阅读说明：本技术 一种提升环形电极激励器射流强度的装置及其工作方法 (Device for improving jet intensity of annular electrode exciter and working method thereof ) 是由 张小兵 李晋峰 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提升环形电极激励器射流强度的装置及其工作方法,装置包括介质阻挡放电激励器、等离子体合成射流激励器、绝缘介质和高压电源,介质阻挡放电激励器包括环形高压电极和环形接地电极,等离子体合成射流激励器包括激励器腔体、第一电极和第二电极,绝缘介质的上下表面之间具有一通孔,环形高压电极位于绝缘介质的上表面上,环形接地电极位于绝缘介质内,第一电极和第二电极分别伸入所述激励器腔体内。本发明的环形介质阻挡放电激励器可产生亚音速射流,等离子体合成射流激励器可产生超音速射流,两种激励器协调使用,可实现三种工作模式,从而对多种速度状态下的飞行器进行流动控制,使用灵活,适用范围广。(The invention discloses a device for improving jet intensity of a ring electrode exciter and a working method thereof, the device comprises a dielectric barrier discharge exciter, a plasma synthetic jet exciter, an insulating medium and a high-voltage power supply, wherein the dielectric barrier discharge exciter comprises a ring high-voltage electrode and a ring grounding electrode, the plasma synthetic jet exciter comprises an exciter cavity, a first electrode and a second electrode, a through hole is formed between the upper surface and the lower surface of the insulating medium, the ring high-voltage electrode is positioned on the upper surface of the insulating medium, the ring grounding electrode is positioned in the insulating medium, and the first electrode and the second electrode respectively extend into the exciter cavity. The annular dielectric barrier discharge exciter can generate subsonic jet flow, the plasma synthetic jet flow exciter can generate supersonic jet flow, the two exciters are used cooperatively, and three working modes can be realized, so that the flow of the aircraft in various speed states is controlled, the use is flexible, and the application range is wide.)

一种提升环形电极激励器射流强度的装置及其工作方法

技术领域

本发明属于流体控制领域，具体涉及一种提升环形电极激励器射流强度的装置及其工作方法。

背景技术

对飞行器外部流场的控制具有很重要的实际应用价值，高效的流动控制系统不仅能够显著的提高飞行器的工作性能，而且能够节省大量的燃料消耗。这使得流动控制技术成为流体力学研究的前沿和热点。在流动控制中，等离子体控制作为主动流动控制的一种方法，具有无运动部件、结构简单、工作频带宽和响应速度快等优势而受到世界各国研究机构的广泛关注。尤其是介质阻挡放电激励器和等离子体合成射流激励器，他们分别适用于低速飞行器和超音速飞行器的主动流动控制。介质阻挡放电激励器由表面裸露电极、掩埋电极和中间绝缘介质构成。Santhanakrishnan设计的一种环形电极介质阻挡放电激励器，上表面环形电极接通高压脉冲电源的高压输出端，下表面环形电极接通脉冲电源的接地端，当电极两端的电压超过击穿电压时，电极附近的空气被击穿电离形成等离子体，等离子体中的带电粒子通过与中性气体分子碰撞，诱导近壁面气体的宏观加速，形成近壁面气体射流，在飞行器的工作过程中起到流动控制的作用。

然而由于工作原理的限制，导致介质阻挡放电激励器的诱导射流速度不高(小于30m/s)，远远达不到对高速飞行器表面流场起到控制作用的射流速度。为了获得大面积低能耗、高密度的适合高速飞行器流动控制的等离子体射流，国内外主要围绕激励器结构参数、绝缘介质、电极材料及形状开展了大量的研究工作。总结提高射流速度的方法主要有以下几点：一是优化激励器结构；二是采用三电极介质阻挡放电激励器提高射流速度；三是利用双电源供电模式产生表面滑闪放电，既有利于大面积等离子体的产生，又可以提高射流速度及推力。但现有环形电极介质阻挡放电激励器仍然存在射流强度低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升环形电极激励器射流强度的装置及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种提升环形电极激励器射流强度的装置，包括介质阻挡放电激励器、等离子体合成射流激励器、绝缘介质和高压电源，所述介质阻挡放电激励器包括环形高压电极和环形接地电极，所述等离子体合成射流激励器包括激励器腔体、第一电极和第二电极，所述绝缘介质的上下表面之间具有一通孔，所述环形高压电极位于所述绝缘介质的上表面上，所述环形接地电极位于所述绝缘介质内，所述通孔的中心轴线穿过环形高压电极和环形接地电极的中心孔，所述激励器腔体与绝缘介质的下表面连接，所述通孔与所述激励器腔体连通，所述第一电极和第二电极分别伸入所述激励器腔体内，所述高压电源为介质阻挡放电激励器和等离子体合成射流激励器供电。

一种提升环形电极激励器射流强度的装置，包括介质阻挡放电激励器、等离子体合成射流激励器、绝缘介质和高压电源，所述介质阻挡放电激励器包括环形高压电极和环形接地电极，所述等离子体合成射流激励器包括第一电极和第二电极，所述绝缘介质的上下表面之间被连通的第一孔和第二孔贯穿，所述环形高压电极位于所述绝缘介质的上表面上，所述环形接地电极位于所述绝缘介质内，所述第一孔穿过环形接地电极的中心孔，所述第一孔的中心轴线穿过环形高压电极的中心孔，所述第二孔的内部腔体形成激励器腔体，所述第一电极和第二电极分别自绝缘介质伸入所述激励器腔体内，所述高压电源为介质阻挡放电激励器和等离子体合成射流激励器供电。

进一步地，所述通孔或第一孔的中心轴线与环形高压电极和环形接地电极的中心轴线重合。

进一步地，所述环形高压电极和环形接地电极平行放置。

进一步地，所述环形接地电极的外直径等于环形高压电极的内直径。

进一步地，所述绝缘介质和/或激励器腔体的材料为聚四氟乙烯、陶瓷或者氮化硼。

进一步地，所述环形高压电极、环形接地电极、第一电极和第二电极的材料为铜或钨。

进一步地，所述绝缘介质为圆柱形，底面直径30mm、高度10mm，所述环形接地电极的内直径2mm、外直径10mm，所述环形高压电极的内直径10mm、外直径25mm，所述绝缘介质的通孔或第一孔的孔径1mm，所述激励器腔体的直径4mm、高度5mm，第一电极和第二电极的直径0.5mm、间距1mm。

根据上述所述的提升环形电极激励器射流强度的装置的工作方法，所述装置用于飞行器的流动控制，所述工作方法包括三种模式：

第一模式：当飞行器处于亚音速飞行时，介质阻挡放电激励器工作，等离子体合成射流激励器关闭，介质阻挡放电激励器工作产生的低速射流即可起到控制作用；

第二模式：当飞行器处于跨音速飞行时，介质阻挡放电激励器关闭，等离子体合成射流激励器工作，等离子体合成射流激励器工作所产生的高速射流即可满足流动控制的需求；

第三模式：当飞行器处于超音速或高超声速飞行时，介质阻挡放电激励器和等离子体合成射流激励器同时工作以实现对飞行器外部流场流动控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明无运动部件，响应速度快，工作频带宽，可靠性高；

(2)本装置结构简单，可嵌于飞行器表面，所占空间位置小，可用于各种飞行速度的飞行器，介质阻挡放电激励器所产生的射流速度可用于低速飞行器的流动控制，等离子体合成射流激励器所产生的速度可达300m/s以上，可用于高速飞行器的流动控制，两种激励器共同使用，可用于高超声速飞行器的流动控制，使用灵活，适用范围广；

(3)无需气源供应，气体来源于外界空气，在压力差的作用下气体可自动回填，两种等离子体激励器所产生的射流均属于零质量通量射流；

(4)通过电路设计可以使得介质阻挡放电激励器与等离子体合成射流激励器共用一个电源，从而能够更好的对这两种激励器进行协调控制，使得这两者的射流产生过程同步。

附图说明

图1为本发明提升环形电极激励器射流强度的装置第一实施例结构示意图。

图2为本发明提升环形电极激励器射流强度的装置第二实施例结构示意图。

图3为本发明提高环形电极介质阻挡放电激励器射流强度装置的轴测图。

图4为本发明提高环形电极介质阻挡放电激励器射流强度装置的俯视图。

图5为本发明提高环形电极介质阻挡放电激励器射流强度装置的侧视图。

图6为实现两种激励器协同作用的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

实施例1

结合图1，一种提升环形电极激励器射流强度的装置，包括介质阻挡放电激励器、等离子体合成射流激励器、绝缘介质1和高压电源，所述介质阻挡放电激励器包括环形高压电极3和环形接地电极4，所述等离子体合成射流激励器包括激励器腔体2、第一电极5和第二电极6，所述绝缘介质1的上下表面之间具有一通孔，所述环形高压电极3位于所述绝缘介质1的上表面上，所述环形接地电极4位于所述绝缘介质1内，嵌入绝缘介质1内部的环形接地电极4的内径应大于通孔直径，确保环形接地电极4不暴露于空气当中，所述通孔的中心轴线穿过环形高压电极3和环形接地电极4的中心孔，所述激励器腔体2与绝缘介质1的下表面连接，所述通孔与所述激励器腔体2连通，所述第一电极5和第二电极6分别伸入所述激励器腔体2内，所述高压电源为介质阻挡放电激励器和等离子体合成射流激励器供电。

实施例2

结合图2-5，一种提升环形电极激励器射流强度的装置，包括介质阻挡放电激励器、等离子体合成射流激励器、绝缘介质1和高压电源，所述介质阻挡放电激励器包括环形高压电极3和环形接地电极4，所述等离子体合成射流激励器包括第一电极5和第二电极6，所述绝缘介质1的上下表面之间被连通的第一孔和第二孔贯穿，所述环形高压电极3位于所述绝缘介质1的上表面上，所述环形接地电极4位于所述绝缘介质1内，嵌入绝缘介质1内部的环形接地电极4的内径应大于第一孔直径，确保环形接地电极4不暴露于空气当中，所述第一孔穿过环形接地电极4的中心孔，所述第一孔的中心轴线穿过环形高压电极3的中心孔，所述第二孔的内部腔体形成激励器腔体2，所述第一电极5和第二电极6分别自绝缘介质1伸入所述激励器腔体2内，所述高压电源为介质阻挡放电激励器和等离子体合成射流激励器供电。

进一步地，所述通孔或第一孔的中心轴线与环形高压电极3和环形接地电极4的中心轴线重合。

进一步地，所述环形高压电极3和环形接地电极4平行放置。

进一步地，所述环形接地电极4的外直径等于环形高压电极3的内直径。

进一步地，所述绝缘介质1和/或激励器腔体2的材料为聚四氟乙烯、陶瓷或者氮化硼。

进一步地，所述环形高压电极3、环形接地电极4、第一电极5和第二电极6的材料为铜或钨。

进一步地，所述绝缘介质1为圆柱形，底面直径30mm、高度10mm，所述环形接地电极4的内直径2mm、外直径10mm，所述环形高压电极3的内直径10mm、外直径25mm，所述绝缘介质1的通孔或第一孔的孔径1mm，所述激励器腔体2的直径4mm、高度5mm，第一电极5和第二电极6的直径0.5mm、间距1mm。

高压电源为介质阻挡放电激励器和等离子体合成射流激励器供电，环形高压电极3和环形接地电极4之间电压达到击穿电压时，在绝缘介质1表面产生等离子体，等离子体可以诱导电极环周围流体向垂直于绝缘介质1表面方向流动，同时产生与诱导方向相反的推力。第一电极5和第二电极6之间的电压达到击穿电压时，在激励器腔体2内产生高温高压的等离子体，在内外压力差的作用下，腔内气体快速喷出，形成垂直于绝缘介质1表面的高速射流，与介质阻挡放电激励器所产生的射流共同作用于飞行器。

为实现对环形高压电极3和环形接地电极4以及第一电极5和第二电极6同步供电，为高压电源设计了一套电路图，如图6所示，通过控制IGBT晶体管的开关来调节整体的放电频率。同时在各个支路上的开关可以控制介质阻挡放电激励器或者等离子体合成射流激励器单独作用。其中等离子体合成射流激励器是通过电容性放电来实现的。

具体来说，直流电源E和IGBT开关相连，通过对IGBT开关的控制将直流电源转换成交流电，再通过变压器M将低压脉冲电源转换成高压脉冲电源，给环形高压电极3和环形接地电极4以及腔体内的第一电极5和第二电极6供电。因此，直流电源E、IGBT开关和变压器M共同构成了高压脉冲电源。其次，对右边的电路继续进行说明。高压脉冲电源与两个支路并联。这两个支路分别是介质阻挡放电激励器以及等离子体合成射流激励器。在介质阻挡放电激励器所在的支路中，环形高压电极3和环形接地电极4组成的电极环DBD、电阻R2和开关S3串联在一起，电阻R2主要起到保护电路和调整电压大小的目的。同样的，在等离子体合成射流激励器所在的支路中，也存在电阻R1，电容C以及等离子体合成射流激励器A。其中电容C和激励器A并联，然后与电阻R1串联。电容C主要是为激励器储存放电的能量而设计的，电阻R1是为了保护电路以及调整电压大小。在这两个支路中分别有一个开关，用来控制它们的工作状态，从而实现三种工作模式。这三种工作模式分别是：第一模式介质阻挡放电激励器工作模式(S3闭合，S2断开)、第二模式等离子体合成射流激励器放电模式(S3断开，S2闭合)以及第三模式射流增强模式(S3闭合，S2闭合)。

第一模式：当飞行器处于亚音速飞行时，介质阻挡放电激励器工作，等离子体合成射流激励器关闭，介质阻挡放电激励器工作产生的低速射流即可起到控制作用；

第二模式：当飞行器处于跨音速飞行时，介质阻挡放电激励器关闭，等离子体合成射流激励器工作，等离子体合成射流激励器工作所产生的高速射流即可满足流动控制的需求；

第三模式：当飞行器处于超音速或高超声速飞行时，介质阻挡放电激励器和等离子体合成射流激励器同时工作以实现对飞行器外部流场流动控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。