介質(zhì)阻擋面放電(Surface Dielectric Barrier Discharge，SDBD)等離子體主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)可以顯著改善飛行器的氣動(dòng)性能，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。通過介紹國外針對(duì)SDBD 特性、流動(dòng)控制機(jī)理、氣動(dòng)激勵(lì)數(shù)學(xué)模型、流動(dòng)控制影響因素等的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了國內(nèi)在SDBD 等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和機(jī)理研究方面的進(jìn)展，歸納出現(xiàn)階段研究中面臨的問題及未來需要解決的問題，并指出提高抑制流動(dòng)分離能力的等離子體沖擊流動(dòng)控制方式是一種重要研究方向。

0、引言

　　隨著世界能源危機(jī)的到來，新型飛行器對(duì)能源和動(dòng)力提出更高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)手段將不能滿足需求，需要采用新的技術(shù)途徑來改善飛行器的氣動(dòng)性能。主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)是21 世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ暮娇涨把丶夹g(shù)之一，將作為未來新型飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)的新手段。

　　等離子體主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的主要目的是增加飛行器的升力、減小阻力，提高升阻比，從而改善飛行器的氣動(dòng)性能。SDBD 是一種重要的大氣壓放電形式，激勵(lì)器電極布置在物體表面，使得邊界層氣體分子加速或局部體積耗散加熱，從而改變邊界層的流場結(jié)構(gòu)和物理特性，抑制飛行器表面流動(dòng)分離，最終實(shí)現(xiàn)飛行器增升減阻和效率增加。

　　SDBD 主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)具有體積小、無運(yùn)動(dòng)部件、重量輕、功耗低、作用頻帶寬、可靠性高、響應(yīng)快，不使用時(shí)對(duì)流場影響較小等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)邊界層控制和低雷諾數(shù)下流動(dòng)再附作用很高效，被認(rèn)為是很有前途和價(jià)值的流動(dòng)控制新技術(shù)，得到了非常廣泛的應(yīng)用。

　　文章主要介紹了國外針對(duì)SDBD 特性、流動(dòng)控制機(jī)理、氣動(dòng)激勵(lì)數(shù)學(xué)模型、流動(dòng)控制影響因素等的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了國內(nèi)在SDBD 等離子體流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和機(jī)理研究方面的進(jìn)展，歸納出現(xiàn)階段研究中面臨的問題及未來需要解決的問題，并指出提高抑制流動(dòng)分離能力的等離子體沖擊流動(dòng)控制方式是一種重要研究方向。

1、國外研究現(xiàn)狀

　　美國研究SDBD 流動(dòng)控制的團(tuán)隊(duì)非常多，包括田納西大學(xué)、空軍研究實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)(馬里蘭大學(xué)、俄亥俄州大學(xué)、凱特靈大學(xué)、賴特大學(xué)和加州大學(xué))、圣母大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、空軍學(xué)院、NASA 格倫研究中心、肯塔基大學(xué)等，研究的自由流速度跨度大，覆蓋了低速、超聲速、高超聲速。俄羅斯的研究機(jī)構(gòu)主要包括俄羅斯科學(xué)院高溫所(IVTAN)、莫斯科物理和技術(shù)學(xué)院、LENINETZ 公司等研究機(jī)構(gòu)，取得了相當(dāng)顯著的成就�？傮w看來俄羅斯的等離子體流動(dòng)控制研究主要集中在IVTAN，目前IVTAN 對(duì)SDBD研究相對(duì)較少。法國代表了歐洲的研究水平，最主要的研究團(tuán)隊(duì)是由法國Poitiers 大學(xué)和阿根廷Buenos Aires 大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)SDBD 流動(dòng)控制開展了實(shí)驗(yàn)研究。英國較早就開始了等離子體展向振蕩減阻研究，但是實(shí)驗(yàn)自由流速度仍然很低。意大利的SDBD 研究工作基本處于起步和模仿階段，主要研究力量是博洛尼亞大學(xué)Borghi 等。瑞士的研究則強(qiáng)調(diào)氣流對(duì)等離子體的影響。另外還有德國、印度與伊朗進(jìn)行了一些相關(guān)研究。

　　1.1、SDBD 研究

　　1857 年，西門子第一次進(jìn)行了DBD 實(shí)驗(yàn)。1933 年，Engle 等在一個(gè)大氣壓空氣中得到DC正常輝光放電，由于存在輝光-電弧轉(zhuǎn)化，這個(gè)放電并不穩(wěn)定，很少在工業(yè)或?qū)嶒?yàn)室中得到應(yīng)用。1995年，Roth 等在電極上使用絕緣平板抑制輝光-電弧轉(zhuǎn)變，從而極大的降低了陰極加熱、腐蝕，以及等離子體污染，還使得等離子體穩(wěn)定，增加了離子數(shù)密度;這類放電稱為大氣壓均勻輝光放電等離子體(One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma，OAUGDPTM，也稱RF 輝光放電)，實(shí)際就是SDBD。Andrey Starikovskiy 等發(fā)明了一種二極管介質(zhì)阻擋面放電裝置，測量表明該裝置可以成功抑制住負(fù)半周期的反向減速作用，增強(qiáng)加速作用，然而，該裝置還處于發(fā)展的初始階段。

　　1.2、流動(dòng)控制機(jī)理研究

　　1.2.1、動(dòng)量加速和動(dòng)量摻混

　　Schatzman 等在實(shí)驗(yàn)中用粒子成像測速技術(shù)(PIV)測出激勵(lì)器連續(xù)工作和脈沖工作模式下誘導(dǎo)速度場，發(fā)現(xiàn)連續(xù)激勵(lì)時(shí)等離子體與邊界層氣體之間進(jìn)行動(dòng)量交換，誘導(dǎo)出壁面射流;脈沖工作時(shí)等離子體向邊界層輸入動(dòng)量的同時(shí)誘導(dǎo)出旋渦，從而對(duì)激勵(lì)器下游流場的影響范圍更大。Hultgren 等在閉式循環(huán)水洞中進(jìn)行了SDBD 等離子體主動(dòng)控制邊界層流動(dòng)分離的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明激勵(lì)器通過促進(jìn)邊界層的提前轉(zhuǎn)捩而使流動(dòng)再附。Enloe 等認(rèn)為等離子體-中性分子碰撞造成動(dòng)量傳輸從而產(chǎn)生體積力是主要的能量耦合機(jī)制，激勵(lì)器附近加熱也很重要，但并不是等離子體流動(dòng)控制的主要機(jī)制，Roth等、Jukes 等得到類似的結(jié)論。Minton 等認(rèn)為進(jìn)入邊界層的能量使得流體加熱膨脹，造成了一個(gè)障礙，從而在放電位置造成流動(dòng)分離，但是這是一個(gè)不愿看到的結(jié)果，據(jù)此推測認(rèn)為產(chǎn)生控制效果的是體積力。Gaitonde 等通過仿真表明SDBD 激勵(lì)器通過促進(jìn)層流-湍流轉(zhuǎn)捩和增強(qiáng)近壁面動(dòng)量來實(shí)現(xiàn)控制作用，轉(zhuǎn)捩和湍流增強(qiáng)機(jī)制比純粹的壁面動(dòng)量增強(qiáng)更重要。Kengo Asada 等用大渦模擬方法研究NACA 0015 翼型在脈沖工作模式等離子體控制下的兩種作用機(jī)制：第一種為DBD 增強(qiáng)邊界層旋渦，因而避免翼型前緣更大分離渦的形成;第二種為激勵(lì)器通過抑制翼型分離，從而改善了翼型氣動(dòng)性能。圣母大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究NACA 0015 機(jī)翼處于振蕩過程中SDBD 對(duì)流動(dòng)分離的控制效果，發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)下一個(gè)單獨(dú)的SDBD 激勵(lì)器類似于襟翼或者鼓包，對(duì)機(jī)翼升力具有雙重作用：一是無粘動(dòng)量添加;二是和粘性流場的相互作用。M. Neumannl等利用激光多普勒測速儀(LDV)測出了SDBD激勵(lì)器誘導(dǎo)二分量速度場和拉格朗日加速度，認(rèn)為等離子體誘導(dǎo)體積力存在時(shí)間和空間兩種加速機(jī)制，實(shí)驗(yàn)得出時(shí)間加速機(jī)制起主要作用。

　　1.2.2、溫升效應(yīng)和熱沖擊效應(yīng)

　　Correale 等通過實(shí)驗(yàn)來研究納秒脈沖等離子體產(chǎn)生的沖擊波與NACA 63-618 翼型流場的相互作用，還在層流條件下進(jìn)行了納秒脈沖等離子體控制翼型失速的研究，以此來進(jìn)一步探索流動(dòng)控制機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)納秒脈沖等離子體在翼型表面誘導(dǎo)出旋渦是流動(dòng)控制的最主要機(jī)制。Roupassov 等[21] 研究表明激勵(lì)器放電產(chǎn)生的納秒脈沖等離子體在激勵(lì)器表面誘導(dǎo)出沖擊波，沖擊波誘導(dǎo)旋渦對(duì)主流產(chǎn)生擾動(dòng)，從而促進(jìn)主流和邊界層之間的動(dòng)量交換，使得翼面流動(dòng)再附。Jonathan Poggie 等對(duì)DBD 納秒脈沖放電的作用機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值研究，仿真的結(jié)果很好的再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象。認(rèn)為納秒脈沖可用于高速流動(dòng)控制，作用機(jī)理主要在于激勵(lì)器迅速將電能轉(zhuǎn)化為快速釋放的熱能，以及隨之而產(chǎn)生的沖擊波對(duì)流場的擾動(dòng)作用。Munetake Nishihara 等在小尺寸的超音速風(fēng)洞中研究了納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電(NS-DBD)等離子體對(duì)斜激波和激波邊界層的相互作用。

　　1.2.3、綜合觀點(diǎn)

　　目前還存在一些綜合觀點(diǎn)，比如Menier 等提出亞聲速條件下適用動(dòng)量傳輸機(jī)理，超聲速條件下則主要為加熱機(jī)制，二者更可能同時(shí)存在，放電位置的不同導(dǎo)致動(dòng)量傳輸和加熱作用可能疊加，也可能互相抵消。Roupassov 等認(rèn)為能量耦合機(jī)制與所使用的激勵(lì)電源有關(guān)，對(duì)于交流放電來說，電場對(duì)流場的動(dòng)量輸入和近壁面流動(dòng)加速是主要影響機(jī)制，對(duì)于納秒脈沖SDBD 來說，主要機(jī)制是能量傳輸?shù)浇�壁面氣體以及邊界層的快速加熱。

3、研究現(xiàn)狀分析與展望

　　SDBD 成為目前最常用的等離子體流動(dòng)控制方法之一。美國、俄羅斯、歐洲及其他國家和地區(qū)競相研究SDBD 等離子體流動(dòng)控制技術(shù)。美國、俄羅斯等國等離子體流動(dòng)控制技術(shù)研究起步較早，如今已經(jīng)比較成熟，正在逐漸走向工程應(yīng)用。國內(nèi)針對(duì)等離子體流動(dòng)控制進(jìn)行了數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)方面的研究，主要單位有空軍工程大學(xué)、中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、裝備學(xué)院、中國科學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南京理工大學(xué)，在等離子體流動(dòng)控制機(jī)理和應(yīng)用上進(jìn)行了研究探索�？傮w來看，國內(nèi)外都還沒有形成一個(gè)被廣為接受和認(rèn)同的等離子體流動(dòng)控制機(jī)理，對(duì)等離子體流動(dòng)控制的具體過程認(rèn)識(shí)還不是很清晰。當(dāng)然，主要針對(duì)等離子體流動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)翼型或機(jī)身增升減阻和增效方面開展了綜合研究，等離子體還在渦輪壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)、風(fēng)力機(jī)槳葉增效、等離子體助燃、等離子體消音管等方面有重要應(yīng)用，此不再贅述。

　　由于SDBD 激勵(lì)器連續(xù)工作模式下誘導(dǎo)的電場強(qiáng)度比較低，屬于弱電離放電，SDBD 誘導(dǎo)氣流速度低(最大只有8 m/ s)，可以控制的來流速度只有每秒幾十米，嚴(yán)重限制了其在較高速度范圍的應(yīng)用，未來還需要進(jìn)一步探索如何增加等離子體激勵(lì)強(qiáng)度，提高等離子體的氣動(dòng)激勵(lì)性能。

　　針對(duì)現(xiàn)階段等離子體氣動(dòng)激勵(lì)強(qiáng)度不高和工程化應(yīng)用不夠，總結(jié)提出以下建議：(1)高壓納秒脈沖SDBD 是一種提高抑制流動(dòng)分離能力的等離子體沖擊流動(dòng)控制方式，近年來成為流動(dòng)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但是納秒脈沖作用周期的占空比小，能否產(chǎn)生一個(gè)更高的作用效率值得深入的探討;(2)還應(yīng)該進(jìn)一步開展SDBD 等離子體流動(dòng)控制影響因素的研究，為等離子體控制走向工程應(yīng)用打下基礎(chǔ);比如，開展不同海拔高度、氣候及氣象條件下等離子體流動(dòng)控制的研究。據(jù)研究表明，SDBD 等離子體適用于控制平流層環(huán)境低雷諾數(shù)流動(dòng)，應(yīng)該加強(qiáng)這方面的研究。