介质阻挡面放电等离子体流动控制研究进展

倪章松，李国强，高 超

(1.西北工业大学，陕西 西安 710072;2.中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000;3.装备学院，北京 101416)

0 引言

随着世界能源危机的到来，新型飞行器对能源和动力提出更高的挑战，传统的气动设计手段将不能满足需求，需要采用新的技术途径来改善飞行器的气动性能。主动流动控制技术是21世纪最有发展潜力的航空前沿技术之一，将作为未来新型飞行器气动设计的新手段［1］。

等离子体主动流动控制技术的主要目的是增加飞行器的升力、减小阻力，提高升阻比，从而改善飞行器的气动性能。SDBD是一种重要的大气压放电形式，激励器电极布置在物体表面，使得边界层气体分子加速或局部体积耗散加热，从而改变边界层的流场结构和物理特性，抑制飞行器表面流动分离，最终实现飞行器增升减阻和效率增加。

SDBD主动流动控制技术具有体积小、无运动部件、重量轻、功耗低、作用频带宽、可靠性高、响应快，不使用时对流场影响较小等优点［2］，而且对边界层控制和低雷诺数下流动再附作用很高效［3］，被认为是很有前途和价值的流动控制新技术，得到了非常广泛的应用。

文章主要介绍了国外针对SDBD特性、流动控制机理、气动激励数学模型、流动控制影响因素等的研究现状，总结了国内在SDBD等离子体流动控制实验、数值模拟和机理研究方面的进展，归纳出现阶段研究中面临的问题及未来需要解决的问题，并指出提高抑制流动分离能力的等离子体冲击流动控制方式是一种重要研究方向。

1 国外研究现状

美国研究SDBD流动控制的团队非常多，包括田纳西大学、空军研究实验室团队(马里兰大学、俄亥俄州大学、凯特灵大学、赖特大学和加州大学)、圣母大学、普林斯顿大学、空军学院、NASA格伦研究中心、肯塔基大学等，研究的自由流速度跨度大，覆盖了低速、超声速、高超声速。俄罗斯的研究机构主要包括俄罗斯科学院高温所(IVTAN)、莫斯科物理和技术学院、LENINETZ公司等研究机构，取得了相当显著的成就。总体看来俄罗斯的等离子体流动控制研究主要集中在IVTAN，目前IVTAN对SDBD研究相对较少。法国代表了欧洲的研究水平，最主要的研究团队是由法国Poitiers大学和阿根廷Buenos Aires大学组成的研究团队，对SDBD流动控制开展了实验研究。英国较早就开始了等离子体展向振荡减阻研究，但是实验自由流速度仍然很低。意大利的SDBD研究工作基本处于起步和模仿阶段，主要研究力量是博洛尼亚大学Borghi等。瑞士的研究则强调气流对等离子体的影响。另外还有德国、印度与伊朗进行了一些相关研究［4］。

1.1 SDBD 研究

1857年，西门子第一次进行了 DBD实验［5］。1933 年，Engle等［6－7］在一个大气压空气中得到 DC正常辉光放电，由于存在辉光－电弧转化，这个放电并不稳定，很少在工业或实验室中得到应用。1995年，Roth等［7－8］在电极上使用绝缘平板抑制辉光－电弧转变，从而极大的降低了阴极加热、腐蚀，以及等离子体污染，还使得等离子体稳定，增加了离子数密度;这类放电称为大气压均匀辉光放电等离子体(One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma，OAUGDPTM，也称RF辉光放电)，实际就是SDBD。

Andrey Starikovskiy等［9］发明了一种二极管介质阻挡面放电装置，测量表明该装置可以成功抑制住负半周期的反向减速作用，增强加速作用，然而，该装置还处于发展的初始阶段。

1.2 流动控制机理研究

1.2.1 动量加速和动量掺混

Schatzman等［10］在实验中用粒子成像测速技术(PIV)测出激励器连续工作和脉冲工作模式下诱导速度场，发现连续激励时等离子体与边界层气体之间进行动量交换，诱导出壁面射流;脉冲工作时等离子体向边界层输入动量的同时诱导出旋涡，从而对激励器下游流场的影响范围更大。Hultgren等［11］在闭式循环水洞中进行了SDBD等离子体主动控制边界层流动分离的实验，结果表明激励器通过促进边界层的提前转捩而使流动再附。Enloe等［12］认为等离子体－中性分子碰撞造成动量传输从而产生体积力是主要的能量耦合机制，激励器附近加热也很重要，但并不是等离子体流动控制的主要机制，Roth等［13］、Jukes 等［14］也得到类似的结论。Minton 等［15］认为进入边界层的能量使得流体加热膨胀，造成了一个障碍，从而在放电位置造成流动分离，但是这是一个不愿看到的结果，据此推测认为产生控制效果的是体积力。Gaitonde等［16］通过仿真表明SDBD激励器通过促进层流－湍流转捩和增强近壁面动量来实现控制作用，转捩和湍流增强机制比纯粹的壁面动量增强更重要。Kengo Asada等［17］用大涡模拟方法研究NACA 0015翼型在脉冲工作模式等离子体控制下的两种作用机制:第一种为DBD增强边界层旋涡，因而避免翼型前缘更大分离涡的形成;第二种为激励器通过抑制翼型分离，从而改善了翼型气动性能。圣母大学团队［18］研究NACA 0015机翼处于振荡过程中SDBD对流动分离的控制效果，发现低雷诺数下一个单独的SDBD激励器类似于襟翼或者鼓包，对机翼升力具有双重作用:一是无粘动量添加;二是和粘性流场的相互作用。M.Neumannl等［19］利用激光多普勒测速仪(LDV)测出了SDBD激励器诱导二分量速度场和拉格朗日加速度，认为等离子体诱导体积力存在时间和空间两种加速机制，实验得出时间加速机制起主要作用。

1.2.2 温升效应和热冲击效应

Correale等［20］通过实验来研究纳秒脉冲等离子体产生的冲击波与NACA 63－618翼型流场的相互作用，还在层流条件下进行了纳秒脉冲等离子体控制翼型失速的研究，以此来进一步探索流动控制机理，研究发现纳秒脉冲等离子体在翼型表面诱导出旋涡是流动控制的最主要机制。Roupassov等［21］研究表明激励器放电产生的纳秒脉冲等离子体在激励器表面诱导出冲击波，冲击波诱导旋涡对主流产生扰动，从而促进主流和边界层之间的动量交换，使得翼面流动再附。Jonathan Poggie等［22］对DBD纳秒脉冲放电的作用机理进行了数值研究，仿真的结果很好的再现了实验中观察到的现象。认为纳秒脉冲可用于高速流动控制，作用机理主要在于激励器迅速将电能转化为快速释放的热能，以及随之而产生的冲击波对流场的扰动作用。

Munetake Nishihara等［23］在小尺寸的超音速风洞中研究了纳秒脉冲介质阻挡放电(NS－DBD)等离子体对斜激波和激波边界层的相互作用。

1.2.3 综合观点

目前还存在一些综合观点，比如Menier等［24］提出亚声速条件下适用动量传输机理，超声速条件下则主要为加热机制，二者更可能同时存在，放电位置的不同导致动量传输和加热作用可能叠加，也可能互相抵消。Roupassov等［21］认为能量耦合机制与所使用的激励电源有关，对于交流放电来说，电场对流场的动量输入和近壁面流动加速是主要影响机制，对于纳秒脉冲SDBD来说，主要机制是能量传输到近壁面气体以及边界层的快速加热。

1.3 气动激励数学模型研究

1.3.1 唯象学模型

目前许多流体力学数值研究工作都是基于唯象学模型。唯象学模型不考虑等离子体的实际作用过程，直接假设电场分布、等离子体密度以及导电率等从而求出体积力，将体积力作为源项添加到N－S方程中去，从而简化了计算过程。

Shyy等［25］提出了一个包括电场和电场力的经验计算公式(1)。

Suzen等［26］将等离子体简化为一个体积力加入N－S方程，发展了计算等离子体流动的数学模型，并用实验结果验证、校正模型，对低压涡轮分离流动进行了模拟。

Gaitonde等［27］利用唯象学模型研究了不同模式下等离子体对边界层的影响并考察了等离子体控制流动分离的能力。

1.3.2 集总电路模型

通过模拟集总电路研究等离子体体积力的大小及方向。这种方法利用等离子体放电过程中电流与电场强度的关系，将等离子体激励器看成一个集总电路元件，研究体积力与放电参数之间的关系。Orlov等［28］采用该方法得出体积力与V7/2呈正比(V为加载电压)，并用光电倍增管实验验证了模型的可靠性。

1.3.3 粒子群－蒙特卡洛法模拟

Font等［29］研究了不同的电压下正、负离子的相互作用，研究表明负离子产生负拉力减小了等离子体的体积力，纯氧的等离子体体积力没有纯氮的体积力大。Shoichi Ebato等［30］以 N2与 CO2为放电介质研究了体积力随环境压力的变化，结果显示，环境压力减小，等离子体体积力增大，最大可以增大10倍以上。

1.3.4 流动和放电的多物理仿真

这种方法耦合了电势场、化学输运和动量输运，能够得出电荷密度等电场参数、等离子体的电动体积力、放电空间的能量及诱导速度等流场参数等。由于不同物理过程在时间尺度等方面存在较大的差别，所以该方法较难实现。

1.4 流动控制影响因素研究

影响SDBD激励器流动控制效果的因素很多，比如电极结构、电源参数、激励器布置、激励器工作模式和来流速度等。

J.Jolibois等［31］研究了影响单个激励器将空气电离化效果的三个参数:电压波型、介质厚度、激励电压。在给定电功率下，研究发现正弦波和三角波相对于方波对流放电(electric wind)的诱导速度较大，这是由于方波有极大的正向或负向变化梯度，虽然产生很高的电流峰值，但对等离子体放电产生的贡献却很小;采用相对较厚的介质层(几毫米)在几十千伏电压和适当激励频率下(约1 kHz)诱导速度较大。

Roth等［32］认为虽然单个激励器诱导离子风速度较低，但激励器阵列能够产生杠杆作用可使更高速度的流动再附;另外，在分离点起始位置附近布置激励器效果比较好。

P.Audier等［33］用 DBD 抑制翼型 NACA 0012前缘处发生的流动分离，改善了翼型的气动性能，并且根据旋涡的自然脱落频率来选择受迫振动频率即激励频率，用PIV和热线风力测定法(hot－wire anemometry)测量出接近边界层和较远诱导涡位置处的流动在DBD控制下的改善效果，结果表明，当二者的频率很相近的时候可以使升力大幅增加。

Schatzman等［10］研究了定常模式和非定常模式激励，认为非定常模式激励比定常模式激励的流动控制效果好。

Jochen Kriegseis等［34］用一种新的诊断技术来量化SDBD等离子体激励器的放电特性，研究表明在高马赫数下的激励效果比在静止空气中的明显下降。随着流场速度的变化，这种新的激励器放电监测途径可以为电系统阻抗的匹配和系统参数调节的预估提供清晰的参考。

John P.Murphy等［35］采用 PIV 技术对静止空气中的SDBD激励器诱导流场的特性进行了研究，并在一定的电压和消耗功率下建立了准确的最大诱导速度和体积力发展模型的经验规律。

2 国内研究现状

国内针对等离子体流动控制进行了数值仿真和实验方面的研究，对等离子体流动控制机理进行了深入的探讨，在飞行器减阻增升、压气机扩稳、平流层螺旋桨增效等方面展开了应用研究，但是离工程化还有很大差距。

2.1 实验研究

空军工程大学李应红等［36－37］利用 PIV、天平、探针、皮托管和光谱仪等实验手段研究等离子体气动激励的放电特性与加速效果，研究NACA 0015翼型升阻特性受激励电压、激励电极数目、激励位置、输入电压波形等激励参数的影响，进行微秒脉冲等离子体气动激励抑制翼型吸力面流动分离的实验，实验表明:等离子体气动激励诱导了启动涡，启动涡随后发展成近壁面射流，等离子体脉冲激励的消耗功率比连续正弦波减小约30%，占空比和脉冲频率等对流动分离抑制效果有影响［38］。岳太鹏等［39］利用自行研制的速度测量系统对纳秒脉冲等离子体气动激励诱导气流速度进行了测量，研究表明:纳秒脉冲等离子体气动激励作用效果明显强于微秒脉冲放电。

中国空气动力研究与发展中心张鑫等［40］、王万波等［41］通过测力试验证明了在高风速条件下介质阻挡放电等离子体气动激励能够有效地抑制翼－身组合体的流动分离，从而提高升阻比;采用PIV技术研究了SDBD等离子体激励对NACA 0015翼型流动分离的控制特性，通过风洞实验研究了电极电压、电极位置和布置方式等参数对翼型分离控制的影响规律，初步分析了等离子体流动控制机理，研究表明:等离子体激励在失速迎角附近可以有效抑制流动分离，实现气流完全再附，在来流速度为20 m/s时，将气流再附着的迎角提高了5°。

西北工业大学高荣隆等［42］、刘万刚等［43］利用研制的大气压下辉光放电等离子体发生装置产生表面等离子体，揭示了表面等离子体对流场以及电磁场的影响。郑博睿等［44］对施加脉冲周期SDBD的电圆锥前体进行了PIV实验，研究表明:脉冲周期放电引发动量转移的主要机制是涡的增强而非气流加速。王健磊等［45］通过风洞实验研究了SDBD激励器在不同状态下对大迎角模型前体的非对称气动载荷的控制作用，研究表明:通过控制等离子体激励器的开闭可以使得圆锥圆柱组合体在大实际攻角下出现的侧力改变方向。

南京理工大学傅鑫等［46］对贴敷了等离子体激活板的NACA 0015翼型进行了吹风试验，在大量实验数据的基础上获得了等离子体减阻特性规律，并认为低温等离子体能够有效抑制边界层流动分离，在一定条件下能够大幅降低流动阻力，且其效果与加载电压和频率呈线性关系。

中国科学院李刚等［47］利用PIV技术在低速风洞中研究了SDBD等离子体对圆柱绕流尾迹区流场的影响，分析表明:激励器可在圆柱尾迹区形成射流，进而改变尾迹区的速度分布和涡量分布;还实验研究了非定常等离子体射流对低速单转子轴流压气机稳定工作范围的影响［48］，并实现了压气机扩稳，实验测量表明:需要协调好激励器布置位置和激励强度之间的矛盾。并发现了转子前缘19 mm布置激励器时不会发生爬电且扩稳效果比较理想。另外，邵涛等［49］在空气中对纳秒脉冲介质阻挡放电进行了高速摄影，结果表明:大气压空气中，水电极结构纳秒脉冲介质阻挡放电能够产生稳定均匀的放电等离子体，且存在二次放电，放电首先由电极中部开始发展，径向扩展至整个电极范围。

2.2 数值研究

宋慧敏等［50］采用 PSpice软件、Matlab/Simulink［51］研究了SDBD电特性。还根据体积力测量结果进行等离子体气动激励特性“唯象”建模，将等离子体气动激励对流体的宏观作用等效成体积力，与N－S方程耦合求解，得出等离子体气动加速特性［1］，其优势是容易实现，缺点是物理过程不清晰;梁华等［52］通过求解SDBD二维流体体力和热量分布模型，与N－S方程耦合建立了翼型等离子体流动控制数学模型，在低雷诺数条件下，研究了等离子体激励强度、激励电极数量和位置对翼型NACA 0009流动分离抑制和升阻特性的影响。提出了等离子体冲击流动控制原理和方法，包括冲击激励、扰动祸流和频率耦合3个内涵［1］，在100 m/s条件下实验验证了采用等离子体冲击气动激励提高抑制流动分离能力的有效性，并认为存在有效抑制流动分离的最佳非定常脉冲频率［53］。

毛枚良等［54］、王江南等［55］、张攀峰等［56］基于Shyy线性简化电场模型对等离子体流动控制进行了数值仿真。薛帮猛等［57］、梁华等［58］、李刚等［59］和程钰锋等［60］根据Y.B.Suzen等的分析方法，求解电势方程和电荷密度方程得到体积力，并将体积力以源项形式加入到N－S方程进行求解，来研究等离子流动体控制。

程钰锋等［61］仿真研究了等离子体增升减阻技术对沿螺旋桨桨径方向均匀分布的10个叶素气动特性的改善效果。采用叶素理论，分析了等离子体对螺旋桨整体气动性能的提高效果。结果表明采用介质阻挡面放电等离子体流动控制技术可以提高螺旋桨的气动性能。

2.3 机理研究

李刚等［62］将等离子体流动控制机理归纳为撞击效应、温升效应和化学反应效应，并认为其中起主导作用的是撞击效应。

聂万胜等［63］总结提出了等离子体气动激励的三个主要机理:基于放电过程的物性变化效应，基于电动力学的动力效应，基于欧姆加热、电子与振荡鞘层的碰撞及介质挡板热损失等过程的能量冲击效应。

车学科［4］认为流动控制机制包括体积力加速机制与涡相干机制两种，前者适于低速流动，通过消耗分离涡能量来实现控制效果，后者则在高速流动控制中发挥主要作用。

3 研究现状分析与展望

SDBD成为目前最常用的等离子体流动控制方法之一［64］。美国、俄罗斯、欧洲及其他国家和地区竞相研究SDBD等离子体流动控制技术。美国、俄罗斯等国等离子体流动控制技术研究起步较早，如今已经比较成熟，正在逐渐走向工程应用。国内针对等离子体流动控制进行了数值仿真和实验方面的研究，主要单位有空军工程大学、中国空气动力研究与发展中心、西北工业大学、北京航空航天大学、装备学院、中国科学院、哈尔滨工业大学和南京理工大学，在等离子体流动控制机理和应用上进行了研究探索。总体来看，国内外都还没有形成一个被广为接受和认同的等离子体流动控制机理，对等离子体流动控制的具体过程认识还不是很清晰。当然，主要针对等离子体流动控制实现翼型或机身增升减阻和增效方面开展了综合研究，等离子体还在涡轮压气机扩稳、风力机桨叶增效、等离子体助燃、等离子体消音管等方面有重要应用，此不再赘述。

由于SDBD激励器连续工作模式下诱导的电场强度比较低，属于弱电离放电，SDBD诱导气流速度低(最大只有8 m/s)，可以控制的来流速度只有每秒几十米，严重限制了其在较高速度范围的应用，未来还需要进一步探索如何增加等离子体激励强度，提高等离子体的气动激励性能。

针对现阶段等离子体气动激励强度不高和工程化应用不够，总结提出以下建议:(1)高压纳秒脉冲SDBD是一种提高抑制流动分离能力的等离子体冲击流动控制方式，近年来成为流动控制领域的研究热点，但是纳秒脉冲作用周期的占空比小，能否产生一个更高的作用效率值得深入的探讨;(2)还应该进一步开展SDBD等离子体流动控制影响因素的研究，为等离子体控制走向工程应用打下基础;比如，开展不同海拔高度、气候及气象条件下等离子体流动控制的研究。据研究表明，SDBD等离子体适用于控制平流层环境低雷诺数流动，应该加强这方面的研究。

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