氣隙構(gòu)型對高頻交流SDBD防除冰激勵(lì)器的溫升影響

魏德宸，張國鑫，陳永彬，劉森云

1. 濱州學(xué)院 航空工程技術(shù)研究院，濱州 256600

2. 中國航空研究院，北京 100012

3. 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽 621000

飛機(jī)在云中飛行或遇到降水時(shí)，過冷水滴會(huì)在機(jī)體迎風(fēng)面凍結(jié)形成結(jié)冰[1-2]。機(jī)翼結(jié)冰會(huì)改變氣動(dòng)外形，不僅減小升力、增大阻力；更使失速迎角減小，嚴(yán)重危害飛行安全[3-4]。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道及進(jìn)氣部件的結(jié)冰減小了空氣流量，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)功率；不對稱性結(jié)冰會(huì)破壞轉(zhuǎn)動(dòng)平衡，脫落的冰層可能會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)造成嚴(yán)重破壞[5]。研究發(fā)現(xiàn)，無需改變氣動(dòng)外形的沿面介質(zhì)阻擋放電(Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD)不僅可應(yīng)用于動(dòng)力推進(jìn)[6-7]、流動(dòng)分離抑制[8]、渦穩(wěn)定性控制[9]、發(fā)動(dòng)機(jī)助燃[10]等航空研究領(lǐng)域，在飛行器防除冰方面也有較高的應(yīng)用前景。

目前SDBD防除冰相關(guān)研究仍處在探索階段，其作用機(jī)理可概括為等離子體射流碰撞的氣動(dòng)效應(yīng)、氣體受到電場作用產(chǎn)生的電離效應(yīng)和激勵(lì)器產(chǎn)生的熱效應(yīng)[11]，其中熱效應(yīng)是SDBD防除冰作用的重要組成部分[12-13]。有結(jié)果表明交流電源激勵(lì)SDBD相比納秒脈沖激勵(lì)SDBD防除冰應(yīng)用前景更好，具有功耗小、范圍廣、作用迅速的優(yōu)勢[14]。等離子體激勵(lì)器應(yīng)用于飛行器的制約因素之一為電磁輻射對機(jī)體其他設(shè)備的干擾，高頻交流SDBD所用電源為毫秒級(jí)，相比納秒脈沖激勵(lì)SDBD，其電壓時(shí)間梯度更小使得電磁輻射降低，電磁兼容性更好[15]。電壓、頻率等電學(xué)特征參數(shù)以及電極數(shù)目、布局形式等結(jié)構(gòu)參數(shù)均可對交流SDBD熱效應(yīng)產(chǎn)生直接影響。Meng等在圓柱表面布置交流SDBD激勵(lì)器，在激勵(lì)頻率13.4 kHz條件下，紅外測溫結(jié)果表明SDBD對于低溫未結(jié)冰狀態(tài)的防冰以及已有冰層的除冰均有較好效果[16]。Hu等在NACA0012翼型的兩側(cè)開展交流SDBD防除冰的對照實(shí)驗(yàn)，紅外測溫結(jié)果表明在頻率8.9 kHz、電壓6.71 kV的交流激勵(lì)下，SDBD產(chǎn)生的熱效應(yīng)能有效防止冰的形成[17]。宋慧敏等在激勵(lì)頻率6 kHz 時(shí)開展了防冰實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明交流SDBD通過對流傳熱和熱傳遞的方式加溫過冷水滴抑制了冰層形成[14]。Meng等在激勵(lì)頻率11.5 kHz固定不變時(shí)，采用紅外法測量了電壓變動(dòng)范圍為6.3～20 kV時(shí)的溫升效應(yīng)，結(jié)果表明交流SDBD溫度隨電壓增加而升高，兩者對應(yīng)變化關(guān)系為準(zhǔn)線性[18]。董威等采用熱電偶檢測防冰效果，在激勵(lì)頻率1～4.5 kHz 范圍發(fā)現(xiàn)交流SDBD溫度隨著頻率增大增勢趨緩，并認(rèn)為可能存在一個(gè)極限頻率[19]。Meng等在激勵(lì)頻率10 kHz條件下，通過改變SDBD激勵(lì)器電極數(shù)目及布置方式，研究對翼型防冰效果的影響[20]。Cai 等采用交流SDBD方式，對頻率11.67 kHz的條狀電極激勵(lì)器和頻率11.04 kHz的網(wǎng)狀電極激勵(lì)器進(jìn)行了防除冰實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證了SDBD功耗低的特性[21]。李春茂等在激勵(lì)頻率9 kHz條件下研究了交流SDBD溫度隨電極間隙的變化，紅外測溫結(jié)果表明電極間隙增加使得溫度先增后減[22]。

對于電學(xué)特征參數(shù)的研究可知，提高電壓或頻率均可提高交流SDBD激勵(lì)器溫度，但高頻低壓相比低頻高壓狀態(tài)減小了絕緣介質(zhì)擊穿可能性，對于安全長效使用激勵(lì)器有重大意義，上述所用交流SDBD激勵(lì)范圍為1～13.4 kHz，對于更高激勵(lì)頻率的交流SDBD溫升目前還沒有相關(guān)公開報(bào)道的研究。對于結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的研究可知，上述所用的交流SDBD激勵(lì)器的背面電極均被絕緣體密封，不存在放電氣隙，這種結(jié)構(gòu)使得電壓在一個(gè)周期內(nèi)只生成一次氣隙放電。而氣隙放電是SDBD溫度提升最關(guān)鍵的來源，正面電極和背面電極均存在放電氣隙的激勵(lì)器溫升特性未見公開報(bào)道的相關(guān)研究。

因此，本文針對交流SDBD激勵(lì)器，在35～55 kHz的高頻范圍內(nèi)開展了不同氣隙結(jié)構(gòu)的對照實(shí)驗(yàn)，并對影響機(jī)理進(jìn)行了討論。首先使用紅外測溫儀和相機(jī)得到溫度分布和放電形態(tài)，接著利用高壓探頭、電流探頭、示波器得到伏安曲線和功率等電學(xué)參數(shù)，最后綜合分析氣隙結(jié)構(gòu)對高頻交流SDBD防除冰激勵(lì)器的溫升影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與原理

高頻交流SDBD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1(a)所示。所用電源為CTP-2000K，電壓輸出范圍為0～30 kV，頻率選擇范圍為30～58 kHz，實(shí)驗(yàn)時(shí)交流電源正極接正面電極，負(fù)極接背面電極。放電參數(shù)測試系統(tǒng)包括帶寬75 MHz的Tektronix P6015A高壓探頭，靈敏度1 mA的Tektronix TCP0030A電流探頭，帶寬200 MHz的Tektronix MDO3024數(shù)字示波器。可見光圖像采用Nikon D7100數(shù)碼相機(jī)在遮光條件下拍攝，光圈設(shè)置為14，曝光時(shí)間為0.125 s， 測量距離為1.5 m。溫度分布由FLUKE Ti480紅外熱像儀進(jìn)行測量，其測溫量程為-20～1 200 ℃， 溫度分辨率為0.05 ℃，距離激勵(lì)器為1 m。 此次實(shí)驗(yàn)在室溫為20 ℃的空氣環(huán)境中進(jìn)行，濕度為30%，氣壓為99.6 kPa。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

為開展氣隙構(gòu)型對激勵(lì)器溫升效應(yīng)的影響，所用激勵(lì)器構(gòu)型的主視圖和側(cè)視圖分別為圖1(b)與圖1(c)。圖1(b)所示激勵(lì)器的正面電極和背面電極均為0.05 mm厚度的銅箔，寬度為15 mm，電極重合長度50 mm，間隙距離為0 mm。所測可見光與紅外區(qū)域的大小為75 mm×55 mm，為便于后續(xù)對激勵(lì)器溫度場進(jìn)行分析，取正面電極靠近背面電極50 mm長度的邊線為“邊線A”，取“邊線A”下方15 mm位置處為“邊線B”。圖1(c)所示激勵(lì)器絕緣介質(zhì)均采用耐高溫的石英玻璃，厚度為3 mm。構(gòu)型1激勵(lì)器的背面電極被2層厚度為0.1 mm、寬度為20 mm的耐高溫聚酰亞胺薄膜覆蓋以隔絕氣隙，構(gòu)型2激勵(lì)器的背面電極與外界氣體接觸。為解決金屬發(fā)射率過低(如銅的發(fā)射率常小于0.2)、發(fā)射率易受表面狀態(tài)干擾所造成的紅外測溫誤差問題，在正面電極和背面電極的銅箔表面覆蓋高發(fā)射率的石墨烯涂層(石墨烯發(fā)射率可至0.99)[23]，厚度約0.01 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同氣隙構(gòu)型SDBD激勵(lì)器的放電機(jī)理

激勵(lì)電壓18 kV、頻率55 kHz時(shí)，對不同氣隙構(gòu)型的SDBD防除冰激勵(lì)器氣體電離情況進(jìn)行觀察，可見光圖像見圖2。如圖2(a)所示，構(gòu)型1激勵(lì)器僅在正面電極所在一側(cè)產(chǎn)生了空氣電離，表現(xiàn)為許多近似平行分布的細(xì)絲狀放電通道。如圖2(b)和圖2(c)所示，構(gòu)型2激勵(lì)器在正面電極和背面電極所在的兩側(cè)均有明顯的發(fā)光等離子體通道。

圖2 構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器的可見光圖像

圖3為不同氣隙構(gòu)型激勵(lì)器的放電電壓和電流的波形圖。由圖3(a)可知對于構(gòu)型1激勵(lì)器的電流波形，僅在電壓正半周期時(shí)出現(xiàn)了一批次的尖峰脈沖，即等離子體放電僅發(fā)生在電壓的正半周期。圖3(b)表明對于構(gòu)型2的高頻交流SDBD激勵(lì)器，在一個(gè)放電周期內(nèi)電流波形共出現(xiàn)了兩個(gè)批次的尖峰脈沖，分別對應(yīng)于電壓波形的正半周期和負(fù)半周期，表明在電壓的正負(fù)半周期各自產(chǎn)生了等離子體絲狀放電。

圖3 激勵(lì)電壓與電流波形圖

圖3所示不同氣隙構(gòu)型的高頻交流SDBD防除冰激勵(lì)器的放電機(jī)理分析為，在電壓的正半周期，與激勵(lì)電源正極相接的正面電極為陽極，與電源地端相接的背面電極為陰極；在外施電場作用下初始生成的電子崩向陽極方向發(fā)展，當(dāng)電子崩頭部的電子到達(dá)陽極被接觸中和時(shí)，由于電子崩尾部的正離子運(yùn)動(dòng)速度相比電子較慢，使得正離子大量停留積累導(dǎo)致空間畸變，在受到畸變而加強(qiáng)的電場中產(chǎn)生了二次電子崩，二次電子崩的加入使得空間電離度大大增加，最終在構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器的正面形成了圖2(a)和圖2(b)所示的流注放電[24]。而在電壓的負(fù)半周期，交流電源的極性反轉(zhuǎn)使得背面電極成為陽極，構(gòu)型2激勵(lì)器的背面電極仍可以中和電子崩頭部的電子形成二次電子崩，產(chǎn)生圖2(c)所示絲狀放電。但構(gòu)型1激勵(lì)器的背面電極被聚酰亞胺薄膜覆蓋使得電子崩頭部的電子無法直接與正電極中和，且聚酰亞胺材質(zhì)缺乏自由移動(dòng)的帶電粒子，電子積聚在薄膜表面，沒有形成電極間的等離子體放電。

2.2 電壓對不同氣隙構(gòu)型SDBD激勵(lì)器的溫升影響

激勵(lì)頻率固定為50 kHz，電壓變動(dòng)范圍為12～20 kV時(shí)，2種不同氣隙構(gòu)型激勵(lì)器裸露正面的可見光圖像見圖4。由圖4可知對于構(gòu)型1和構(gòu)型2的SDBD激勵(lì)器，放電細(xì)絲長度和等離子覆蓋面積都隨電壓提高而增加，同時(shí)等離子體電離區(qū)域的亮度也隨電壓提高而增加。這是因?yàn)殡妷旱纳咴鰪?qiáng)了電極間的電場強(qiáng)度[13,25-26]，電離區(qū)域中的帶電粒子受到更大場強(qiáng)力的作用，動(dòng)能和非彈性碰撞次數(shù)增加使得高能電子的分布密度增加。

對比圖4(a)中構(gòu)型1和圖4(b)中構(gòu)型2激勵(lì)器的可見光圖像可知，相同電壓時(shí)構(gòu)型2激勵(lì)器比構(gòu)型1激勵(lì)器的絲狀通道數(shù)目更多，放電細(xì)絲長度更長。這表明對于裸漏在外的正面電極，由于受到背面電極氣隙結(jié)構(gòu)的影響，施加相同的激勵(lì)電壓時(shí)構(gòu)型2激勵(lì)器相比構(gòu)型1激勵(lì)器的氣體放電更加劇烈，必然會(huì)造成更強(qiáng)的溫升效應(yīng)。

介質(zhì)阻擋放電形成以后，大量隨機(jī)分布的微放電出現(xiàn)在電極間，電子和負(fù)電荷粒子沿絲狀通道向陽極運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，正電荷粒子也以相對較慢的速度向陰極運(yùn)動(dòng)，由于電極間電介質(zhì)層的存在，正電荷粒子會(huì)逐漸積累并形成與外加電場方向相反的電場從而使放電熄滅[27]。對于背面電極存在氣隙的構(gòu)型2激勵(lì)器，負(fù)半周期時(shí)背面電極為陽極，因此負(fù)半周期輸送的正電荷粒子聚集在此階段作為陰極的正面電極附近；當(dāng)交流激勵(lì)極性轉(zhuǎn)換時(shí)，前半周期聚集的正電荷和此階段作為陽極的正面電極的共同作用，使得電場強(qiáng)度更大，如圖4(b)所示放電更加劇烈。而背面電極不存在氣隙的構(gòu)型1激勵(lì)器由于在負(fù)半周期時(shí)不能形成流注放電，無法輸送大量的正電荷粒子至正面電極附近，因此在正半周期時(shí)，圖4(a)所示正面電極的放電得不到加強(qiáng)。有研究者在采用不同極性脈沖電源的等離子體放電試驗(yàn)中也出現(xiàn)此類結(jié)果[28-29]，使用正脈沖、負(fù)脈沖、雙極性脈沖(正負(fù)脈沖兼有)的3種不同高壓電源，發(fā)現(xiàn)雙極性脈沖相比正、負(fù)單極性脈沖在激發(fā)DBD等離子時(shí)具有絕對的優(yōu)勢，分析原因?yàn)槭┘与p極性脈沖時(shí)，上一個(gè)脈沖在介質(zhì)板表面積聚的電荷可以有效地參與到下一個(gè)極性相反脈沖的放電過程中從而增強(qiáng)了等離子體放電強(qiáng)度。

圖4 不同電壓時(shí)構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器裸露正面的可見光圖像

紅外測溫法通過測量從物體表面輻射出來的紅外能量來獲得溫度信息。發(fā)射率為1.0的理想黑體以直接輻射形式輻射出所有能量；但對于非理想黑體，發(fā)射率影響目標(biāo)的直接輻射能量。發(fā)射率較小不僅使得直接輻射能量過低，降低了測溫分辨率；且發(fā)射率范圍越小，發(fā)射率的微小改變對測溫誤差的影響越明顯。文獻(xiàn)[30]指出若物體發(fā)射率小于0.5時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)精確測溫。因此為了精確分析防除冰激勵(lì)器的溫度場分布，在發(fā)射率為0.01～0.22的銅電極表面涂覆黑色無光澤的石墨烯，石墨烯發(fā)射率為0.9～0.99，本文研究中取為0.95。激勵(lì)頻率50 kHz、電壓12～20 kV條件下，2種不同氣隙結(jié)構(gòu)激勵(lì)器通電5 min后，激勵(lì)器裸露正面的紅外測溫圖像如圖5所示，溫度分辨率為0.05 ℃，精度為±2 ℃。

由圖5可知，構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器的整體溫度均隨電壓增加而提高，且不同電壓時(shí)最高溫度總出現(xiàn)在氣體電離區(qū)域的絲狀放電通道上。這是因?yàn)镾DBD的溫升熱量來自于氣體放電和電極間電介質(zhì)的介質(zhì)損耗；電壓增加時(shí)增大了氣體電離區(qū)域的場強(qiáng)，帶電粒子的動(dòng)能增加，通過與氣體分子發(fā)生碰撞的方式提高了電離區(qū)域的內(nèi)能；介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)也會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生熱量；電極間形成放電通道后，氣體電離產(chǎn)生的溫度要高于介質(zhì)發(fā)熱。

圖5也可看出，相同電壓條件下，構(gòu)型2激勵(lì)器相比構(gòu)型1激勵(lì)器的溫度更高，溫升范圍也更大。依據(jù)熱源分布，以正面電極靠近背面電極的邊線A為界進(jìn)行分析，構(gòu)型2激勵(lì)器在邊線A上側(cè)區(qū)域溫升效果更好的主要原因，為具有氣隙結(jié)構(gòu)的背面電極在負(fù)半周期積聚的正電荷在正半周期的促進(jìn)作用，構(gòu)型2激勵(lì)器在邊線A下側(cè)溫升效果更好的主要原因，為圖2(c)中背面電極在負(fù)半周期生成的等離子體對介質(zhì)板的直接加熱作用。

對圖5所示的紅外測溫結(jié)果進(jìn)一步分析，取邊線A上側(cè)溫度最高值(也為激勵(lì)器的溫度最高值)，得到構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器正面最高溫度隨電壓的變化曲線見圖6。相同電壓時(shí)，構(gòu)型2相比構(gòu)型1激勵(lì)器的最高溫度數(shù)值更大，如20 kV時(shí)構(gòu)型2激勵(lì)器的最高溫度為179.92 ℃，相比構(gòu)型1激勵(lì)器的118.75 ℃最高溫度，增加倍數(shù)可至151.51%，其原因?yàn)榍笆鰣D4所分析的構(gòu)型2激勵(lì)器背面的氣隙構(gòu)型對正面電極等離子放電的促進(jìn)作用。

圖5 不同電壓時(shí)構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器裸露正面的紅外測溫圖像

圖6 電壓對不同氣隙構(gòu)型高頻激勵(lì)器最高溫度的影響

構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器的最高溫度隨電壓增加而非線性提高。采用對瞬時(shí)電壓和電流進(jìn)行積分運(yùn)算的方法[31]，計(jì)算得到構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器功率隨電壓的變化曲線如圖7所示。兩電極間激勵(lì)電壓達(dá)到放電閾值后，空氣電離形成的大量帶電粒子在電場作用下運(yùn)動(dòng)，在此過程中對周圍氣體分子進(jìn)行碰撞并產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，因此等離子體電離區(qū)域溫度升高。電介質(zhì)在電場作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起能量損耗，電能轉(zhuǎn)換成為熱能。放電功率對于SDBD激勵(lì)器的溫升效應(yīng)具有直接影響關(guān)系[22]，且激勵(lì)器的放電功率與激勵(lì)電壓之間呈冪次方關(guān)系[32]，因此激勵(lì)電壓位于較大階段時(shí)產(chǎn)生的溫升更顯著。將激勵(lì)器應(yīng)用在防除冰區(qū)域可以使機(jī)體表面溫度保持在冰點(diǎn)以上，起到防冰效果；或使已形成的冰體融化并在來流作用下脫離，實(shí)現(xiàn)結(jié)冰消除。

圖7 電壓對不同氣隙構(gòu)型高頻激勵(lì)器消耗功率的影響

為研究激勵(lì)器正面的等離子放電反方向的溫度影響范圍，在圖5中選取50 mm測溫長度的邊線B的測溫值，結(jié)果如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器在此測溫范圍內(nèi)均隨電壓增加而升高，且相同激勵(lì)電壓時(shí)構(gòu)型2的溫度更高。這是因?yàn)閷τ跇?gòu)型1激勵(lì)器，溫升源為邊線A上方的等離子體加熱和介質(zhì)發(fā)熱，邊線A下方的溫度為電介質(zhì)熱傳導(dǎo)獲得，距離越遠(yuǎn)溫度越低。對于構(gòu)型2激勵(lì)器，除構(gòu)型1中出現(xiàn)的2個(gè)升溫方式，邊線A下方的溫度還可以由背面電極產(chǎn)生的等離子體獲得，其方向與正面電極產(chǎn)生的等離子體相反。因此對于構(gòu)型2的高頻交流SDBD防除冰激勵(lì)器，裸露工作面的等離子放電區(qū)域反方向具有更大的溫升影響范圍和更高的溫度。

圖8 電壓對不同氣隙構(gòu)型高頻激勵(lì)器邊線B處溫度的影響

2.3 頻率對不同氣隙結(jié)構(gòu)SDBD激勵(lì)器的溫升影響

電介質(zhì)通常為絕緣體，但當(dāng)電場進(jìn)一步增強(qiáng)到某個(gè)臨界值時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷掙脫束縛成為自由電荷，絕緣性能遭到破壞，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)擊穿，所對應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。為增強(qiáng)SDBD激勵(lì)器使用穩(wěn)定性和延長使用壽命，開展頻率對激勵(lì)器的溫升影響研究。

激勵(lì)電壓固定為16 kV，頻率變動(dòng)范圍為35～55 kHz時(shí)，2種不同氣隙結(jié)構(gòu)激勵(lì)器正面電極處的可見光圖像如圖9所示。實(shí)驗(yàn)狀態(tài)不變，2種不同氣隙結(jié)構(gòu)激勵(lì)器通電5 min后，正面電極處的紅外測溫圖像如圖10所示。由圖9可知對于構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器的放電細(xì)絲長度、可見光面積、等離子體亮度都隨頻率提高而增加。圖10的紅外測溫結(jié)果也表明，兩種不同構(gòu)型激勵(lì)器的整體溫度均隨頻率增加而提高。原因之一為增加頻率使得單位時(shí)間內(nèi)作用在SDBD激勵(lì)器的放電脈沖次數(shù)增多，能量注入密度得到提高；其他影響因素需進(jìn)一步進(jìn)行分析。

圖9 不同頻率時(shí)構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器裸露正面的可見光圖像

對比圖10中2種不同氣隙結(jié)構(gòu)激勵(lì)器的紅外測溫圖像，可知相同頻率狀態(tài)下，構(gòu)型2激勵(lì)器的溫度更高，溫升范圍更大。以邊線A為界進(jìn)行分析，邊界A上方溫升效果更好的原因是負(fù)半周期時(shí)使SDBD背面電極流注放電熄滅的積累電荷，在正半周期時(shí)對正面電極的氣體電離提供了促進(jìn)作用；邊界A下方溫升效果更好的原因是構(gòu)型2相比構(gòu)型1增加了背面電極的流注放電。

圖10 不同頻率時(shí)構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器裸露正面的紅外測溫圖像

在邊線A上側(cè)區(qū)域取溫度最高值，得到2種不同氣隙構(gòu)型激勵(lì)器最高溫度隨頻率的變化曲線，如圖11所示。可知在頻率為55 kHz狀態(tài)下，激勵(lì)電壓為18 kV時(shí)構(gòu)型1和構(gòu)型2的溫度分別為89.4 ℃和118 ℃；通過對溫度的對照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在頻率為40 kHz時(shí)，若要使SDBD防除冰激勵(lì)器達(dá)到同值溫度，構(gòu)型1和構(gòu)型2的激勵(lì)電壓應(yīng)分別增至21 kV與20.2 kV。從圖11中也可發(fā)現(xiàn)相同頻率時(shí)構(gòu)型2激勵(lì)器的最高溫度始終高于構(gòu)型1激勵(lì)器，不同構(gòu)型激勵(lì)器的最高溫度隨頻率提高呈非線性增加。

圖11 頻率對不同氣隙構(gòu)型高頻激勵(lì)器最高溫度的影響

不同構(gòu)型激勵(lì)器的功率隨頻率變化曲線如圖12所示。從圖12中發(fā)現(xiàn)在頻率35～50 kHz范圍內(nèi)，對功率影響的線性度較好，這與Forte等的研究結(jié)果相符，其在頻率較低(300～1 000 Hz)條件下研究了SBSD激勵(lì)器的功率與頻率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)功率隨頻率提高呈準(zhǔn)線性增加[33]。頻率為55 kHz時(shí)功率的增長梯度變大，分析原因?yàn)镾DBD激勵(lì)器在放電過程中，由于電介質(zhì)表面電導(dǎo)率很低，流注產(chǎn)生的帶電粒子無法因電傳導(dǎo)而消失，而是在電介質(zhì)表面形成電荷沉積[34]。且前次氣體放電結(jié)束后，在電離空間仍能短期存在一些帶電粒子，下次放電常在前次放電位置產(chǎn)生，稱為記憶效應(yīng)[35]；相比于低頻狀態(tài)，頻率較高時(shí)兩次放電的時(shí)間間隔變短，高頻激勵(lì)更能利用記憶效應(yīng)殘余的帶電粒子對下次放電產(chǎn)生有利影響，提升新的帶電粒子產(chǎn)生效率，使得功率和溫度突增。即提高頻率對交流SDBD防除冰激勵(lì)器的溫升影響因素為能量注入密度的增加，以及高頻狀態(tài)對前次放電殘余粒子利用率的提高。

圖12 頻率對不同氣隙構(gòu)型高頻激勵(lì)器消耗功率的影響

在邊線B處的測溫結(jié)果如圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)此范圍內(nèi)構(gòu)型1和構(gòu)型2激勵(lì)器的溫度均隨頻率增加而升高；且相同頻率時(shí)構(gòu)型2激勵(lì)器的溫度更高，主要原因?yàn)闃?gòu)型2激勵(lì)器的背面存在氣隙，可以在邊線A下側(cè)產(chǎn)生高溫等離子體。

圖13 頻率對不同氣隙構(gòu)型高頻激勵(lì)器邊線B處溫度的影響

3 結(jié) 論

1) 增加頻率可以提高高頻交流SDBD激勵(lì)器溫度，對避免激勵(lì)器高壓擊穿、延長使用壽命是有利的。在所測35～50 kHz頻率范圍內(nèi)，頻率對溫度的提升效果為非線性，頻率較高時(shí)存在更大溫升梯度，原因是高頻狀態(tài)下可以更有效利用記憶效應(yīng)留存的帶電粒子。

2) 相同電壓、頻率狀態(tài)下，高頻交流SDBD激勵(lì)器的背面電極處存在氣隙時(shí)，正面電極的等離子體放電更加劇烈，溫升效果更明顯。分析認(rèn)為與背面電極在激勵(lì)電壓負(fù)半周期放電通道輸送的正電荷粒子，在正半周期時(shí)增大了氣體放電的場強(qiáng)有關(guān)。

3) 相同電壓、頻率狀態(tài)下，高頻交流SDBD激勵(lì)器的背面電極處存在氣隙時(shí)，激勵(lì)器的溫升范圍更大，原因是正面電極和背面電極分別產(chǎn)生了反向的等離子體高溫區(qū)域，且一個(gè)電壓周期內(nèi)兩個(gè)批次的氣體放電增大了能量注入密度。