一种水下脉冲放电等离子体激励器及流动控制方法与流程

本发明涉及一种等离子体激励器，尤其涉及一种水下脉冲放电等离子体激励器及流动控制方法。

背景技术：

流动控制是实现水下航行体减阻、降噪的方法之一，对于提升水下航行体的工作性能具有重要的作用。

目前，针对水下航行体的流动控制方法主要包括主动和被动两种。主动流动控制方法包括壁面电磁力法、多孔壁吸入/吹喷法、壁面加热/冷却法、柔性可变形壁面法等；被动流动控制包括：仿生壁面法、表面活性剂法、最优外形设计法等。

水下流动控制技术和方法仍存在诸多技术难题，并制约着水下流动控制的深入发展和工程实际应用部署。例如，作为一种经典的被动式流动控制方法，仿生壁面减阻和降噪方法相对于主动控制方法，对流场的适应性不足，一般情况下不能随着来流工况的改变而作出调整，在高机动工况下的减阻效能可能出现下降。表面活性剂减阻主要面对的是封闭的管道流动，将之应用于水下航行器减阻时面临着表面活性剂散失的问题，需要连续不断的添加，消耗量过大。气泡/气幕/超空泡技术存在着气泡逃逸、气泡在深水中生成和维持困难、能量利用率低等问题，特别是在水下航行器偏航、高机动时，机体附近部分气泡、空化泡难以稳定和控制，可能出现减阻能力突降、噪声水平提高等问题，将制约着水下机动和生存能力的提升。另外，前人试验研究指出法向电磁力控制方法仅在较低雷诺数时有明显减阻效果，在较高雷诺数下减阻并不明显，因而影响了该方法的适用范围。

技术实现要素：

本发明意在提供一种水下脉冲放电等离子体激励器及流动控制方法，以解决现有的水下流动控制技术和方法对流场适应性不足，控制难度高，适用范围窄的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水下脉冲放电等离子体激励器，包括绝缘基底和耐高压电缆，所述绝缘基底加工有槽道和孔道，所述槽道内适配安装有成组的第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层和第二绝缘层之间装夹有一放电电极片，所述放电电极片远离槽道底部的一端与第一绝缘层和第二绝缘层之间形成有放电狭缝，所述耐高压电缆的一端经孔道和第一绝缘层后与放电电极片密封连接，所述耐高压电缆的另一端连接高压脉冲源。

优选地，所述放电电极片的边缘为具有曲率半径的表面。

优选地，所述第一绝缘层、放电电极片和第二绝缘层之间间隔设有电绝缘材质的定位紧固螺钉，所述第一绝缘层设有第一定位孔，所述槽道底部设有与第一定位孔配合的凸起，所述放电电极片设有与定位紧固螺钉配合的第二定位孔。

优选地，所述槽道和孔道的壁面预先涂覆有防水密封胶。

优选地，所述放电狭缝为线槽状或环槽状。

优选地，所述等离子体激励器沿流向或展向呈阵列布置在水下航行体试验模型上，所述等离子体激励器的外露表面与水下航行体试验模型的外壁面平齐。

本发明的另一目的在于，提供一种水下脉冲放电等离子体激励器的流动控制方法，应用于上述等离子体激励器，包括：

将等离子体激励器安装到水下航行体实验模型预制的安装槽内，放电电极片通过耐高压电缆与高压脉冲源的正极连接，水下航行体实验模型的金属导电壁面与高压脉冲源的负极或接地极相连接；接通电流后，放电狭缝内产生的场强，使得放电狭缝内残留的微量气泡介质首先被放电击穿，进而引起放电狭缝内的水体介质被放电击穿，从而在放电狭缝内形成脉冲放电等离子体区域；当上一放电周期结束后，放电狭缝内将补充水体介质，并残留微量气泡，往复上述脉冲放电过程实现流动控制。

本发明的有益技术效果：

本发明利用放电狭缝的方式构建水下脉冲放电等离子体激励器，可以在放电狭缝及附近流场中实现稳定的脉冲放电，能够对水下航行体壁面附近的流动产生调控效果，为实现流动控制和减阻提供主动操控手段；放电狭缝的宽度很小，放电电极片边缘很薄，可产生较高的放电电场，能够促进放电的发生，降低放电的难度；水下脉冲放电等离子体激励器由绝缘层和放电电极片构成，便于模块化、集成化、高精度组装，有利于实现水下脉冲放电等离子体激励器的阵列布置和批量生产制造，能够实现水下等离子体的大面积、大体量稳定生成；激励器对水质要求不高，可以实现在自来水、去离子水的稳定放电，为水下航行体在各种水环境中的运行提供了方便；水下脉冲放电等离子体激励器放电工作由外部高压脉冲电源驱动，单一激励器模块所需平均功率低，有利于激励器的大规模使用；水下脉冲放电等离子体激励器的放电狭缝可布置成线槽状或环槽状等多种样式，充分满足不同形状试验模型以及复杂壁面结构的试验模型的激励器布置需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种水下脉冲放电等离子体激励器的应用场景布局示意图；

图2为本发明实施例提供的一种水下脉冲放电等离子体激励器的结构示意图；

图3为图2的水下脉冲放电等离子体激励器沿水平方向局部剖切后的结构示意图；

图4为图2的水下脉冲放电等离子体激励器沿竖直方向局部剖切后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：水下航行体试验模型1、钢丝2、等离子体激励器3、绝缘基底4、第一绝缘层5、放电电极片6、第二绝缘层7、耐高压线缆的线芯8、耐高压线缆的绝缘层9、定位紧固螺钉10、第一定位孔11、第二定位孔12。

如图1所示，等离子体激励器3安装在水下航行体试验模型1壁面预制的安装槽内，等离子体激励器3的外露表面与水下航行体试验模型1的外壁面平齐，为简单起见，图中仅画出一个等离子体激励器3，实际可根据流场特性和水下航行体试验模型1的几何布局特性开展，沿流向或展向阵列布置，并在外部同步触发控制信号的作用下，实现等离子体激励器3阵列的并发或序列输出，以达到更优的主动流动控制效果。水下航行体试验模型1由钢丝2悬垂于水洞试验段，用于开展等离子体激励器3的相关测试试验。

如图2、图3和图4所示，一种水下脉冲放电等离子体激励器3，包括绝缘基底4和耐高压电缆，绝缘基底4由热化学稳定性较好的电绝缘材料构成，是支撑整个水下脉冲放电等离子体激励器3的框架，绝缘基底4加工有槽道和孔道，槽道内适配安装有成组的第一绝缘层5和第二绝缘层7，第一绝缘层5和第二绝缘层7之间装夹有一放电电极片6，放电电极片6远离槽道底部的一端与第一绝缘层5和第二绝缘层7之间形成有放电狭缝。

为保证防水密封效果，绝缘基底4内的槽道和孔道壁面可预先涂覆防水密封胶，然后安装第一绝缘层5、第二绝缘层7以及耐高压线缆。

第一绝缘层5和第二绝缘层7为成组的两片电绝缘材质的结构块，为避免影响水下脉冲放电，除放电狭缝部位以外，第一绝缘层5、第二绝缘层7与放电电极片6之间的配合面应当避免水体进入。

第一绝缘层5、第二绝缘层7和放电电极片6的厚度之和等于绝缘基底4的槽道宽度，使得第一绝缘层5和第二绝缘层7在夹紧放电电极片6后，能够适配安装在激励器绝缘基底4的槽道内，避免产生过大的配合间隙，减少对水下航行体试验模型1的近壁面流场的影响。

放电电极片6为金属不锈钢材质构成的薄片，其厚度满足在放电狭缝中产生击穿放电的电场需求，放电电极片6的边缘可通过精密加工方法，形成具有曲率半径的表面，增强局部放电电场；第一绝缘层5和第二绝缘层7的尺寸均大于放电电极片6的尺寸，使得放电电极片6、第一绝缘层5和第二绝缘层7的底端对齐后，第一绝缘层5和第二绝缘层7的上端高度均高于放电电极片6的上端高度，第一绝缘层5、第二绝缘层7和放电电极片6共同构成一条放电狭缝。

耐高压电缆的一端经孔道和第一绝缘层5后与放电电极片6密封连接，耐高压电缆的另一端连接高压脉冲源的正极，为放电电极片6提供高压脉冲源，其由内部的耐高压电缆的线芯和外部包裹的耐高压电缆的绝缘层构成，实现防水和电气绝缘。

第一绝缘层5、放电电极片6和第二绝缘层7之间间隔设有电绝缘材质的定位紧固螺钉10，用于对第一绝缘层5、第二绝缘层7和放电电极片6进行定位紧固，实现放电狭缝的尺寸、形状保持。定位紧固螺钉10选择电绝缘材质，是为了避免放电电极片6通过金属类紧固件与外界水体介质直接电气连通。第一绝缘层5设有第一定位孔11，槽道底部设有与第一定位孔11配合的凸起，放电电极片6设有与定位紧固螺钉10配合的第二定位孔12。

接地电极为水下航行体实验模型的金属导电壁面，与高压脉冲源的负极或接地极相连接，并在高压脉冲源通电后与放电电极片6之间建立局部放电电场，实现放电狭缝内及其附近介质的高压脉冲放电击穿；接地电极与放电狭缝内的放电电极片6的最小距离满足放电击穿的电气参数要求。

放电狭缝为线槽状，也可设计成环形槽道状等各种形状，满足不同形状试验模型的布置要求。放电狭缝内为水介质，当放电电极片6未接通高压电源时，放电狭缝内大部分为水介质，残留有微量气泡；当放电电极片6接通高压电源时，由于壁面为接地电极，在放电狭缝内将产生较强的场强，使得放电狭缝内残留的微量气泡介质首先被放电击穿，进而引起整个狭缝内的水体介质被放电击穿，从而在放电狭缝内形成脉冲放电等离子体区域；当上一放电周期结束后，放电狭缝内将补充水体介质，并继续残留微量气泡，为下一周期放电做好准备，往复上述脉冲放电过程实现流动控制。

在等离子体激励器3装配完成后，应先在水箱内开展防水密封测试以及高压加载测试，确保放电工作正常后，再安装到水下航行体试验模型1预制的安装槽内，并将耐高压线缆从对水下航行体试验模型1待测流场影响最小的部位引出。

在等离子体激励器3初次测试时，高压脉冲功率源的参数设置应当遵循“小能量、短脉冲、低重复频率”的原则，逐渐增加放电能量和放电强度，必要时可先采用数值仿真的办法预估出合理的、匹配的放电参数，避免由于放电能量过于集中而带来的等离子体激励器3损坏。

等离子体激励器3对水下航行体试验模型1近壁面流动控制效果的测试，可采用激光诱导荧光法、氢气泡法、激光干涉法、粒子成像测速法等流动显示方法开展流场观测，也可采用天平直接测力的方法以评估流动控制带来的阻力变化。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。