放电频率对气流的影响-大气压非平衡等离子体射流（1）

图2.4.4给出了不同放电频率下等离子体射流的照片，这些照片既能反映等离子体射流的状态，同时也能很好地显示出气流的状态。射流的主体部分为长直段，是气流的层流区。而尖端分叉的部分是湍流区。在有些状态下，如8kHz时，射流末端会出现波纹状的结构，这是气流稳定性下降形成的介于层流区和湍流区之间的过渡段。

当频率低于0.4kHz或者高于8kHz时，等离子体射流较长，气流呈现出层流状态部分很长。而当频率介于0.4～8kHz之间时，等离子体射流较短，气流在等离子体射流的末端转化为湍流。随着频率的增大，射流长度先减小后增大。当频率为6kHz左右时转捩点距离喷嘴最近。这表明较低频率或者较高频率的放电都有利于气流保持层流，而中间频率放电时气流容易转化为湍流。

图2.4.4　不同放电频率对应的射流照片[14](www.xing528.com)

电压8kV，脉宽10μs，气流4L/min

4L/min的氦气流量对应的气体密度、绝对黏度、气体流速分别为0.17 kg/m3、1.96×10-5kg/（m·s）、84.9m/s。计算得到其雷诺数约为736。这一数值对应的是层流状态。从上面的结果可以看出，此时是放电导致了气流提前从层流转化为湍流。这种影响过程一般是通过来自边界层外的扰动传输到边界层中并增长，最终导致了气流的失稳。而气流的边界层对于来自边界层外的扰动的感受性和气流的基本特征有关，同时也与扰动的频率有关。Jacobs和Durbin发展了一种能对所有频率扰动进行线性扰动连续谱分析的方法，发现自由来流中特定扰动进入边界层的深度（PD）与扰动频率和雷诺数存在负相关：PD∝（1/ωRe）0.133[16]。所以气流对扰动频率具有选择机制。当扰动频率太高的时候，扰动会受到剪切屏蔽效应的作用而无法传递到边界层，只有较低频率的扰动才能进入边界层，对气流状态产生影响。另一方面，如果扰动的频率太低，尽管气流会受到扰动的影响，但可以依靠黏性力的作用恢复到初始状态，保持稳定的层流状态。所以扰动频率太低或者太高都更有利于气流保持层流状态。所以在本部分中观察到气流转捩点随放电频率的增大先提前后推迟的现象。