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等离子体流动控制在汽车减阻方面的应用
2020-06-30 23:32:56· 来源：AutoAero 作者：王中俭
一、什么是等离子体等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体。其运动
一、什么是等离子体
等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体。其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。随着温度升高，物质由固态逐渐变为液态乃至气态。若将温度升至几千度几万度，气体分子或原子会失去电子，成为带正电的离子，脱离原子核束缚的电子成为自由电子,这个过程称为电离。当气体中离子和电子充分多时，带电粒子间及带电粒子与环境间的电磁相互作用起着主宰作用。这种电离气体就是等离子体，对应的状态称为第四物质态。如火焰和电弧中的高温部分、太阳和其他恒星表面的气层都是等离子体。等离子体如图1所示 。
图1 等离子体
二、DBD等离子体气动激励器的典型布局
等离子体气动激励与等离子体是两个不同的概念,仅在流场中产生等离子体,流动控制效果很弱,必须使其在电（磁)场的驱动下对流场产生一定强度的扰动,也就是等离子体作为一种能量载体对流场作用，才能进行流动控制。DBD等离子体气动激励器的典型布局如图2所示,图中:hd为阻挡介质厚度；hc为电极厚度，d1为上电极宽度;d2为下电极宽度;△d为上下电极间隙。国际上研究最广泛的是正弦波高压作用下产生的DBD等离子体气动激励,近年来，国际上对纳秒脉冲高压作用下产生的DBD等离子体气动激励研究越来越多,对射频DBD等离子体气动激励也开始探索。
图2 等离子体气动激励器的典型布局
三、等离子体激励器的原理
等离子体激励器由两个电极组成，电极之间由介电层隔开，通过建立强电场使绝缘电极上方的空气分子电离。这种电离气体称为等离子体，它从上电极的边缘延伸到下电极的尾迹边缘，并通过碰撞带电的运动部分，为流过该区域的流动增加局部动量。
四、等离子体激励器的结构参数
等离子体激励器的电极宽度一般是几个毫米，两个电极之间的间距为 0 到几个厘米，绝缘介质层采用的材料多为聚四氟乙烯、聚乙烯和有机玻璃等（聚酰亚胺胶带），厚度为 0.1 到几个毫米。电极片为金属材料，一般选择铁、铝或铜等。电极片的厚度可以很小，比如当选用铜箔作为电极时，其厚度可以小于0.1mm。激励器的电源有两种，一种是正弦波高频高压电源，另一种为纳秒脉冲高压电源。
绝缘材料的厚度、介电常数会影响激励器的放电效果，厚度越大、绝缘强度越大和绝缘材料表面涂抹二氧化钛会提高诱导体积力。通过在电极之间串联二极管、在绝缘介质表面增加硅片使得激励器诱导产生的体积力增加70%。
静止空气中的实验结果表明，在频率固定的情况下，等离子体激励器产生的诱导气流速度随激励电压增大呈近似线性增加。
五、等离子体的应用
等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新型主动流动控制技术，具有响应时间短、激励频带宽、激励电源重量较轻以及电源线路布置相对简单等显著技术优势,在改善飞行器/汽车/高铁空气动力特性方面具有广阔的应用前景,已成为国际上等离子体动力学与空气动力学交叉领域的前沿研究热点。等离子体在商用车减阻上的应用效果图如图3所示。
图3 等离子体在商用车减阻上的应用
等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体。其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。随着温度升高，物质由固态逐渐变为液态乃至气态。若将温度升至几千度几万度，气体分子或原子会失去电子，成为带正电的离子，脱离原子核束缚的电子成为自由电子,这个过程称为电离。当气体中离子和电子充分多时，带电粒子间及带电粒子与环境间的电磁相互作用起着主宰作用。这种电离气体就是等离子体，对应的状态称为第四物质态。如火焰和电弧中的高温部分、太阳和其他恒星表面的气层都是等离子体。等离子体如图1所示 。
图1 等离子体
二、DBD等离子体气动激励器的典型布局
等离子体气动激励与等离子体是两个不同的概念,仅在流场中产生等离子体,流动控制效果很弱,必须使其在电（磁)场的驱动下对流场产生一定强度的扰动,也就是等离子体作为一种能量载体对流场作用，才能进行流动控制。DBD等离子体气动激励器的典型布局如图2所示,图中:hd为阻挡介质厚度；hc为电极厚度，d1为上电极宽度;d2为下电极宽度;△d为上下电极间隙。国际上研究最广泛的是正弦波高压作用下产生的DBD等离子体气动激励,近年来，国际上对纳秒脉冲高压作用下产生的DBD等离子体气动激励研究越来越多,对射频DBD等离子体气动激励也开始探索。
图2 等离子体气动激励器的典型布局
三、等离子体激励器的原理
等离子体激励器由两个电极组成，电极之间由介电层隔开，通过建立强电场使绝缘电极上方的空气分子电离。这种电离气体称为等离子体，它从上电极的边缘延伸到下电极的尾迹边缘，并通过碰撞带电的运动部分，为流过该区域的流动增加局部动量。
四、等离子体激励器的结构参数
等离子体激励器的电极宽度一般是几个毫米，两个电极之间的间距为 0 到几个厘米，绝缘介质层采用的材料多为聚四氟乙烯、聚乙烯和有机玻璃等（聚酰亚胺胶带），厚度为 0.1 到几个毫米。电极片为金属材料，一般选择铁、铝或铜等。电极片的厚度可以很小，比如当选用铜箔作为电极时，其厚度可以小于0.1mm。激励器的电源有两种，一种是正弦波高频高压电源，另一种为纳秒脉冲高压电源。
绝缘材料的厚度、介电常数会影响激励器的放电效果，厚度越大、绝缘强度越大和绝缘材料表面涂抹二氧化钛会提高诱导体积力。通过在电极之间串联二极管、在绝缘介质表面增加硅片使得激励器诱导产生的体积力增加70%。
静止空气中的实验结果表明，在频率固定的情况下，等离子体激励器产生的诱导气流速度随激励电压增大呈近似线性增加。
五、等离子体的应用
等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新型主动流动控制技术，具有响应时间短、激励频带宽、激励电源重量较轻以及电源线路布置相对简单等显著技术优势,在改善飞行器/汽车/高铁空气动力特性方面具有广阔的应用前景,已成为国际上等离子体动力学与空气动力学交叉领域的前沿研究热点。等离子体在商用车减阻上的应用效果图如图3所示。
图3 等离子体在商用车减阻上的应用
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