2.4.1节和2.4.2节中给出了不同放电频率和电压时放电等离子体对气体流动模式的影响,但放电是通过什么机制产生扰动的呢?本部分将通过分析电极结构对气流的影响来对这一问题展开讨论。
从已报道的关于等离子体激励器的研究来看,等离子体对低速气流产生影响的最主要的机制是通过产生电动风来影响气流[12]。而电动风的产生需要一系列的条件。比如对电极结构就有独特的要求。只有非对称结构的电极才能产生电动风,如针-板结构、单针结构等。如果是对称结构,则一般不能产生电动风。正是出于这样的考虑,图2.4.6给出了非对称结构的单针电极和对称结构的双环形电极放电分别对气流的影响。其中,图2.4.6(a)是无等离子体时的气流状态;图2.4.6(b)、(c)分别是单针电极放电时气流的状态和射流照片;图2.4.6(d)、(e)是在玻璃管外放置两个环形电极且下方电极为阳极、上方电极为阴极时气流的状态和射流照片;图2.4.6(f)、(g)同样是在玻璃管外放置两个环电极,不同的是上电极为阳极、下电极为阴极。不放电的时候,气流层流区的长度超过3cm。采用单针电极结构产生等离子体射流,气流层流区的长度立即减小到约1cm。如果将电极结构改变为置于管外的两个环电极,则气流层流区长度进一步缩短。双环电极结构的放电应该不会产生电动风,但层流区的长度反而更短,这表明电动风的作用应该不是影响气流的主要因素。层流区长度变短的原因可能是因为双电极结构的放电要比单针电极放电更剧烈,对气流产生的影响也更显著。
既然电动风不是放电导致气流转捩的主要因素,那么放电可能是通过其他的方式将动能注入到气流中,其可能的机制包括两个方面。一方面,等离子体中的带电粒子会在电场的作用下产生定向运动。定向运动的离子将其从电场中获得的能量以动能的形式注入到气流中。由于氦气等离子体中的带电粒子主要为电子和正离子,而电子质量小,其动能也小,可以忽略不计。只有正离子的动能可以对气流产生影响。同时,由于上升沿放电和下降沿放电时电场方向相反,所以正离子也会周期性出现加速和减速,造成气流的周期性振荡。另一方面,放电的过程中会产生一定的热量,导致气流发生膨胀。这两种不同的机制都会在气流中形成局部的压力脉动。这种压力脉动会沿着气流方向向下游传播形成下游边界层的扰动。一旦扰动的频率合适,就会在边界层中迅速放大并导致气流失稳。放电电压越高,则放电越剧烈,导致的气流周期性振荡和膨胀也越剧烈,因此形成的压力脉动幅值也越大,从而使气流更容易转化为湍流。
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图2.4.6 介质管外加环电极及交换电极极性对等离子体射流和气流产生的影响[14]
(a)无放电时气流的纹影图像;(b)玻璃管内单针高压电极条件下放电时的气流纹影图像;(c)对应(b)的等离子体射流照片;(d)玻璃管外放置两个环状电极且阳极靠近喷嘴放电时的气流纹影图像;(e)对应(d)的等离子体射流照片;(f)玻璃管外放置两个环状电极且阴极靠近喷嘴放电时的气流纹影图像;(g)对应(f)的等离子体射流照片。电压、脉宽、频率及气流速度分别为8kV、10μs、4kHz、4L/min
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