定向自旋等離子體激勵(lì)器及定向自旋流動(dòng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種定向自旋等離子體激勵(lì)器及定向自旋流動(dòng)控制方法，該定向自旋等離子體激勵(lì)器包括有氣流入口以及氣流出口的絕緣管、環(huán)繞設(shè)置在絕緣管上的電極組件以及與電極組件相連的高壓電源。本發(fā)明提供了一種等離子體射流的方向可控以及可提高助燃減排效率的定向自旋等離子體激勵(lì)器及定向自旋流動(dòng)控制方法。
【專利說明】定向自旋等離子體激勵(lì)器及定向自旋流動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種等離子體激勵(lì)器，尤其涉及一種定向自旋等離子體激勵(lì)器及定向自旋流動(dòng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來等離子體技術(shù)已在鍋爐助燃、發(fā)動(dòng)機(jī)減排等領(lǐng)域得到一定程度的研究。通過在燃燒室的進(jìn)氣道安裝等離子體發(fā)生裝置，將進(jìn)氣口一端的空氣分子電離，產(chǎn)生大量高能電子、處于激發(fā)態(tài)的離子、自由基和準(zhǔn)分子等攜帶高能量的等離子態(tài)物質(zhì)，在燃燒室內(nèi)等離子態(tài)物質(zhì)中的高能粒子與燃料產(chǎn)生能量交換，使燃料分子瞬間發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化而處于活化狀態(tài)，可以使燃料的燃點(diǎn)大幅降低，有效解決貧燃料起燃困難問題，達(dá)到助燃目的；同時(shí)也可以大大改善因燃燒不充分導(dǎo)致的微粒物沉積及有害氣體排放。
[0003]目前在大氣壓條件下最可行的方法是利用輝光放電產(chǎn)生等離子體，也稱為介質(zhì)阻擋放電。通過設(shè)計(jì)激勵(lì)器的電極布局，可產(chǎn)生基于等離子體電流體動(dòng)力誘導(dǎo)的空氣射流。流場中激勵(lì)器附近的空氣在強(qiáng)電場作用下被電離形成等離子體，等離子體又受到空間不均勻電場的加速而獲得動(dòng)能，向電場梯度方向運(yùn)動(dòng)，不可避免地同周圍氣體分子產(chǎn)生碰撞，并在碰撞中發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。如果發(fā)生的是彈性碰撞，其結(jié)果將增強(qiáng)分子的動(dòng)能。如果發(fā)生非彈性碰撞，其結(jié)果將會(huì)增加分子的內(nèi)能，隨著內(nèi)能的增加就會(huì)引起分子內(nèi)部能量狀態(tài)的變化。因而無論是彈性碰撞還是非彈性碰撞，在離子與中性氣體分子的相互作用中，會(huì)將一部分能量轉(zhuǎn)移給氣體分子，從而對流場施加影響。當(dāng)電場強(qiáng)度足夠時(shí)，介質(zhì)阻擋放電過程中產(chǎn)生的大量等離子體在電場力的作用下形成能量流，通過離子與中性分子之間的動(dòng)量傳輸誘導(dǎo)氣體分子運(yùn)動(dòng)，交換并傳遞能量，從而對流場施加擾動(dòng)或增加定向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量。
[0004]流動(dòng)控制技術(shù)是近幾年國內(nèi)外對飛行器減阻技術(shù)的研究，通過設(shè)計(jì)為如圖1的電極布局形式(圖中示意分別是:內(nèi)部電極1、等離子體放電區(qū)2、外部電極或掩埋電極3、絕緣介質(zhì)4、來流方向5以及等離子體射流6)，內(nèi)部電極I和外部電極或掩埋電極3之間錯(cuò)開一定尺度，各電極之間平行排布形成大面積的激勵(lì)區(qū)陣列，可望達(dá)到對來流的大規(guī)模流動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)減小機(jī)翼表面粘滯氣流的作用，從而降低飛行器氣動(dòng)阻力10%?30%的目的。
[0005]在鍋爐助燃、發(fā)動(dòng)機(jī)減排等領(lǐng)域，等離子體放電技術(shù)雖得到一定程度的應(yīng)用與研究，但目前采用介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的激勵(lì)器電極普遍采用如圖2的布局形式(圖中示意分別是:內(nèi)部電極1、等離子體放電區(qū)2、外部電極或掩埋電極3、絕緣介質(zhì)4、來流方向5以及等離子體射流6)，僅僅利用了等離子體中的高能粒子對燃料的活化作用，無法對來流形成定向流動(dòng)，一方面高能粒子之間的相互碰撞復(fù)合會(huì)降低等離子體的助燃減排作用，另一方面由于來流氣體在運(yùn)動(dòng)過程中只是臨近平板式等離子體放電區(qū)的部分才有機(jī)會(huì)受激發(fā)電離，因而效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種等離子體射流的方向可控以及可提高助燃減排效率的定向自旋等離子體激勵(lì)器及定向自旋流動(dòng)控制方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:本發(fā)明提供了一種定向自旋等離子體激勵(lì)器，其特殊之處在于:所述定向自旋等離子體激勵(lì)器包括有氣流入口以及氣流出口的絕緣管、環(huán)繞設(shè)置在絕緣管上的電極組件以及與電極組件相連的高壓電源。
[0008]上述電極組件包括分別以螺旋方式設(shè)置在絕緣管內(nèi)壁的正電極條以及設(shè)置在絕緣管外壁上或掩埋設(shè)置在絕緣管的負(fù)電極條；所述正電極條與負(fù)電極條相互平行；所述正電極條以及負(fù)電極條分別與高壓電源相連。
[0009]上述正電極條和負(fù)電極條均與入口平面角度相一致；所述電極條與入口平面相對角度是30°?60° ;所述正電極條和負(fù)電極條均是單螺旋對或多螺旋對；所述正電極條和負(fù)電極條均采用多螺旋對時(shí)，所述多對正電極條或負(fù)電極條分別并聯(lián)后與高壓電源相連。
[0010]上述正電極條的寬度范圍是Imm?3mm ;所述負(fù)電極條的寬度是正電極條寬度的2?4倍。
[0011]上述相鄰正電極條與負(fù)電極條之間設(shè)置有電極間隙；所述電極間隙的范圍是Omm ?2mm ο
[0012]上述絕緣管是聚酰亞胺管、聚四氟乙烯管、氧化鋁陶瓷管或石英管；所述絕緣管的壁厚范圍是0.6mm?3mm ;所述正電極條以及負(fù)電極條均是釕電極條、錯(cuò)電極條、IE電極條或銅電極條。
[0013]上述高壓電源的輸出電壓調(diào)整范圍是3kV?30kV ;所述電源的頻率輸出范圍是3kHz ?15kHz ο
[0014]一種基于如上所述的定向自旋等離子體激勵(lì)器的定向自旋流動(dòng)控制方法，其特殊之處在于:所述方法包括以下步驟:
[0015]I)正電極條安裝于絕緣管內(nèi)以及負(fù)電極條安裝于絕緣管外并分別與高壓電源的兩極相連接；
[0016]2)接通電流后，正電極條對負(fù)電極條的高壓脈沖輝光放電，絕緣管內(nèi)的氣流從氣流入口進(jìn)入并沿絕緣管道的內(nèi)壁面形成切向壁面的繞流，集體繞流形成朝向氣流出口端的合力，產(chǎn)生自旋運(yùn)動(dòng)氣流，以射流形式從氣流出口端加速流出。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0018]本發(fā)明提供了一種定向自旋等離子體激勵(lì)器及定向自旋流動(dòng)控制方法，該激勵(lì)器將流動(dòng)控制等離子體激勵(lì)手段應(yīng)用于助燃與減排領(lǐng)域，并創(chuàng)造了適合于管道氣體激勵(lì)的定向自旋等離子體激勵(lì)器，將等離子體激勵(lì)器的正負(fù)電極螺旋式布置于絕緣管道兩側(cè)，接通高壓電后，形成切向內(nèi)壁面的定向運(yùn)動(dòng)繞流，當(dāng)電場強(qiáng)度足夠時(shí)，即可在管道內(nèi)部形成“颶風(fēng)”式的定向加速等離子體射流。本發(fā)明不但可以大幅提高來流氣體與激勵(lì)器高壓電極的接觸機(jī)會(huì)，使等離子體與來流氣體更充分的混合與作用，而且可以加速來流氣體向燃燒室運(yùn)動(dòng)，大大提高助燃減排效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是國內(nèi)外對飛行器減阻技術(shù)中所用的電極布局示意圖；
[0020]圖2是介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的激勵(lì)器電極布局示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明所提供的定向自旋等離子體激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)示意圖；[0022]其中:
[0023]1-內(nèi)部電極；2_等離子體放電區(qū)；3_外部電極或掩埋電極；4_絕緣介質(zhì)；5-來流方向；6_等離子體射流方向；10-絕緣管；11_內(nèi)螺旋電極；12_電極間隙；13-外螺旋電極；14-氣流入口 ； 15-氣流出口。
【具體實(shí)施方式】
[0024]參見圖3，本發(fā)明提供了一種定向自旋等離子體激勵(lì)器，該定向自旋等離子體激勵(lì)器包括:絕緣管10,絕緣管10的一端為氣流入口 14,另一端為氣流出口 15,絕緣管內(nèi)壁布置有螺旋式正電極條，外壁布置有螺旋式負(fù)電極條，正電極條和負(fù)電極條分別連接高壓電源的兩極；絕緣管內(nèi)外電極條之間留有電極間隙12，電極間隙12的范圍是Omm?2mm，優(yōu)選采用Imm間距。
[0025]絕緣管10材料通常選用聚酰亞胺管、聚四氟乙烯管、氧化鋁陶瓷管、石英管，壁厚范圍優(yōu)選0.6mm?3_。
[0026]內(nèi)外壁電極條材料可以是各種導(dǎo)電性、耐溫性、耐氧化性好的金屬，優(yōu)選釕、銠、鈀等金屬，從加工性及價(jià)格角度考慮，銅也是優(yōu)先考慮的材料。
[0027]內(nèi)壁正電極條寬度范圍優(yōu)選Imm?3mm，外壁負(fù)電極條寬度應(yīng)為內(nèi)壁電極條寬度的2?4倍。
[0028]內(nèi)螺旋電極11、外螺旋電極13與入口平面角度一致，且內(nèi)外螺旋各處相互平行組成電極對，角度優(yōu)選30°?60° ;內(nèi)外螺旋電極對可以是單螺旋對也可以是多螺旋對，采用多螺旋對結(jié)構(gòu)時(shí)各螺旋的內(nèi)電極(正)與外電極(負(fù))分別并聯(lián)后連接到高壓電源的兩極。
[0029]高壓電源的輸出電壓調(diào)整范圍為3kV?30kV，高壓電源的頻率輸出范圍為3kHz?15kHz ο
[0030]本發(fā)明在提供上述定向自旋等離子體激勵(lì)器的同時(shí)，還提供了一種基于該激勵(lì)器的定向自旋流動(dòng)控制方法，該方法具體是:
[0031]正電極條以及負(fù)電極條分別安裝于絕緣管內(nèi)，而正電極條、負(fù)電極條又分別連接高壓電源的兩極，接通電流后，利用正電極條對負(fù)電極條的高壓脈沖輝光放電，使絕緣管內(nèi)的氣流從氣流入口 14進(jìn)入沿絕緣管10的內(nèi)壁面形成切向壁面的繞流，集體繞流形成朝向出口端的合力，產(chǎn)生如同“颶風(fēng)”風(fēng)暴中心的自旋運(yùn)動(dòng)氣流，以射流形式從氣流出口 15加速流出。
【權(quán)利要求】
1.一種定向自旋等離子體激勵(lì)器，其特征在于:所述定向自旋等離子體激勵(lì)器包括有氣流入口以及氣流出口的絕緣管、環(huán)繞設(shè)置在絕緣管上的電極組件以及與電極組件相連的高壓電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向自旋等離子體激勵(lì)器，其特征在于:所述電極組件包括分別以螺旋方式設(shè)置在絕緣管內(nèi)壁的正電極條以及設(shè)置在絕緣管外壁上或掩埋設(shè)置在絕緣管的負(fù)電極條；所述正電極條與負(fù)電極條相互平行；所述正電極條以及負(fù)電極條分別與高壓電源相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定向自旋等離子體激勵(lì)器，其特征在于:所述正電極條和負(fù)電極條均與入口平面角度相一致；所述電極條與入口平面相對角度是30°?60° ;所述正電極條和負(fù)電極條均是單螺旋對或多螺旋對；所述正電極條和負(fù)電極條均采用多螺旋對時(shí)，所述多對正電極條或負(fù)電極條分別并聯(lián)后與高壓電源相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定向自旋等離子體激勵(lì)器，其特征在于:所述正電極條的寬度范圍是Imm?3mm ;所述負(fù)電極條的寬度是正電極條寬度的2?4倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向自旋等離子體激勵(lì)器，其特征在于:所述相鄰正電極條與負(fù)電極條之間設(shè)置有電極間隙；所述電極間隙的范圍是Omm?2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定向自旋等離子體激勵(lì)器，其特征在于:所述絕緣管是聚酰亞胺管、聚四氟乙烯管、氧化鋁陶瓷管或石英管；所述絕緣管的壁厚范圍是0.6mm?3mm;所述正電極條以及負(fù)電極條均是釕電極條、錯(cuò)電極條、鈕電極條或銅電極條。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一權(quán)利要求所述的定向自旋等離子體激勵(lì)器，其特征在于:所述高壓電源的輸出電壓的調(diào)整范圍是3kV?30kV ;所述高壓電源的頻率輸出范圍是3kHz ?15kHz ο
8.一種基于權(quán)利要求7所述的定向自旋等離子體激勵(lì)器的定向自旋流動(dòng)控制方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 1)正電極條安裝于絕緣管內(nèi)以及負(fù)電極條安裝于絕緣管外并分別與高壓電源的兩極相連接； 2)接通電流后，正電極條對負(fù)電極條的高壓脈沖輝光放電，絕緣管內(nèi)的氣流從氣流入口進(jìn)入并沿絕緣管道的內(nèi)壁面形成切向壁面的繞流，集體繞流形成朝向氣流出口端的合力，產(chǎn)生自旋運(yùn)動(dòng)氣流，以射流形式從氣流出口端加速流出。
【文檔編號】H05H1/02GK103945628SQ201410163762
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】王紅飛, 楊利青, 周倩倩, 劉歡, 王浩靜, 張洪 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所