三电极共面介质阻挡放电的放电特性及诱导气流实验研究

张 兴, 黄国旺, 吴淑群, 欧阳帆, 张潮海

(南京航空航天大学自动化学院, 江苏南京 210016)

引 言

大气压环境下, 介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)可以防止弧光放电的形成, 并且产生大量均匀稳定的大气压等离子体, 被广泛应用于材料表面处理[1]和生物医学[2]. 按照电极结构分类, 介质阻挡放电可分为体积介质阻挡放电(volume dielectric barrier discharge, VDBD)、 沿面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge, SDBD)及共面介质阻挡放电(coplanar dielectric barrier discharge, CDBD). 现有研究发现沿面介质阻挡放电产生的等离子体在电场的作用下能够对流场产生有效的气动激励[3-4]. 等离子体气动激励是利用等离子体在电场力的作用下定向移动或气体放电导致环境温度、 压强发生变化, 对流场产生宽频带、 高速率的气动激励[5]. 传统的机械流动控制, 如机匣处理、 微喷气等, 虽然对泄漏流动有着良好的控制作用,但都会存在噪声、 震动以及易磨损、 易故障等问题. 等离子体气动激励器不需要机械运动部件, 具备体积小、 质量小、 响应速率快、 激励频带宽和可靠性强的显著优势, 广泛应用在抑制流动分离与飞行器减阻增升、 翼型边界层流动控制、 控制圆柱绕流流动分离等方面[6-8].

在等离子体流动控制中, 为了增强对流场的控制效果, 须提高等离子体激励器诱导气流速度, 国内外学者对SDBD激励器装置的材料特性以及布局优化进行了探究. 郝泽宇等[3]研究了同种介质材料不同介质厚度以及不同介质材料、 电极种类、 外加电压下等离子体激励器的放电现象和气流加速效果, 结果表明采用云母介质、 不锈钢刀片电极和施加峰峰值为15 kV的电压能够使诱导的气流速度提高到3.2 m/s以上. 史志伟等[9]仿真分析了H形、 O形和L形激励器产生的流场结构并测量了3种激励器诱导气流的速度, 研究了不同电极夹角、 电极电压、 电极直径对诱导速度的影响. Forte等[10]通过优化激励器装置布局使激励器产生大面积等离子体, 增强了对流场的控制作用， 此外还研究了不同电压频率等不同条件下的诱导气体速率. 吴阳阳等[11]发现在较高电压下多组交错电极布局的等离子体激励器诱导气流速度峰值能达到4.7 m/s, 能够更好地抑制压气机叶顶泄露流. Hao等[12]通过对多级等离子体激励器研究发现, 较传统多级等离子体激励器而言, 新型多级双极性等离子体激励器产生的推力和吸力随着电压的升高而逐渐增强. 上述多组布局激励器类似于多个电极的SDBD组合来获得大面积等离子体. Moreau等[13]在SDBD装置的基础上通过增加一个直流电极, 形成了三电极等离子体激励器, 增大了放电区域. 引入的第三电极能够显著改变共面介质阻挡放电产生等离子体的拓扑结构, 并且能够在提高等离子生成速率的情况下使最大诱导速度提高到150%. 最近, Wu等[14]将高压电极与地电极掩埋到介质板表面的同一侧, 使等离子体产生在介质板的另一侧, 形成了CDBD, 并进一步对不同电极结构、 介质板材料和厚度进行了细致研究. 史曜炜等[15]提出相对于SDBD, CDBD的高压电极掩埋在绝缘介质中, 能够有效避免电极放电氧化和腐蚀, 极大地提高激励器的使用寿命.

为了进一步优化CDBD诱导流动特性, 通过引入第三电极增加等离子体的面积以及均匀度, 提高激励器诱导气流速率, 增强对飞行器翼型边界层流场的有效控制. 本文基于CDBD电极结构, 将第3个电极放置在等离子体一侧, 首次提出了三电极共面介质阻挡放电(three-electrode coplanar dielectric barrier discharge, TCDBD). 通过Pitot管系统测试了外加电压和第三电极布局对TCDBD激励器的诱导流动特性的影响, 并与CDBD和SDBD进行了对比实验. 同时为了探究此激励器产生等离子体的稳定性, 实验还对放电特性进行了研究, 为后续等离子体激励器的布局优化提供基础.

1 实验设计

TCDBD激励器是在CDBD装置结构上引入第3个电极， 如图1所示. CDBD装置是在介质板上表面敷设一对平行的高压电极和地电极, 并使用环氧树脂进行封装, 使得放电产生在介质板的下表面. 第三电极放置在介质板的下表面, 与高压电极平行. 高压电极和地电极的长度为15 mm, 且间距为15 mm. 所有电极宽度均为10 mm. 选择厚度为0.5 mm 的石英玻璃片作为绝缘介质板, 厚度为60 μm 的铜箔作为电极材料.

图1 实验装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment

本文实验系统包括高压交流电源、 电阻和等离子体激励器等. 高压交流电源为南京苏曼等离子体公司的CTP-2 000 K交流电源, 输出正弦波电压幅值为0～30 kV, 频率为1.6～2.4 kHz. 通过在电路中串联一个阻值为10 kΩ的电阻, 避免因放电电流过大而造成元器件损伤. 电流探头采用美国皮尔森的Person 2877电流探头, 输入带宽200 MHz, 最大输入电流100 A. 电压探头采用Tektronix P6015A型无源高压探头, 输入电压为0～20 kV, 带宽75 MHz. 通过Tektronix MDO3034型示波器记录波形. Pitot管系统是由Pitot管和DCAL401压力传感器组成, 灵敏度为32 mV/Pa, 可测风速范围为0～100 m/s. 采用尼康相机D7100 (1/6 s, f/5.3, iso-4 000)进行不同实验条件下的放电照片拍摄.

2 实验结果与分析

2.1 放电特性

为了探究TCDBD放电特性, 研究了不同激励电压下放电模式. 图2中电源电压频率为2 kHz. 第三电极为悬浮状态, 电极位置为d1=3 mm, 电极宽度为d2=5 mm. 黄色线代表第三电极的轮廓. 当激励电压峰峰值从0上升至22 kV时, 在高压电极与地电极之间产生了几条稀疏的丝状放电通道, 没有与第三电极相连. 该放电为共面介质阻挡放电[16]. 当激励电压继续上升到28 kV时, 除了高压电极与地电极之间的丝状放电通道增多外, 放电通道延伸至第三电极处, 使得整个放电面积增大. 当激励电压达到31 kV时, 放电细丝变得更加密集, 使得放电整体看上去更加均匀, 在第三电极附近的等离子体辐射亮度显著增强.

图3是实验中测得的激励器在不同激励电压下的放电电压和电流波形. 放电电流呈现为脉冲形式, 放电主要集中在激励电压正负半周期的上升沿与下降沿. 当激励电压峰峰值由22 kV上升到31 kV时, 1个周期内的电流脉冲个数由5个上升到了16个. 然而, 电压升高时, 电流脉冲峰值和脉冲宽度保持基本不变, 分别为约48 mA和30 ns, 如图3(d)所示.

(a) Upp=22 kV

(b) Upp=28 kV

(c) Upp=31 kV

(a) Upp=22 kV

(b) Upp=28 kV

(c) Upp=31 kV

(d) A single current waveform with Upp=31 kV图3 不同激励电压(峰峰值)下TCDBD的电压和电流波形Fig. 3 Voltage and current waveform of TCDBD under different excitation voltages(peek-to-peek values)

为了计算激励器的放电功率, 通过在接地处串联一个电容来获得Lissajous图形. 其中串联的1 nF的电容测得电容电压, 间接得到放电传输的电荷Q. 以电荷Q为纵坐标, 高压电极处的电压UH为横坐标, 就可获得一条闭合Q-UH曲线, 即Lissajous图形. Lissajous图形的面积与一个电压周期内的放电能量成正比, 因此由图形面积即可求得放电功率. 图4是TCDBD激励器在不同激励电压下的Lissajous图形. 当激励电压峰峰值由22 kV上升到31 kV时, 测得Lissajous图形的面积不断增大, 相应地计算得到的放电功率从45 mW 增加到了281 mW.

(a) Upp=22 kV

(b) Upp=28 kV

(c) Upp=31 kV图4 不同激励电压(峰峰值)下TCDBD激励器的Lissajous图Fig. 4 Lissajous diagram of TCDBD actuator with different excitation voltages (peak-to-peak values)

2.2 第三电极位置对气动激励特性的影响

通过改变第三电极与高压电极之间的距离, 探究第三电极位置对气动激励特性的影响. 实验中施加激励电压(峰峰值)为25 kV, 频率为2 kHz. 第三电极为悬浮状态, 电极宽度d2=3 mm. 红色虚线代表高压电极轮廓. 见图5, 当第三电极与高压电极之间的距离d1为0 mm时, 第三电极与地电极之间形成了稀疏明亮的细丝通道. 随着d1从0 mm增加到2 mm时, 第三电极与地电极之间的放电细丝通道增多但亮度减弱, 且地电极右侧的等离子体面积逐渐减小.

随着距离d1的减小, 激励器诱导气流速度也发生明显变化, 如图6所示. 气流速度的测量步骤如下: 将Pitot管放置在激励器一侧10 mm处, 对水平方向气流速度进行5次测量, 取平均值作为最终实验结果. 实验发现当d1从 0 mm 增加至 4 mm时, 激励器诱导的气流速度Vf从最大值2.4 m/s逐渐下降到接近0 m/s.

(a) d1=0 mm

(b) d1=1 mm

(c) d1=2 mm

图6 激励电压(峰峰值)U=28 kV下TCDBD激励器诱导出的水平方向气流速度Uf与d1的关系曲线Fig. 6 Relation curve between horizontal flow velocity Uf and d1 induced by TCDBD actuator under excitation voltage (peak-to-peak value) U=28 kV

如图7所示, 改变电极宽度对放电形态产生影响. 在实验中激励电压(峰峰值)U为22 kV, 频率为2 kHz. 第三电极与高压电极之间的距离为d1=1 mm. 当d2从2 mm增加到5 mm时, 放电细丝通道数目减少, 但是单个放电通道中的等离子体辐射亮度增强, 类似于介质阻挡放电中的等离子体丝收缩现象, 形成了具有一定自组织结构的丝状放电. 图8是在静止空气中激励器诱导出来的气流速度Vf与d2的关系图. 实验发现当d2由2 mm增加到9 mm时, 激励器诱导出的气流速度Vf一直维持在1.5 m/s左右.

图9为第三电极悬浮、 接地和外加10kV直流高压下的TCDBD放电图片. 实验中激励电压(峰峰值)U为22 kV, 频率f为2 kHz. 第三电极与高压电极之间的距离为d1为1 mm, 第三电极宽度d2为5 mm. 蓝色的虚线代表地电极轮廓. 当第三电极悬浮时, 在高压电极、 地电极和第三电极之间产生放电细丝通道. 当第三电极接地时, 高压电极和地电极之间没有出现共面放电, 但第三电极和高压电极之间产生了较为弥散的大面积等离子体, 类似于表面介质阻挡放电(SDBD)[1]. 当第三电极外加10 kV直流电压时, 放电状况与接地时相似. 固定激励电压为28 kV, 采用Pitot管测试了3种激励器诱导的气流速度大小. 当第三电极悬浮时, 激励器诱导气流速度Vf为1.76 m/s. 当第三电极接地或者接直流高压时, 激励器诱导的气流速度Vf都为2.79 m/s.

(a) d2=2 mm

(b) d2=3 mm

(c) d2=5 mm

图8 激励电压(峰峰值)U=28 kV下TCDBD激励器诱导出的水平方向气流速度Uf与第三电极宽度d2的关系曲线Fig. 8 Relation curve between horizontal flow velocity Ufand third electrode width(d2) induced by TCDBD actuatorunder excitation voltage (peak-to-peak value) U=28 kV

(a) Suspension

(b) Grounding

(c) Connection with 10 kV DC high voltage图9 第三电极TCDBD的放电图Fig. 9 Discharge diagram of TCDBD under three conditions

2.3 3种介质阻挡放电激励器放电特性与气动特性对比

当TCDBD的放电细丝只产生在高压和地电极之间时, 放电相当于CDBD[17]. 当第三电极接地或者直流高压时, 放电则发生在高压电极和第三电极之间, 类似于SDBD. 为了进一步研究TCDBD， CDBD与SDBD的差别, 对这3种介质阻挡放电的电特性和诱导气流速度大小进行了对比实验. 3种激励器的高压电极和地电极之间的距离都为15 mm, 电极为长度、 宽度、 厚度分别为15 mm， 10 mm， 60 μm的铜箔. 介质板为厚度0.5 mm的石英玻璃片. TCDBD中第三电极与高压电极的距离为d1=1 mm, 宽度为d2=5 mm, 且为悬浮状态.

如图10所示, 实验中激励电压(峰峰值)为22 kV, 频率f为2 kHz. 在三者的放电图片中, SDBD产生的等离子体辐射亮度最强、 面积最大、 均匀性更好. 相比于CDBD, TCDBD的放电细丝分布密集, 等离子体辐射的亮度较强, 放电的均匀性较好.

(a) CDBD

(b) TCDBD

(c) SDBD

图11是3种介质阻挡放电的电压电流波形. 在一个电压周期内, CDBD， TCDBD和SDBD的放电电流为脉冲形式. 首先, 取5个电压周期内且幅值大于15 mA的平均正脉冲个数, 发现以上三者的电流脉冲个数依次是4， 6和12. 其次, CDBD和TCDBD的放电电流出现在电压波形的正负半周期, 具有较好的对称性. 但SDBD的电流脉冲集中出现在电压波形的正半周期, 具有显著的非对称性, 该非对称性与空间/表面电荷分布相关[18]. 另外, CDBD、 TCDBD和SDBD的电流脉冲幅值分别是38， 53和60 mA, 而脉冲宽度都为30 ns. 最后, 用Pitot管测试了3种激励器诱导气流速度, 发现诱导气流速度依次为0， 1.76和3.4 m/s.

(a) CDBD (b) TCDBD (c) SDBD图11 3种不同介质阻挡放电电压电流图 Fig. 11 Voltage and current diagrams of three different dielectric barrier discharges

除了使用Pitot管外, 还利用火焰长度L和相对于竖直方向的偏转角度α来直观比较3种激励器的气动特性, 如图12所示. 当3种激励器都没有发生放电时, 火焰偏转角α=0°, 长度L=32 mm. 当激励电压由0升到25 kV时, CDBD的α和L基本没有变化; TCDBD 的偏转角α从0°增加到了17°,L由32 mm减短至25 mm; SDBD的α由0°增加到了30°,L由32 mm减少到了13 mm. 可见在相同激励电压下, 三者对气动特性的影响大小依次为SDBD， TCDBD和CDBD激励器.

3 讨论

本文基于CDBD的电极结构, 引入了悬浮的第三电极, 提出了三电极共面介质阻挡放电(TCDBD)激励器. 在同等条件下与CBDB相比, 该放电的细丝分布密集, 等离子体辐射的亮度较强、 放电的均匀性较好、 放电电流脉冲数多且电流峰值更大. 主要原因是在外部电场作用下, 引入的悬浮电极处产生了一个电场密集区, 加强了悬浮电极与地电极间的电场, 更容易使空气放电, 产生亮度更强和均匀度更好的等离子体.

图12 3种介质阻挡放电激励器在不同激励电压下的诱导气流速率比较Fig. 12 Comparison of airflow velocity induced by three dielectric barrier discharge actuators under different excitation voltages

电极间距是影响激励器放电特性和气动特性的重要参数之一. 对于TCDBD, 诱导气流速度随着d1增加而减小,d1=0 mm时气流速度达到最大 2.4 m/s. 车学科等[19]仿真发现SDBD在放电过程中可能存在非线性作用, 减小电极间隙能够提高流动控制的效果, 间隙的最佳值是0 mm, 结果与TCDBD相似. 但Forte等[10]通过实验得到SDBD的最佳间距为5 mm. TCDBD中, 当d1增大后, 第三电极与高压电极之间的电场强度减小, 从而使得带电粒子在电场的驱动下获得的动能减少, 进而降低了与中性气体分子碰撞传递的动量, 导致诱导出的气流速度也下降.

TCDBD中激励器诱导出的气流速度不随悬浮电极的宽度变化而发生改变. 然而, 赵小虎等[20]发现增大地电极宽度可以让SDBD产生更大的体积力. 姜慧等[21]还发现电极宽度对放电电流和等离子体的发光强度影响不大, 但电极宽度越大, 放电丝分布越不均匀, 与本文结果类似. 原因可能如下: 当d2增大时, 虽然TCDBD的单个放电细丝中粒子间传递动量增加, 但是放电区域面积减小、 带电粒子密度降低, 使得激励器的诱导气流速度基本不变. 当第三电极接地时, TCDBD的地电极和第三电极的电位相同, 第三电极和高压电极之间的距离是介质板的厚度, 小于地电极和高压电极之间的距离. 因此, 在相同的激励电压下, 激励器中第三电极和高压电极之间容易发生表面介质阻挡放电(SDBD). 当第三电极接直流高压时, 在直流电源系统中, 高压端起到了类似接地作用, 即同样形成了SDBD.

在诱导气流速度方面, TCDBD诱导出气流速度(最大为2.4 m/s)小于SDBD, 而CDBD诱导的气流速度几乎为零. 这可能是在介质板下表面的悬浮电极、 介质板以及介质板上表面的地电极, 组成了类似SDBD结构. 在外部电场作用下, 悬浮电极和地电极之间空气电离, 产生的带电粒子发生定向运动并碰撞空气分子, 诱导出了气流. 但在相同的电压激励下, 与SDBD 相比, 悬浮电极处的电场强度要小于SDBD的高压电极处的电场强度, 因此即使在相同的电极间距下, TCDBD中悬浮电极和地电极之间电场要小于SDBD中高压电极和地电极之间电场, 导致了TCDBD产生的等离子体数量和诱导出的气流强度要小于SDBD.

4 结论

本文研究了TCDBD激励器的放电特性与诱导气流性能, 并与CDBD、 SDBD激励器进行对比实验, 得出以下结论:

(1)随着激励电压的升高, TCDBD先在高压电极和地电极之间发生共面放电, 当电压升高到一定值时, 丝状放电延伸到了第三电极处, 而且放电细丝的密度、 辐射亮度和面积增加, 放电的均匀性变好. 激励电压的提高会使放电电流脉冲数增多, 但电流脉冲幅值基本不变.

(2)随着d1的变大, TCDBD放电面积和发光亮度下降, 诱导的气流速度越来越小, 直至为零, 诱导出的气流速度最大为2.4 m/s. 当d2变大时, TCDBD单个细丝发光亮度增强, 但细丝数目明显减少, 放电均匀性变得越来越差. 诱导出的气流速率不变, 保持在1.5 m/s左右. 当第三电极加载直流电压或者接地时, TCDBD放电的形式变成了沿面介质阻挡放电(SDBD).

(3)通过比较3种介质阻挡激励器特性, 发现在相同的激励电压下, SDBD的放电细丝最密集, 等离子体发光亮度最强, 放电的均匀性最好. SBDB的电流脉冲数和峰值都大于TCDBD和CDBD. 在诱导气流速度方面, SDBD激励器诱导的气流速度大于TCDBD, 而CDBD诱导的气流速度几乎为零.

致谢本研究获得国家自然科学基金(51977110)、 中央高校基本科研业务费(NT2020007)资助项目资助.