WikiDer > Плазменный актуатор

Plasma actuator

Плазменные актуаторы являются разновидностью привод в настоящее время разрабатывается для аэродинамических управление потоком. Плазма приводы передают силу аналогично ионный корабль. Управление потоками плазмы привлекло значительное внимание и использовалось для ускорения пограничного слоя, управления разделением аэродинамических поверхностей, управлением разделением носовой части, управлением разделением лопаток турбины, повышением устойчивости осевого компрессора, теплопередачей и управлением высокоскоростной струей.[1]

Работа этих актуаторов основана на образовании низкотемпературной плазмы между парой несимметричных электроды путем подачи на электроды высоковольтного сигнала переменного тока. Следовательно, молекулы воздуха из воздуха, окружающего электроды, ионизируются и ускоряются электрическим полем.

Свечение плазменных разрядов актуатора

Вступление

Плазменные актуаторы, работающие в атмосферных условиях, перспективны для управления потоком, в основном из-за их физических свойств, таких как индуцированная массовая сила сильным электрическим полем и выделение тепла во время электрической дуги, а также простоты их конструкции и размещения. В частности, недавнее изобретение плазменных актуаторов тлеющего разряда Ротом (2003)[2] который может производить достаточное количество плазмы тлеющего разряда в воздухе с атмосферным давлением, помогает повысить эффективность регулирования потока.

Локальная скорость потока, создаваемая плазменным актуатором

Электропитание и расположение электродов

Либо постоянный ток (DC) или переменный ток Источник питания переменного тока или микроволновый микроразряд можно использовать для различных конфигураций плазменных актуаторов.[3] Одна схема конструкции блока питания переменного тока для диэлектрический барьерный разряд плазменный актуатор приведен здесь в качестве примера. Производительность плазменных актуаторов определяется диэлектрическими материалами и потребляемой мощностью, а затем ограничивается качеством МОП-транзистор или же IGBT.

Схемы управления (тип Е) источника питания

Формы управляющих сигналов можно оптимизировать для достижения лучшего срабатывания (скорости индуцированного потока). Однако синусоидальная форма волны может быть предпочтительнее из-за простоты конструкции источника питания. Дополнительным преимуществом является относительно меньшая электромагнитная интерференция. Широтно-импульсная модуляция может использоваться для мгновенной регулировки силы срабатывания.[4]

Широтно-импульсная модуляция подводимой мощности плазмы
Одна конфигурация плазменного актуатора DBD
Одна конфигурация плазменного актуатора DBD

Было показано, что манипуляции с инкапсулированным электродом и распределение инкапсулированного электрода по диэлектрическому слою изменяют характеристики плазменного привода диэлектрического барьерного разряда (DBD). Размещение исходного инкапсулированного электрода ближе к диэлектрической поверхности приводит к индуцированным скоростям, превышающим базовый случай для данного напряжения. Кроме того, исполнительные механизмы с мелким начальным электродом могут более эффективно передавать потоку импульс и механическую мощность.[5]

Независимо от того, сколько средств было инвестировано и сколько различных частных претензий к высокой наведенной скорости, максимальная, средняя скорость, наведенная плазменными приводами при атмосферном давлении, без какого-либо помощника механического усилителя (камера, полость и т. Д.), все еще меньше 10 м / с.[6]

Влияние температуры

Температура поверхности играет важную роль в ограничении пригодности плазменного актуатора диэлектрического барьерного разряда. Тяга, создаваемая приводом в неподвижном воздухе, увеличивается по степенному закону приложенного напряжения. Для напряжений, превышающих пороговое значение, показатель степени уменьшается, ограничивая увеличение тяги, и говорят, что исполнительный механизм находится в состоянии «насыщения», ограничивая его характеристики. Начало насыщения можно визуально коррелировать с началом событий нитевидного разряда. Эффектом насыщения можно управлять, изменяя локальную температуру поверхности диэлектрика.[7] Кроме того, имея дело с реальными самолетами, оснащенными плазменными приводами, важно учитывать влияние температуры. Колебания температуры, возникающие во время полета, могут отрицательно сказаться на характеристиках привода. Установлено, что при постоянном размахе напряжения максимальная скорость, создаваемая актуатором, напрямую зависит от температуры поверхности диэлектрика. Полученные данные свидетельствуют о том, что, изменяя температуру привода, можно поддерживать или даже изменять рабочие характеристики в различных условиях окружающей среды. Повышение температуры поверхности диэлектрика может повысить производительность плазменного актуатора за счет увеличения потока импульса при небольшом потреблении энергии.[8]

Приложения для управления потоком

Некоторые недавние применения плазменного срабатывания включают высокоскоростное управление потоком с использованием локализованных плазменных актуаторов с нитью дуги,[9] и управление низкоскоростным потоком с использованием диэлектрических барьерных разрядов для разделения потока и трехмерного управления следом[10] и управление звуком[11] и скользящие разряды.[12] Настоящее исследование плазменных актуаторов в основном сосредоточено на трех направлениях: (1) различные конструкции плазменных актуаторов; (2) приложения для управления потоком; и (3) ориентированное на управление моделирование потоков при срабатывании плазмы. Кроме того, новые экспериментальные и численные методы[13] разрабатываются, чтобы обеспечить физическое понимание.

Генератор вихрей

Плазменный актуатор вызывает локальное возмущение скорости потока, которое будет развиваться после вихревой пелены. В результате плазменные актуаторы могут вести себя как генераторы вихрей. Разница между этим и традиционным генерированием вихрей заключается в том, что на аэродинамических поверхностях отсутствуют механические движущиеся части или какие-либо просверленные отверстия, что демонстрирует важное преимущество плазменных актуаторов. Трехмерные приводы, такие как Плазменный привод змеевидной формы генерировать продольно ориентированные вихри,[14] которые полезны для управления потоком.[15]

Поле течения, вызванное плазмой

Активный контроль шума

Активный контроль шума обычно означает шумоподавление, то есть громкоговоритель с шумоподавлением излучает звуковую волну с той же амплитудой, но с инвертированной фазой (также известной как противофаза) по сравнению с исходным звуком. Однако для активного подавления шума с помощью плазмы используются другие стратегии. Первый использует открытие, что звуковое давление может быть ослаблено, когда оно проходит через плазменный листВторой, более широко используемый, заключается в активном подавлении поля потока, которое отвечает за шум, вызванный потоком (также известный как аэроакустика), используя плазменные актуаторы. Было продемонстрировано, что оба тональных шума[6] и широкополосный шум[11] (разница может относиться к тональный против широкополосного) может активно ослабляться тщательно разработанным плазменным приводом.

Управление сверхзвуковым и гиперзвуковым потоком

Плазма была введена в управление гиперзвуковым потоком.[16][17] Во-первых, гораздо проще создать плазму для гиперзвукового аппарата на большой высоте при довольно низком атмосферном давлении и высокой температуре поверхности. Во-вторых, у классической аэродинамической поверхности мало срабатывания корпуса.

Интерес к плазменным актуаторам как устройствам активного управления потоком быстро растет из-за отсутствия в них механических частей, небольшого веса и высокой частоты срабатывания. Характеристики диэлектрический барьерный разряд (DBD) плазменный актуатор при воздействии нестационарного потока, создаваемого ударная труба исследуется. Исследование показывает, что плазма не только воздействует на сдвиговый слой за пределами ударной трубы, но и прохождение ударного фронта и высокоскоростной поток за ним также сильно влияет на свойства плазмы.[18]

Управление полетом

Плазменные приводы могли быть установлены на аэродинамическом профиле для управления ориентацией полета и последующей траекторией полета. Таким образом можно сэкономить на громоздкой конструкции и обслуживании механических и гидравлических систем трансмиссии в классическом руле направления. Цена, которую нужно заплатить, заключается в том, что необходимо разработать подходящую электрическую систему высокого напряжения / мощности, удовлетворяющую правилу ЭМС. Следовательно, помимо управления потоком, плазменные актуаторы обладают потенциалом для управления полетом на высшем уровне, в частности, для исследований БПЛА и внеземных планет (с подходящими атмосферными условиями).

С другой стороны, необходимо пересмотреть всю стратегию управления полетом с учетом характеристик плазменных актуаторов. Одна система управления предварительным валком с плазменными приводами DBD показана на рисунке.[19]

Приводы DBD Plasma установлены на аэродинамическом профиле NACA 0015 для управления полетом без руля направления

Видно, что плазменные актуаторы развернуты по обе стороны от профиля. Управлением креном можно управлять путем активации плазменных приводов в соответствии с обратной связью по углу крена. После изучения различных методик управления с обратной связью, контроль взрыва Метод был выбран для создания системы управления валком на основе плазменных актуаторов. Причина в том, что управление взрывом оптимально по времени и нечувствительно к плазменным воздействиям, которые быстро меняются в различных атмосферных и электрических условиях.

Моделирование

Были предложены различные численные модели для моделирования плазменных воздействий при регулировании потока. Они перечислены ниже в соответствии с вычислительной стоимостью, от самых дорогих до самых дешевых.

Наиболее важный потенциал плазменных актуаторов - это способность связывать жидкости и электричество. Современная замкнутая система управления и следующие теоретические методы информации могут быть применены к относительно классическим аэродинамическим наукам. Ориентированная на управление модель срабатывания плазмы при управлении потоком была предложена для случая управления потоком в полости.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Контроль потока плазмы». Механический сайт. Получено 2020-10-04.
  2. ^ Рот, Дж. Р. (2003). «Ускорение аэродинамического потока с использованием параэлектрических и перистальтических электрогидродинамических эффектов однородной плазмы тлеющего разряда в одной атмосфере (ОАУГДП)». Физика плазмы. 10 (5): 1166–1172. Bibcode:2003ФПЛ ... 10.2117Р. Дои:10.1063/1.1564823.
  3. ^ Моро, Э. (2007). «Управление потоком воздуха нетепловыми плазменными приводами». J. Phys. D: Прил. Phys. 40 (3): 605–636. Bibcode:2007JPhD ... 40..605M. Дои:10.1088 / 0022-3727 / 40/3 / s01.
  4. ^ Хуанг, X .; Chan, S .; Чжан, X. (2007). «Атмосферный плазменный актуатор для аэроакустических приложений». IEEE Transactions по науке о плазме. 35 (3): 693–695. Bibcode:2007ITPS ... 35..693H. Дои:10.1109 / tps.2007.896781.
  5. ^ Расул Эрфани, Заре-Бехташ Х .; Hale, C .; Контис, К. (2015). «Разработка плазменных актуаторов DBD: электрод с двойной капсулой» (PDF). Acta Astronautica. 109: 132–143. Bibcode:2015AcAau.109..132E. Дои:10.1016 / j.actaastro.2014.12.016.
  6. ^ а б Хуанг, X .; Чжан, X. (2008). «Плазменные актуаторы с продольным и поперечным перемещением для контроля шума в полости, вызванной потоком» (PDF). Физика жидкостей. 20 (3): 037101–037101–10. Bibcode:2008PhFl ... 20c7101H. Дои:10.1063/1.2890448.
  7. ^ Райан Даршер, Скотт Стэнфилд и Субрата Рой. Определение характеристик и управление эффектом «насыщения» путем изменения температуры поверхности исполнительного механизма диэлектрического барьерного разряда Прил. Phys. Lett. 101, 252902 (2012); DOI: 10.1063 / 1.4772004
  8. ^ Расул Эрфани, Заре-Бехташ Х .; Контис, К. (2012). «Плазменный актуатор: влияние температуры поверхности диэлектрика» (PDF). Экспериментальная терминология и гидродинамика. 42: 258–264. Дои:10.1016 / j.expthermflusci.2012.04.023.
  9. ^ Самимы, М .; Kim, J. H .; Kastner, J .; Адамович, И .; Уткин, Ю. (2007). «Активное управление высокоскоростными струями и струями с большим числом Рейнольдса с помощью плазменных актуаторов». Журнал гидромеханики. 578: 305–330. Bibcode:2007JFM ... 578..305S. Дои:10,1017 / с0022112007004867.
  10. ^ Расул Эрфани; Контис, К. (2020). «Влияние плазменного актуатора MEE-DBD на аэродинамику аэродинамического профиля NACA0015: разделение и трехмерный след». Вычислительные методы в прикладных науках. Springer. 52: 75–92. Дои:10.1007/978-3-030-29688-9_4. ISBN 978-3-030-29688-9.
  11. ^ а б Хуанг, X., Чжан, X., и Ли, Y. (2010) Управление широкополосным потоком звука с использованием плазменных актуаторов, Журнал звука и вибрации, Том 329, № 13, стр. 2477–2489.
  12. ^ Li, Y .; Чжан, X .; Хуанг, X. (2010). «Использование плазменных актуаторов для контроля широкополосного шума тела обрывов». Эксперименты с жидкостями. 49 (2): 367–377. Bibcode:2010ExFl ... 49..367L. Дои:10.1007 / s00348-009-0806-3.
  13. ^ а б Коллеги, Эд; Хуанг, Сюнь; Ма, Чжаокай (2010). «Численная модель плазменных эффектов при регулировании потока». Письма о физике A. 374 (13–14): 1501–1504. Bibcode:2010ФЛА..374.1501П. Дои:10.1016 / j.physleta.2009.08.046.
  14. ^ Дасгупта, Арноб и Субрата Рой. «Трехмерное срабатывание плазмы для более быстрого перехода к турбулентности». Журнал физики D: Прикладная физика 50,42 (2017): 425201.
  15. ^ Ван, Джин-Джун, Квинг-Со Чой, Ли-Хао Фэн, Тимоти Н. Джукс и Ричард Д. Уолли. «Последние разработки в области управления потоком плазмы DBD». Прогресс в аэрокосмических науках 62 (2013): 52-78.
  16. ^ Shang, J.S .; и другие. (2005). «Механизмы плазменных актуаторов для управления гиперзвуковым потоком». Прогресс в аэрокосмических науках. 41 (8): 642–668. Bibcode:2005PrAeS..41..642S. Дои:10.1016 / j.paerosci.2005.11.001.
  17. ^ Bhatia, A .; Рой, С .; Госсе, Р. (2014). «Влияние плазменных актуаторов диэлектрического барьерного разряда на неравновесные гиперзвуковые потоки». Журнал прикладной физики. 116: 164904. Дои:10.1063/1.4898862.
  18. ^ Расул Эрфани, Заре-Бехташ Х .; Контис, К. (2012). «Влияние распространения ударной волны на работу плазменного привода диэлектрического барьерного разряда» (PDF). Журнал физики D: Прикладная физика. 45 (22): 225201. Bibcode:2012JPhD ... 45v5201E. Дои:10.1088/0022-3727/45/22/225201.
  19. ^ Вэй, К. К., Ню, З. Г., Чен, Б. и Хуанг, X. *, "Контроль взрыва-взрыва, применяемый в управлении креном аэродинамического профиля с помощью плазменных приводов", Журнал AIAA по самолетам, 2012, принято (arXiv: 1204.2491)
  20. ^ Рой, Субрата (2005). «Управление потоком с помощью радиочастоты в частично ионизированной ударной плазме». Письма по прикладной физике. 86 (10): 101502. Дои:10.1063/1.1879097.
  21. ^ Чо, Ён-Чанг; Shyy, Вэй (2011). «Адаптивное управление потоком аэродинамики с малым числом Рейнольдса с помощью привода диэлектрического барьерного разряда». Прогресс в аэрокосмических науках. 47 (7): 495–521. Bibcode:2011PrAeS..47..495C. Дои:10.1016 / j.paerosci.2011.06.005. HDL:2027.42/77022.
  22. ^ Singh, Kunwar P .; Рой, Субрата (2008). «Силовое приближение для плазменного актуатора, работающего в атмосферном воздухе». Журнал прикладной физики. 103 (1): 013305. Дои:10.1063/1.2827484.
  23. ^ Эрфани, Расул; Эрфани, Тохид; Контис, К .; Утюжников, С. (2013). «Оптимизация плазменного актуатора с несколькими герметизированными электродами» (PDF). Аэрокосмическая наука и технологии. 26: 120–127. Дои:10.1016 / j.ast.2012.02.020.
  24. ^ Хуанг, Сюнь; Чан, Сэмми; Чжан, Синь; Габриэль, Стив (2008). «Модель переменной структуры для управления тональным шумом, вызванным потоком, с помощью плазменных приводов» (PDF). Журнал AIAA. 46 (1): 241–250. Bibcode:2008AIAAJ..46..241H. Дои:10.2514/1.30852.