等离子体流动控制
等离子体控制边界层流动仿真研究
等离 子体 微 放 电 时 间为 几 个 ｎ ， 流 体 对 等 离 ｓ而 子体 激励 器的 响应 时间 为 ０ ０ ｓ 可 以假 设 等离 子 体 ． １，
的形 成和 电荷 的重 新排 列过程 是 瞬间 的 ， 略外部 电 忽
很大 差别 ， 合计 算 成本 高 ， 耦 目前 的 Ｄ Ｄ 仿 真 研 Ｂ ｓ 究分 属 两个不 同的领域 ， 或者 关 注放 电过 程ｌ 主要 ＿ 】 ， 通 过求解 漂 移一 扩散 方程研 究 Ｄ Ｄｓ 励 器 各种 工 作 Ｂ 激
ｃ ａｇ — Ｂ ） ｈ ｒ ｅＤ Ｄｓ 是一种 重 要 的大气 压放 电形 式 ， 以作 可
为 一 个 电 流 体 力 学 激 励 器 用 于 控 制 内外 流 动 。Ｄ Ｄ Ｂ ｓ 激 励 器 的 两 个 电 极 均 设 置 在 物 体 表 面 ， 载 适 当 电压 加
ｌ Ｄ Ｄｓ 动 控 制 计 算 模 型 Ｂ 流
中 图 分 类 号 ： １ ． Ｖ２ １ ３ 文献标识码 ： Ａ
流 动控 制计算 ， 降低 成本 的 同时实 现 Ｄ Ｄ 等 离 子 在 Ｂ ｓ Ｕ 引 舌 体放 电过程 与流 动控制 一体 化计 算 。
介 质 阻 隔 面 放 电 （ ｕ ｆｃ ｉｌｃｒ ａｒ ｒＤｉ Ｓ ｒ ｅＤ ｅｅｔｉ Ｂ ｒｉ ｓ ａ ｃ ｅ —
Ｆｉ．１ Ｓ ｔｈ ｍ ａ ｆＤＢＤ ｕ ｆ ｃ ｓ ｈａ ｇ ’ ｌｃ ｒ ｄｅ ｇ ｋｅｃ ｐ ｏ ｓ ｒ ａ ｅ ｄｉ 为对 象 ， 采用 数值 计算 方法 对
Ｄ Ｄ 等 离子 体 控 制 边 界 层 流 动 过 程 进 行 研 究 。 由 Ｂ ｓ 于 放 电过 程 和 流 动 过 程 在 物 理 尺 度 、 间 尺 度 上 存 在 时
究还 比较 少 。本文 首先 耦合 求 解 泊松 方 程 和漂 移一 扩 散方 程 ， 算 Ｄ Ｄ 放 电过 程 中 电子和 正离 子数 密 度 计 Ｂ ｓ 的发 展变 化 ， 合 电场 分布 得到 时 间平 均 离子 静 电场 结 力， 然后将 该 静 电场力 作为 流动 控制 方程 的源 项进 行
基于等离子体激励器简化模型的流动分离控制
Ｓ ｓｎ和 Ｐ Ｇ． Ａ Ｇ 求 解 更 精 细 的 力 分 布 ， 析 ｕａ ． ＨＵ Ｎ 分 了此 等离 子激励 器 模 型用 于数值 模 拟 的流场 控 制 的作 用 。毛枚 良等 将离 子 密度作 为 一 个 常数 ， 过 求 算 通 电场 分 布得到 一 个 大 致体 积 力 分 布 ， 究 了辉 光 放 电 研 等 离 子体 对 于平板 附 面层 流动 的影 响 。 本 文 采用 数值 方 法 ， 究 等 离 子 体 激 励 对 于 翼 型 研
目度等型的５控 励在的０离 摘体前制施位 关极流控法对 的模位的流置 流器激大翼制 强；；型它迟 果减种动方度 键阻励效型及 动激缘对位流 分拟，作可于 。在有小动效 控的并果控 通离动于流 要励置制置动 词结前方； 的翼点，以 离子及用动 过器分研制 制果途要分 大型附Ｎ且 ：目研。有 ．影度法的 流的究此较 达做离究效 对体激Ａ激 的响有。 的 小表的优地 改上近Ｃ励 动简简控强 到。励Ａ延 等激 佳 效，好制 。明流于 变表加了 控是入１ 增励强实 离大化其 果，控 数面度 激化动 制一 升的主 子器模 值模 有强 大
在等 离子 体应 用于流 动 控制方 面 ， ｏ ＿２等 独立 Ｒｔ １ ｈ． 开 展 了介 质 阻挡 大 气压 下 辉 光 放 电的研 究 ， 气体 发 将 展 到空气 ， 将 此 装 置 应 用 到 流 动控 制方 面 。Ｐ ｓ 和 并 ｏｔ Ｃ ｒｅ ５开 展 了 等 离 子体 激 励 器 对 于翼 型 大攻 角分 ｏｋ －］
—
Ｄｓｈｒｅ— Ｂ 发 生 器— —相 邻 的 两 个 电极 用 薄 ｉ ａ ｃ ｇ Ｄ Ｄ）
大气压等离子体流动控制实验
大 气 压等 离子体 流动 控 制 实验
李应红 ， 吴 云 ， 宋 慧敏 ， 张 朴 ， 魏 沣亭
（ 空军工程大学 飞机推进系统军队重 点实验室 ，陕西 西 安 ７ ０ ３ ） １０ ８
摘 要： 进行 了大气压等离子体流动控制初步实验。在等离子体激励器表面产生 了大气压等离子 体， 验证 了不对称布局等离子体激励器诱导边界层加速的器并联 、 垂直布置的情况下， 不对称布局激励器表面边界层加速现象消失， 对
１ 实验设备
等离子体激励流动的实验设备包括高压高频电源、 等离子体激励器和示波器、 微压传感器等辅助实验设 备。研制了电压为 ０ ２ Ｖ连续可调 ， — ０ｋ 频率为２ Ｈ 一 ０ｋ ｚ ０ｋ ｚ ４ Ｈ 连续可调的高压高频 电源 ， 出波形为正弦 输 波。研制了 ２ 种布局方式的等离子体激励器 ， 一种是对称布局的激励器 ， 另一种是不对称布局的激励器 。激 励器的绝缘介质采用聚四氟 乙烯 ， 上下表面铺设钼镀镍电极 。示波器用于测试等离子体激励器的放电特性 ，
不对称布局的等离子体激励器表面产生电场梯度 ， 等离子体在该 电场梯度的作用下发生定 向运动 ， 运动 过程中等离子体中的带电粒子与中性本底空气发生强烈 的碰撞和动量传递 ， 诱导中性本 底气体定 向运动。
一
称布局激励器表面边界层发生 了旋涡运动； 验证 了等离子体激励抑制翼型失速分 离的有效性。 关键词 ： 航空、 航天推进系统； 大气压等离子体 ； 流动控制； 放电； 实验 中图分类号 ：Ｖ ３ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号： ０ — ５６ ２０ ）３ ０ ０ — ３ １ ９ ３ １ （０６ ０ — ０ １ ０ ０
器上的近壁边界层发生了旋涡运动 ； 验证了等离子体激励抑制翼型失速分离的有效性 。 美 国、 俄罗斯等国家的研究机构对大气压等离子体流动控制开展了大量 的实验研究工作 ， 在大气压等离 子体 的产生 、 边界层控制 、 （ ） 叶 翼 型减阻 、 涡控制 、 旋 激波 控制 和圆柱绕 流控制等方 面取 得了一定进展。 Ｒ ｔ 等利用大气压均匀辉光效电等离子体（ Ａ Ｇ Ｐ 的专利技术 ， ｏ ｈ Ｏ ＵＤ ） 开展 了边界层控制 、 紊流减阻 、 翼型大攻 角分离流重附等方面的研究 ；ｒ ｎ 等研究 了基于直流 电晕放电等离子体 的流动控制 ；ｏ ｅ Ａｔ ａ ａ Ｃ ｒ 等研制 了 ｋ 定相等离子体激励器 ， 开展了圆柱绕流控制 、 翼型大攻角分离流控制、 低压涡轮叶型分离流控制等方面的研 究 ；ｌ ｏ 等研究等离子体对绕流物体流线的影响 ；ｏ ａ 等研究 了等离子体激励对紊流边界层 的影 Ｋｉ ｖ ｍ Ｓｌ ｔ ｄｉ 响ｆ ， ｕ ｇ ｎ ９ Ｈ ｌｒ 等在模拟低压涡轮叶型的雷诺数和压力梯度环境下 ， 了等离子体激励控制边界层分离 的 ｔｅ Ｊ 进行
等离子体的物理特性及其在能源控制中的应用
等离子体的物理特性及其在能源控制中的应用等离子体是一种被高温激发而电离产生的状态，是物质存在的第四种状态，分子和原子之外的等离子体。
它由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成，其物理特性使之在能源控制中具有广泛的应用。
等离子体的物理特性主要包括高温、电磁性和等离子体流动性。
首先，等离子体的高温是其最本质的特性之一，它能够激活原子和分子内部的能级，使电子跳跃到较高的能量状态，形成高度电离的带电粒子。
其次，等离子体对电磁场具有响应性，当电场或磁场作用于等离子体中的离子和电子时，会发生移动和回旋，从而引发一系列电磁现象。
最后，等离子体由带电粒子组成，使得它具有流动性，可以传导电流和携带能量。
等离子体在能源控制中有着广泛的应用。
首先，等离子体技术被广泛应用于聚变能源研究领域。
聚变是模拟太阳能源释放过程的一种方式，通过将氢等离子体加热到极高温度和密度，使其发生核融合反应，释放出巨大的能量。
这种技术有望成为可持续的清洁能源，因为它只产生非常少量的有害废物，并且燃料源取自海水中丰富的氘和氚。
其次，等离子体技术在等离子体喷射和等离子体切割中得到应用。
等离子体喷射是利用高温等离子体产生的气流来清洁材料表面，去除污垢和涂层。
这种喷射不仅能够高效清洁，还能够改善材料表面的粗糙度和附着力，使其在后续加工过程中具有更好的性能。
等离子体切割则是利用等离子体的高能量和流动性，将材料切割成所需的形状。
相比传统切割方法，等离子体切割速度更快，切割面更平整，能够应用于多种材料。
此外，等离子体技术在光电显示器件和太阳能电池中也有着重要的应用。
等离子体处理可以改善材料表面的电子能级分布和结晶性，提高材料的电子传导性和光吸收性能，从而提高光电器件的性能。
在光电显示器件中，等离子体处理可以改善显示屏的亮度、色彩和对比度。
而在太阳能电池中，等离子体处理能够提高光吸收层的能量转换效率，从而提高电池的光电转换效率和功率输出。
最后，等离子体技术还被应用于液体金属冷却堆等核能领域。
等离子体中的波动性与湍流现象
等离子体中的波动性与湍流现象在科学研究中，等离子体是一种被高温或高电压激发而形成的带正负电荷离子的气体状态。
它具有独特的物理性质，其中之一就是其强烈的波动性和湍流现象。
本文将深入讨论等离子体中的波动性和湍流现象，并探索它们对各个领域的应用。
1. 等离子体中的波动性波动是物质的振动传播过程。
在等离子体中，电子和离子通过电磁波进行相互作用，导致了各种波动现象的产生。
首先，等离子体中最常见的波动是等离子体波。
等离子体波分为长波和短波两种类型。
短波包括电子离子波、离子声波、电磁波等，它们在等离子体中传播的速度相对较快，可以远远超过声速。
长波包括阻尼波、色散波等，它们的传播速度相对较慢。
等离子体波是等离子体中常见的一种波动现象，它们在等离子体的研究和应用中起着重要的作用。
另外，等离子体中还存在等离子体流动波动。
这种波动是由于等离子体中的离子运动引起的，其特点是波长较长、频率较低。
它们不仅与等离子体运动有关，还与等离子体的密度、温度等因素密切相关。
等离子体流动波动在太阳等离子体和地球磁层等天体物理学研究中扮演着重要的角色。
通过对等离子体流动波动的研究，科学家们可以更好地理解宇宙中的复杂物理过程。
2. 等离子体中的湍流现象湍流是一种复杂的运动方式，其特点是流体中的速度和压力随时间和空间发生不规则变化。
在等离子体中也存在湍流现象，即等离子体湍流。
等离子体湍流在实验室等离子体物理研究中十分常见。
等离子体湍流的形成与等离子体中的各种波动相互作用有关。
等离子体湍流的研究对于等离子体物理以及等离子体应用领域的发展具有重要意义。
在核聚变领域，等离子体湍流会影响等离子体的稳定性和约束，因此研究如何控制等离子体湍流，提高聚变效率成为一项重要任务。
另外，在等离子体加速器和等离子体电子加热领域，湍流现象也需要被深入研究以提高加速器的效果和电子加热的效率。
3. 等离子体中波动性与湍流的应用等离子体中的波动性和湍流现象在各个领域都有着广泛的应用。
前体不对称涡占空循环等离子体流动控制机理研究
通信作 者简介 ： 蔡晋 生 （９ ２ ） 男 ， １６ 一 ， 教授 ， 博导 ， 究方向 ： 研 计算 流体力学以及 飞行器气 动布局设计 。Ｅｍａｌｃｉ ｈ ｌｐ ． ｄ ．ｎ — ｉ：ａ ｓ＠ｒ Ｕ ｅｕ ｏ 。 ｊ Ｗ
动 态压力 传感 器对 模 型 表 面 压 力分 布 进 行 测量 ， 进
流动控制在 不 同流 动控 制 中都有 显著 的效果 。基 于 Ｍｅｋ ｎ ｅ等 对于三角翼 的非定常 流动 的研 究 ， 一般 飞
制， 最终取代传统 的控 制 面。Ｂｒｈｒｔ ｅｎａｄ 等 利用 细长
前体顶点处 的气孑 进行 吹气控 制 ， Ｌ 对大攻 角下 的不对 称涡进行 了控制 ， 取得 了一定效 果。Ｈ ｎ 等 的风洞 ａｆ ｆ 试验 中， 通过安装 在 飞机模 型细长 前体 内的一 种复杂 的吹气装置 ， 也实现 了对侧力 的主动控制。Ｍ ｎ ｌ等在 ｉｇ ３ 实验 中利用位于模 型顶 端处的一根可变 角度的伸缩杆 对流动进行扰动 ， 用此来控制流动。但是这些控 制方式 都存在控制机构复杂 ， 自身重量大 ， 操作不便 的觇 。
摘
要
针对大迎 角状 态下， 流动绕过顶角为 ２ 。 ０ 的圆锥 一圆柱组合体模 型产 生的 一对 不对称分 离涡 ， 通过等 离子体激 励器
对 其 进 行 主 动 控 制 ， 对 控 制 过 程 机 理 进 行 了分 析 。 实 验在 实 验 段 为 ３０ｍ ×１６Ｉ 的 低 湍 流 风 洞 中进 行 ， 验 攻 角 是 ４ 。 并 ． ． ３ １ 实 ５。 基 于 圆锥 体 底 部 直 径 的 雷 诺 数 为 ５ ０ 。等 离 子 激 励 器 为 一 对 ， 别 位 于 实 验 模 型 顶部 左 右 两 侧 ， 过 频 率 为 １ ｚ的 占空 ００ ０ 分 通 ０Ｈ 循环调节 ， 交替 对 流 动产 生 扰 动 。 实 验 数据 表 明 ， 当带 有 占空 循 环 的激 励 作 用 时 ， 离 涡 的 变 化 成 周 期 性 趋 势 ， 在 两个 相 似 分 并
等离子体物理学中的电子加热与输运
等离子体物理学中的电子加热与输运等离子体物理学是研究等离子体的性质和行为的学科。
等离子体是由电离的气体或者是高温下的固体或液体中的电离粒子组成的。
在等离子体中，电子是主要的激发和传导能量的粒子。
因此，电子加热和输运是等离子体物理学中的重要课题。
电子加热是指通过外部能量源向等离子体中的电子注入能量，从而提高等离子体的温度。
在等离子体中，电子的能量主要通过碰撞传递给其他粒子，如离子和中性粒子。
电子加热可以通过不同的机制实现，包括电磁波加热、粒子束加热和电子束加热等。
电磁波加热是一种常用的电子加热方法。
通过向等离子体中输入高频电磁波，可以使电子在电场中受到加速，并且通过与其他粒子碰撞，将能量转移到其他粒子上。
这种加热方法可以通过调节电磁波的频率和功率来控制等离子体的温度。
在聚变等离子体物理学中，电磁波加热被广泛应用于控制等离子体的温度和密度。
粒子束加热是另一种常见的电子加热方法。
粒子束加热是通过将高能粒子注入等离子体中，使粒子与等离子体中的电子发生碰撞，从而将能量传递给电子和其他粒子。
粒子束加热可以通过调节粒子束的能量和注入速度来控制等离子体的温度。
这种加热方法在等离子体物理学中也有广泛的应用，特别是在等离子体诊断和聚变研究中。
电子束加热是一种高效的电子加热方法。
通过使用高能电子束，可以将能量直接传递给等离子体中的电子，从而实现快速加热。
电子束加热不仅可以提高等离子体的温度，还可以控制等离子体的密度和流动性。
这种加热方法在等离子体物理学中被广泛应用于等离子体诊断和聚变研究。
除了电子加热，电子输运也是等离子体物理学中的重要课题。
电子输运是指电子在等离子体中的运动和传输。
在等离子体中，电子的输运过程受到电磁场和粒子碰撞的影响。
电子输运的研究对于理解等离子体的性质和行为非常重要，特别是在等离子体诊断和聚变研究中。
电子加热和输运是等离子体物理学中的重要课题。
通过电子加热，可以提高等离子体的温度和密度，从而实现对等离子体的控制和操纵。
等离子体流动控制
等离子体流动控制等离子体流动控制是一项重要的科学研究领域，涉及到等离子体物理学、流体力学、控制理论等多个学科。
等离子体是一种带电粒子和中性粒子组成的高温、高电离状态的物质，广泛存在于自然界中的太阳、恒星和闪电等现象中，也可以通过人工的方法产生。
等离子体流动控制的研究旨在利用外部的力和能量来操控等离子体的流动，以达到调控等离子体性质和行为的目的。
等离子体流动控制的研究和应用有着广泛的领域，包括等离子体加速、等离子体推进、等离子体喷射、等离子体混合等方面。
其中，等离子体加速是指通过施加电场、磁场或电磁波等力来加速等离子体粒子，使其获得更高的动能。
这在核聚变实验中是一项关键的技术，通过控制等离子体流动，可以提高核聚变反应的效率，并减少能量损失。
等离子体推进技术是航天领域的热门研究方向之一。
通过控制等离子体的流动，可以产生推力，从而实现航天器的姿态调整、轨道修正和推进等任务。
相比传统的化学推进技术，等离子体推进技术具有推力大、比冲高、燃料效率高等优点，被认为是未来航天技术的重要发展方向。
等离子体流动控制还可以应用于等离子体喷射和等离子体混合等领域。
等离子体喷射是指通过控制等离子体的流动，使其喷射到目标物体上，从而实现材料表面的改性、涂层的制备等功能。
等离子体混合是指将两个或多个等离子体进行控制性的混合，从而实现化学反应、能量传递等目的。
在等离子体流动控制的研究中，常用的手段包括电磁场控制、热力学控制和流体力学控制等。
电磁场控制是通过施加外部的电场、磁场或电磁波等力来操控等离子体的运动和行为。
热力学控制是通过控制等离子体的温度、压力和浓度等参数来调节等离子体的性质和行为。
流体力学控制是通过改变等离子体的流动方式和流动速度等来实现对等离子体流动的控制。
为了实现等离子体流动控制，研究人员通常采用数值模拟、实验研究和理论分析等方法。
数值模拟是利用计算机对等离子体流动进行数值模拟和计算，以预测和优化等离子体流动的行为。
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DBD Plasma Actuator “Opportunities for Flow Control”
Thomas Corke
University of Notre Dame
Institute for Flow Physics and Control
Hessert Laboratory for Aerospace Research
Aerospace and Mechanical Engineering
Objective
“set the context in terms of applications and/or motivations for the continued exploration and/or development of DBD plasma actuators”
D. Smith, Feb. 4, 2010
Issues
What is behind the surge in interest of DBD flow control?
What are the properties of DBD plasma actuators that make it useful for flow control?
How do we marry these properties to flow control
applications?
What are the environmental sensitivities?
How good are predictive models?
Based on what we have learned, are there other applications of this technology?
Growing Interest
June 1, 2009:
AIAA Names Plasma Actuators as No 5. of the “Top Ten Emerging Aerospace Technologies”
What is the appeal of DBD plasma actuators?
No moving parts
Potential long life
Withstand high g-loading
High dynamic response
Ease of application and compactness
Can be placed at the most receptive locations
DBD actuator effect (body force) most easy to incorporate in CFD DBD actuators can also be sensors
Properties of DBD Actuators
•Ionized air in presence of electric field results in body force that acts on neutral exposed electrode
dielectric
covered electrode
substrate
Wall Jet?
air .
•Body force is mechanism of flow control.
“Wall Jet with Suction”
Complete Characteristics
DBD Plasma Actuators have proven to be excellent for separation control for a wide range of Mach numbers
Θ
Decreasing R
Not a simple function of Cµ
Flow Separation Applications
Fan
Retreating Blade
Stall
Dome Drag
Inter-turbine Duct
Inlets LPT Blades
HPT Tip/Gap
Wing
Fuselage
Aerodynamic Force
Vectoring High α
Improving DBD FC Performance
Increase Body Force: AC Waveform/Frequency, Dielectric, Geometry,
Combined DC/AC
Increase Receptivity:
Geometry Modifications,
Fluid Instabilities,
Unsteady Forcing Actuator
Performance
Environmental Effects:
Actuator Design: Jet-suction, SVGs, Vertical Jets, Roughness
Flow Physics
Metrics of Merit:
Flow Control,
Energy Budget Actuator
Requirements
P s,Moisture
Predictive Models Modeling/CFD are necessary for design of efficient flow control
systems
Requires efficient(semi-
empirical) DBD models
Models need to be validated
Need to agree on the level of validation
Time-averaged body
force vectors
Body force/Voltage
scaling
Time dependent body
force
Predictive Model Validation
Time-averaged Body Force Scaling with Voltage Time-resolved Body Force
Model
Experiment
Need for innovative Experiments
Acoustic Dipole
Summary
The characteristics of DBD plasma actuators makes them a popular choice for flow control
Although there has been an emphasis on their “thrust”
capabilities (Cµ), their “suction effect” is equally as
important (unique)
There are numerous applications that are well suited to their capabilities, particularly focusing on separation
control
Successful flow control begins by understanding the flow physics, which then guides the flow actuator
requirements
Use of flow instabilities, small geometric
modifications can reduce actuator requirements
Predictive capabilities are essential
Other Applications Plasma Adaptable Optics Plasma Assisted Plasma Periodic Roughness Methane Combustion
Plasma Anemometer。