一种基于光强分布的二维sdbd激励器流场获取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于光强分布的二维SDBD激励器流场获取方法。
【背景技术】
[0002] 作为一种新型的流动控制技术，表面介质阻挡放电等离子体流动控制技术，SDBD (surface dielectric barrier discharge)激励器，即表面介质阻挡放电等离子体激励 器，全由电设备组成，不需要气动，水力和活动部件的参与。相比于传统流动控制技术，具有 轻质，宽工况，反应迅速等优点，因此具有广泛的应用前景。现在SDBD激励器的流场主要有 两个获取方法，一是直接用实验测得，比如PIV等设备。另一个是用仿真手段计算获得，比如 唯象学模型。实验方法获取流场简单直接，可靠性较高，但是存在设备昂贵，初期调试复杂， 操作不当会造成较大的实验误差。仿真手段获取流场，根据建模的不同有复杂也有简单，但 是源项参数靠经验选取，可靠性较差，而且得到最终结果所费时间较长。
【发明内容】
[0003] 为克服实验和仿真两者的缺点，本发明提供一种基于光强分布的二维SDBD激励器 流场获取方法，综合运用实验和仿真两种手段，用简单的实验设备获取真实可靠的SDBD激 励器流场信息。
[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0005] -种基于光强分布的二维SDBD激励器流场获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006] 步骤1，根据集总参数模型，建立SDBD激励器的等效电路，在等效电流源未向介质 板表面放出电荷时，测得电源电压UHV和标准电容器C m上的电压仏，得到比例系数k，其中k = Uhv/Um；
[0007] 步骤2,计算得到所述介质板的任一弦向截面的电荷量；
[0008]根据Qhi=Qcs+Qes和UEs = UHv_Um * UHv(k_l)/k，得到
[0009] QcS = UmCm-(UHv(k-l )/k)Cm/(k-1 ) = (Um_UHv/k)Cm J
[0010] Q = Qcs/l,
[0011] 其中，Qcs为所述介质板上电荷总量，Qes为暴露电极和植入电极组成电容器的电荷 总量，整个等效电路的电荷总量，Q为所述介质板的任一弦向截面的电荷量，1为所述 SDBD激励器暴露电极展向长度，(^为标准电容器的电容;暴露电极向植入电极放电时，测得 上述参数；
[0012]步骤3,通过高速相机获取所述SDBD激励器放电图像，通过matlab将所述放电图像 转化为灰度矩阵;再通过matlab将所述灰度矩阵进行高斯函数拟合得到放电光强的光强分 布函数G(x);
[0013] 步骤4,根据Jpc,maxG'（x)f(t)=Q，计算得至ljpc, max;
[0014] 其中，Q为所述介质板一弦向截面的电荷量，pc,max为电荷密度最大值，f(t) = sin(2 为波形函数，取f(t) = l，G'（x)为通过光强分布函数G(x)得到的电荷密度分布趋势函 数；
[0015] 根据唯象学模型中放电区域电荷分布满足的关系式：
[0016] Pc,w = Pc,maxG'（X)f (t)，得到电荷密度分布函数 Pc,w;
[0017] 步骤5,根据唯象学仿真方法，将电荷密度分布函数9。,|带入唯象学模型，对二维 SDBD激励器流场进行仿真流场计算，得到二维SDBD激励器流场。
[0018]进一步的，所述步骤3中matlab中将所述灰度图像进行高斯函数拟合得到所述放 电光强的分布函数时，取最接近真实值的多项高斯函数拟合。
[0019] 进一步的，步骤4中的化。,_￡'（叉奸(〇=〇，其中成腹为唯一未知量，且为常数。 [0020] 进一步的，
[0021]进一步的，步骤3中，通过matlab将所述放电图像转化为灰度矩阵时，得到所述介 质板弦向截面上平均灰度值。
[0022]进一步的，光强分布函数G(x)为所述介质板的弦向截面光强分布函数。
[0023]本发明的有益效果为：
[0024]本发明所提供的一种基于光强分布的二维SDBD激励器流场获取方法，是通过实验 手段获取真实的仿真源项，再通过仿真计算获得二维SDBD激励器流场的方法。所述方法主 要分为两大步，实验和仿真。其中实验主要有两个:电学实验，获取弦向截面最大电荷密度； 光学实验，获取弦向截面光强分布函数，利用光强分布与电荷分布趋势一致的关系，得到光 强分布函数。仿真则是按照唯象学模型，代入实验获取的源项，得到流场图。本发明最终所 获取的SDBD激励器流场结果与PIV实验结果类似，但与之相比，本发明有两大优势，一方面 仿真不需要昂贵且复杂的实验设备，省略了后者繁杂的实验操作，源项参数测量方便;另一 方面，克服了PIV固有的示踪粒子带来的系统跟随误差，以及受静电吸引的沉积在电极上的 示踪粒子造成激光的漫反射引起流场信息的缺失的问题。与现有的仿真手段相比，其源项 不是通过经验选取，而是通过实验手段获取的真实结果，其结果真实可靠。本发明所述方法 特别适用于低气压下的SDBD激励器流场测量，因为此时获取流场图像的常规实验手段变得 更加难以使用，比如PIV在低气压下不仅因为气流作用下带来更大的误差，而且此时粒子播 撒难度加大，即便播撒成功，对仪器也带来较大的损伤。
【附图说明】
[0025]图1为介质板电荷量测量电路图；
[0026]图2为SDBD激励器放电图像测量实验图；
[0027] 图3为唯象学模型中外电场产生的电势边界条件图；
[0028] 图4为唯象学模型中电荷的边界条件图。
【具体实施方式】
[0029]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0030] SDBD激励器即介质阻挡放电等离子体激励器，由暴露电极、植入电极和介质板组 成，暴露电极和植入电极分别粘贴在介质板的上下两面;所述的暴露电极暴露于空气中，与 激励电源的高压端连接;所述的植入电极表面包裹有绝缘材料，与地线连接。
[0031] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0032]步骤1，如图1所示，根据集总参数模型，建立SDBD激励器的等效电路，放置于植入 电极与地线间的标准电容器U用于测量整个所述等效电路的电荷，Cm具有标准值2nF的电 容，比CES值大得多，因此对放电影响相对较小，此处便忽略不计。在电极间空气击穿时，等 效电流源向介质板表面随机放出电荷，在等效电流源未向介质板表面放出电荷时，测得电 源电压U HV和标准电容器Cm上的电压1^，得到比例系数k，其中k = UHV/Um;
[0033] 步骤2,计算得到所述介质板的任一弦向截面的电荷量；
[0034] 电荷分布是不均匀的，其介质板上电荷总量是Qcs，即虚拟电极和植入电极组成电 容器的电荷总量。当电流为正向时Qcs增加，相反时减少。而Qcs存在必然会诱导出量相同，但 是极性相反的电荷-Qcs。因此，连接到SDBD激励器上标准电容器C m所带的电荷为Qm=Qcs+QES。 据此，在两电极间发生放电时有：
[0035] Ues = Uhv-Uhi ? Uhv (k-1) /k
[0036] Qcs = UmCm- ( Uhv (k-1) /k) Cm/ (k-1) = (Um-UHv/k) Cm
[0037] Q = QCS/1
[0038] 其中，Qcs为所述介质板上的电荷总量，Qes为暴露电极和植入电极组成电容器的电 荷总量，Q为所述介质板的任一弦向截面的电荷量，1为所述SDBD激励器暴露电极展向长度， Qm为整个等效电路的电荷总量吗，Cm为标准电容器的电容；
[0039] 步骤3,如图2所示，通过高速相机获取SDBD激励器放电图像，通过matlab将所述放 电图像转化为灰度矩阵，得到所述介质板弦向截面上平均灰度值;再用matlab将所述灰度 矩阵进行高斯函数拟合，可取多项高斯函数拟合，以使函数曲线与散点重合度最高，但为了 使拟合结果具有实际意义，必须保证每项参数均为正数，得到所述介质板的弦向截面放电 光强的光强分布函数G(X);