纳秒脉冲叠加直流表面介质阻挡放电及激励器技术研究

Plasma aerodynamic excitation based on surface dielectric discharge is a new concept for active flow control technology, which can significantly improve the aircraft aerodynamic characteristics. It has become a leading-edgy hot spot of interdisciplines between plasma technology application and aerodynamics research. The project proposes a multi-electrode structure drien by DC superimposed nanosecond pulse-repetition-rate voltage. The discharge characteristics are studied under environmental multi-parameter condition of the humidity, temperature and pressure. The plasma generation, inhibition of the discharge instability and the induce flow basic rules and techniques are investigated. The project aims at the control method of DC superimposed nanosecond pulse generation plasma, the aerodynamic excitation energy conversion mechanism, and the improvement energy efficiency of plasma aerodynamic excitation. The multi-parameter measurement including electrical, optical diagnostic, and gas-flow parameters are used, and numerical simulation of DC superimposed nanosecond multi-electrode actuator are also used for aerodynamic plasma actuator mechanism. Therefore, some new methodes on stable discharge and enhanced plasma energy efficiency can be obtained from the proposed project.The research project can be expected to improve the aerodynamic excitation energy of the plasma conversion, plasma-induced air flow to enhance the ability to promote plasma technology in fluid control, high-speed flight, and other fields.

基于介质表面放电等离子体的气动激励是一种新概念主动流动控制技术，可显著改善飞行器/动力装置的气动特性，已成为等离子体应用技术和空气动力学等交叉领域的研究前沿热点。本项目瞄准提高等离子体气动激励能量利用效率，采用多电极结构，利用纳秒脉冲叠加直流产生等离子体，并研究在湿度、温度及气压等多环境参数条件下的放电特性，总结等离子体产生、抑制放电不稳定性及诱导流动的基本规律和技术，分析纳秒脉冲叠加直流产生等离子体的调控方法，探索气动激励的能量转换机制，提高等离子体气动激励的能量利用率，采用电学参数测量、等离子体光学诊断及气动力学流场等多参数测试手段，结合仿真计算研究直流叠加纳秒激励下多电极的等离子体气动激励器的机理，获得稳定表面介质阻挡放电和增强能量利用效率的新方法。本项目的研究期望为提高等离子体气动激励的能量转化率，增强等离子体诱导能力，推进等离子体技术在流体控制、高速飞行等领域的应用。

针对典型的等离子体表面介质阻挡放电激励器等离子体区域小，诱导气流速度低的问题，在基金委资助下，本项目开展纳秒脉冲叠加直流表面介质阻挡放电及激励器技术研究。通过设计三电极结构表面介质阻挡放电激励器并优化电源参数，获得了脉冲分量、直流分量、电压差值、脉冲上升沿和脉冲宽度等参数对激励器放电特性和流场特性的影响规律。并获得了温度及气压等多环境参数条件下的放电特性。进一步分析了纳秒脉冲等离子体激励器冲击波和旋涡的产生机制和时空演化规律，揭示了直流叠加纳秒激励下三电极的等离子体气动激励器的机理。主要研究结果表明，纳秒脉冲叠加直流表面放电发生存在一个最小电压差值阀值，其中电压脉冲分量所占比例越大，功率和能量损耗越大。第三电极施加负极性直流电压更有利于获得大面积等离子体进行主动流动控制，增大等离子体的影响区域及效果。更为重要的是三电极结构激励器放电可产生两个同步发展的冲击波，这主要由脉冲侧电极、直流侧电极放电时各自引起的局部温度升和压力升所形成。实验发现负极性直流电压幅值越大，诱导的第二个冲击波速度越高、强度越大，且维持在超音速阶段的时间越长。由于受热膨胀，介质表面上方区域的气流不断向下卷吸并在介质层的阻挡作用下逐渐改变卷吸方向，而且由于冲击波的存在，气流卷吸过程受到的阻力减小，最终形成旋涡。旋涡随着脉冲上升沿的增加而发展增快，这是因为短上升沿的纳秒脉冲激励的表面介质阻挡放电具有产生高能电子的优势。四年内在PSST,POP,TDEI，TPS等期刊发表SCI论文9篇，在中国电机工程学报，电工技术学报等期刊发表EI论文4篇。申请发明专利1项，授权发明专利2项。做国际国内学术会议报告5次，培养硕士生2名。获得 2018年北京市科技进步三等奖。通过本项目的实施，掌握了等离子体激励器设计指导原则，揭示了纳秒脉冲放电等离子体流动控制机理，为等离子体流动控制的应用提供了重要的技术支撑。