【摘 要】
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风力发电机叶片和飞机机翼覆冰对其正常工作带来严重的干扰问题。沿面介质阻挡放电（Surface Dielectric Barrier Discharge,SDBD）作为一种新型的除冰技术,由于能耗低、响应快和良好的除冰性能近年来受到学者们的青睐。但SDBD及其除冰的等离子体过程、放电模式转变和物理效应等问题有待进一步探究。基于此,本文采用实验与模拟相结合的方式研究了脉冲SDBD及其除冰过程的等离子体
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风力发电机叶片和飞机机翼覆冰对其正常工作带来严重的干扰问题。沿面介质阻挡放电（Surface Dielectric Barrier Discharge,SDBD）作为一种新型的除冰技术,由于能耗低、响应快和良好的除冰性能近年来受到学者们的青睐。但SDBD及其除冰的等离子体过程、放电模式转变和物理效应等问题有待进一步探究。基于此,本文采用实验与模拟相结合的方式研究了脉冲SDBD及其除冰过程的等离子体特性,主要内容和结论如下:1.两电极脉冲沿面流光放电等离子体特性研究。通过等离子体实验诊断和数值模拟分析了两电极脉冲沿面流光放电形成过程、不同放电阶段演变和残余表面电荷对连续脉冲放电的影响规律。实验得到单次正脉冲放电由正电流对应的一次流光和负电流对应的二次流光组成;在连续脉冲放电中,残余表面电荷的增加,降低了一次流光沉积能量和发光强度,增强了二次流光沉积能量和发光强度,最后均趋于稳定。数值模拟得到了正电流由电子电流组成,负电流由离子电流组成;利用介质表面预荷电替代残余表面电荷,得到残余表面电荷越多,抑制一次流光长度和发光强度越明显,但有利于反向电场的增强,进而增强二次流光强度。2.三电极脉冲沿面流光放电等离子体特性研究。采用等离子体诊断分析了三电极脉冲沿面流光演变、不同放电阶段能量和激励器表面温度分布,数值模拟分析不同流光阶段产生与演变机制。电学和热学特性表明三电极脉冲沿面流光放电较两电极脉冲沿面流光放电有更强的沉积能量和更高的激励器表面温度;流光发展图像显示三电极脉冲沿面流光放电除了包含一次流光和二次流光外,在一次流光到达第二接地电极后的电离通道中形成了相对均匀和无统一传播方向的新放电过程——过渡流光;连续脉冲放电下,由于前行脉冲放电的残余表面电荷,过渡流光在连续脉冲放电中向高压电极区域集聚。数值模拟得到一次流光接近第二接地电极时,由于一次流光头处积累大量正离子,使第二接地电极表面形成强约化电场的阴极层;第二接地电极的存在可导走放电产生的电荷,减少介质表面电荷积累,有利于过渡流光阶段电场增强。3.三电极脉冲沿面火花放电等离子体特性研究。实验诊断了三电极脉冲SDBD模式转变、电子温度和电子密度,并模拟分析了冲击波产生与传播。光电特性分析发现三电极连续脉冲SDBD可产生沿面流光放电和沿面火花放电两种模式。根据放电时空演图像变得到三电极脉冲沿面火花放电由一次流光、过渡流光和火花放电组成;基于发射光谱得到火花放电最大电子温度在初始阶段约为5.04 eV,并随时间增加逐渐减小,火花放电阶段电子密度约为4.30-7.06×1017 cm-3。利用纹影仪和高马赫数流体模型分析发现了脉冲沿面火花放电能量的快速释放,放电区域温度急剧上升至约4000 K产生冲击波。4.脉冲沿面介质阻挡放电除冰过程的等离子体特性研究。利用不同放电模式去除不同形态覆冰;通过数值模拟分析水珠与沿面流光的相互作用。实验发现三电极脉冲沿面流光放电比两电极脉冲沿面流光放电表现出更好的去除混合冰性能。高速相机和数值模拟发现水珠在放电过程中表现出介质特性,使沿面流光传播过程呈现“阻断”现象。实验结果表明三电极脉冲沿面火花放电可有效破除激励器表面明冰,破冰过程可分为三个放电阶段:电晕放电、流光放电和沿面火花放电;最后沿面火花放电的产生诱导强烈的冲击波破碎明冰。破冰时脉冲沿面火花放电主要由流光放电和火花放电两个阶段组成;根据放电过程所测发射光谱谱线,计算得到电子密度约为3.07×1017 cm-3。
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