纳秒脉冲介质阻挡放电增压的阵列等离子体合成射流装置制造方法及图纸

一种纳秒脉冲介质阻挡放电增压的阵列等离子体合成射流激励器，自上而下包括：顶盖10，高压电极板20，绝缘介质板30和接地金属板40。还提供一种基于上述激励器的纳秒脉冲介质阻挡放电增压的阵列等离子体合成射流装置的工作方法，在一个射流周期内，完整的工作过程包含三个阶段：冲击增压阶段、阵列射流阶段和多孔吸气复原阶段。本发明专利技术阵列激励器不需要复杂的负载匹配电路设计或供电电源优化设计，具有接线简单、实现成本低、易于进行大规模扩展、工作频率高、脉冲重复性好等优点。脉冲重复性好等优点。脉冲重复性好等优点。

【技术实现步骤摘要】
纳秒脉冲介质阻挡放电增压的阵列等离子体合成射流装置


[0001]本专利技术涉及主动流动控制领域，尤其是一种采用纳秒脉冲介质阻挡放电冲击增压的阵列等离子体合成射流激励器。

技术介绍

[0002]主动流动控制技术在2010年被美国航空航天学会列为支撑全球航空领域未来发展的十大关键技术之一。该技术的核心是激励器，通过激励器诱导产生可控的扰动，可以达到改变飞行器外部流场、提升飞行器和发动机性能的目的。等离子体合成射流激励器是一种零质量流量的高强度激励器，它的基本工作原理是通过脉冲电弧迅速对半封闭腔体内部的气体间隙进行快速加热和增压，诱导射流周期性地从小孔喷出。该激励器的最高射流速度可以达到500m/s，最高工作频率超过10kHz，因而，尤其适用于高速高雷诺数下的流动控制。但是，由于单个电弧所能加热的气体区域有限，等离子体合成射流激励器的腔体尺寸一般都在5
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15mm之间。对应的射流孔径一般设置在1
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3mm，所能控制的流场范围极其有限。为了在大型民航客机和战斗机上应用主动流动控制技术，必须将几十甚至上百个的等离子体合成射流激励器扩展成一个阵列，才能实现0(1
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10m)量级的流场控制能力。由于电弧放电具有负阻抗特性，直接将多个等离子体合成射流激励器进行并联，并不能实现阵列内部激励器的同时工作。目前，实现阵列等离子体合成射流有两类方案。一是优化电源设计，将等离子体合成射流供电电源的高压输出端分成若干个相对独立的回路；每个回路中都有一个储能装置，都可以输出一路的脉冲高压给激励器供电，最终实现阵列内部各个激励器的“同步工作”；这一类方案的典型代表是“CN105119517A，邵涛，王磊，章程，严萍，罗振兵，王林；多个等离子体合成射流激励器同步放电的高压脉冲电源”，“CN104682765A，邵涛，王磊，章程，严萍，罗振兵，王林；用于多个等离子体合成射流激励器同步放电的装置及方法”。二是进行负载匹配设计，将电阻、电容等元器件与气体放电间隙进行串并联，保证击穿前后放电回路内的电压不会显著下降；最终，高压脉冲可以顺次传递、实现阵列内部各个等离子体合成射流激励器的“依次击穿”；该类方案的典型代表是“CN110933832A，吴云，张志波，金迪，甘甜，宋慧敏，贾敏，梁华；单电源驱动阵列式等离子体合成射流流动控制装置及流动控制方法”，“CN106050593，邵涛，韩磊，罗振兵，孙鹞鸿，王林，严萍；基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置”。
[0003]但是，上述两类方案在航空应用中均存在着诸多问题。第一类方案中每增加一个激励器，就需要多出一个高压储能电容和若干高压硅堆，用于大规模等离子体激励器阵列供电时电源体积庞大、价格昂贵、重量难以接受。第二类方案中的负载匹配元器件均为小功率器件，相比而言价格低廉，但是整体的接线复杂；电路工作频率由前端大容量储能电容的充电速率和第一个电极间隙击穿电压决定，脉冲频率无法实时调节，典型工作频率只有10Hz；而且受电极间隙击穿电压波动影响，脉冲的重复性差(Zhibo Zhang，Yun Wu，Min Jia et al.The multichannel discharge plasma synthetic jet actuator，Sensors and Actuators A：Physical，2017，253：112
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117)。因此，如何以低成本产生高频率、高重复性的
等离子体合成射流阵列是亟需解决的技术难题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提出一种纳秒脉冲介质阻挡放电增压的阵列等离子体合成射流激励器，包括：顶盖10，高压电极板20，绝缘介质板30和接地金属板40；其中
[0005]顶盖10为绝缘材料制成的矩形体，上表面为方形；顶盖10的外轮廓长度和宽度需要根据实际应用做出适应性设计；顶盖10内部挖空；形成矩形内部空腔，下部开放，当与高压电极板20和绝缘介质板30配合在一起后，形成一个半封闭的、偏平的方形等离子体放电腔体，即激励器腔体105；在顶盖10的上表面，沿着垂直于壁面方向，自下而上加工若干个收敛型射流孔102，射流孔102上小下大；这些射流孔102排成N
×
M阵列，作为气体自上而下流入和自下而上流出激励器腔体105的喉道；位于顶盖10上表面的喉道出口101为圆形；位于激励器腔体105上表面的喉道入口103也为圆形；射流孔中心轴线垂直于顶盖10上表面，或与顶盖10的法线呈一定的角度；只要保证射流孔102下部入口面积大于上部出口面积，且自下而上、从入口到出口的截面面积是单调减小的；
[0006]电极板20由薄片状金属板制成；电极板具有稠密的网孔状；每个射流孔阵列102的位置对应一个网孔，二者轴线重合；相邻射流孔的中心间距与相邻网孔的中心间距相同；最外圈网孔与电极板20的边缘均保持一定距离；电极板20的长宽尺寸与激励器腔体105的长宽尺寸基本相同，方便将电极板20自下而上嵌入顶盖10；
[0007]绝缘介质板30为薄片状矩形体；绝缘介质板30在水平面上的投影与顶盖10投影重合，即二者长、宽尺寸相同；
[0008]接地金属板40为薄片状矩形体；接地金属板40在水平面上的投影与顶盖10投影重合，即绝缘介质板30、接地金属板40的长、宽尺寸均与外壳10相同；安装时，绝缘介质板30下表面与接地金属板40上表面紧密结合；外壳10、电极板20、绝缘介质板30和接地金属板40自上而下依次组装在一起，即构成激励器。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，
[0010]顶盖10厚度为4
‑
6mm；顶盖10的外轮廓长度和宽度为50mm
‑
500mm；
[0011]喉道出口101直径范围为1
‑
2mm；喉道入口103的直径范围为2
‑
4mm；
[0012]收敛型射流孔102的喉道长度为1
‑
3mm；射流孔阵列102的行间距和列间距应设置为3
‑
5倍的喉道出口直径，范围为3
‑
15mm。
[0013]在本专利技术的一个具体实施例中，
[0014]顶盖10厚度为4mm，由尼龙、聚酰亚胺、PEEK或者陶瓷等绝缘材料制成；顶盖10的外轮廓长度和宽度为50mm*50mm；
[0015]射流孔102的形状为截椎体，该截椎体上表面与下表面平行；
[0016]喉道出口101直径为1.5mm；喉道入口103的直径为3mm；
[0017]收敛型射流孔102的喉道长度为2mm。
[0018]在本专利技术的另一个实施例中，
[0019]电极板20厚度为0.01mm
‑
1mm(优选0.05mm)；
[0020]电极板20的网孔最大直径2
‑
5mm(优选4mm)。
[0021]在本专利技术的另一个具体实施例中，
[0022]电极板20厚度为0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.纳秒脉冲介质阻挡放电增压的阵列等离子体合成射流激励器，其特征在于，包括：顶盖10，高压电极板20，绝缘介质板30和接地金属板40；其中顶盖10为绝缘材料制成的矩形体，上表面为方形；顶盖10的外轮廓长度和宽度需要根据实际应用做出适应性设计；顶盖10内部挖空；形成矩形内部空腔，下部开放，当与高压电极板20和绝缘介质板30配合在一起后，形成一个半封闭的、偏平的方形等离子体放电腔体，即激励器腔体105；在顶盖10的上表面，沿着垂直于壁面方向，自下而上加工若干个收敛型射流孔102，射流孔102上小下大；这些射流孔102排成N
×
M阵列，作为气体自上而下流入和自下而上流出激励器腔体105的喉道；位于顶盖10上表面的喉道出口101为圆形；位于激励器腔体105上表面的喉道入口103也为圆形；射流孔中心轴线垂直于顶盖10上表面，或与顶盖10的法线呈一定的角度；只要保证射流孔102下部入口面积大于上部出口面积，且自下而上、从入口到出口的截面面积是单调减小的；电极板20由薄片状金属板制成；电极板具有稠密的网孔状；每个射流孔阵列102的位置对应一个网孔，二者轴线重合；相邻射流孔的中心间距与相邻网孔的中心间距相同；最外圈网孔与电极板20的边缘均保持一定距离；电极板20的长宽尺寸与激励器腔体105的长宽尺寸基本相同，方便将电极板20自下而上嵌入顶盖10；绝缘介质板30为薄片状矩形体；绝缘介质板30在水平面上的投影与顶盖10投影重合，即二者长、宽尺寸相同；接地金属板40为薄片状矩形体；接地金属板40在水平面上的投影与顶盖10投影重合，即绝缘介质板30、接地金属板40的长、宽尺寸均与外壳10相同；安装时，绝缘介质板30下表面与接地金属板40上表面紧密结合；外壳10、电极板20、绝缘介质板30和接地金属板40自上而下依次组装在一起，即构成激励器。2.如权利要求1所述的纳秒脉冲介质阻挡放电增压的阵列等离子体合成射流激励器，其特征在于，顶盖10厚度为4
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6mm；顶盖10的外轮廓长度和宽度为50mm
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500mm；喉道出口101直径范围为1
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2mm；喉道入口103的直径范围为2
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4mm；收敛型射流孔102的喉道长度为1
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3mm；射流孔阵列102的行间距和列间距应设置为3
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5倍的喉道出口直径，范围为3
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15mm。3.如权利要求1所述的纳秒脉冲介质阻挡放电增压的阵列等离子体合成射流激励器，其特征在于，顶盖10厚度为4mm，由尼龙、聚酰亚胺、PEEK或者陶瓷等绝缘材料制成；顶盖10的外轮廓长度和宽度为50mm*50mm；射流孔102的形状为截椎体，该截椎体上表面与下表面平行；喉道出口101直径为1.5mm；喉道入口103的直径为3mm；收敛型射流孔102的喉道长度为2mm。4.如权利要求1所述的纳秒脉冲介质阻挡放电增压的阵列等离子体合成射流激励器，其特征在于，电极板20厚度为0.01mm
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1mm(优选0.05mm)；电极板20的网孔最大直径2
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5m...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗豪华，梁华，吴云，宋慧敏，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：