基于交流气体放电的等离子体风速测量技术研究

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1、中图分类号：V241.9论文编号：102870218-SZ022学科分类号：085210硕士学位论文基于交流气体放电的等离子体风速测量技术研究研究生姓名袁培专业类别工程硕士专业领域控制工程指导教师于兵副教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchonPlasmaWindVelocityMeasurementTechnologyBasedonACGasDis

2、chargeAThesisinControlEngineeringbyYuanPeiAdvisedbyAssociateProfessorYuBingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京

3、航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文摘要基于交流气体放电的等离子体风速测量技术具有空间分辨率高、频响高、无需温度补偿、信噪比高、校准方便等显著优势，是超声速流场研究颇具前途的风速测量技术之一，在航空、航天、军事、气象等领域具有广阔的应用前景，目前，其理论和仿真研究均尚未成熟。本文以交流等离子体风速计为研究对象，从数值仿真、实验、电学建模三个方面开展了等离子体风速测量技术的研究。首先，提出了一种建

4、立交流等离子体风速计数值模型的新方法。研究中，创建了电极间二维气体流场模型，并介绍了基于PIC/MCC方法建立的二维等离子体模型，随后，完成了二者的耦合，搭建出了交流等离子体风速计的二维数值仿真平台。通过此数值仿真平台既可以从微观方面分析气流速度对离子密度分布、电子密度分布和电势的影响，还可以从宏观方面研究放电参数对等离子体风速计性能的影响。其次，设计了一种新型交流等离子体风速计实验系统。通过理论分析，证明了其可行性。随后，详细介绍了实验系统的设备选型及设计过程。系统中引入了电阻与电容串联组成的负反馈耦合电路模块，可以抑制气体放电的正反馈过程并提高放电系统的稳定性。另外，

5、搭建的系统中包含了高压电源模块，可以实现先高压点亮后射频维持的空气放电机制，进而可以得到较稳定的射频空气放电状态。实验研究结果表明，负载电压有效值与风速值之间有着良好的线性关系，可应用于风速的测量。最后，提出了搭建交流等离子体风速计电学模型的思路。基于理论与实验分析建立了等效电路模型，其结构上包含三部分：正柱区、鞘层和扩散区域。正柱区被等效为一个电阻，鞘层被等效为电流源、电容和理想二极管组成的并联电路，而扩散区域被等效为包含电阻和电感的串联电路。根据各部分的连接结构分别搭建出了无气流时与气流下的等离子体风速计电路模型。最后通过OrCAD电路仿真，验证了电学建模的可行性与可

6、靠性。建立的电路模型从电学角度上补充了数值仿真的不足，充分考虑了交流等离子体风速计的电路特性，因此，可以反过来作为研究和优化等离子体风速计的一种电学工具。关键词：气体放电，等离子体，风速计，数值仿真，实验研究，电路模型I基于交流气体放电的等离子体风速测量技术研究II南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文ABSTRACTPlasmawindvelocitymeasurementtechnologybasedonACgasdischargehashighspatialresolution,highfrequencyresponse,noneedoftemperaturec

7、ompensation,highsignal-to-noiseratio,easycalibrationandothersignificantadvantages.Itisoneofthemostpromisingwindvelocitymeasurementtechniquesinthestudyofsupersonicflowfield,andithasbroadapplicationprospectinaviation,aerospace,military,meteorologyandotherfields,atpres