新型等离子体主动流动控制器及其诱导流场研究

林 麒，黄印阳，潘 波，牛中国

（1.福建省等离子体与磁共振重点实验室，厦门大学航空系，福建 厦门361005；2.厦门航空有限公司，福建 厦门361006；3.中国科学院工程热物理研究所，北京100190；4.中国科学院研究生院，北京100190；5.中国航空工业空气动力研究院，黑龙江 哈尔滨150001）

0 引 言

为了对流场的流动状态进行有效的控制，流体力学学者们一直进行着不懈的努力，发明了或提出了许多方法，特别是主动流动控制方法。

现有的主动流动控制方法包括各种常规和非常规的气动控制面和吹吸气技术，如纵向沟槽式致动器、涡流发生器等，其缺点是非工作状态下对流场会造成较大的负面影响，削弱、抵消其应用意义［1］。近来MEMS技术也被应用于流动控制。MEMS致动器具有许多优点，但实施应用较为复杂［1］。“零质量”射流也是近年的研究热点之一，国内外学者都在积极地开展该研究［2－3］。近十年来，等离子体在流动控制中的作用也受到学者们的重视，这方面也取得了一些研究成果［4－6］。

本文利用空气中介质阻挡沿面放电等离子体诱导定向气流的特性发明和设计了多种可用于主动流动控制的新型等离子体无源流动控制器。

1 DBD沿面放电等离子体诱导定向气流特性

大气压下阻挡介质放电（简称为DBD放电）等离子体会诱导气体流动。在图1所示的DBD沿面放电中，当上下电极交错布置时，放电集中于两电极之间相邻近侧的空气间隙，放电产生的沿面等离子体诱导气体呈图中所示的定向流动，该流动常称为“电子风”。

由于图1的“电子风”产生于近壁表面，因此吸引了不少流体力学学者的兴趣。根据交错布置电极方式DBD放电的这种特性，学者们多设计如图2的平行梳状电极等离子体发生器，以产生具有一定流速的贴近壁面的定向气流，用于边界层流动控制。图2中，细实线范围表示绝缘介质板，粗实线和粗虚线分别为覆于板上、下表面的电极。各对电极的上下电极条均向同一方向交错布置。

然而，本文采用PIV技术对图2的平行梳状电极放电诱导的气流流场测量结果表明，DBD沿面放电等离子体诱导的定向气流的流动厚度仅有10mm～20mm的厚度，且流速不够大（见图3）。

图1 DBD放电等离子体诱导定向气流示意图Fig.1 Schematic of DBD plasma inducing directional flow

图2 梳状电极等离子体发生器诱导定向气流示意图Fig.2 Schematic of the plasma actuator with cardiform electrode inducing directional flow

图3 梳状电极等离子体发生器上表面诱导气流流场Fig.3 Flow field induced above plasma actuator with cardiform electrode

文献［7］对平行梳状电极放电诱导的气流进行加速特性研究的结果也雷同：虽然增加电极对数可以加速诱导气流，但对增加诱导气流的流动厚度作用并不大，而且流速仍有限。

显然，对于边界层较厚的流动，类似图2和图3的平行梳状电极放电诱导的气流只能影响边界层层流底层附近的流动，流动控制的作为是有限的。

分析上述现象，可发现平行梳状电极放电诱导的气流在绝缘介质板表面能量分布分散，且诱导流动层很薄，故不能有效地发挥流动控制的作用。如何集中其能量，使其深入边界层流动中，增强其控制流动的影响作用，是将DBD沿面放电等离子体有效应用于流动控制的关键。

2 新型等离子体流动控制器

若有目的地利用图1所示的DBD沿面放电等离子体诱导平行于绝缘介质板表面的定向气流这一特性来组织流动，将产生意想不到的结果。就此，本文从改进电极的排布入手，发明和设计了多种新型等离子体流动控制器，意在获得所需的流动结构以用于流动控制。

2.1 射流式和汇流式等离子体流动控制器

本文首先改进平行电极的排布。图4和图5是改变平行电极交错布置方向所获得的片射流和片汇流形式的诱导流动的示意图。两幅图都是等离子体流动控制器横剖面视图。箭头所指为诱导气流方向；两阴影区分别表示两层绝缘介质；黑色小矩形块分别表示上下电极条。为简明起见，图中略去电源与导线连接的标注。

图4 相向交错排列的平行电极放电诱导的片射流Fig.4 Sheeted jet induced by discharge of opposite parallel electrodes staggered

图5 相向交错排列的平行电极放电诱导的片汇流Fig.5 Sheeted confluence induced by discharge of opposite parallel electrodes staggered

仔细观察，图5其实就是图4的等离子体流动控制器反向使用的效果。这两种情况是将相同对数的交错电极相向或背向布置得到的。

为使能量更为集中，本文设计了柱状射流和汇流的等离子体流动控制器。为减小篇幅，下面仅给出柱状射流等离子体流动控制器示意图（见图6）。图6中的粗实线和粗虚线分别表示覆于圆形电介质绝缘板上下表面的圆形电极条。

同理，图6的反面可形成柱状汇流的流动效果。

这几种射流和汇流的影响都可能深入边界层或分离包的深处，发挥较大的流动控制作用。

2.2 平面旋流式等离子体流动控制器

射流式和汇流式等离子体流动控制器都保留了电极对之间互相平行的基本格局。本文力图打破这种局限，设计和制作了一款产生平面旋流的等离子体流动控制器，如图7所示。图中各线条的含义同图6。

图7中均采用向同一方向弯曲的电极条。显然，这样布置的电极放电后诱导的气流将是逆时针方向的平行于绝缘板表面的旋转流动。各对电极放电后的诱导气流会相互加强，维持较高的流动强度。设计这种等离子体流动控制器的目的是增加边界层内流动的动量，以提高其抵抗逆压的能力，避免过早分离，或推迟、抑制分离。

图6 柱状射流等离子体流动控制器Fig.6 Plasma flow controller to make columnar jet

图7 平面旋流等离子体流动控制器Fig.7 Plasma flow controller to make horizontal rotational flow

2.3 垂直涡流式等离子体流动控制器

本文在图6和图7所示的等离子体流动控制器的基础上进一步改进，结合两者设计了如图8所示的可产生垂直涡流的等离子体流动控制器。图中各线条的含义同图6。

图8 垂直涡流等离子体流动控制器Fig.8 Plasma flow controller to make vertical vortex flow

在图8的设计中，内部的弯曲电极放电诱导旋转气流，外部的圆形电极放电诱导向心的朝上的气流。两者结合便产生逆时针方向旋转，同时向上的气流流动，即垂直于绝缘板面的涡流流动。

2.4 各型等离子体流动控制器

图9列出的是若干已制作出的等离子体流动控制器实体。照片上的黄色区域是等离子体流动控制器的绝缘介质板范围，黑色线条是覆于板上表面的电极，板的下表面覆有与上表面电极相配对的交错排列的电极条。

图9中的1＃ 是常用的梳状平行电极等离子体流动控制器，2＃、3＃、4＃、5＃ 分别是可以产生柱状射流、平面旋流、垂直涡流的等离子体流动控制器。这三类新型的等离子体流动控制器已获得发明专利或实用新型专利授权。

图9 各种新型的等离子体流动控制器Fig.9 Several kinds of new－style plasma flow controllers

发明这三类新型结构的等离子体流动控制器的思路是有效地组织空气放电诱导气流，形成流动控制所需的气流结构。根据以上设计思想，还可以设计出各种不同的，或者更有效的等离子体流动控制器，如产生斜射流的等离子体流动控制器等。

3 新型等离子体流动控制器诱导气流流场的流动显示实验

本文采用了流动显示的方法定性地考察上述新型的等离子体流动控制器所产生的诱导流动能否构成所预期流场，以便加以改进。

本文综合图9中2＃和3＃控制器，设计了4＃和5＃新型结构的等离子体流动控制器。两者的设计目的都是要组织垂直于绝缘介质板面的涡流。其中的弧形电极条放电形成逆时针方向的成顺时针方向平面旋流，同心圆电极放电形成向心的汇聚气流，希望两者叠加的结果形成一个能量集中的旋转向上的流动，即垂直涡流。

本文采用轻质白泡沫球进行流动显示试验。事先将一些泡沫球集中平铺在等离子体流动控制器上表面电极区内，在电极放电过程进行摄像，记录泡沫球在等离子体诱导气流作用下的运动过程，再从所摄视频中截取不同时刻的图像分别列于图10、图11中。图中时刻t1＜t2＜t3＜t4。

图10是4＃等离子体流动控制器上泡沫球流动显示试验的图像。实验时可看到（从图中也可看出），放电后，集中于板中央的白泡沫球在诱导气流的作用下，迅速按逆时针方向旋转着向上运动，一些泡沫球腾起，跳得很高，飞离放电区，呈“井喷”现象；一些落回放电区及其附近的泡沫球重被卷入再次腾起参与旋转的“井喷”运动。泡沫球的运动表明放电诱导的气流流动是旋转着上升的，达到了设计垂直涡流流动控制器的目的。实验中白色轻质泡沫球不断地从板的中心“井喷”似地快速飞起也表明所获得的垂直涡流具有一定的强度，有望在流动控制中发挥作用。

图11的试验显示5＃控制器上的诱导气流是按预计的呈逆时针方向旋转上升的垂直涡流，但是与4＃控制器相比，旋转能量较强，而上升趋势较弱，即诱导气流的旋转运动分量大于垂直向上的运动分量。虽然白色轻质泡沫球也会向上腾起，但很快旋转着沿切线方向飞离放电区。

比较图10与图11可知，对电极条布置采用不同的设计方法，所获得的放电诱导流动差异很大。为了组织起所期望的等离子体诱导流动，需要进行分析研究与精心设计。

用轻质泡沫球做流动显示可以简便观察到新型等离子体流动控制器放电诱导气流的结构形式，很形象地验证了本文的设计思路是正确的，证明本文通过设计电极条的排布方式组织放电诱导气流的尝试是成功的。

4 新型等离子体流动控制器诱导气流流场PIV测量结果

用轻质泡沫球做流动显示试验只能给出定性的概念，无法定量地描述新型等离子体流动控制器的诱导流场。本文采用了PIV粒子图像测速技术对各型等离子体流动控制器的诱导流场进行了测量。

由于等离子体流动控制器工作时，空气放电发光会影响PIV的测量，即PIV方法难以测量紧贴控制器板面的流动，所以下面给出的部分测量结果的流场图像下沿都距控制器板表面有一定高度。

对于图9中的2＃控制器，放电等离子体的诱导气流是沿半径方向向圆心聚集流动的，根据流体流动的连续性原理和质量守恒定理，汇聚到圆心的流体必然会垂直于板面向上涌出，形成一股垂直于板面的柱状射流。

PIV测量结果与预期完全一致。图12给出的图像表明由2＃控制器产生的柱状射流不仅能量相当集中，而且向上达到的高度约160mm，也就是说该射流的垂直影响高度有望穿透较厚的边界层，对壁面分离流动进行有效控制。

图12 2＃控制器放电等离子体诱导的柱状射流Fig.12 Columnar jet induced by 2＃plasma flow controller

在图10中，虽然已对4＃控制器进行过流动显示试验，本文仍然采用PIV技术进一步进行测量。4＃控制器中心的弧形电极和外侧同心圆电极放电诱导的逆时针旋转气流和向心汇聚气流叠加而成的垂直涡流是一个三维流动结构，本文在不同的位置进行测量来考察其流场。因篇幅的原因，这里只给出图13的过垂直涡流轴对称平面的测得结果。图像的下沿离控制器板面有较大的距离。

图13反映出4＃控制器板上方空气放电产生的等离子体诱导气流形成了一个结构较紧凑（能量较集中）的垂直涡流，而且它向上纵深影响的高度达到10多厘米，也可望用于壁面附近的分离流动控制。

图13 4＃控制器放电等离子体诱导的垂直涡流Fig.13 Vertical vortex induced by 4＃plasma flow controller

图14给出的是3＃控制器放电诱导的平面旋流。该图是对3＃控制器板面俯视的PIV测量结果。该控制器的电极条设计成围绕一个中心圆，且向同一方向弯曲的一系列弧形线条。空气放电诱导的气流平行于板表面，形成一个平行于板面的逆时针方向的平面旋流。图中箭头稀少、空白的弧形区域为弯曲形电极所在处。图示的平面旋流主要集中在板表面附近，虽然该流动可能无法对边界层有太大的向上纵深影响，但是有望提高边界层内流动的动量，增强抵抗负压和分离的能力。

图14 3＃控制器放电等离子体诱导的平面旋流Fig.14 Horizontal rotational flow induced by 3＃plasma flow controller

本文在研究中还设计制作了多种不同的产生片射流的等离子体流动控制器，并对它们所产生的诱导流场进行比较。

图15是一股片射流的正面PIV图像，图16是它的侧面PIV图像。产生这股片射流的等离子体流动控制器上的电极是按图4设计的：在绝缘介质板上下表面布置两组各三对尺寸结构相同、交错方向相向的平行电极条。放电时，两组电极诱导的气流相向流动，相聚后向上涌起，构成片射流。

图15 片射流正面测量结果Fig.15 Frontal image of sheeted jet

图16 片射流侧面测量结果Fig.16 Side image of sheeted jet

图17是三股片射流的侧面测量结果。与图16不同的是，其中每股片射流是由一组两对交错方向相向布置的电极对放电诱导而成的。

图17 三股片射流侧面测量结果Fig.17 Side mage of three streams of sheeted jet

比较图15、图16与图17，可以看出，图15的射流速度比图17的大，强度高且能量集中。但是图17的作用区域大，三股片射流实际上是作用在一个平面区域上，而图15、图16的片射流只作用在一条较狭窄的区域内。因此，应该根据对流动控制的不同需求设计不同的等离子体流动控制器。

5 结 论

本文根据DBD沿面放电等离子体诱导定向气流的特性，提出新型的等离子体流动控制器的设计方法，改进电极的布置方式，有效地组织等离子体放电诱导的气流形成所需的流动结构用于主动流动控制。它们具有如下共同的特点：

（1）都是无源流动结构，即不需要额外附加的气源，因而也不需要为提供气源而配备气泵和辅助管道等，结构和构件简单；

（2）能够保持流动壁面原有设计的气动外形不变，即控制流动的壁面上不需开孔或添加任何导流装置，无需使用时不会影响原壁面的流动特性；

（3）便于根据需要操作控制，流动结构的强度，甚至流动结构易于调节改变，即可通过改变加载电压来启用和关闭，或调整所形成气流结构的强度。

可以说，这些新型的等离子体流动控制器为主动流动控制提供了一种崭新的技术。

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