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等離子體流動(dòng)控制在汽車減阻方面的應(yīng)用
2020-06-30 23:32:56· 來源：AutoAero 作者：王中儉
一、什么是等離子體等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體。其運(yùn)動(dòng)
一、什么是等離子體
等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體。其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。隨著溫度升高，物質(zhì)由固態(tài)逐漸變?yōu)橐簯B(tài)乃至氣態(tài)。若將溫度升至幾千度幾萬度，氣體分子或原子會失去電子，成為帶正電的離子，脫離原子核束縛的電子成為自由電子,這個(gè)過程稱為電離。當(dāng)氣體中離子和電子充分多時(shí)，帶電粒子間及帶電粒子與環(huán)境間的電磁相互作用起著主宰作用。這種電離氣體就是等離子體，對應(yīng)的狀態(tài)稱為第四物質(zhì)態(tài)。如火焰和電弧中的高溫部分、太陽和其他恒星表面的氣層都是等離子體。等離子體如圖1所示 。
圖1 等離子體
二、DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的典型布局
等離子體氣動(dòng)激勵(lì)與等離子體是兩個(gè)不同的概念,僅在流場中產(chǎn)生等離子體,流動(dòng)控制效果很弱,必須使其在電（磁)場的驅(qū)動(dòng)下對流場產(chǎn)生一定強(qiáng)度的擾動(dòng),也就是等離子體作為一種能量載體對流場作用，才能進(jìn)行流動(dòng)控制。DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的典型布局如圖2所示,圖中:hd為阻擋介質(zhì)厚度；hc為電極厚度，d1為上電極寬度;d2為下電極寬度;△d為上下電極間隙。國際上研究最廣泛的是正弦波高壓作用下產(chǎn)生的DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì),近年來，國際上對納秒脈沖高壓作用下產(chǎn)生的DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)研究越來越多,對射頻DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)也開始探索。
圖2 等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的典型布局
三、等離子體激勵(lì)器的原理
等離子體激勵(lì)器由兩個(gè)電極組成，電極之間由介電層隔開，通過建立強(qiáng)電場使絕緣電極上方的空氣分子電離。這種電離氣體稱為等離子體，它從上電極的邊緣延伸到下電極的尾跡邊緣，并通過碰撞帶電的運(yùn)動(dòng)部分，為流過該區(qū)域的流動(dòng)增加局部動(dòng)量。
四、等離子體激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)
等離子體激勵(lì)器的電極寬度一般是幾個(gè)毫米，兩個(gè)電極之間的間距為 0 到幾個(gè)厘米，絕緣介質(zhì)層采用的材料多為聚四氟乙烯、聚乙烯和有機(jī)玻璃等（聚酰亞胺膠帶），厚度為 0.1 到幾個(gè)毫米。電極片為金屬材料，一般選擇鐵、鋁或銅等。電極片的厚度可以很小，比如當(dāng)選用銅箔作為電極時(shí)，其厚度可以小于0.1mm。激勵(lì)器的電源有兩種，一種是正弦波高頻高壓電源，另一種為納秒脈沖高壓電源。
絕緣材料的厚度、介電常數(shù)會影響激勵(lì)器的放電效果，厚度越大、絕緣強(qiáng)度越大和絕緣材料表面涂抹二氧化鈦會提高誘導(dǎo)體積力。通過在電極之間串聯(lián)二極管、在絕緣介質(zhì)表面增加硅片使得激勵(lì)器誘導(dǎo)產(chǎn)生的體積力增加70%。
靜止空氣中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在頻率固定的情況下，等離子體激勵(lì)器產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流速度隨激勵(lì)電壓增大呈近似線性增加。
五、等離子體的應(yīng)用
等離子體流動(dòng)控制是基于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的新型主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，具有響應(yīng)時(shí)間短、激勵(lì)頻帶寬、激勵(lì)電源重量較輕以及電源線路布置相對簡單等顯著技術(shù)優(yōu)勢,在改善飛行器/汽車/高鐵空氣動(dòng)力特性方面具有廣闊的應(yīng)用前景,已成為國際上等離子體動(dòng)力學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)。等離子體在商用車減阻上的應(yīng)用效果圖如圖3所示。
圖3 等離子體在商用車減阻上的應(yīng)用
等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體。其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。隨著溫度升高，物質(zhì)由固態(tài)逐漸變?yōu)橐簯B(tài)乃至氣態(tài)。若將溫度升至幾千度幾萬度，氣體分子或原子會失去電子，成為帶正電的離子，脫離原子核束縛的電子成為自由電子,這個(gè)過程稱為電離。當(dāng)氣體中離子和電子充分多時(shí)，帶電粒子間及帶電粒子與環(huán)境間的電磁相互作用起著主宰作用。這種電離氣體就是等離子體，對應(yīng)的狀態(tài)稱為第四物質(zhì)態(tài)。如火焰和電弧中的高溫部分、太陽和其他恒星表面的氣層都是等離子體。等離子體如圖1所示 。
圖1 等離子體
二、DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的典型布局
等離子體氣動(dòng)激勵(lì)與等離子體是兩個(gè)不同的概念,僅在流場中產(chǎn)生等離子體,流動(dòng)控制效果很弱,必須使其在電（磁)場的驅(qū)動(dòng)下對流場產(chǎn)生一定強(qiáng)度的擾動(dòng),也就是等離子體作為一種能量載體對流場作用，才能進(jìn)行流動(dòng)控制。DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的典型布局如圖2所示,圖中:hd為阻擋介質(zhì)厚度；hc為電極厚度，d1為上電極寬度;d2為下電極寬度;△d為上下電極間隙。國際上研究最廣泛的是正弦波高壓作用下產(chǎn)生的DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì),近年來，國際上對納秒脈沖高壓作用下產(chǎn)生的DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)研究越來越多,對射頻DBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)也開始探索。
圖2 等離子體氣動(dòng)激勵(lì)器的典型布局
三、等離子體激勵(lì)器的原理
等離子體激勵(lì)器由兩個(gè)電極組成，電極之間由介電層隔開，通過建立強(qiáng)電場使絕緣電極上方的空氣分子電離。這種電離氣體稱為等離子體，它從上電極的邊緣延伸到下電極的尾跡邊緣，并通過碰撞帶電的運(yùn)動(dòng)部分，為流過該區(qū)域的流動(dòng)增加局部動(dòng)量。
四、等離子體激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)
等離子體激勵(lì)器的電極寬度一般是幾個(gè)毫米，兩個(gè)電極之間的間距為 0 到幾個(gè)厘米，絕緣介質(zhì)層采用的材料多為聚四氟乙烯、聚乙烯和有機(jī)玻璃等（聚酰亞胺膠帶），厚度為 0.1 到幾個(gè)毫米。電極片為金屬材料，一般選擇鐵、鋁或銅等。電極片的厚度可以很小，比如當(dāng)選用銅箔作為電極時(shí)，其厚度可以小于0.1mm。激勵(lì)器的電源有兩種，一種是正弦波高頻高壓電源，另一種為納秒脈沖高壓電源。
絕緣材料的厚度、介電常數(shù)會影響激勵(lì)器的放電效果，厚度越大、絕緣強(qiáng)度越大和絕緣材料表面涂抹二氧化鈦會提高誘導(dǎo)體積力。通過在電極之間串聯(lián)二極管、在絕緣介質(zhì)表面增加硅片使得激勵(lì)器誘導(dǎo)產(chǎn)生的體積力增加70%。
靜止空氣中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在頻率固定的情況下，等離子體激勵(lì)器產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流速度隨激勵(lì)電壓增大呈近似線性增加。
五、等離子體的應(yīng)用
等離子體流動(dòng)控制是基于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的新型主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，具有響應(yīng)時(shí)間短、激勵(lì)頻帶寬、激勵(lì)電源重量較輕以及電源線路布置相對簡單等顯著技術(shù)優(yōu)勢,在改善飛行器/汽車/高鐵空氣動(dòng)力特性方面具有廣闊的應(yīng)用前景,已成為國際上等離子體動(dòng)力學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)。等離子體在商用車減阻上的應(yīng)用效果圖如圖3所示。
圖3 等離子體在商用車減阻上的應(yīng)用
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