0 引言

等离子体合成射流激励器不仅与传统介质阻挡放电激励器一样具有无活动部件、响应速度快、频带宽的优势,还能产生高速脉冲射流^[1]。已有实验表明等离子体合成射流激励器在激波边界层干扰控制^[2-4]、激波调控^[5-6]、机翼表面流动分离抑制^[7]等方面都具有重要的应用前景。

2003年,霍普金斯大学提出等离子体合成射流激励器（也称火花放电合成射流激励器）,使用的放电方式为两电极电容放电。当施加的电压达到击穿电压时,电极间隙被击穿产生火花放电注入能量。放电频率由充电回路中的限流电阻控制,增大电阻则频率降低。但由于击穿电压不稳定、放电频率不稳定,不利于流动控制。为实现稳定可控的电容放电,2010年提出了三电极结构的激励器设计^[8]。这种设计通过向触发电极施加高压脉冲来触发放电,使放电频率稳定可控。随后的研究发现,三电极结构的激励器能有效增加放电电极间距,提高激励器性能^[9]。此后,三电极结构激励器逐渐取代两电极结构激励器,被各个研究单位广泛采用^{[5, 9-15]}。国内国防科技大学的王林对三电极与两电极的等离子体合成射流激励器作了对比研究,表明三电极结构激励器性能更优,能量利用率更高^[16]。

三电极等离子体合成射流激励器由阳极、阴极、触发极构成,其中阳极与放电电容正极相连,阴极与放电电容负极相连且接地,触发极则与高压脉冲触发电源相连。2012年,Todd M.Reedy比较阳极是否施加电压的放电图像,指出三电极放电过程为先在触发极与阴极形成放电通道,随后在阳极与触发极之间形成放电通道,进而形成阳极与阴极间的放电回路^[17]。2014年,国防科学技术大学的王林利用高速相机拍摄放电图像,也得到了同样的结论^[16]。2016年,空军工程大学的李洋在研究三电极放电特性时,观察到阳极与触发极、触发极与阴极同时放电的现象^[18]。由此可见,三电极放电过程并不唯一,但其背后的原因还没有被研究。同时,三电极结构激励器电极相对位置的设计与触发电源、直流电源电压等参数直接相关,两者之间存在着一定的匹配关系。目前,还缺少对这方面的研究,也缺乏对不同触发电源触发特性的认识。

为解决上述问题,本文采用上升时间分别为纳秒和微秒量级的两台高压脉冲电源分别作为触发电源,研究了上升沿、直流电压对三电极放电过程的影响,摸索总结了不同触发条件下的三电极布局规律,指出了不同条件下最大放电间距的变化规律。最后,从理论上对不同放电过程进行了分析,深化了对实验规律的认识。

1 实验系统

三电极放电实验系统如图1所示,主要由三电极结构激励器、高压直流电源、高压脉冲电源、电阻、电容、示波器及高压探头等组成。

三电极结构激励器主要由阴极、阳极、触发极3个钨针电极组成,3根钨针分别固定于微动位移平台上,调整精度达1 μm。三电极结构激励器中的触发极与高压脉冲电源的输出连接,阴极与地连接,阳极与高压直流电源的输出连接。

高压直流电源的输出电压为0~±10 kV连续可调。触发电源采用微秒脉冲电源或纳秒脉冲电源^[19-23],其在不同气压、气流条件下的放电特性^[24-27],以及对不同材料的表面特性影响^[28-31]近些年被广泛的研究。其中,微秒脉冲电源的输出电压0~18 kV连续可调,上升沿约1 μs,半高宽约1 μs,重复频率0~5 kHz连续可调;纳秒脉冲电源电压0~18 kV连续可调,上升沿约50 ns,半高宽约100 ns,重复频率0~5 kHz连续可调。实验中,脉冲电源采用单次触发模式,即输入1次触发控制信号,高压脉冲源输出1次高压脉冲。

在直流电源的输出端串联一个100 kΩ的电阻,并在直流电源的正负极之间并联一个100 nF的电容,当三电极结构激励器放电时限制流入直流电源的电流大小,起保护作用。

放电参数采用DPO4104数字示波器和2个P6015A高压探头来测量。高压探头分别采集的是激励器触发极和阳极电压,测试点位置见图1。

2 实验结果与分析

2.1 2种放电模式

研究三电极放电过程,主要通过2种方法进行表征。一种是利用单反相机拍摄放电图像。为避免单反相机曝光时间较长带来时间分辨率不足的问题,将高压直流电源的输出电压设置为0,闭合与电容并联的开关,且高压脉冲电源为单次触发。此时如果放电模式为同时击穿模式,则将观察到2个放电通道;否则,只能看到电极间形成的单个放电通道。另一种是利用电压波形判断。将高压直流电

图1 三电极放电实验系统示意图 Fig.1 Sketch of three-electrode discharge experimental system

源输出电压调整为500 V,通过电压测试点1与2的电压波形变化反映放电过程。

实验中放电图像采用Nikon D90单反相机拍摄,镜头为Nikon AF-S DX 尼克尔18~105 mm f3.5~5.6 G),光圈f3.5,快门速度1/50 s,焦距18 mm,感光度ISO400,拍摄图像见图2。

采用微秒脉冲和纳秒脉冲电源作为触发电源,得到的放电图像完全不同。采用微秒脉冲触发电源时,只在阴极（或阳极,取决于阴、阳极与触发极的距离）与触发极之间形成了一个放电通道;采用纳秒脉冲电源时,在阴极与触发极之间、触发极与阳极之间形成了2个放电通道。

在阴阳极之间施加直流激励,当2种脉冲电源触发得到的放电图像都如图2(b)所示时,记录放电波形见图3。采用微秒脉冲电源,当触发极的电压使触发极与阴极之间的空气间隙达到击穿条件时,间隙被击穿导通,形成放电回路,触发极电压迅速下降,但是因为阳极与阴极之间并没有形成放电通道,所以电容上的电压保持不变。经过500 ns延迟时间后,阳极与触发极之间的放电通道形成,电容才开始通过完整的等离子体通道放电,电压下降;采用纳秒脉冲电源时,触发极的电压与电容电压几乎同时下降,说明阳极与触发极、触发极与阴极之间的2个放电通道几乎同时形成。

研究表明,触发电源的上升沿不同,三电极放电存在2种不同模式。一种为同时击穿模式,即当触发电源上升沿为纳秒量级时,阳极与触发极、触发极与阴极之间的2个放电通道同时形成的击穿模式,与文献[16]研究结果一致;另一种为依次击穿模式,即当触发电源上升沿为微秒量级时,2个放电通道依次形成,之间存在一定的时间差的击穿模式,与文献[18]研究结果一致。

2.2 电极布局规律

上节表明触发电源上升沿不同,放电模式不同。这2种放电模式对电极布局也有重要影响。固定阳极与触发极位置,改变触发电源的类型和放电电容两端的直流电压,阴极位置只有在一定范围内变化,才能够形成稳定的三电极放电。

图4所示为采用微秒脉冲电源触发,三电极稳定放电时,阴极通道距离与阳极通道距离的关系。这里,阳极通道距离指阳极与触发极之间的距离,固定阳极通道距离时发现,阴极的位置在一定范围内变化,三电极都可以实现稳定放电,所以在这里

图2 2种脉冲电源触发得到的放电图像 Fig.2 Discharge images of two pulse power supply

图3 2种脉冲电源触发得到的放电波形 Fig.3 Discharge waveforms of two pulse power supply

取阴极位置变化过程中的中间位置与触发极之间的距离作为阴极通道距离。U_DC为直流电源的输出电压大小。由图4(a)可知,当阳极通道距离不变时,为实现三电极稳定放电,施加负直流电压时阴极通道距离减小;随着电压幅值的升高,阴极通道间距增大。

由图4(b)可知,施加正直流电压时阴极通道距离增大。与此同时,阳极通道距离受到直流电压的限制,在阳极通道距离一定时,只有当直流电压达到一定幅值时才能实现三电极放电。这种现象与国防科学技术大学王林指出的三电极放电存在一定的直流击穿电压一致^[16]。随着电压的升高,阴极通道间距减小。当电压为4 000 V时,在通道间距较小

图4 微秒触发电源下阴极通道距离与阳极通道距离的关系 Fig.4 Relation between cathode channel distance and anode channel distance by microsecond pulse power supply

的情况下,不使用触发源仍会出现放电现象,把这种情况视为触发失败。

图5所示为采用纳秒脉冲电源触发,三电极稳定放电时,阴极通道距离与阳极通道距离的关系。由图可知,随着阳极通道距离的增加,阴极通道距离也相应增加。由于纳秒脉冲电源触发时的放电模式为同时击穿,所以当施加的直流电压为0时,阳极通道距离与阴极通道距离几乎相同。当施加直流电压时,两通道距离之间的差别随之产生。当施加正直流电压时,阴极通道间距比阳极通道间距大,且电压越高相差越大。当施加负直流电压时,则正好相反。与使用微秒脉冲电源触发不同的是,阳极放电通道距离并不受施加直流电压的影响。即用纳秒脉冲电源触发放电时,三电极是否稳定放电不是由直流电压决定。

图6、7所示为微秒、纳秒2种脉冲电源触发时,阴极的可调节范围与阳极通道距离、电容两端

图5 纳秒触发电源下阴极通道距离与阳极通道距离的关系 Fig.5 Relation between cathode channel distance and anode channel distance by ns pulse power supply

直流电压之间的关系。由图可知,对于上述两种触发电源,当阳极通道距离增大时,阴极的可调节范围都会减小。这种现象意味着,增大放电间距,会减小放电稳定性。在放电间距与触发条件一定的情况下,增大直流电压可提高电极的可调节范围,进而提高放电稳定性。当阳极通道距离与施加的直流电压都相同时,微秒脉冲触发情况下阴极可调节范围较大,这是因为在直流电压的影响下,三电极稳定放电时,阴极通道距离从0开始变化。

2.3 不同触发条件下的最大间距

图8所示为采用微秒脉冲触发源时,阴极通道、阳极通道长度与直流电压的关系。可以看出,随着直流电压的正向增加或反向减小,阴极与阳极通道长度都会随之增加。在直流电压反向减小时,阳极通道长度大幅增加,而阴极通道长度增加缓慢;在直流电压正向增加时,阴极通道长度的增加速度则会大于阳极通道的增加速度。

图6 微秒触发条件下稳定放电的阴极可调节范围 Fig.6 Adjustable cathode channel range by microsecond pulse power supply under stable discharge

图9所示为采用纳秒脉冲触发源时,阴极、阳极通道长度与直流电压的关系。与微秒触发情况不同,当直流电压正向增加或反向减小时,阴极通道与阳极通道距离都能明显增加。

图10为2种电源触发条件下,最大放电间距（指阴极通道距离与阳极通道距离的最大长度之和）与直流电压间的关系。由于2种脉冲源触发的放电模式不同,最大间距差别较大。采用纳秒脉冲触发源时,最大放电间距明显高于微秒脉冲触发条件下的结果。在无直流电压输入时,纳秒脉冲触发形成的最大放电间距已达10 mm。当施加-4 kV直流电压时最大放电间距更是达到17.5 mm。因此纳秒脉冲电源更适合作为触发电源。

3 实验现象分析

上述实验表明,三电极放电模式与触发电源电压的上升速度密切相关。这实质上是由击穿延时引起的。根据实验数据,Martin T. H总结了计算延迟

图7 纳秒触发条件下稳定放电的阴极可调节范围 Fig.7 Adjustable cathode channel range by ns pulse power supply under stable discharge

时间的经验公式^[32],如式(1)所示

\({{t}_{delay}}=97\ 800\frac{{{\rho }^{2.44}}}{{{E}^{3.44}}}\) (1)

式中：\({{t}_{delay}}\)为击穿延迟时间,s;\(\rho \)为放电区域的空气密度,10³ kg/m³;\(E\)为击穿场强,\(kV/cm\)。

理论上,在均匀电压条件下,击穿场强为^[33]

\(E=24.36p+6.72\sqrt{\frac{p}{d}}\) (2)

式中：\(p\)为放电区域的气压大小,10⁵ Pa;\(d\)为放电间距,cm。由式(2),可计算出不同间距对应的击穿场强,再利用式(1)计算出延时时间。

当电极间距<1 cm时,击穿延迟时间与电极间距的关系见图11。可知：当间隙<1 cm时,延迟时间均为十ns量级,也就是达到击穿电压后仍需几十ns才会出现击穿现象。因此,当触发电源电压上升时间较小,达到与击穿延迟时间同一量级时,如果阴极、阳极通道距离相互匹配,就可以实现同时击穿。而对于触发电压上升时间为微秒量级时,很难

图8 微秒触发条件下阴极通道与阳极通道长度与直流电压之间的关系 Fig.8 Relation between cathode electrode distance and anode electrode distance by microsecond pulse power supply

与阴极、阳极通道击穿电压一致,当一个通道达到击穿电压时,由于触发电压上升比较缓慢,另一通道很难达到击穿电压,因此,只能实现单通道放电。

4 结论

1）触发电源脉冲电压的上升时间对放电模式有重要的影响。纳秒触发源电压上升时间与击穿延迟时间相近,可促使两个放电通道同时形成,实现同时击穿。微秒触发源配合直流激励只能使2个放电通道依次形成,放电模式为依次击穿。

2）使用微秒脉冲触发源时,三电极放电间距与直流电压相关,存在直流击穿电压。而使用纳秒触发源时,直流电压为零时仍能实现阴极通道和阳极通道同时放电,不存在直流击穿电压。

3）加载直流电压可以提高放电稳定性;加载相同直流电压时,使用纳秒脉冲源触发形成的最大放电间距明显大于微秒脉冲源触发形成的最大放电间距。

图9 纳秒触发条件下阴极通道与阳极通道距离与直流电压之间的关系 Fig.9 Relation between cathode channel distance and anode channel distance by nanosecond pulse power supply

图10 最大放电间距与触发源、直流电压的关系 Fig.10 Relation between the largest discharge distance and power supply & DC voltage

图11 击穿延迟时间与电极间距之间的关系 Fig.11 Relation between discharge delay time and electrode distance

参考文献

[1] POPKIN S H, TAYLOR T M, CYBYK B Z.Development and application of the spark jet actuator for high-speed flow control[J]. Johns Hopkins APL Technical Digest, 2013, 32(1): 404-418.

[2] WEBB N, CLIFFORD C, SAMIMY M.Control of oblique shock wave/boundary layer interactions using plasma actuators[J]. Experiments in Fluids, 2013, 54(6): 1-13.

[3] NARAYANASWAMY V, RAJA L L, CLEMENS N T.Control of unsteadiness of a shock wave/turbulent boundary layer interaction by using a pulsed-plasma-jet actuator[J]. Physics of Fluids, 2012, 24(7): 543.

[4] NARAYANASWAMY V, RAJA L L, CLEMENS N T.Control of a shock/boundary-layer interaction by using a pulsed-plasma jet actuator[J]. AIAA Journal, 2012, 50(1): 246-249.

[5] EMERICK T, ALI M, FOSTER C, et al.Spark jet actuator characterization in supersonic cross flow[C]∥AIAA Flow Control Conference. New Orleans, USA: AIAA, 2006.

[6] EMERICK T, ALI M Y, FOSTER C, et al.Spark jet characterizations in quiescent and supersonic flowfields[J]. Experiments in Fluids, 2014, 55(12): 1858.

[7] CARUANA D, BARRICAU P, GLEYZES C.Separation control with plasma synthetic jet actuators[J]. International Journal of Aerodynamics, 2013, 3(1/3): 71-83.

[8] HAACK S J, TAYLOR T, EMHOFF J, et al.Development of an analytical spark jet model[C]∥5th Flow Control Conference. Chicago, USA: AIAA, 2010.

[9] HAACK S J, TAYLOR T M, CYBYK B Z, et al.Experimental estimation of SparkJet efficiency[C]∥42nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. Honolulu, USA: AIAA, 2011.

[10] FOSTER C H.Characterizing high frequency microscale flows using optical methods [D]. Florida,USA: Florida State University, 2011.

[11] REEDY T M, KALE N V, DUTTON J C, et al.Experimental characterization of a pulsed plasma jet[C]∥50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Nashville, USA: AIAA, 2012.

[12] GOLBABAEI-ASL M, KNIGHT D, ANDERSON K, et al.Spark jet efficiency[C]∥51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Grapevine, USA: AIAA, 2013.

[13] REEDY T M, KALE N V, DUTTON J C, et al.Experimental characterization of a pulsed plasma jet[J]. AIAA Journal, 2013, 51(8): 20-27.

[14] GOLBABAEI-ASL M, KNIGHT D, WILKINSON S.Novel technique to determine spark jet efficiency[J]. AIAA Journal, 2014, 53(3): 501-504.

[15] WANG L, XIA Z, LUO Z.Technical notes three-electrode plasma synthetic jet actuator for high-speed flow control[J]. AIAA Journal, 2014, 52(4): 879-882.

[16] 王林. 等离子体高能合成射流及其超声速流动控制机理研究[D]. 长沙:国防科学技术大学,2014. WANG Lin.Principle of plasma high-energy synthetic jet and supersonic flow control[D]. Changsha, China: National University of Defense Technology, 2014.

[17] REEDY T M, KALE N V, CRAIG D J, et al.Experimental characterization of a pulsed plasma jet[C]∥50th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Nashville, USA: AIAA, 2012.

[18] 李洋,吴云,宗豪华,等. 三电极等离子体合成射流的尖尖放电特性[J]. 高电压技术,2016,42(3):828-835. LI Yang, WU Yun, ZONG Haohua, et al.Characteristics of sharp discharge of three-electrode plasma synthetic jet[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 828-835.

[19] 田学敏,田希晖,车学科,等. 不同气压下纳秒脉冲的放电特性[J]. 高电压技术,2016,42(3):813-820. TIAN Xuemin, TIAN Xihui, CHE Xueke, et al.Nanosecond pulse discharge characteristics under different pressure[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 813-820.

[20] 郝玲艳,李清泉,秦冰阳,等. 纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体激励器的特性[J]. 高电压技术,2016,42(9):2936-2942. HAO Lingyan, LI Qingquan, QIN Bingyang, et al.Characteristics of surface dielectric barrier discharge plasma actuator under the nanosecond pulse voltage[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(9): 2936-2942.

[21] 何堃,庞磊,狄东旭,等. 气流环境中纳秒脉冲沿面介质阻挡放电的特性[J]. 中国电机工程学报,2015,35(16):4254-4262. HE Kun, PANG Lei, DI Dongxu, et al.Characteristics of nanosecond pulse surface dielectric barrier discharge in air flow[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(16): 4254-4262.

[22] 牛宗涛,章程,王瑞雪,等. 脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电特性影响的实验研究[J]. 电工技术学报,2016,31(19):191-198. NIU Zongtao, ZHANG Cheng, WANG Ruixue, et al.Experimental study on the effect of the pulse repetition frequency on the characteristics of microsecond-pulse gliding discharges[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(19): 191-198.

[23] 邵涛,章程,王瑞雪,等. 大气压脉冲气体放电与等离子体应用[J]. 高电压技术,2016,42(3):685-705. SHAO Tao, ZHANG Cheng, WANG Ruixue, et al.Atmospheric-pressure pulsed gas discharge and pulsed plasma application[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 685-705.

[24] 刘洋,吴广宁,高国强,等. 方波脉冲下聚酰亚胺绝缘破坏机理研究进展[J]. 高压电器,2016,52(7):10-18. LIU Yang, WU Guangning, GAO Guoqiang, et al.Progress of research into the polyimide insulation failure mechanism under square impulse stress[J]. High Voltage Apparatus, 2016,52(7): 10-18.

[25] 夏云峰,高胜友,陈锡阳,等. 波形特征与统计特征相结合的局部放电脉冲分类方法[J]. 高压电器,2015,51(8):146-151. XIA Yunfeng, GAO Shengyou, CHEN Xiyang, et al.Classification of partial discharge pulses based on waveform characteristics and statistical parameters[J]. High Voltage Apparatus, 2015, 51(8): 146-151.

[26] 沈苑,王瑞雪,章程,等. 微秒脉冲激励的大气压氦等离子体射流放电特性[J]. 强激光与粒子束,2016,28(5):106-112. SHEN Yuan, WANG Ruixue, ZHANG Cheng, et al.Characterization of atmospheric pressure helium plasma jet driven by microsecond pulse[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2016, 28(5): 106-112.

[27] 陈磊,杨林,万翔,等. 三探针方法脉冲放电等离子体特性[J]. 强激光与粒子束,2015,27(4):219-223. CHEN Lei, YANG Lin, WAN Xiang, et al.Characteristics of pulsed discharge plasma using triple probe[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(4): 219-223.

[28] 李黎,彭明洋,腾云,等. 大气压重频纳秒脉冲放电对尼龙纤维的表面改性[J]. 高电压技术,2016,42(3): 753-761. LI Li, PENG Mingyang, TENG Yun, et al.Surface modification of nylon fiber using atmospheric repetitive nanosecond pulse discharge[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 753-761.

[29] 刘熊,林海丹,梁义明,等. 空气中微秒脉冲沿面放电对环氧树脂表面特性影响研究[J]. 电工技术学报,2015,30(13):158-165. LIU Xiong, LIN Haidan, LIANG Yiming, et al.Effect of atmospheric-pressure microsecond pulsed discharges on epoxy resin surface[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(13): 158-165.

[30] 马云飞,章程,李传扬,等. 重频脉冲放电等离子体处理聚合物材料加快表面电荷消散的实验研究[J].中国电机工程学报,2016,36(6):1731-1738. MA Yunfei, ZHANG Cheng, LI Chuanyang, et al.Experimental study of accelerating surface charge dissipation on polymer treated by repetitively pulsed discharge plamas[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(6): 1731-1738.

[31] 李文耀,姜楠,李杰,等. 正极性纳秒脉冲电压下天然酯绝缘油的击穿特性和发射光谱[J]. 高电压技术,2016,42(5):1470-1475. LI Wenyao, JIANG Nan, LI Jie, et al.Breakdown characteristics and emission spectrum of natural ester insulating oil under positive nano second pulse voltage[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(5): 1470-1475.

[32] MARTIN T H.An empirical formula for gas switch breakdown delay[C]∥Pulsed Power Conference. [S.l.]: [s.n.], 1989.

[33] 韩旻,邹晓兵,张贵新. 脉冲功率技术基础[M]. 北京:清华大学出版社,2010. HAN Min, ZOU Xiaobing, ZHANG Guixin.Pulsed power technology[M]. Beijing, China: Tsinghua University Press, 2010.