定向自旋等离子体激励器及定向自旋流动控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种定向自旋等离子体激励器及定向自旋流动控制方法，该定向自旋等离子体激励器包括有气流入口以及气流出口的绝缘管、环绕设置在绝缘管上的电极组件以及与电极组件相连的高压电源。本发明提供了一种等离子体射流的方向可控以及可提高助燃减排效率的定向自旋等离子体激励器及定向自旋流动控制方法。
【专利说明】定向自旋等离子体激励器及定向自旋流动控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种等离子体激励器，尤其涉及一种定向自旋等离子体激励器及定向自旋流动控制方法。
【背景技术】
[0002]近年来等离子体技术已在锅炉助燃、发动机减排等领域得到一定程度的研究。通过在燃烧室的进气道安装等离子体发生装置，将进气口一端的空气分子电离，产生大量高能电子、处于激发态的离子、自由基和准分子等携带高能量的等离子态物质，在燃烧室内等离子态物质中的高能粒子与燃料产生能量交换，使燃料分子瞬间发生一系列物理、化学变化而处于活化状态，可以使燃料的燃点大幅降低，有效解决贫燃料起燃困难问题，达到助燃目的；同时也可以大大改善因燃烧不充分导致的微粒物沉积及有害气体排放。
[0003]目前在大气压条件下最可行的方法是利用辉光放电产生等离子体，也称为介质阻挡放电。通过设计激励器的电极布局，可产生基于等离子体电流体动力诱导的空气射流。流场中激励器附近的空气在强电场作用下被电离形成等离子体，等离子体又受到空间不均匀电场的加速而获得动能，向电场梯度方向运动，不可避免地同周围气体分子产生碰撞，并在碰撞中发生能量转移。如果发生的是弹性碰撞，其结果将增强分子的动能。如果发生非弹性碰撞，其结果将会增加分子的内能，随着内能的增加就会引起分子内部能量状态的变化。因而无论是弹性碰撞还是非弹性碰撞，在离子与中性气体分子的相互作用中，会将一部分能量转移给气体分子，从而对流场施加影响。当电场强度足够时，介质阻挡放电过程中产生的大量等离子体在电场力的作用下形成能量流，通过离子与中性分子之间的动量传输诱导气体分子运动，交换并传递能量，从而对流场施加扰动或增加定向运动的动量。
[0004]流动控制技术是近几年国内外对飞行器减阻技术的研究，通过设计为如图1的电极布局形式(图中示意分别是:内部电极1、等离子体放电区2、外部电极或掩埋电极3、绝缘介质4、来流方向5以及等离子体射流6)，内部电极I和外部电极或掩埋电极3之间错开一定尺度，各电极之间平行排布形成大面积的激励区阵列，可望达到对来流的大规模流动控制，实现减小机翼表面粘滞气流的作用，从而降低飞行器气动阻力10%?30%的目的。
[0005]在锅炉助燃、发动机减排等领域，等离子体放电技术虽得到一定程度的应用与研究，但目前采用介质阻挡放电技术的激励器电极普遍采用如图2的布局形式(图中示意分别是:内部电极1、等离子体放电区2、外部电极或掩埋电极3、绝缘介质4、来流方向5以及等离子体射流6)，仅仅利用了等离子体中的高能粒子对燃料的活化作用，无法对来流形成定向流动，一方面高能粒子之间的相互碰撞复合会降低等离子体的助燃减排作用，另一方面由于来流气体在运动过程中只是临近平板式等离子体放电区的部分才有机会受激发电离，因而效率较低。
【发明内容】
[0006]为了解决【背景技术】中存在的上述技术问题，本发明提供了一种等离子体射流的方向可控以及可提高助燃减排效率的定向自旋等离子体激励器及定向自旋流动控制方法。
[0007]本发明的技术解决方案是:本发明提供了一种定向自旋等离子体激励器，其特殊之处在于:所述定向自旋等离子体激励器包括有气流入口以及气流出口的绝缘管、环绕设置在绝缘管上的电极组件以及与电极组件相连的高压电源。
[0008]上述电极组件包括分别以螺旋方式设置在绝缘管内壁的正电极条以及设置在绝缘管外壁上或掩埋设置在绝缘管的负电极条；所述正电极条与负电极条相互平行；所述正电极条以及负电极条分别与高压电源相连。
[0009]上述正电极条和负电极条均与入口平面角度相一致；所述电极条与入口平面相对角度是30°?60° ;所述正电极条和负电极条均是单螺旋对或多螺旋对；所述正电极条和负电极条均采用多螺旋对时，所述多对正电极条或负电极条分别并联后与高压电源相连。
[0010]上述正电极条的宽度范围是Imm?3mm ;所述负电极条的宽度是正电极条宽度的2?4倍。
[0011]上述相邻正电极条与负电极条之间设置有电极间隙；所述电极间隙的范围是Omm ?2mm ο
[0012]上述绝缘管是聚酰亚胺管、聚四氟乙烯管、氧化铝陶瓷管或石英管；所述绝缘管的壁厚范围是0.6mm?3mm ;所述正电极条以及负电极条均是钌电极条、错电极条、IE电极条或铜电极条。
[0013]上述高压电源的输出电压调整范围是3kV?30kV ;所述电源的频率输出范围是3kHz ?15kHz ο
[0014]一种基于如上所述的定向自旋等离子体激励器的定向自旋流动控制方法，其特殊之处在于:所述方法包括以下步骤:
[0015]I)正电极条安装于绝缘管内以及负电极条安装于绝缘管外并分别与高压电源的两极相连接；
[0016]2)接通电流后，正电极条对负电极条的高压脉冲辉光放电，绝缘管内的气流从气流入口进入并沿绝缘管道的内壁面形成切向壁面的绕流，集体绕流形成朝向气流出口端的合力，产生自旋运动气流，以射流形式从气流出口端加速流出。
[0017]本发明的优点是:
[0018]本发明提供了一种定向自旋等离子体激励器及定向自旋流动控制方法，该激励器将流动控制等离子体激励手段应用于助燃与减排领域，并创造了适合于管道气体激励的定向自旋等离子体激励器，将等离子体激励器的正负电极螺旋式布置于绝缘管道两侧，接通高压电后，形成切向内壁面的定向运动绕流，当电场强度足够时，即可在管道内部形成“飓风”式的定向加速等离子体射流。本发明不但可以大幅提高来流气体与激励器高压电极的接触机会，使等离子体与来流气体更充分的混合与作用，而且可以加速来流气体向燃烧室运动，大大提高助燃减排效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是国内外对飞行器减阻技术中所用的电极布局示意图；
[0020]图2是介质阻挡放电技术的激励器电极布局示意图；
[0021]图3是本发明所提供的定向自旋等离子体激励器的结构示意图；[0022]其中:
[0023]1-内部电极；2_等离子体放电区；3_外部电极或掩埋电极；4_绝缘介质；5-来流方向；6_等离子体射流方向；10-绝缘管；11_内螺旋电极；12_电极间隙；13-外螺旋电极；14-气流入口 ； 15-气流出口。
【具体实施方式】
[0024]参见图3，本发明提供了一种定向自旋等离子体激励器，该定向自旋等离子体激励器包括:绝缘管10,绝缘管10的一端为气流入口 14,另一端为气流出口 15,绝缘管内壁布置有螺旋式正电极条，外壁布置有螺旋式负电极条，正电极条和负电极条分别连接高压电源的两极；绝缘管内外电极条之间留有电极间隙12，电极间隙12的范围是Omm?2mm，优选采用Imm间距。
[0025]绝缘管10材料通常选用聚酰亚胺管、聚四氟乙烯管、氧化铝陶瓷管、石英管，壁厚范围优选0.6mm?3_。
[0026]内外壁电极条材料可以是各种导电性、耐温性、耐氧化性好的金属，优选钌、铑、钯等金属，从加工性及价格角度考虑，铜也是优先考虑的材料。
[0027]内壁正电极条宽度范围优选Imm?3mm，外壁负电极条宽度应为内壁电极条宽度的2?4倍。
[0028]内螺旋电极11、外螺旋电极13与入口平面角度一致，且内外螺旋各处相互平行组成电极对，角度优选30°?60° ;内外螺旋电极对可以是单螺旋对也可以是多螺旋对，采用多螺旋对结构时各螺旋的内电极(正)与外电极(负)分别并联后连接到高压电源的两极。
[0029]高压电源的输出电压调整范围为3kV?30kV，高压电源的频率输出范围为3kHz?15kHz ο
[0030]本发明在提供上述定向自旋等离子体激励器的同时，还提供了一种基于该激励器的定向自旋流动控制方法，该方法具体是:
[0031]正电极条以及负电极条分别安装于绝缘管内，而正电极条、负电极条又分别连接高压电源的两极，接通电流后，利用正电极条对负电极条的高压脉冲辉光放电，使绝缘管内的气流从气流入口 14进入沿绝缘管10的内壁面形成切向壁面的绕流，集体绕流形成朝向出口端的合力，产生如同“飓风”风暴中心的自旋运动气流，以射流形式从气流出口 15加速流出。
【权利要求】
1.一种定向自旋等离子体激励器，其特征在于:所述定向自旋等离子体激励器包括有气流入口以及气流出口的绝缘管、环绕设置在绝缘管上的电极组件以及与电极组件相连的高压电源。
2.根据权利要求1所述的定向自旋等离子体激励器，其特征在于:所述电极组件包括分别以螺旋方式设置在绝缘管内壁的正电极条以及设置在绝缘管外壁上或掩埋设置在绝缘管的负电极条；所述正电极条与负电极条相互平行；所述正电极条以及负电极条分别与高压电源相连。
3.根据权利要求2所述的定向自旋等离子体激励器，其特征在于:所述正电极条和负电极条均与入口平面角度相一致；所述电极条与入口平面相对角度是30°?60° ;所述正电极条和负电极条均是单螺旋对或多螺旋对；所述正电极条和负电极条均采用多螺旋对时，所述多对正电极条或负电极条分别并联后与高压电源相连。
4.根据权利要求3所述的定向自旋等离子体激励器，其特征在于:所述正电极条的宽度范围是Imm?3mm ;所述负电极条的宽度是正电极条宽度的2?4倍。
5.根据权利要求4所述的定向自旋等离子体激励器，其特征在于:所述相邻正电极条与负电极条之间设置有电极间隙；所述电极间隙的范围是Omm?2mm。
6.根据权利要求5所述的定向自旋等离子体激励器，其特征在于:所述绝缘管是聚酰亚胺管、聚四氟乙烯管、氧化铝陶瓷管或石英管；所述绝缘管的壁厚范围是0.6mm?3mm;所述正电极条以及负电极条均是钌电极条、错电极条、钮电极条或铜电极条。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的定向自旋等离子体激励器，其特征在于:所述高压电源的输出电压的调整范围是3kV?30kV ;所述高压电源的频率输出范围是3kHz ?15kHz ο
8.一种基于权利要求7所述的定向自旋等离子体激励器的定向自旋流动控制方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: 1)正电极条安装于绝缘管内以及负电极条安装于绝缘管外并分别与高压电源的两极相连接； 2)接通电流后，正电极条对负电极条的高压脉冲辉光放电，绝缘管内的气流从气流入口进入并沿绝缘管道的内壁面形成切向壁面的绕流，集体绕流形成朝向气流出口端的合力，产生自旋运动气流，以射流形式从气流出口端加速流出。
【文档编号】H05H1/02GK103945628SQ201410163762
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】王红飞, 杨利青, 周倩倩, 刘欢, 王浩静, 张洪 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所