湍流边界层等离子体减阻系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种湍流边界层等离子体减阻系统，包括等离子体激励器，所述等离子体激励器包括正电极、电介质层、负电极、封装层和高压等离子体电源，所述负电极封装在所述封装层之内，所述电介质层位于所述封装层、正电极之间，所述高压等离子体电源分别与所述正电极、负电极连接。本实用新型专利技术的有益效果是：将等离子体激励器直接安装在平板表面上，通过在正、负电极间施加电压，激励器放电处将产生具有一定速度的展向诱导气流，该诱导气流与来流相互作用产生反向旋转的流向涡结构，以减少壁面受到的空气摩擦阻力，从而降低流动过程中的能量损耗。

【技术实现步骤摘要】
湍流边界层等离子体减阻系统
本技术涉及等离子体激励器，尤其涉及湍流边界层等离子体减阻系统。
技术介绍
湍流边界层广泛存在于工业生产和生活中，而湍流边界层中的壁面摩擦阻力是造成其能量损失的重要因素，例如，商用客机约50％、潜艇约90％的阻力来源于湍流边界层内壁面摩擦阻力。减小湍流边界层中的壁面摩擦阻力，不仅能带来巨大的经济效益，还能有效缓解能源使用过程中带来的环境污染。因此，研究有效的湍流边界层减阻技术，对工业生产具有重要意义。虽然目前已有多种湍流边界层减阻技术，如吹吸气、壁面变形和振动、流向或展向行波等，但这些技术往往用于局部减阻且难以在工业中实现。等离子体激励器已广泛应用于流动控制中，如流动分离等，然而其在湍流边界层减阻领域极少能取得明显效果，这是由于等离子体激励器在产生展向射流的同时，由于质量守恒会伴随着指向壁面的流动，这些流动会增大壁面处的速度梯度从而产生增阻，因此需要合理布置等离子体的安装方式，才能达到理想的减阻效果。因此，如何更好的将等离子体激励器应用于流动控制中，以达到减阻目的，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本技术提供了湍流边界层等离子体减阻系统。本技术提供了一种湍流边界层等离子体减阻系统，包括等离子体激励器，所述等离子体激励器包括正电极、电介质层、负电极、封装层和高压等离子体电源，所述负电极封装在所述封装层之内，所述电介质层位于所述封装层、正电极之间，所述高压等离子体电源分别与所述正电极、负电极连接，所述等离子体激励器直接安装在平板表面上，通过在正、负电极间施加电压，等离子体激励器放电处将产生具有一定速度的展向诱导气流，该展向诱导气流与来流相互作用产生反向旋转的流向涡结构，以减少壁面受到的空气摩擦阻力，从而降低流动过程中的能量损耗。作为本技术的进一步改进，两个产生反向射流的所述等离子体激励器构成了激励器组。作为本技术的进一步改进，所述激励器组中的放电位置之间的距离为60mm。作为本技术的进一步改进，在平板湍流边界层表面布置多组激励器组构成激励器阵列，相邻两组激励器组中相邻的两个正电极间的距离为10mm，所述等离子体激励器在平板湍流边界层中产生的最大展向射流速度的位置距壁面24个无量纲壁面单位，当所述等离子体激励器在平板湍流边界层中取得最大平均减阻量时，所述等离子体激励器产生的最大无量纲展向速度为3.9。作为本技术的进一步改进，所述正电极为直接与外界空气接触的状态，所述负电极为包裹在电介质层和封装层中的状态。作为本技术的进一步改进，所述正电极、负电极均为厚度25μm的铜箔，所述正电极宽度为5mm，所述负电极宽度为15mm。作为本技术的进一步改进，所述正电极、负电极之间的距离为零。作为本技术的进一步改进，所述电介质层包括聚酰亚胺胶带层和聚酯薄膜胶带层，所述聚酰亚胺胶带层位于所述正电极、聚酯薄膜胶带层之间，所述聚酯薄膜胶带层位于聚酰亚胺胶带层、封装层之间。作为本技术的进一步改进，所述聚酰亚胺胶带层的厚度为55μm，所述聚酯薄膜胶带层的厚度为73μm。作为本技术的进一步改进，所述高压等离子体电源在所述正电极、负电极之间施加稳态或非稳态电压，高压等离子体电源输入的电压信号包括但不局限于交流电AC信号、直流电DC信号、AC-DC混合信号、脉冲DC信号等。作为本技术的进一步改进，所述负电极接地。作为本技术的进一步改进，等离子体激励器工作过程中，作用于正负电极之间的瞬时电压信号，难以直接进行测量，需由高压探头(衰减比为1000:1)衰减后通过示波器进行采集。作为本技术的进一步改进，等离子体激励器工作过程中的瞬时电流信号，通过在负电极与地线之间串联100欧姆电阻，再由电流探头监测流经该电阻的瞬时电流信号，最终由示波器进行采集。作为本技术的进一步改进，等离子体激励器工作过程中的能量消耗，由示波器采集的瞬时电压和电流信号，通过MATLAB软件进行积分计算，得到最终等离子体激励器的功率。作为本技术的进一步改进，等离子体激励器下游平均减阻效果通过测力天平装置进行测量，测力天平的浮动测力平面(0.1m×0.2m)位于激励器下游15mm处，通过测量不同控制参数下，浮动控制平面受到的空气摩擦阻力，得到等离子体激励器的减阻效果。作为本技术的进一步改进，等离子体激励器下游局部减阻效果由热线测得的粘性底层中的速度梯度计算得到，测量过程中热线需采用1kHz低通滤波，以防止等离子体电源产生的电磁噪声。作为本技术的进一步改进，等离子体激励器产生的流场结构通过高速PIV系统进行测量，不同控制参数下，等离子体激励器下游产生流向涡的强度、范围大小和间距具有明显差异。本技术的有益效果是：通过上述方案，将等离子体激励器直接安装在平板表面上，通过在正、负电极间施加电压，激励器放电处将产生具有一定速度的展向诱导气流，该诱导气流与来流相互作用产生反向旋转的流向涡结构，以减少壁面受到的空气摩擦阻力，从而降低流动过程中的能量损耗。附图说明图1是本技术一种湍流边界层等离子体减阻系统的截面示意图。图2是本技术一种湍流边界层等离子体减阻系统的安装示意图。图3是本技术高压等离子体电源在正、负电极之间施加稳态交流电AC电压信号图。图4是本技术高压等离子体电源在正、负电极之间施加非稳态交流电AC电压信号图。图5是本技术一种湍流边界层等离子体减阻系统的安装俯视图。图6是本技术一种湍流边界层等离子体减阻系统的安装侧视图。图7是本技术湍流边界层等离子体减阻系统所达到的平均减阻率和激励电压的关系图。图8是本技术由PIV测量得到的垂直于主流平面的涡量等值线和速度矢量图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本技术作进一步说明。如图1所示，一种湍流边界层等离子体减阻系统，包括等离子体激励器，所述等离子体激励器包括正电极1、电介质层、负电极3、封装层4和高压等离子体电源5，所述负电极3封装在所述封装层4之内，所述电介质层位于所述封装层4、正电极1之间，所述高压等离子体电源5分别与所述正电极1、负电极3连接，所述等离子体激励器直接贴附安装在平板表面上，通过在正、负电极间施加电压，等离子体激励器放电处将产生具有一定速度的展向诱导气流，该展向诱导气流与来流相互作用产生反向旋转的流向涡结构，以减少壁面受到的空气摩擦阻力，从而降低流动过程中的能量损耗。通过使用信号发生器向高压等离子体电源输入不同频率和电压的信号，使高压等离子体电源在正、负电极间施加不同大小和频率的电压，从而将放电处的空气电离，产生等离子体，进而在电场的作用下形成了具有一定速度的壁面射流，与来流相互作用产生大尺度流向涡，对边界层进行控制。所述湍流边界层等离子体减阻系统可以减少气流流过平板表面所产生的壁面摩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种湍流边界层等离子体减阻系统，其特征在于：包括等离子体激励器，所述等离子体激励器包括正电极、电介质层、负电极、封装层和高压等离子体电源，所述负电极封装在所述封装层之内，所述电介质层位于所述封装层、正电极之间，所述高压等离子体电源分别与所述正电极、负电极连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种湍流边界层等离子体减阻系统，其特征在于：包括等离子体激励器，所述等离子体激励器包括正电极、电介质层、负电极、封装层和高压等离子体电源，所述负电极封装在所述封装层之内，所述电介质层位于所述封装层、正电极之间，所述高压等离子体电源分别与所述正电极、负电极连接。


2.根据权利要求1所述的湍流边界层等离子体减阻系统，其特征在于：两个产生反向射流的所述等离子体激励器构成了激励器组。


3.根据权利要求2所述的湍流边界层等离子体减阻系统，其特征在于：所述激励器组中的放电位置之间的距离为60mm。


4.根据权利要求2所述的湍流边界层等离子体减阻系统，其特征在于：在平板湍流边界层表面布置多组激励器组构成激励器阵列，相邻两组激励器组中相邻的两个正电极间的距离为10mm，所述等离子体激励器在平板湍流边界层中产生的最大展向射流速度的位置距壁面24个无量纲壁面单位，当所述等离子体激励器在平板湍流边界层中取得最大平均减阻量时，所述等离子体激励...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志伟，周裕，程肖岐，欧阳腾，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院，
类型：新型
国别省市：广东;44