用于电流体动力气流控制的等离子体发生器的研究

摘要

基于常压等离子体的电流体动力学(EHD)气流控制技术在不存在机械活动部件的条件下可以把电能转化为空气的动能,避免了传统机械控制设备结构复杂,产生噪声和振动,易磨损,易故障等缺点,在飞机起降、风力发电等空气动力学领域具有巨大的发展前景。近年来,EHD等离子体发生器的原理及应用得到了广泛的研究与关注,但总体来看仍存在着大量问题悬而未决。首先,其实现能量转化的具体物理过程尚不清晰,等离子体发生器气流加速理论仍很不成熟;其次,等离子体发生器的沿面闪络、产生气流的方向等问题仍没有得到合理的解决;最后,等离子体发生器的能量转化效率仍然很低。如何对等离子体发生器进行性能优化,通过选择最佳的等离子体发生器参数来提高EHD等离子体发生器的能量转化效率就成为EHD等离子体发生器研究中的关键问题。
　　 基于以上考虑,本文主要利用搭建的实验平台进行一系列实验并附以相应的理论分析,对目前EHD等离子体发生器存在的这些问题进行深入研究与分析。首先,本文分别对低电极封装的和对称结构的等离子体发生器进行了研究,并在此基础上进一步探索了等离子体发生器的气流加速理论。实验结果表明:低电极封装可有效提高等离子体发生器的效率;而负离子在气流加速中似乎起到推动作用。其次,本文利用实验证明了利用面板封装可有效抑制等离子体发生器沿面闪络的产生,进而明显改善等离子体发生器的性能。而在等离子体发生器产生的气流方向这个问题上,本文则是一方面对等离子体发生器垂直方向的推力进行了测量,另一方面则测量了等离子体发生器产生气流的垂直速度分量。实验结果表明:EHD等离子体发生器对周围气体垂直方向的推力和产生气流速度的垂直分量基本可以忽略不计。
　　 等离子体发生器的诸多参数,例如等离子体发生器的电极水平间距和电极宽度等几何参数和电源频率和电压幅值等电源参数,对等离子体发生器产生气流速度的大小有着显著的影响。因此,本文利用实验的方法探讨了等离子体发生器的各种参数对等离子体发生器性能影响的规律,并在此基础上给出了EHD等离子体发生器的最佳参数。实验结果表明:低电极宽度W2对等离子体发生器的影响不大,而电极水平间距d在2mm时,等离子体发生器的效率最高;等离子体发生器能量消耗随着电压幅值和频率的增加而增大,但气流速度并非随幅值和频率单调变化;等离子体发生器放电处于视觉上较为均匀的阶段时,能量转化效率最高。最后,本文还验证了利用拉普拉斯方法对等离子体发生器进行优化仿真的合理性,并利用其验证了本文实验结果的正确性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 基于介质阻挡放电的屯流体动力等离子体发生器

1.3 本文主要研究内容

第2章 电流体动力等离子体发生器特性实验研究。

2.1 引言

2.2 等离子体发生器低电极封装实验

2.2.1 放电发光情况

2.2.2 放电电压电流波形

2.2.3 消耗功率及产生气流速度

2.2.4 小结

2.3 对称结构等离子体发生器实验

2.3.1 空气环境下

2.3.2 氮气环境下

2.4 等离子体发生器沿面闪络实验

2.4.1 等离子体发生器的沿面闪络

2.4.2 等离子体发生器封装实验

2.5 等离子体发生器的气流方向实验

2.5.1 等离子体发生器垂直方向推力的测量

2.5.2 等离子体发生器垂直速度测量

2.5.3 小结

2.6 本章小结

第3章 电流体动力等离子体发生器的实验优化

3.1 引育

3.2 几何参数对等离子体发生器性能的影响

3.2.1 低电极宽度W2对等离子体发生器的影响

3.2.2 电极水平间距d对等离子体发生器的影响

3.3 电源参数对等离子体发生器性能的影响

3.4 放电状态对等离子体发生器性能的影响

3.5 本章小结

第4章 电流体动力等离子体发生器的仿真优化

4.1 引言

4.2 基于泊松方程解的仿真计算方法

4.3 基于拉普拉斯方程解的仿真计算方法

4.4 基于拉普拉斯方程解的优化计算

4.4.1 电极水平间距d对等离子体发生器影响

4.4.2 低电极宽度W2对等离子体发生器影响

4.5 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果。

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