氣隙構型對高頻交流SDBD防除冰激勵器的溫升影響

魏德宸，張國鑫，陳永彬，劉森云

1. 濱州學院 航空工程技術研究院，濱州 256600

2. 中國航空研究院，北京 100012

3. 中國空氣動力研究與發展中心 結冰與防除冰重點實驗室，綿陽 621000

飛機在云中飛行或遇到降水時，過冷水滴會在機體迎風面凍結形成結冰[1-2]。機翼結冰會改變氣動外形，不僅減小升力、增大阻力；更使失速迎角減小，嚴重危害飛行安全[3-4]。發動機進氣道及進氣部件的結冰減小了空氣流量，降低了發動機功率；不對稱性結冰會破壞轉動平衡，脫落的冰層可能會對發動機造成嚴重破壞[5]。研究發現，無需改變氣動外形的沿面介質阻擋放電(Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD)不僅可應用于動力推進[6-7]、流動分離抑制[8]、渦穩定性控制[9]、發動機助燃[10]等航空研究領域，在飛行器防除冰方面也有較高的應用前景。

目前SDBD防除冰相關研究仍處在探索階段，其作用機理可概括為等離子體射流碰撞的氣動效應、氣體受到電場作用產生的電離效應和激勵器產生的熱效應[11]，其中熱效應是SDBD防除冰作用的重要組成部分[12-13]。有結果表明交流電源激勵SDBD相比納秒脈沖激勵SDBD防除冰應用前景更好，具有功耗小、范圍廣、作用迅速的優勢[14]。等離子體激勵器應用于飛行器的制約因素之一為電磁輻射對機體其他設備的干擾，高頻交流SDBD所用電源為毫秒級，相比納秒脈沖激勵SDBD，其電壓時間梯度更小使得電磁輻射降低，電磁兼容性更好[15]。電壓、頻率等電學特征參數以及電極數目、布局形式等結構參數均可對交流SDBD熱效應產生直接影響。Meng等在圓柱表面布置交流SDBD激勵器，在激勵頻率13.4 kHz條件下，紅外測溫結果表明SDBD對于低溫未結冰狀態的防冰以及已有冰層的除冰均有較好效果[16]。Hu等在NACA0012翼型的兩側開展交流SDBD防除冰的對照實驗，紅外測溫結果表明在頻率8.9 kHz、電壓6.71 kV的交流激勵下，SDBD產生的熱效應能有效防止冰的形成[17]。宋慧敏等在激勵頻率6 kHz 時開展了防冰實驗，結果表明交流SDBD通過對流傳熱和熱傳遞的方式加溫過冷水滴抑制了冰層形成[14]。Meng等在激勵頻率11.5 kHz固定不變時，采用紅外法測量了電壓變動范圍為6.3～20 kV時的溫升效應，結果表明交流SDBD溫度隨電壓增加而升高，兩者對應變化關系為準線性[18]。董威等采用熱電偶檢測防冰效果，在激勵頻率1～4.5 kHz 范圍發現交流SDBD溫度隨著頻率增大增勢趨緩，并認為可能存在一個極限頻率[19]。Meng等在激勵頻率10 kHz條件下，通過改變SDBD激勵器電極數目及布置方式，研究對翼型防冰效果的影響[20]。Cai 等采用交流SDBD方式，對頻率11.67 kHz的條狀電極激勵器和頻率11.04 kHz的網狀電極激勵器進行了防除冰實驗，并驗證了SDBD功耗低的特性[21]。李春茂等在激勵頻率9 kHz條件下研究了交流SDBD溫度隨電極間隙的變化，紅外測溫結果表明電極間隙增加使得溫度先增后減[22]。

對于電學特征參數的研究可知，提高電壓或頻率均可提高交流SDBD激勵器溫度，但高頻低壓相比低頻高壓狀態減小了絕緣介質擊穿可能性，對于安全長效使用激勵器有重大意義，上述所用交流SDBD激勵范圍為1～13.4 kHz，對于更高激勵頻率的交流SDBD溫升目前還沒有相關公開報道的研究。對于結構特征參數的研究可知，上述所用的交流SDBD激勵器的背面電極均被絕緣體密封，不存在放電氣隙，這種結構使得電壓在一個周期內只生成一次氣隙放電。而氣隙放電是SDBD溫度提升最關鍵的來源，正面電極和背面電極均存在放電氣隙的激勵器溫升特性未見公開報道的相關研究。

因此，本文針對交流SDBD激勵器，在35～55 kHz的高頻范圍內開展了不同氣隙結構的對照實驗，并對影響機理進行了討論。首先使用紅外測溫儀和相機得到溫度分布和放電形態，接著利用高壓探頭、電流探頭、示波器得到伏安曲線和功率等電學參數，最后綜合分析氣隙結構對高頻交流SDBD防除冰激勵器的溫升影響機理。

1 實驗系統與原理

高頻交流SDBD實驗系統如圖1(a)所示。所用電源為CTP-2000K，電壓輸出范圍為0～30 kV，頻率選擇范圍為30～58 kHz，實驗時交流電源正極接正面電極，負極接背面電極。放電參數測試系統包括帶寬75 MHz的Tektronix P6015A高壓探頭，靈敏度1 mA的Tektronix TCP0030A電流探頭，帶寬200 MHz的Tektronix MDO3024數字示波器。可見光圖像采用Nikon D7100數碼相機在遮光條件下拍攝，光圈設置為14，曝光時間為0.125 s， 測量距離為1.5 m。溫度分布由FLUKE Ti480紅外熱像儀進行測量，其測溫量程為-20～1 200 ℃， 溫度分辨率為0.05 ℃，距離激勵器為1 m。 此次實驗在室溫為20 ℃的空氣環境中進行，濕度為30%，氣壓為99.6 kPa。

圖1 實驗系統示意圖

為開展氣隙構型對激勵器溫升效應的影響，所用激勵器構型的主視圖和側視圖分別為圖1(b)與圖1(c)。圖1(b)所示激勵器的正面電極和背面電極均為0.05 mm厚度的銅箔，寬度為15 mm，電極重合長度50 mm，間隙距離為0 mm。所測可見光與紅外區域的大小為75 mm×55 mm，為便于后續對激勵器溫度場進行分析，取正面電極靠近背面電極50 mm長度的邊線為“邊線A”，取“邊線A”下方15 mm位置處為“邊線B”。圖1(c)所示激勵器絕緣介質均采用耐高溫的石英玻璃，厚度為3 mm。構型1激勵器的背面電極被2層厚度為0.1 mm、寬度為20 mm的耐高溫聚酰亞胺薄膜覆蓋以隔絕氣隙，構型2激勵器的背面電極與外界氣體接觸。為解決金屬發射率過低(如銅的發射率常小于0.2)、發射率易受表面狀態干擾所造成的紅外測溫誤差問題，在正面電極和背面電極的銅箔表面覆蓋高發射率的石墨烯涂層(石墨烯發射率可至0.99)[23]，厚度約0.01 mm。

2 實驗結果分析

2.1 不同氣隙構型SDBD激勵器的放電機理

激勵電壓18 kV、頻率55 kHz時，對不同氣隙構型的SDBD防除冰激勵器氣體電離情況進行觀察，可見光圖像見圖2。如圖2(a)所示，構型1激勵器僅在正面電極所在一側產生了空氣電離，表現為許多近似平行分布的細絲狀放電通道。如圖2(b)和圖2(c)所示，構型2激勵器在正面電極和背面電極所在的兩側均有明顯的發光等離子體通道。

圖2 構型1和構型2激勵器的可見光圖像

圖3為不同氣隙構型激勵器的放電電壓和電流的波形圖。由圖3(a)可知對于構型1激勵器的電流波形，僅在電壓正半周期時出現了一批次的尖峰脈沖，即等離子體放電僅發生在電壓的正半周期。圖3(b)表明對于構型2的高頻交流SDBD激勵器，在一個放電周期內電流波形共出現了兩個批次的尖峰脈沖，分別對應于電壓波形的正半周期和負半周期，表明在電壓的正負半周期各自產生了等離子體絲狀放電。

圖3 激勵電壓與電流波形圖

圖3所示不同氣隙構型的高頻交流SDBD防除冰激勵器的放電機理分析為，在電壓的正半周期，與激勵電源正極相接的正面電極為陽極，與電源地端相接的背面電極為陰極；在外施電場作用下初始生成的電子崩向陽極方向發展，當電子崩頭部的電子到達陽極被接觸中和時，由于電子崩尾部的正離子運動速度相比電子較慢，使得正離子大量停留積累導致空間畸變，在受到畸變而加強的電場中產生了二次電子崩，二次電子崩的加入使得空間電離度大大增加，最終在構型1和構型2激勵器的正面形成了圖2(a)和圖2(b)所示的流注放電[24]。而在電壓的負半周期，交流電源的極性反轉使得背面電極成為陽極，構型2激勵器的背面電極仍可以中和電子崩頭部的電子形成二次電子崩，產生圖2(c)所示絲狀放電。但構型1激勵器的背面電極被聚酰亞胺薄膜覆蓋使得電子崩頭部的電子無法直接與正電極中和，且聚酰亞胺材質缺乏自由移動的帶電粒子，電子積聚在薄膜表面，沒有形成電極間的等離子體放電。

2.2 電壓對不同氣隙構型SDBD激勵器的溫升影響

激勵頻率固定為50 kHz，電壓變動范圍為12～20 kV時，2種不同氣隙構型激勵器裸露正面的可見光圖像見圖4。由圖4可知對于構型1和構型2的SDBD激勵器，放電細絲長度和等離子覆蓋面積都隨電壓提高而增加，同時等離子體電離區域的亮度也隨電壓提高而增加。這是因為電壓的升高增強了電極間的電場強度[13,25-26]，電離區域中的帶電粒子受到更大場強力的作用，動能和非彈性碰撞次數增加使得高能電子的分布密度增加。

對比圖4(a)中構型1和圖4(b)中構型2激勵器的可見光圖像可知，相同電壓時構型2激勵器比構型1激勵器的絲狀通道數目更多，放電細絲長度更長。這表明對于裸漏在外的正面電極，由于受到背面電極氣隙結構的影響，施加相同的激勵電壓時構型2激勵器相比構型1激勵器的氣體放電更加劇烈，必然會造成更強的溫升效應。

介質阻擋放電形成以后，大量隨機分布的微放電出現在電極間，電子和負電荷粒子沿絲狀通道向陽極運動的同時，正電荷粒子也以相對較慢的速度向陰極運動，由于電極間電介質層的存在，正電荷粒子會逐漸積累并形成與外加電場方向相反的電場從而使放電熄滅[27]。對于背面電極存在氣隙的構型2激勵器，負半周期時背面電極為陽極，因此負半周期輸送的正電荷粒子聚集在此階段作為陰極的正面電極附近；當交流激勵極性轉換時，前半周期聚集的正電荷和此階段作為陽極的正面電極的共同作用，使得電場強度更大，如圖4(b)所示放電更加劇烈。而背面電極不存在氣隙的構型1激勵器由于在負半周期時不能形成流注放電，無法輸送大量的正電荷粒子至正面電極附近，因此在正半周期時，圖4(a)所示正面電極的放電得不到加強。有研究者在采用不同極性脈沖電源的等離子體放電試驗中也出現此類結果[28-29]，使用正脈沖、負脈沖、雙極性脈沖(正負脈沖兼有)的3種不同高壓電源，發現雙極性脈沖相比正、負單極性脈沖在激發DBD等離子時具有絕對的優勢，分析原因為施加雙極性脈沖時，上一個脈沖在介質板表面積聚的電荷可以有效地參與到下一個極性相反脈沖的放電過程中從而增強了等離子體放電強度。

圖4 不同電壓時構型1和構型2激勵器裸露正面的可見光圖像

紅外測溫法通過測量從物體表面輻射出來的紅外能量來獲得溫度信息。發射率為1.0的理想黑體以直接輻射形式輻射出所有能量；但對于非理想黑體，發射率影響目標的直接輻射能量。發射率較小不僅使得直接輻射能量過低，降低了測溫分辨率；且發射率范圍越小，發射率的微小改變對測溫誤差的影響越明顯。文獻[30]指出若物體發射率小于0.5時，不能實現精確測溫。因此為了精確分析防除冰激勵器的溫度場分布，在發射率為0.01～0.22的銅電極表面涂覆黑色無光澤的石墨烯，石墨烯發射率為0.9～0.99，本文研究中取為0.95。激勵頻率50 kHz、電壓12～20 kV條件下，2種不同氣隙結構激勵器通電5 min后，激勵器裸露正面的紅外測溫圖像如圖5所示，溫度分辨率為0.05 ℃，精度為±2 ℃。

由圖5可知，構型1和構型2激勵器的整體溫度均隨電壓增加而提高，且不同電壓時最高溫度總出現在氣體電離區域的絲狀放電通道上。這是因為SDBD的溫升熱量來自于氣體放電和電極間電介質的介質損耗；電壓增加時增大了氣體電離區域的場強，帶電粒子的動能增加，通過與氣體分子發生碰撞的方式提高了電離區域的內能；介質電導和介質極化的滯后效應也會在電介質內產生熱量；電極間形成放電通道后，氣體電離產生的溫度要高于介質發熱。

圖5也可看出，相同電壓條件下，構型2激勵器相比構型1激勵器的溫度更高，溫升范圍也更大。依據熱源分布，以正面電極靠近背面電極的邊線A為界進行分析，構型2激勵器在邊線A上側區域溫升效果更好的主要原因，為具有氣隙結構的背面電極在負半周期積聚的正電荷在正半周期的促進作用，構型2激勵器在邊線A下側溫升效果更好的主要原因，為圖2(c)中背面電極在負半周期生成的等離子體對介質板的直接加熱作用。

對圖5所示的紅外測溫結果進一步分析，取邊線A上側溫度最高值(也為激勵器的溫度最高值)，得到構型1和構型2激勵器正面最高溫度隨電壓的變化曲線見圖6。相同電壓時，構型2相比構型1激勵器的最高溫度數值更大，如20 kV時構型2激勵器的最高溫度為179.92 ℃，相比構型1激勵器的118.75 ℃最高溫度，增加倍數可至151.51%，其原因為前述圖4所分析的構型2激勵器背面的氣隙構型對正面電極等離子放電的促進作用。

圖5 不同電壓時構型1和構型2激勵器裸露正面的紅外測溫圖像

圖6 電壓對不同氣隙構型高頻激勵器最高溫度的影響

構型1和構型2激勵器的最高溫度隨電壓增加而非線性提高。采用對瞬時電壓和電流進行積分運算的方法[31]，計算得到構型1和構型2激勵器功率隨電壓的變化曲線如圖7所示。兩電極間激勵電壓達到放電閾值后，空氣電離形成的大量帶電粒子在電場作用下運動，在此過程中對周圍氣體分子進行碰撞并產生能量轉換，因此等離子體電離區域溫度升高。電介質在電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，在其內部引起能量損耗，電能轉換成為熱能。放電功率對于SDBD激勵器的溫升效應具有直接影響關系[22]，且激勵器的放電功率與激勵電壓之間呈冪次方關系[32]，因此激勵電壓位于較大階段時產生的溫升更顯著。將激勵器應用在防除冰區域可以使機體表面溫度保持在冰點以上，起到防冰效果；或使已形成的冰體融化并在來流作用下脫離，實現結冰消除。

圖7 電壓對不同氣隙構型高頻激勵器消耗功率的影響

為研究激勵器正面的等離子放電反方向的溫度影響范圍，在圖5中選取50 mm測溫長度的邊線B的測溫值，結果如圖8所示，可以發現構型1和構型2激勵器在此測溫范圍內均隨電壓增加而升高，且相同激勵電壓時構型2的溫度更高。這是因為對于構型1激勵器，溫升源為邊線A上方的等離子體加熱和介質發熱，邊線A下方的溫度為電介質熱傳導獲得，距離越遠溫度越低。對于構型2激勵器，除構型1中出現的2個升溫方式，邊線A下方的溫度還可以由背面電極產生的等離子體獲得，其方向與正面電極產生的等離子體相反。因此對于構型2的高頻交流SDBD防除冰激勵器，裸露工作面的等離子放電區域反方向具有更大的溫升影響范圍和更高的溫度。

圖8 電壓對不同氣隙構型高頻激勵器邊線B處溫度的影響

2.3 頻率對不同氣隙結構SDBD激勵器的溫升影響

電介質通常為絕緣體，但當電場進一步增強到某個臨界值時，介質內部正負電荷掙脫束縛成為自由電荷，絕緣性能遭到破壞，這種現象稱為電介質擊穿，所對應的電壓稱為擊穿電壓。為增強SDBD激勵器使用穩定性和延長使用壽命，開展頻率對激勵器的溫升影響研究。

激勵電壓固定為16 kV，頻率變動范圍為35～55 kHz時，2種不同氣隙結構激勵器正面電極處的可見光圖像如圖9所示。實驗狀態不變，2種不同氣隙結構激勵器通電5 min后，正面電極處的紅外測溫圖像如圖10所示。由圖9可知對于構型1和構型2激勵器的放電細絲長度、可見光面積、等離子體亮度都隨頻率提高而增加。圖10的紅外測溫結果也表明，兩種不同構型激勵器的整體溫度均隨頻率增加而提高。原因之一為增加頻率使得單位時間內作用在SDBD激勵器的放電脈沖次數增多，能量注入密度得到提高；其他影響因素需進一步進行分析。

圖9 不同頻率時構型1和構型2激勵器裸露正面的可見光圖像

對比圖10中2種不同氣隙結構激勵器的紅外測溫圖像，可知相同頻率狀態下，構型2激勵器的溫度更高，溫升范圍更大。以邊線A為界進行分析，邊界A上方溫升效果更好的原因是負半周期時使SDBD背面電極流注放電熄滅的積累電荷，在正半周期時對正面電極的氣體電離提供了促進作用；邊界A下方溫升效果更好的原因是構型2相比構型1增加了背面電極的流注放電。

圖10 不同頻率時構型1和構型2激勵器裸露正面的紅外測溫圖像

在邊線A上側區域取溫度最高值，得到2種不同氣隙構型激勵器最高溫度隨頻率的變化曲線，如圖11所示。可知在頻率為55 kHz狀態下，激勵電壓為18 kV時構型1和構型2的溫度分別為89.4 ℃和118 ℃；通過對溫度的對照實驗，發現在頻率為40 kHz時，若要使SDBD防除冰激勵器達到同值溫度，構型1和構型2的激勵電壓應分別增至21 kV與20.2 kV。從圖11中也可發現相同頻率時構型2激勵器的最高溫度始終高于構型1激勵器，不同構型激勵器的最高溫度隨頻率提高呈非線性增加。

圖11 頻率對不同氣隙構型高頻激勵器最高溫度的影響

不同構型激勵器的功率隨頻率變化曲線如圖12所示。從圖12中發現在頻率35～50 kHz范圍內，對功率影響的線性度較好，這與Forte等的研究結果相符，其在頻率較低(300～1 000 Hz)條件下研究了SBSD激勵器的功率與頻率之間的關系，發現功率隨頻率提高呈準線性增加[33]。頻率為55 kHz時功率的增長梯度變大，分析原因為SDBD激勵器在放電過程中，由于電介質表面電導率很低，流注產生的帶電粒子無法因電傳導而消失，而是在電介質表面形成電荷沉積[34]。且前次氣體放電結束后，在電離空間仍能短期存在一些帶電粒子，下次放電常在前次放電位置產生，稱為記憶效應[35]；相比于低頻狀態，頻率較高時兩次放電的時間間隔變短，高頻激勵更能利用記憶效應殘余的帶電粒子對下次放電產生有利影響，提升新的帶電粒子產生效率，使得功率和溫度突增。即提高頻率對交流SDBD防除冰激勵器的溫升影響因素為能量注入密度的增加，以及高頻狀態對前次放電殘余粒子利用率的提高。

圖12 頻率對不同氣隙構型高頻激勵器消耗功率的影響

在邊線B處的測溫結果如圖13所示，可以發現此范圍內構型1和構型2激勵器的溫度均隨頻率增加而升高；且相同頻率時構型2激勵器的溫度更高，主要原因為構型2激勵器的背面存在氣隙，可以在邊線A下側產生高溫等離子體。

圖13 頻率對不同氣隙構型高頻激勵器邊線B處溫度的影響

3 結 論

1) 增加頻率可以提高高頻交流SDBD激勵器溫度，對避免激勵器高壓擊穿、延長使用壽命是有利的。在所測35～50 kHz頻率范圍內，頻率對溫度的提升效果為非線性，頻率較高時存在更大溫升梯度，原因是高頻狀態下可以更有效利用記憶效應留存的帶電粒子。

2) 相同電壓、頻率狀態下，高頻交流SDBD激勵器的背面電極處存在氣隙時，正面電極的等離子體放電更加劇烈，溫升效果更明顯。分析認為與背面電極在激勵電壓負半周期放電通道輸送的正電荷粒子，在正半周期時增大了氣體放電的場強有關。

3) 相同電壓、頻率狀態下，高頻交流SDBD激勵器的背面電極處存在氣隙時，激勵器的溫升范圍更大，原因是正面電極和背面電極分別產生了反向的等離子體高溫區域，且一個電壓周期內兩個批次的氣體放電增大了能量注入密度。