沿面介质阻挡放电等离子体中表面电场特性研究

Surface dielectric barrier discharge (SDBD) plasma actuator is a common kind of low temperature plasma generated along the dielectric surface in the ambient air. The charged particles in the SDBD plasma can be accelerated by the surface electrical field. Thus, the plasma actuator imparts an electro-hydro-dynamic (EHD) body force on the ambient air inducing a tangential flow acceleration, or so-called ionic wind, through collisions between drifting ions and ambient neutral molecules making it possible for the applications such as airflow control and the near-space air-breathing electric propulsion system. The SDBD plasma actuator has been receiving overwhelming attention in the recent decades but the EHD performance is still not sufficient for the practical applications. Investigating the surface electric field can be helpful to further understanding the mechanism of the EHD effect and guiding the optimization of the plasma actuator. Recently, the studying on the electric field property of the SDBD plasma actuator is becoming a focal point in the world. This project will based on the experimental study, develop a new kind of surface potential probe and systematically investigate the relationship between the SDBD plasma surface electric field property and the plasma evolution and its EHD performance to further reveal the underneath mechanism of the EHD effect and optimize the actuator, making efforts and explore for the early realization of the practical application.

沿面介质阻挡放电（SDBD）是一种可以在大气开放环境中沿介质表面产生低温等离子体的常见放电形式。SDBD等离子体中带电粒子可以在表面电场作用下加速获得能量，并通过与气体分子的碰撞进行动量传递，即电流体力效应（EHD），产生离子风，使激励器在流动控制以及临近空间空气工质电推进方面表现出广泛的应用前景，成为了今年来的研究热点。然而目前SDBD等离子体激励器EHD性能较低，不能满足实际工程应用。对SDBD等离子体中表面电场特性进行深入研究有利于进一步理解EHD产生的机理，并对针对性的优化指出方向。目前国际上对SDBD等离子体在表面电场特性的研究正受到越来越高的重视。本项目将以实验研究为主，发展一种新型表面电势探针，系统地研究SDBD等离子体激励器表面电场特性与等离子体演化过程以及EHD特性之间的关系，进一步发掘激励器工作机理，并提出优化方案，为实现SDBD等离子体激励器的实用化作出努力与探索。

沿面介质阻挡放电（SDBD）激励器可以通过电流体动力（EHD）效应诱导产生离子风，而且具有结构简单无运动部件、易于贴附复杂曲面而不改变原有气动外形、功耗低、响应快等优点，在流动控制方面有潜在的应用前景。SDBD激励器中由介质板表面电荷分布产生的表面电场是EHD效应的重要因素，研究表明电荷的分布及演化特性对于放电机理的深层研究及激励器的改进具有重要意义。本项目发展了多种方法对SDBD中表面电荷分布特性进行了实验研究，并提出了一种放电增强方案。（1）完善了自研电晕放电表面电势探针诊断技术，并测量了不同宽度电极结构的激励器在不同直流偏压下的表面电势分布，首次在实验上发现了负直流偏压下，暴露电极边缘出现了正电荷积累的现象。这一现象与模拟计算得出的阴极层结构相对应，提供了一种研究阴极层结构的实验方法。（2）发展了电极分区电容耦合V-dot探针技术，并利用风洞研究了不同流场条件下单周期表面电荷转移密度分布特性，发现气流会使表面电荷转移量的中心位置向下游移动。（3）发展了利用BSO晶体光偏振法SDBD表面电荷分布可视化的技术，研究了单周期内的表面电荷分布演化规律。首次发现正电荷轨迹的前缘部位会有一定的负电荷积累，这表明SDBD类辉光放电阶段在电压较高时会出现三维放电形态，放电通道可能在离开介质表面一定高度的空中跨过正电荷积累区域，到达放电区域的最前端。这可能是出现EHD性能电压饱和的主要原因。（4）发展了一种射频增强型SDBD放电装置，初步研究了MHz/kHz双频SDBD放电特性，发现在特定放电模式下会有明显的气流扰动效果，在流动控制方面表现出可观的应用前景。