辉光放电等离子体对边界层流动控制的机理研究.pdf

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1、第卷第期空气动力学学报，年月，!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!文章编号：（）辉光放电等离子体对边界层流动控制的机理研究毛枚良，邓小刚，向大平，陈坚强（中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳）摘要：本文求解电位势方程得到电场分布，假定电场强度大于击穿阈值的区域为等离子体区，给定电荷密度，得到了作用于流体上的电场力。通过求解带源项的方程，研究了一个大气压下的均匀辉光放电等离子体对边界层流动的影响，考察了电场力做功对流动的影响。本文研究结果同文献［］一致，即电场力总体

2、上使边界层流动加速。另外，电场力做功对流动参数的影响可以忽略。文献［］给出的线化电场模型和本文得到的电场相比，具有较大的差别，该差别引起了流动参数显著差别。关键词：等离子体；流动控制；电场；数值模拟中图分类号：文献标识码：温热非平衡和低能耗等优点，在工业上得到了广泛的引言应用，如臭氧制造、污染控制和表面处理。在世纪年代发现了一种新的等离子体源技术在流动控制中的应用机理是：电子和离子从电场—相邻两个电极用薄层绝缘电介质覆盖其中至少一中得到的动量通过碰撞传递给中性粒子，从而改变流［］个电极，在电极上施加电压击穿电极间气体，形动速度。从公开的文献资料来看，美国兰成常压

3、非热（）等离子体，即一个大气压下利研究中心和田纳西大学等离子体实验室开展了一的均匀辉光放电等离子体（系列工作：从研究手段看，主要是实验研究，而计算研）。风洞实验中采用的究刚启步；从研究深度看，目前尚处于概念验证阶段；发生器如图所示，绝缘介质薄板的上表面从流动速度看，都是基于低速流动。尽管如此，现有平放金属条状电极，其下表面放置均匀板式导电片的研究成果已经预示了技术将用于电动流（如图）或条状导电片（如图），流体从上表体力学流动加速的基础研究、内部流动的电动驱动、面流过。称图电极布局为对称平板型，图为非流动控制、电动抑止流动分离和增大机翼失速迎角等［］对称交错型，图

4、为对称交错型。领域。本文采用数值方法，研究辉光放电等离子体对平板边界层流动的影响，在文献［］模型的基础上，电场采用求解电位势方程得到，考察不同的电场模型对流动参数的影响，在流动控制方程中，除了在动量方程中加入电场力外，在能量方程中包含了电场力的做功，以考察电场力做功对流动参数的影响。电场力计算模型图电极布局方式示意图［］分析了同流动相互干扰等人的机理，电子质量较其他气体粒子小得多，因此，忽略尽管等离子体技术发明的时间不长，电子与气体粒子弹性碰撞进行的动量交换，主要考虑其机理和特性还有待于进一步的认识，但由于具有常离子将电场中得到的动量通过碰撞转移给气体的电"收稿

5、日期：；修订日期：基金项目：中国自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目（），中国自然科学基金国家杰出青年科学基金（）作者简介：毛枚良（），男，研究员，主要从事高超声速流动、等离子体流动的数值模拟方法研究空气动力学学报第卷（）电极布局及电场示意图（）电场特性示意图（）等离子体区示意图图电极布局及电场及其简化示意图中性粒子，针对图给出的一对交错型布局的电极定性电场分布特点，在图的三角形区域中，假定其电场强度大于气体击穿阈值为等离子体流动区。电场分布为：，，（）式中系数及其细节见文献［］。若两电极之间施加的是交流电压，则流体在单位图电场计算域及网格分区时间中得到的平

6、均电场力为：!"!#（）$$（）上式中!是电源频率，取值为，"是电荷密度，假定为。是单位电荷（即一个电子$（）的）电量，!是一个周期的放电时间，其中$为电位势，为电场强度。设为。当，#，当，#。求解电位势方程的边界条件为："是空气击穿的阈值，为。板上电极：$，为输入电压的均方根，本文研究对象为电绝缘平板上下放置一对微型板下电极：$，电极。平板长，上表面电极离平板前缘$外边界：$或，是边界面法向。，电极宽，高，下表面电极离平板方程（）和（）均采用中心格式进行离散。采用前缘，宽，高为。忽略平板厚方法，得到计算域的电位势分布。然后度，计算域外边界设置：上下均离平板，入

7、口边可得到电场及电场力分布。求解电位势的收敛标准：界离平板上表面电极前端面，出口边界离平板上表面电极后端面。根据电极布局，将计算$$$，域分为六个区，如图所示。由于电场能够穿过平$$（）板，因此，没有被电极遮住的平板为网格对接面。，，本文的目标是通过求解电位势方程，得到真实的!流体动力学模型电场分布，考察电场分布和文献［］简化电场间的差别及这种差别对流动的影响。忽略等离子体中电荷带体积力的二维粘性流体力学方程为：对电位势分布的影响，电位势及电场满足：（）第期毛枚良等：辉光放电等离子体对边界层流动控制的机理研究（）大；等离子体生成区域，线性模型得到的在平板上电（!

8、!!）极右上方高，底长的