加速作用一致指向平板下游，沒有出現圖5中的渦，能在加速空氣后形成有效的“電子風”。

圖5 傳統多級等離子體激勵器上表面PIV 測量結果Fig.5 Results of PIV measurement of standard multi-DBD actuators at Vp-p=15kV

圖6 新型多級等離子體激勵器上表面PIV 測量結果Fig.6 Results of PIV measurement of multiple bipolar electrodes actuators at Vp-p=15kV

2.3 截面速度分布對比

圖（7）為Vp-p=15kV 時不同激勵器上方0.25mm 處空氣水平方向的速度分布。可以清楚看到，傳統激勵器平板上方空氣水平方向速度在第一級電極后達到1.5m／s，隨后又在第二級電極前速度降到0m／s附近?？諝庠诮涍^前一組電極的加速后，又在后一組電極前發生了減速。在此說明傳統多級激勵器下一級上電極和對應前一級的下電極出現了干擾放電。而新型激勵器平板上方空氣水平方向速度從第一組電極開始加速，直到最后一組電極后才開始停止加速。由于新型雙極性電極是多組電極串聯，施加在每一組電極上的電壓Vp-p約為并聯電極上的1／5，單級的加速效果并沒有傳統并聯激勵器的效果好。但是由于消除了前后電極之間的干擾現象，從而實現了多級逐步加速，相比傳統激勵器氣流速度仍然維持在一個相對較高的絕對值。

圖7 平板上表面0.25mm 處空氣水平速度分布Fig.7 Horizontal velocity distribution at y=0.25mm over the flat plate

2.4 圓柱尾流控制

圖8 圓柱尾流時均速度云圖Fig.8 Time-averaged velocity contours of the wake flow

圖8給出了采用雙極性等離子體激勵器控制的圓柱尾流時均速度云圖，其中圖8（a）未施加等離子體激勵，圖8（b）施加等離子體激勵。對比兩圖可以發現，沒有施加等離子體激勵時，圓柱繞流發生了明顯流動分離，且分離區較大，分離區最大寬度約為圓柱直徑的1.5倍。施加等離子體激勵時，氣流在等離子體激勵器前兩級的位置重新附著，尾流分離區顯著減小。因此，新型雙極性等離子體激勵器對圓柱尾流的流動分離控制有明顯效果。

3 結 論

提出了一種新型多級雙極性等離子體激勵器，對傳統多級等離子體激勵器和新型多級雙極性等離子體激勵器對靜止空氣的誘導效果進行了對比試驗，并在風洞中驗證了這種新型激勵器對圓柱尾流的控制能力。研究結果表明：

（1）傳統多級等離子體激勵器由于后一級上電級與其前一級下電極出現干擾放電作用，平板上表面產生了一系列渦流，并沒有在平板表面產生同一個方向的“電子風”，導致靜止空氣加速作用效果不明顯，在實際情況中很難得到應用；

（2）新型多級雙極性等離子體激勵器，由于后一級的上電極與前一級的下電極相連，每級之間電壓逐級下降，消除了傳統多級等離子體激勵器中出現的相互干擾的情況，等離子體激勵器靜止空氣加速作用顯著； （3）新型多級雙極性等離子體激勵器對圓柱尾流的流動分離控制效果明顯，在風速20m／s下仍未失效?？梢灶A測，新型激勵器相對于傳統激勵器應用范圍將會更廣，效果將會更好。

［1］ ROTH J R，SHERMAN D M，AWILKINSON S P.Boundary layer flow control with a one atmosphere uniform glow discharge surface plasma［R］.AIAA 98-0328，1998.

［2］ CORKE T C，POST M L，ORLOV D M.SDBD plasma enhanced aerodynamics：concepts，optimization and applications［J］.Progress in Aerospace Sciences，2007，43：193-217.

［3］ POST M，CORKE T.Separation control on high angle of attack airfoil using plasma actuators［J］.AIAA Journal，2004，42：2177.

［4］ THOMAS F O，KOZLOV A，CORKE T C.Plasma actuators for bluff body flow control［R］.AIAA 2006-2845，2006.

［5］ HUANG J，CORKE T C，THOMAS F O.Plasma actuators for separation control of low-pressure turbine blades［J］.AIAA Journal，2006，44（1）：51-57.

［6］ THOMAS F O，KOZLOV A，CORKE T C.Plasma actuators for landing gear noise control［R］.AIAA 2005-3010，2005.

［7］ THOMAS F O，KOZLOV A，CORKE T C.Plasma actuators for cylinder flow control and noise reduction［J］.AIAA Journal，2008，46（8）：1921-1931.

［8］ CORKE T C，ENLOE C L，WILKINSON S P.Dielectric barrier discharge plasma actuators for flow control［J］.Annual Review of Fluid Mechanics，2010，42：505-529.

［9］ 蘇長兵，宋慧敏，李應紅，等.基于等離子體激勵的圓柱繞流控制實驗研究［J］.實驗流體力學，2006，20（4）：45-48.

［10］ERIC M，ROBERTO S，GUILLERMO A.Electric wind produced by surface plasma actuators：a new dielectric barrier discharge based on a three-electrode geometry［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2008，41：115204（12pp）.

［11］BENARD N，MIZUNO A，MOREAU E.A large-scale multiple dielectric barrier discharge actuator based on an innovative three-electrode design［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2009，42：235204（12pp）.

［12］NEAL E F，STEVEN J B.Plasma catalysis for enhancedthrust single dielectric barrier discharge plasma actuators［J］.AIAA Journal，2010，48（12）：Technical Notes.

［13］FLINT O Thomas，ALEXEY Kozlov，THOMAS C Corke.Plasma actuators for cylinder flow control and noise reduction［J］.AIAA Journal，2008，46（8）：1921-1931.

［14］DO H，KIM W，CAPELLI M A，et al.Cross-talk in multiple barrier discharge actuators［J］.Appl.Phys.Lett.，2008，92：071504.