等离子体激励器表面电荷沉积机理与激励器优化设计

Dielectric barrier discharge plasma actuator has powerful prospective applications in flow separation control, lift augmentation and drag reduction, and aeroacoustic noise suppression, etc. To breakthrough the bottleneck of velocity the actuator induces, and master the rule that the plasma actuator stimulates flows under different ambient pressures, especially in the environments of high altitude and low pressures, it is necessary to perform an intensive investigation into the physical mechanisms by which the plasma actuation works. In actuator discharging, the charges on the dielectric surface and the electron density distribution in discharge space are key problems associated with the plasma actuation mechanisms. The present program is to study the electron accumulation on the dielectric surface through the relation between the onset voltage of the discharge and the charges on the dielectric surface, and investigate the tempo-space distribution of the electron by detecting the optical emission spectroscopy of argon, the tracing gas, thus set up a circuit model of the plasma actuator which can accurately reflect the evolution of the discharging process. Based on the above-mentioned mechanisms, the project will propose a program for the optimization of the geometric and physical parameters of the plasma actuator within 0.2 -1.0 atm, and conduct the validation experiments inside a vessel. The accumulation rule of charges on the plasma actuator surface will be revealed through this research work in the present project, and then the design optimization of the actuator within wide-range atmospheric pressures can be realized.

基于介质阻挡放电的等离子体激励器在控制流动分离，增升减阻，抑制气动噪声等方面具有极好的应用前景。为了突破激励器诱导流动的速度瓶颈，掌握不同气压条件特别是高空低气压环境下等离子体激励的规律，有必要对等离子体激励的物理机理进行深入研究。激励器放电中介质表面电荷沉积与放电空间中电子时空分布是有关等离子体激励机理的关键问题。本项目拟通过放电起始电压与介质表面电荷的关系来研究表面电荷沉积机理，并通过发射光谱研究电子的时空分布，从而建立能够准确反映等离子体激励器放电发展的电路模型，电路模型可用于指导激励器优化设计。在上述激励器流动机理研究的基础上，提出宽气压范围内（0.2-1.0 atm）等离子体激励器的几何与物性参数的优化方案，并进行实验验证。通过本项目的研究将能够掌握等离子体激励器表面电荷的沉积规律，从而实现宽气压范围内激励器的优化设计。

流动控制在航空工业领域得到了广泛应用，与传统流动控制技术相比，等离子体流动控制技术具有无需运动部件、不改变原有气动外形、重量轻、能耗低、响应快、频带宽、可控性好等优点。然而，应用等离子体流动控制技术遇到诱导速度瓶颈问题，因此本项目的主要研究目标就是通过深入研究等离子体激励流动的物理机理，找到影响激励器性能的关键物理参数及其演化规律，从根本上提升激励器性能。.搭建了宽气压范围内等离子体激励器实验平台，平台包括实验真空腔体系统、放电装置系统和实验诊断系统。基于该实验平台，通过对激励器介质表面电荷与放电空间电子时空分布的诊断，研究等离子体激励器诱导流动速度的物理机制。对典型激励器放电的电流-电压特性研究，提出了电荷沉积构成的虚拟电极模型，揭示了电荷沉积对激励器起始放电电压的影响规律。.构建了能够准确反映激励器放电过程的电路模型，模拟并计算电路的放电过程，准确地评估激励器工作效率，为激励器优化设计提供依据。通过测量并分析激励器介质特性、电极构型对表面电荷与电子密度的影响，设计出一种锯齿状的激励器电极几何构型，在宽气压范围内（0.2-1.0 atm）具有良好的工作效率。针对翼型大迎角失速流动控制进行风洞试验验证，激励器优化设计达到了很好的流动控制效果，平均延迟失速迎角达到2~3°，在失速流动状态的升力提升平均达到56%~62%。