AC-SDBD等離子體激勵防/除冰研究現(xiàn)狀與展望

孟宣市，惠偉偉，易 賢，蔡晉生，李華星

(1. 西北工業(yè)大學 翼型/葉柵空氣動力學國家級重點實驗室，西安 710072；2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點實驗室，綿陽 621000)

0 引 言

低空、低速飛行狀態(tài)下，當飛機飛經(jīng)結(jié)冰云層，其迎風部件表面會因云層中過冷水滴的撞擊而結(jié)冰。其包括機翼、螺旋槳葉片、發(fā)動機唇口邊緣在內(nèi)的關(guān)鍵氣動部件的表面結(jié)冰將會嚴重影響飛機的氣動外形，增大飛行阻力，降低升力。并且，氣動部件表面不規(guī)則結(jié)冰還會影響飛機的操縱性和穩(wěn)定性，甚至造成嚴重的安全事故[1-6]。目前，我國正在大力研制擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的軍/民用飛機，需要擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的飛機防結(jié)冰與除積冰（簡稱防/除冰）技術(shù)，而目前大量的防/除冰技術(shù)專利為國外航空工業(yè)技術(shù)先進的國家掌握。近年來我國積極引導和發(fā)展飛機防/除冰技術(shù)，其目標是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的飛機防/除冰技術(shù)，進而達到國內(nèi)、國際的適航要求。

新型航空領(lǐng)域防/除冰技術(shù)要求無額外的重量和能量代價，無復雜的機械構(gòu)造，并且要求無潛在的氣動損失。更重要的是，大量創(chuàng)新性、革命性航空技術(shù)的應用，使得傳統(tǒng)的防/除冰技術(shù)的不足之處體現(xiàn)在以下三個方面：

1）基于層流減阻流動控制技術(shù)的應用帶來的挑戰(zhàn)。該技術(shù)要求防結(jié)冰系統(tǒng)要避免可引起層流-湍流轉(zhuǎn)捩的表面間隙或臺階結(jié)構(gòu)[7]，從而使得傳統(tǒng)的機械除冰技術(shù)使用受限。

2）大量使用復合材料帶來的挑戰(zhàn)。復合材料和傳統(tǒng)金屬材料相比，導熱系數(shù)小，耐高溫能力低，無法使用傳統(tǒng)的熱氣防結(jié)冰系統(tǒng)[8-9]。

3）純電動飛機技術(shù)的發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)。由于純電動飛機徹底取消了發(fā)動機引氣系統(tǒng)，因此熱氣防冰系統(tǒng)無法使用，而要求使用基于電力驅(qū)動的防/除冰系統(tǒng)[10]。

由此，基于下一代航空器設計理念的新技術(shù)、新概念、高效的防/除冰方法是航空領(lǐng)域亟待解決的問題[11]。針對上述需求，國內(nèi)外研究者從超聲波技術(shù)[12-13]、表面超疏水涂層與微納結(jié)構(gòu)[14-17]、合成熱射流激勵器[18]等方面進行著創(chuàng)新性防/除冰方法與技術(shù)的探索。

基于交流高電壓驅(qū)動的表面介質(zhì)阻擋放電等離子 體 流 動 控 制（alternative current surface dielectric barrier discharge，AC-SDBD）作為一種有效的主動流動控制技術(shù)，具有頻帶寬、響應迅速、無移動部件等特點，因此成為了目前流體力學領(lǐng)域研究熱點之一[19]。

AC-SDBD等離子體流動控制被應用于空氣動力學很多研究領(lǐng)域，例如附面層控制[20]、翼型分離流動控制[21]、軸流壓縮機穩(wěn)定性擴寬[22]、三角翼分離渦控制[23]、翼尖渦的控制[24]、大迎角下非對稱分離渦的控制[25]、空氣動力學噪聲抑制[26]、虛擬空氣動力學部件[27-28]、無人飛行器氣動特性的改善[29]、飛行控制[30]等。研究者們從流動控制領(lǐng)域[31-34]和電學領(lǐng)域[35-36]對等離子體流動控制技術(shù)進行了很好的論述。

AC-SDBD等離子體空氣動力激勵的缺點在于誘導的風速比較低，對主流注入的動量比較小，其根本原因是輸入的電功率轉(zhuǎn)化到氣動激勵的效率非常低。已有的研究表明，AC-SDBD等離子體用于空氣加速的能量不足輸入能量的1%[19]，絕大部分能量被用來加熱激勵器本身、激勵器所附著的基板以及激勵器上方的空氣。而在流動控制過程中，這部分熱能往往是被忽略的（見圖1）。

圖1 SDBD 等離子體誘導空氣動能及轉(zhuǎn)換效率隨均方根電流的變化[19]Fig. 1 Variation of the induced air kinetic energy and the energy transfer efficiency of SDBD with the square root of the current [19]

近年來，西北工業(yè)大學等離子體流動控制團隊提出并發(fā)展了基于AC-SDBD等離子體激勵的防/除冰方法[37-38]。隨后，該團隊提出了“流動控制”與“防/除冰”一體化的設計方法：當飛行條件為結(jié)冰氣象條件時，激勵器可以用來防/除冰；當飛行條件為非結(jié)冰氣象條件時，激勵器可以用來進行流動控制。由此，等離子體激勵防結(jié)冰方法可以通過一套裝置同時實現(xiàn)防結(jié)冰與流動控制兩種功效。

等離子體激勵防/除冰方法充分利用了等離子體整體輸入功率，同時利用AC-SDBD等離子體在氣動激勵和熱激勵兩個方面的特性，可以同時滿足下一代航空器對流動控制和防結(jié)冰的需求。

目前，SDBD等離子體用于防/除冰引起了國內(nèi)外從事等離子體流動控制與從事飛行結(jié)冰領(lǐng)域相關(guān)研究者極大的興趣，并且多個團隊已經(jīng)展開了相應的研究。本文擬從飛行過程中的結(jié)冰與防/除冰研究、等離子體空氣動力與熱激勵特性研究、等離子體激勵防/除冰研究三個方面進行文獻綜述。目的是歸納凝練飛行結(jié)冰中存在的關(guān)鍵技術(shù)與科學問題，系統(tǒng)介紹目前等離子體激勵防結(jié)冰研究的代表性成果和突破性進展，對相應的研究結(jié)果加以總結(jié)和分析，提供等離子體防結(jié)冰研究的研究方法、實驗手段和關(guān)鍵技術(shù)參考，最終總結(jié)出等離子體防結(jié)冰的研究方向和發(fā)展趨勢，為結(jié)冰領(lǐng)域與等離子體流動控制領(lǐng)域的相關(guān)研究者搭起跨領(lǐng)域研究的橋梁。

1 飛行過程中的結(jié)冰與防/除冰研究

按照結(jié)冰結(jié)構(gòu)，可以將結(jié)冰分為三種類型：霜冰、明冰和混合冰。結(jié)冰結(jié)構(gòu)的形成依賴于來流溫度、過冷水滴尺寸和云層中的液態(tài)水含量。霜冰的形成一般在?10 ℃以下，它是在低含水量、過冷水滴低撞擊速度下形成的。霜冰不透明，由于含水量較低，霜冰中常常伴有氣泡，因此密度較低，易碎，也容易去除。明冰的形成一般在0 ℃到?10 ℃之間，它是在較高的溫度、較大含水量、較小過冷水滴、高撞擊速度下形成的。明冰比霜冰更加光滑、堅硬，不容易脫落。由于飛行過程中飛機會遇到不同類型和程度的結(jié)冰條件，因此經(jīng)常會形成混合冰。混合冰是霜冰與明冰的結(jié)合體，形成速度較快，結(jié)冰厚度較大，從表面脫落也困難。

除了對明冰、霜冰、混合冰的研究，過冷大水滴（supercooled large droplets，SLD）與冰晶結(jié)冰也成為近年來飛行結(jié)冰研究中的熱點。對過冷大水滴的研究主要關(guān)注飛行器在遇到云團中含有直徑大于100 μm的過冷水滴時的結(jié)冰情況。過冷大水滴具有變形、破碎、撞擊以及飛濺等特性，軌跡變化復雜，會對結(jié)冰量和結(jié)冰位置產(chǎn)生較大影響。嚴重的情況下，過冷大水滴會在機翼吸力面5%～15%弦長處快速形成幾毫米高度的粗糙結(jié)冰帶，使得飛機氣動性能在短時間內(nèi)（5 min）出現(xiàn)惡化[39]。

冰晶結(jié)冰一般發(fā)生在6700 m 以上具有強對流特性的云層處，該高度液態(tài)水含量幾乎為零。冰晶形成后含量最高可達9 g/m3，平均粒徑（median volume diameter, MVD）可達200 μm。冰晶撞擊到飛機的機翼、尾翼等迎風部件時，由于其表面溫度很低，冰晶不會黏結(jié)而結(jié)冰。而當冰晶進入發(fā)動機內(nèi)部時，則可能出現(xiàn)先融化再黏附凍結(jié)的現(xiàn)象，引起低壓壓氣機甚至高壓壓氣機的前幾級結(jié)冰，最終可導致壓氣機喘振、發(fā)動機停車、燃燒室熄火以及發(fā)動機的機械損傷等事故[40]。

為防止飛機在飛行過程中關(guān)鍵氣動部件和儀器儀表結(jié)冰，所有商用飛機都必須配備防/除冰系統(tǒng)，以保證飛機在結(jié)冰氣象環(huán)境下飛行時由結(jié)冰帶來的飛行性能損失降到最低，從而保證飛行安全。

按照不同的目的，現(xiàn)有的飛行結(jié)冰防控方法可以分為：1）防結(jié)冰。指采用各種方法使得過冷水滴撞擊飛機表面，以及在表面形成溪流或者水膜時，被高溫蒸發(fā)，從而保證被保護區(qū)域不出現(xiàn)積冰；2）除積冰。指允許有一定數(shù)量的冰層積累，然后通過各種方式破壞冰層與飛機表面的黏附特性，使得冰粒或者冰塊從表面脫離開，或者使消融。

按照防結(jié)冰/除積冰的方法，可以將其分為三類（見圖2）：1）基于機械變型或者振動的除冰方法，包括氣動罩除冰、電脈沖除積冰、超聲波除冰等；2）基于液體噴淋表面的防/除冰方法；3）基于熱氣或電熱的防冰方法。大多數(shù)渦輪發(fā)動機飛機通過將發(fā)動機的熱空氣引入到的機翼、尾翼和發(fā)動機唇口，對相應部位進行加熱，從而達到防結(jié)冰的目的[41-42]。

圖2 飛機飛行過程中的防/除冰方法Fig. 2 Approaches for in-flight anti-/de-icing

對于基于熱氣或者電熱的防冰方法，不同的氣象環(huán)境和能量輸入會出現(xiàn)不同的防冰模式，包括蒸發(fā)防冰模式（干式防冰）與濕式防冰模式。蒸發(fā)防冰時輸入的熱能可以將撞擊在防冰區(qū)域的過冷水滴直接蒸發(fā)，確保該區(qū)域不留存水，這使得飛機非常安全，但同時耗能也是巨大的。濕式防冰時，輸入的熱能可以保持防冰區(qū)域表面溫度略高于冰點，使得過冷水滴接觸飛機表面后不會結(jié)冰，然后在來流的驅(qū)動下，以溪流或者水膜的形式離開飛機表面。濕式防冰能耗很低，但在沒有熱防護的區(qū)域會有倒流冰的風險，因此一般不允許在關(guān)鍵的氣動部位使用。

隨著新概念防/除冰方法的涌現(xiàn)，與流動控制技術(shù)的區(qū)分類似的，可以將防結(jié)冰方法分為主動與被動防結(jié)冰方法。主動防結(jié)冰方法可以在遇到結(jié)冰氣象環(huán)境時啟用，而被動防結(jié)冰方法則在整個飛行過程中均起作用。典型的被動防/除冰方法包括超疏水涂層防結(jié)冰[14-16]、表面微納結(jié)構(gòu)防結(jié)冰[17]等。典型的主動防結(jié)冰方法包括SDBD等離子體激勵防/除冰[37-38]、合成射流激勵器防/除冰[18]等。

發(fā)展新型防/除冰技術(shù)的關(guān)鍵在于厘清飛行過程中結(jié)冰的科學機理，該問題涉及流體力學、空氣動力學、熱力學、傳熱傳質(zhì)學、飛行力學等多學科，是多學科多物理過程非線性耦合的復雜過程（見圖3～圖7）。圍繞上述關(guān)鍵科學問題，國內(nèi)外研究者在結(jié)冰的基本物理過程與演化規(guī)律[43-45]、結(jié)冰過程中涉及到的空氣動力學[46-48]、結(jié)冰熱力學[49-50]、結(jié)冰動力學[51-52]以及飛行力學[53-57]等方面進行了眾多研究。

圖3 不同來流剪切作用下的水膜厚度變化 [13]Fig. 3 Variation of the water film thickness under different inflow shear [13]

圖4 過冷水滴凝固的典型階段 [45]Fig. 4 Typical phases for the frozen of a supercooled droplet [45]

圖5 翼型前緣結(jié)冰對其升阻力特性的影響 [46]Fig. 5 Effect of the leading-edge icing of an airfoil on the lift/drag characteristics [46]

圖6 積冰機翼表面控制體中能量平衡示意圖 [50]Fig. 6 Schematic of the energy balance in the control volume on an icing airfoil surface [50]

圖7 飛機失事過程再現(xiàn) [53]Fig. 7 Repetition of the flight accident [53]

波音公司和龐巴迪公司的Cebeci等[1]（2003）對飛機結(jié)冰的實驗和數(shù)值模擬發(fā)展進行了綜述，指出結(jié)冰研究的難點包括：1）水在翼面上的流動具有隨機性，溪流的形成和運動難以預測；2）結(jié)冰過程中機翼表面粗糙度會發(fā)生變化，會引起水與空氣之間熱交換的變化，造成最終結(jié)冰形狀難以預測。美國國家航空航天局、美國聯(lián)邦航空管理局和法國航空航天實驗室的Broeren等[46-47]合作研究大型商用運輸飛機的結(jié)冰問題，近年來就二維翼型、三維后掠機翼結(jié)冰特性進行了系統(tǒng)性的實驗研究，給出了細致的三維冰型數(shù)據(jù)庫，可用于實驗和數(shù)值模擬驗證，同時也系統(tǒng)地研究了雷諾數(shù)、馬赫數(shù)對二維翼型、三維機翼氣動特性的影響及其差異。

北京航空航天大學常士楠[2]對大型飛機的特點以及目前防/除冰現(xiàn)狀進行了分析，指出地面結(jié)冰實驗研究應該特別注意研究水滴撞擊、結(jié)冰、防結(jié)冰過程的相似參數(shù)。該團隊在小型結(jié)冰風洞中建立了水膜厚度測量裝置，使用色散共焦位移計對高速氣流驅(qū)動的水膜流動進行了實驗研究。

中國空氣動力研究與發(fā)展中心易賢等[42]結(jié)合國內(nèi)外冰形測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，從接觸測量方法和非接觸測量方法兩個方面分別介紹了現(xiàn)有冰形測量技術(shù)的操作流程及測量原理。朱東宇等[47]發(fā)展了45 min待機臨界冰形確定方法，研究了臨界冰型對CRM(Common Research Model)飛機空氣動力特性的影響。杜雁霞等[49]對飛機結(jié)冰的熱力學行為研究進行了綜述，指出結(jié)冰過程中熱力學研究需重點關(guān)注非平衡凝固機理與熱力學相似等問題。

上海交通大學董葳等[51]對飛機結(jié)冰動力學研究進行了綜述，指出冰增長過程中，表面氣-液-固三相流之間的換熱機制以及多物理場耦合作用機理研究是飛行結(jié)冰動力學的關(guān)鍵問題之一。南京航空航天大學劉森云等[52]與中國空氣動力研究與發(fā)展中心以及中航集團聯(lián)合設計了一種壓電式等徑離散水滴發(fā)生器，利用高速攝影的手段對水滴變形現(xiàn)象進行了實驗研究，建立了水滴變形后的非球形阻力模型，同時引入了水滴破碎和飛濺模型。

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的梳理，可以看到：1）飛行結(jié)冰過程中的空氣動力學、結(jié)冰熱力學、結(jié)冰動力學以及飛行力學等是結(jié)冰特性與機理研究的主要方向；2）結(jié)冰領(lǐng)域的工程應用研究與結(jié)冰機理研究是兩個重要的研究方向，兩者相輔相成；3）隨著新型航空技術(shù)的發(fā)展，航空領(lǐng)域結(jié)冰研究越來越需要結(jié)合創(chuàng)新技術(shù)的應用。

2 AC-SDBD等離子體空氣動力與熱激勵特性研究

2.1 SDBD等離子體激勵器

等離子體流動控制研究已開展了較長時間，但從2000年起才開始受到廣泛關(guān)注。這是因為在2000年前，等離子體流動控制所使用的激勵器設計與制造不統(tǒng)一，形式復雜，因此需要相關(guān)研究者掌握專業(yè)的高壓電與等離子體物理方面的知識[58-60]。

美國田納西大學Roth等[61]在2000年發(fā)展了一種大氣環(huán)境表面介質(zhì)阻擋放電（surface dielectric barrier discharge，SDBD）等離子體激勵器。美國圣母大學Corke等[62]（2004）隨后提出了一種單電極表面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵器（見圖8），它由兩個長條形銅箔電極組成，中間由Kapton膠帶作為電介質(zhì)絕緣體隔開，一條銅箔電極暴露于空氣（裸露電極），另一個銅電極用電介質(zhì)材料封裝并粘附在模型表面（掩埋電極）。SDBD等離子體激勵器制造簡單、易于操作，使得來自不同知識背景的研究人員能夠較為方便地使用等離子體激勵器，并將其應用于相關(guān)研究。

圖8 表面介質(zhì)阻擋放電(SDBD)等離子體激勵器示意圖 [62]Fig. 8 Schematic of the SDBD plasma actuator [62]

目前，從事等離子體流動控制的研究團隊主要使用兩種不同波形的高電壓驅(qū)動等離子體激勵器進行相關(guān)研究：一種是利用連續(xù)交流高壓（AC-SDBD）對激勵器表面空氣進行電離，其空氣動力激勵特性會誘導近壁面氣流加速，進而對主流產(chǎn)生影響[63]；一種是利用納秒級脈沖高壓對激勵器表面空氣進行電離（nanosecond pulse surface dielectric barrier discharge，NS-SDBD），該高壓脈沖可以在短時間內(nèi)產(chǎn)生球面壓縮波與近似平面壓縮波的組合波，在周期性高壓脈沖作用下，會產(chǎn)生相干組合壓縮波結(jié)構(gòu)，這種相干結(jié)構(gòu)激波可以對流動產(chǎn)生擾動，從而增強自由來流的動量[64]。可見，AC-SDBD與NS-SDBD等離子體激勵無論是從瞬時，還是從時均特性上講，其激勵機制是完全不同的。限于篇幅，本文側(cè)重于對AC-SDBD的防/除冰研究展開論述。

2.2 AC-SDBD等離子體空氣動力與熱激勵特性

AC-SDBD等離子體激勵下會產(chǎn)生電磁效應、空氣動力效應、熱效應、化學效應等。已有的等離子體激勵防/除冰研究表明，空氣動力學效應與熱效應是其主要機制。因此，以下就AC-SDBD等離子體空氣動力與熱激勵特性的有關(guān)研究進行介紹。

對等離子體熱激勵的研究，有些是著眼于等離子體中包含的各粒子的溫度與宏觀等離子體溫度之間的影響與熱量傳遞[65-66]，有些是著眼于研究激勵器自身的溫度變化對誘導速度、體積力的影響[67-71]，而著眼于等離子體誘導流場氣動特性與傳熱耦合特性的研究則比較少[72-73]。

2.2.1 實驗研究

美國萊特州立大學Stanfield等[65]（2009）、美國博羅尼亞大學Carlo等[66]（2010）利用光譜儀對AC-SDBD等離子體激勵器掩埋電極上方電離場中的氮氣分子（N2）和氮離子（N2+）溫度進行了測量，用以評估AC-SDBD等離子體溫度特性（圖9），結(jié)果表明：宏觀等離子體的溫度與氮氣分子和氮離子的轉(zhuǎn)動溫度相當，而其分子振動溫度比轉(zhuǎn)動溫度要高一個數(shù)量級。因此，等離子體溫度可以直接由分子轉(zhuǎn)動溫度來計算。激勵器表面溫度最大值出現(xiàn)在裸露電極與掩埋電極交界處，溫度最小值則位于等離子體射流邊緣。

圖9 放電區(qū)域內(nèi)(虛線)的旋轉(zhuǎn)(頂部)與振動(底部)溫度云圖 [65]Fig. 9 Contours of the rotational temperature (upper) and vibrational temperature (lower) in the discharge region (dashed box) [65]

法國奧爾良大學Joussot等[69]（2010）在靜止大氣環(huán)境和風洞實驗環(huán)境下利用紅外成像技術(shù)研究了激勵器表面溫度場的變化特性（圖10）。研究結(jié)果表明：電介質(zhì)層表面溫度隨著頻率、電壓的平方線性增加；在有來流情況下，表面由于對流引起的熱耗散導致介質(zhì)層表面溫度下降。相對于層流邊界層，湍流邊界層有著更強的對流散熱能力。其平板流動的湍流附面層是通過粗糙帶觸發(fā)的，且只有一個來流速度狀態(tài)。

圖10 不同邊界層狀態(tài)下激勵器表面溫度比較 [69]Fig. 10 Comparison of the actuator surface temperatures under different boundary layer conditions [69]

英國曼徹斯特大學Erfani等[67]（2012）在常壓下使用加熱器和冰箱來改變等離子體激勵器的溫度，并對誘導速度場進行了PIV觀測。結(jié)果表明：介質(zhì)層表面溫度會顯著改變流場特性；激勵器產(chǎn)生的最大誘導速度直接取決于介質(zhì)層表面溫度。加拿大蒙特利爾理工學院Versailles等[68]（2010）使用烤箱調(diào)整等離子體激勵器所在基板的溫度，加熱范圍為30～200℃。電子天平的測量結(jié)果表明：等離子體產(chǎn)生的體積力隨介質(zhì)層表面溫度的升高近似線性增加。

法國普瓦捷大學Tirumala等[70]使用紅外熱成像技術(shù)測量了激勵器的表面溫度。結(jié)果表明：激勵器表面溫度的升高與外加電壓及交流輸入頻率呈線性關(guān)系；因為等離子體表面溫度分布特性與等離子誘導速度場相似，因此推論等離子體激勵器表面溫度主要由誘導流場的對流傳熱引起的。該研究缺乏對空間溫度場與空間流場的耦合測量結(jié)果，因此該推論需要進一步證實。

英國諾丁漢大學Jukes等[72]（2014）較早對AC-SDBD等離子體的氣動與熱耦合特性進行了測量（圖11）。該團隊使用熱線風速儀對等離子體激勵器誘導的啟動渦進行了測量，同時使用熱成像儀、冷線測溫儀對等離子體激勵器表面溫度分布和空間溫度場進行了測量。研究結(jié)果表明啟動渦對熱量具有明顯的裹挾傳遞作用。

圖11 等離子體激勵下空間啟動渦的不同物理場特性 [71]Fig. 11 Physical characteristics of the spatial starting vortex generated by the plasma actuation [71]

西北工業(yè)大學Abbasi等[73]（2020）利用空間流場的PIV測速與紅外成像儀表面測溫技術(shù)，研究了非定常等離子體激勵下空間速度場與激勵器表面溫度場的關(guān)聯(lián)特性，結(jié)果如圖12所示，研究表明了非定常激勵下等離子體誘導流場與表面溫度變化有著直接的耦合關(guān)系。但該研究僅僅給出了激勵器表面溫度變化，需要進一步研究空間溫度場與空間流場的相互影響規(guī)律。

圖12 非定常等離子體激勵下表面溫度隨時間的變化特性 [72]Fig. 12 Time variation of the surface temperature under unsteady plasma actuation [72]

2.2.2 數(shù)值模擬研究

大量實驗結(jié)果表明，AC-SDBD等離子體流動控制的機理類似于壁面吹氣/吸氣的流動控制方式，但是沒有質(zhì)量的注入。目前AC-SDBD等離子體數(shù)值模擬中，大多采用Shyy模型[74]和SH模型[75]及其衍生模型[76]。這些體積力模型很好地模擬了AC-SDBD等離子體空氣動力激勵特性，并且體積力源項的添加簡單，對計算資源的需求較小，從而使得這些模型得到了廣泛的應用。

上述數(shù)學模型只考慮了AC-SDBD對流場注入的動量，即在動量方程添加體積力源項，而沒有考慮到AC-SDBD等離子體中占比很大的等離子體放熱產(chǎn)生的影響，即應在能量方程中添加熱源項，從而觀測其對流動產(chǎn)生的影響。等離子體激勵通過能量傳遞和氣體加熱在近壁快速產(chǎn)生脈動渦結(jié)構(gòu)，對主流動量進行再分配，這不僅導致流體加速，對附面層流動帶來直接的影響，同時可以快速提升激勵器表面及上方近壁面空氣的溫度，利用該效應可以抑制/防止激勵器表面以及下游的結(jié)冰。

因此，在基于全部輸入能量、考慮能量在空氣動力激勵與熱激勵的分布基礎(chǔ)上，發(fā)展一個同時考慮等離子體體積力和放熱耦合作用的等離子體數(shù)值模擬模型，以便能更全面地解釋等離子體激勵在結(jié)冰過程中于各個層面的影響，這一點是非常重要的。

美國佛羅里達大學Jayaraman等[77]應用Shyy體積力模型，聯(lián)立了動量公式和能量公式，研究AC-SDBD等離子體空氣動力對平板表面熱量的傳遞特性。該研究沒有在能量方程中加入熱源項，沒有考慮等離子體誘導流場與自身產(chǎn)熱及其與周圍環(huán)境的熱傳遞效應。僅將平板的初始溫度設為周圍空氣的2倍，從而得到加入等離子體激勵后平板周圍流場的熱傳遞特性的變化。

哈爾濱工業(yè)大學俞建陽等[78]通過在能量方程中添加熱源項研究了傳熱對流場的影響，研究結(jié)果表明：熱效應只影響一小部分區(qū)域，等離子體激勵器產(chǎn)生的焦耳熱會使電極附近溫度略微升高。該研究沒有考慮激勵器介質(zhì)層溫升的影響，而介質(zhì)層表面溫升對誘導速度的影響已經(jīng)被實驗所驗證[66-67]，因此應該在數(shù)值模擬中予以考慮。

俄羅斯莫斯科物理技術(shù)學院Soloviev等[79]（2015）加入了體積力源項和熱源項對AC-SDBD等離子體空氣動力與熱激勵進行數(shù)值模擬研究，其熱源項的推導依據(jù)的是現(xiàn)有的等離子體推力和放電能量實驗結(jié)果，并沒有通過細致、可靠的空間熱量分布測量對其數(shù)學模型進行驗證和修正。

綜上，AC-SDBD等離子體的熱激勵特性和電介質(zhì)材料、幾何設計參數(shù)有關(guān)，并直接影響著激勵器附近的空間溫度場和流場特性。同時，AC-SDBD等離子體的空氣動力效應對等離子體電離熱起著傳遞與摻混的作用，主要以對流傳熱的形式進行，在不同狀態(tài)的附面層內(nèi)有著不同的傳熱特性。

而另一方面，無論是實驗研究還是數(shù)值模擬，對AC-SDBD等離子體激勵器的氣動與熱耦合特性的研究還很初步，也沒有系統(tǒng)的具體的結(jié)論用于指導等離子體防/除冰研究。因此有必要對AC-SDBD等離子體的空氣動力與熱激勵耦合特性展開系統(tǒng)的深入的研究，以便能更全面地分析AC-SDBD等離子體激勵在防/除冰過程中的機制。

3 等離子體激勵防/除冰研究現(xiàn)狀與分析

3.1 等離子體激勵防結(jié)冰可行性驗證

西北工業(yè)大學流動控制團隊負責人蔡晉生和孟宣市在從事相關(guān)流動控制研究的過程中，注意到了介質(zhì)阻擋放電等離子體的能量消耗特性，并于2012年開始提出并對等離子體激勵防/除冰方法進行驗證。因為介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵是在高壓電場的作用下，由于介質(zhì)層的存在使激勵器周圍產(chǎn)生高電勢，出現(xiàn)空氣的弱電離，從而產(chǎn)生相應的空氣動力、化學、物理等效應。因此，將等離子體激勵器用于防/除冰，一個最直接的問題是：結(jié)冰環(huán)境下，由高電壓產(chǎn)生的高電勢電磁場遇到冰水混合物時是否會發(fā)生短路?

西北工業(yè)大學流動控制團隊在2012年進行的驗證實驗非常簡單（圖13）。將剛從冰箱里面拿出來的冰塊放置在等離子體激勵器放電區(qū)域，并記錄了冰塊對等離子體放電路徑的影響與冰塊自身的消融過程，結(jié)果證明：冰塊并不會使得等離子體激勵器電路發(fā)生短路，但是會改變高壓下激勵器表面放電的路徑，最重要的是，冰塊會很快化掉。

圖13 冰塊對AC-SDBD等離子體激勵器放電特性的影響Fig. 13 Effect of an ice cube on the discharge characteristics of the AC-SDBD plasma actuator

孟宣市等2014年在德國召開的2ndNPU-DLR Workshop on Aerodynamics Meeting 上將相關(guān)的工作設想進行了報告[80]。蔡晉生等于2015年提出了完整的等離子體激勵除積冰[37]與防結(jié)冰[38]的概念并提交了相應的專利申請。

西北工業(yè)大學孟宣市等[81]（2016）與蔡晉生等[82]（2017）用圓柱模型在冰風洞中進行了AC-SDBD等離子體激勵防結(jié)冰研究，得到了圓柱迎風面等離子體激勵防結(jié)冰過程的影像和表面溫度變化云圖（圖14），實驗中來流速度U∞= 15 m/s，來流靜溫T∞= ?10℃。實驗證明了AC-SDBD等離子體激勵可以有效防止圓柱迎風面結(jié)冰。實驗證明了AC-SDBD等離子體激勵防結(jié)冰方法的可行性與有效性。

圖14 AC-SDBD等離子體激勵器防結(jié)冰過程(U∞ = 15 m/s, T∞ = ?10℃) [81-82]Fig. 14 Anti-icing process of the AC-SDBD plasma actuator at U∞ = 15 m/s, T∞ = ?10℃ [81-82]

西北工業(yè)大學田永強等[83]（2018）在冰風洞中對翼型前緣防結(jié)冰進行了研究。實驗中來流靜溫?7℃。實驗證明了來流速度為U∞= 90 m /s時（圖15），SDBD等離子體可以有效防止翼型前緣結(jié)冰。該研究表明，等離子體激勵防結(jié)冰方法在起飛/降落飛行速度下有效，證實了該方法的實際工程應用價值。

圖15 NACA0012翼型等離子防結(jié)冰效果(U∞ = 90 m/s, T∞ = ?7℃, LWC = 0.5 g/m3) [83]Fig. 15 Plasma anti-icing effect on NACA0012 airfoil at U∞ = 90 m/s, T∞ = ?7℃, LWC = 0.5 g/m3 [83]

進一步，西北工業(yè)大學流動控制團隊與愛荷華州立大學航空航天工程系進行了合作研究，對翼型進行了AC-SDBD等離子體防結(jié)冰方法研究。周文武等[84]（2018）證實了等離子體激勵防結(jié)冰方法可以應用在真實航空器結(jié)冰部件上。Yang Liu等[85]（2019）研究了定常激勵與非定常激勵下等離子體激勵防結(jié)冰的不同特性（見圖16），結(jié)果表明，在相同的功率輸入下，與連續(xù)等離子體激勵模式相比，占空循環(huán)控制模式下的 SDBD 等離子體激勵表現(xiàn)出更好的防結(jié)冰性能。

圖16 定常與非定常控制下翼型表面上動態(tài)積冰過程的時間演變(U∞ = 40 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 1.0 g/m3) [85]Fig. 16 Time evolution of the dynamical icing process on the lower surface of the airfoil under steady and unsteady control at U∞ = 40 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 1.0 g/m3 [85]

3.2 等離子體激勵防結(jié)冰的規(guī)律與機制研究

在等離子體激勵防結(jié)冰的有效性得到驗證后，研究者開始對等離子體激勵防結(jié)冰的規(guī)律進行研究，并展開了對用于防結(jié)冰的等離子體激勵器的設計和布局的優(yōu)化，同時對等離子體激勵防結(jié)冰機制進行探索。胡海洋等[86]（2020）比較了用于抑制分離的流動控制與用于防結(jié)冰兩種情形下的激勵器敷設位置的差異對防結(jié)冰效果的影響，給出了用于防結(jié)冰的等離子體激勵器位置的優(yōu)化準則（圖17、圖18）。

圖17 原始布局與優(yōu)化后的防結(jié)冰等離子體激勵器布局示意圖(U∞ = 40 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 1.0 g/m3) [86]Fig. 17 Schematic of the plasma actuator layout for anti-icing before and after the optimization at U∞ = 40 m/s,T∞ = ?5℃, LWC = 1.0 g/m3 [86]

圖18 原始布局與優(yōu)化后的等離子體激勵防結(jié)冰結(jié)果比較(U∞ = 40 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 1.0 g/m3) [86]Fig. 18 Comparison of the anti-icing effects by plasma actuators before and after the layout optimization(U∞ = 40 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 1.0 g/m3) [86]

孟宣市等[87]（2019）根據(jù)等離子體激勵器不同的誘導射流方向設計了三種激勵器，得到了不同的防結(jié)冰效果，證明了AC-SDBD等離子體防結(jié)冰的主要機制在于其氣動激勵與熱激勵耦合特性，而這種耦合效應越強烈，防/除冰的效果就越有效（圖19、圖20）。該研究啟發(fā)了研究者從基于等離子體空氣動力激勵與熱激勵相耦合的角度來探究等離子體激勵防/除冰的機理（圖21）。

圖19 可以誘導不同方向射流的防結(jié)冰等離子體激勵器 [87]Fig. 19 Anti-icing plasma actuators inducing jets in different directions [87]

圖20 可以誘導不同方向射流的等離子體激勵器具有不同的防結(jié)冰效果(U∞ = 40 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 1.0 g/m3) [87]Fig. 20 Different anti-icing effects generated by plasma actuators inducing jets in different directions at U∞ = 40 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 1.0 g/m3 [87]

圖21 等離子體激勵防結(jié)冰機理示意圖 [87]Fig. 21 Schematic of the anti-icing mechanism by plasma actuators [87]

上海交通大學趙彬彬等[88-89]、愛荷華州立大學的Kolbakir等[90]設計了沿流向和沿展向布置的ACSDBD等離子體激勵器，在冰風洞中對其防結(jié)冰特性進行了研究（圖22、圖23）。研究結(jié)果表明，沿流向分布的激勵器具有更好的防結(jié)冰效果。Kolbakir等[90]指出，在相同的功耗水平下，沿流向布局的等離子體激勵器可以讓更多的等離子體誘導表面加熱，促進未凍結(jié)液態(tài)水在翼型表面上的回流，還可以使等離子體電離熱進一步向下游流動，以延遲/防止翼型后緣附近回流冰的形成，因此具有更好的防結(jié)冰效果。

圖22 流向和展向分布等離子體激勵器防冰效果比較(U∞ = 30 m/s, T∞ = ?10℃, LWC = 0.7 g/m3) [88-89]Fig. 22 Comparison of the anti-icing effects by plasma actuators with streamwise and spanwise distributions at U∞ = 30 m/s,T∞ = ?10℃, LWC = 0.7 g/m3 [88-89]

圖23 流向和展向分布等離子體激勵器防結(jié)冰效果比較(U∞ = 40 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 1.5 g/m3) [90]Fig. 23 Comparison of the anti-icing effects by plasma actuators with streamwise and spanwise distributions at U∞ = 40 m/s,T∞ = ?5℃, LWC = 1.5 g/m3 [90]

3.3 AC-SDBD與NS-SDBD等離子體激勵防結(jié)冰對比

目前，國內(nèi)外對NS-SDBD等離子體激勵防/除冰的研究也同時在展開[91-95]。本文對NS-SDBD等離子體激勵防結(jié)冰的介紹的目的在于與AC-SDBD等離子體進行比較，并探究其規(guī)律，以促進對AC-SDBD等離子體激勵防結(jié)冰機制的更深層次的認識。

納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電（NS-SDBD）等離子體激勵的主要機制在于瞬時熱激勵，更接近電熱防結(jié)冰技術(shù)。美國愛荷華州立大學Kobakin等[91]（2018）在相同的功率輸入和結(jié)冰測試條件下，比較了傳統(tǒng)AC-SDBD和納秒脈沖SDBD（即NS-SDBD）等離子體激勵器引起的熱效應。研究發(fā)現(xiàn)：相對于AC-SDBD，NS-SDBD等離子體激勵器所產(chǎn)生的加熱氣體體積分布得更廣一些。盡管有研究指出，NS-SDBD可能具有比AC-SDBD更好的防結(jié)冰效果，但是缺乏直接和細致的對比。

空軍工程大學魏彪等[92-93]（2019）基于NS-SDBD等離子體激勵提出了一種“流向等離子體熱刀”的防結(jié)冰布局（圖24、圖25）。該布局將等離子體激勵器沿流向布置，通過相鄰兩組電極之間明顯的熱效應達到防結(jié)冰的目的。冰風洞中的實驗結(jié)果表明，相比于展向布局，“流向等離子體熱刀”在迎角改變的情況下表現(xiàn)出更穩(wěn)定的防結(jié)冰效果。

圖24 “流式等離子熱刀”的側(cè)視圖和俯視圖 [92]Fig. 24 Side and top views of the streamwise plasma heat knife [92]

圖25 “流式等離子熱刀”防結(jié)冰過程(U∞ = 65 m/s,T∞ = ?5℃, LWC = 0.5 g/m3) [90]Fig. 25 Anti-icing process of the streamwise plasma heat knife at U∞ = 65 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 0.5 g/m3 [90]

西北工業(yè)大學的牛俊杰等[94]（2021）采用數(shù)值模擬方法對霜冰和明冰的結(jié)冰外形進行了預測，并使用唯像學模型模擬了NS-SDBD等離子體激勵的防結(jié)冰特性。研究結(jié)果同樣表明：保持同樣的敷設位置，僅僅改變NS-SDBD 激勵器裸露電極與掩埋電極的方向，其防結(jié)冰的效果是不同的。

西安交通大學朱益飛等[95]（2020）使用數(shù)值模擬和現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)，分析了基于NS-SDBD的等離子體激勵防結(jié)冰的機理和能量特性，指出NS-SDBD用于防結(jié)冰的關(guān)鍵機制是：在每個占空循環(huán)激勵過程中，用于氣體加熱的能量直接快速地從氣體轉(zhuǎn)移到積聚在表面的冰上（圖26）。

圖26 多時間尺度下NS-SDBD等離子體激勵熱耦合防冰策略[95]Fig. 26 Heat coupled anti-icing strategy by NS-SDBD plasma actuation under multi time scales [95]

上述研究結(jié)果給研究者以啟示：即便是單純考慮電離熱機制，等離子體激勵器的布局對防結(jié)冰的效果也有著至關(guān)重要的影響。與AC-SDBD相比，NS-SDBD等離子體激勵在不同的時間尺度下有不同的熱效應以及空氣動力效應[64]，因此對其激勵過程中的不同時間尺度下的空氣動力學與熱效應耦合防結(jié)冰機制是下一步需要重點關(guān)注的研究方向。

3.4 等離子體激勵除積冰研究

飛行過程中除積冰是在有積冰的前提下進行的，而出于安全考慮，大部分飛行器不允許關(guān)鍵部件出現(xiàn)結(jié)冰。因此目前絕大部分的研究聚焦在對防結(jié)冰的研究，對于等離子體激勵除積冰的研究則比較少。

西北工業(yè)大學孟宣市等[81]（2016）與蔡晉生等[82]（2017）對圓柱模型在冰風洞中進行了AC-SDBD等離子體激勵除積冰研究（圖27）。在來流速度U∞= 15 m/s、來流靜溫T∞= ?10℃條件下，預先在模型表面形成平均厚度為5 mm的明冰與霜冰以及混合冰型，然后關(guān)閉噴霧，在有來流情況下進行除積冰研究。

圖27 AC-SDBD等離子體激勵除積冰過程(U∞ = 15 m/s, T∞ = ?10℃) [81-82]Fig. 27 De-icing process by AC-SDBD plasma actuation at U∞ = 15 m/s, T∞ = ?10℃ [81-82]

由于SDBD等離子體放電的原理是空氣的電離，因此等離子體輝光依次出現(xiàn)在未結(jié)冰區(qū)域-霜冰區(qū)域-明冰區(qū)域，表明等離子體激勵對積冰消除也是相同的順序。對于霜冰，等離子體激勵可以使得霜冰逐漸融化從而去除掉。對于明冰，等離子體激勵首先出現(xiàn)在明冰周圍以及底層，破壞了明冰與模型表面的黏附特性，最終使得明冰在來流的驅(qū)動下脫離模型表面，從而實現(xiàn)除冰。該實驗證明了AC-SDBD等離子體激勵具有除積冰的作用，可以在3 min時間內(nèi)清除掉圓柱迎風面約5 mm厚度的混合積冰。

空軍工程大學陳杰等[96]（2018）、田苗等[97]（2019）、鄭猩等[98]（2021）對SDBD等離子體激勵除積冰特性進行了系統(tǒng)的實驗。該團隊將不同材料的基板溫度降到?30～?20℃，然后通過加濕器向激勵器表面噴灑小水滴，從而在激勵器表面形成霜冰，然后在無來流的條件下進行等離子體激勵除積冰研究（圖28）。研究發(fā)現(xiàn)：在不同介質(zhì)層的影響下，NS-SDBD等離子體放電電流峰-峰值、放電功率及激勵器表面平均溫度與介質(zhì)層的介電常數(shù)呈正相關(guān)，與介質(zhì)層厚度呈負相關(guān)。

圖28 NS-SDBD等離子體激勵除積冰過程(U∞ = 0 m/s) [96]Fig. 28 De-icing process by NS-SDBD plasma actuation at U∞ = 0 m/s [96]

該團隊對AC-SDBD、NS-SDBD和RF-SDBD（射頻）三種不同高壓信號激勵的SDBD等離子體除積冰特性進行了對比實驗。實驗結(jié)果表明：相同功率條件下，與NS-SDBD和RF-SDBD相比，AC-SDBD等離子體的溫升迅速，升溫范圍廣，整體除積冰效果較好；但能量分配不均勻，有待進一步優(yōu)化設計。

賈宇豪[99]（2020）等對激勵器表面凍結(jié)的明冰進行除冰研究時發(fā)現(xiàn)：在激勵條件相同時，NS-SDBD在整個激勵器溫度的升高方面和穩(wěn)定溫度峰值方面都優(yōu)于AC-SDBD；NS-SDBD 加熱范圍較為集中且溫度高，NS-SDBD靜態(tài)除冰性能也優(yōu)于AC-SDBD。

可見，在不同的實驗條件下，AC-SDBD與NS-SDBD等離子體激勵除積冰的對比效果有所不同。因此，后續(xù)有必要在相對一致的實驗條件下對上述兩種不同的等離子體激勵除積冰特性進行對比。

3.5 等離子體激勵防/除冰的能耗特性研究

孟宣市等[81]、蔡晉生等[82]利用瞬時電壓和電流值積分計算得到了等離子體激勵的除冰功率，并分別利用激勵器長度、激勵器面積及防冰面積進行了單位化：

其中，R、n、S分別表示等離子體激勵周期、循環(huán)次數(shù)、等離子體激勵器包裹的面積。該研究指出在除冰實驗中，當激勵器表面溫度高于0℃時的功率為13.0 kW/m2。

為了統(tǒng)一比較的準則，本文采用文獻[81，82]中的功率評定方法，將單位激勵器敷設面積上的激勵功率（通過激勵器裸露電極處的電壓和電流計算消耗功率）作為等離子體激勵防/除冰的功率單位。

Yang Liu等[85]同樣采用了瞬時電壓和電流積分的方法來計算等離子體激勵防結(jié)冰所需功率P0：

并對占空循環(huán)模式下的防結(jié)冰功率P1進行了計算 ：

結(jié)果表明，由于要達到相同的防結(jié)冰效果，占空循環(huán)激勵的電壓和電流均高于定常激勵，因此兩種激勵模式下功耗基本一致。根據(jù)其實驗中激勵器的敷設面積計算得到的功率約為11 kW/m2。

Kolbakir等[90]對沿流向和展向布置的等離子體激勵防結(jié)冰功率進行了比較分析，計算得到的功率分別為13.5 kW/m2和15.0 kW/m2。所以以流向布置的等離子體激勵器比展向布置的防結(jié)冰效果更好。

田永強等[83]在對來流速度為90 m/s的防結(jié)冰實驗結(jié)果進行分析時，同時采用了基于利薩如圖形法與瞬時電壓電流積分法對等離子體激勵防結(jié)冰進行了功率計算[100]。通過利薩如圖形法計算得到的條狀電極以及網(wǎng)狀電極功耗分別約為7.4 kW/ m2和8.4 kW/m2，給出了瞬時電壓電流積分法計算得出的功耗分別約為30.7 kW/m2和28.1 kW/m2。

田苗等[97]在來流速度65 m/s來流條件下進行的防/除冰研究結(jié)果表明，AC-SDBD等離子體防/除結(jié)冰的平均功耗為67 W，根據(jù)其激勵器敷設面積計算得到功率為26.8 kW/m2。

整理和分析以上參考文獻中的功率數(shù)據(jù)，可以得出表1中不同實驗條件下的單位功率。從表中可以觀察出：等離子體激勵防/除冰的單位面積功率隨來流靜溫T∞、過冷水滴的平均容積直徑（median volume diameters，MVD）、液 態(tài) 水 含 量（liquid water content，LWC）的變化規(guī)律不是很明顯，隨來流速度的功率變化則有一定的規(guī)律。圖29給出了有關(guān)參考文獻中通過瞬時電流電壓積分法計算得到的單位功率隨來流速度的變化曲線。可以看出，等離子體激勵防/除冰功率與來流速度呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系。

圖29 AC-SDBD等離子體激勵防/除冰功率隨來流速度變化曲線Fig. 29 Variation of the anti-/de-icing power of AC-SDBD plasma actuation with the freestream velocity

表1 AC-SDBD等離子體激勵防/除冰功率(瞬時電流電壓積分法)Table 1 Anti-/De-icing power by AC-SDBD plasma actuation (integration method of instantaneous current and voltage)

然而，由于各實驗團隊的實驗環(huán)境相差很大，加上結(jié)冰研究本身的相似準則的給定比較復雜，因此對于等離子體激勵防/除冰的單位功率與各實驗參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系還需要更為可靠和更為系統(tǒng)的研究。

3.6 值得關(guān)注的等離子體激勵防/除冰相關(guān)研究

空軍工程大學吳云等提出了“分布式等離子體激勵器冰型調(diào)控”的概念[101]（圖30），實踐了等離子體激勵結(jié)冰控制與流動控制一體化設計的思想。該研究在翼型前緣布置了分布式等離子體激勵器，將前緣展向連續(xù)結(jié)冰調(diào)控為分段的結(jié)冰，形成波浪狀前緣[28]。目的是探索在有限的能量輸入下，將前緣冰型調(diào)控為具有“前緣瘤結(jié)”仿生前緣，從而在實現(xiàn)防結(jié)冰的同時提升飛行器的氣動性能，實現(xiàn)防結(jié)冰和流動控制的一體化設計。

圖30 等離子體激勵器冰型調(diào)控過程(U∞ = 65 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 0.5 g/m3)[101]Fig. 30 Ice shape adjusting process by plasama actuators at U∞ = 65 m/s, T∞ = ?5℃, LWC = 0.5 g/m3 [101]

國防科技大學的羅振兵等[102-103]提出了一種電加熱與等離子體合成射流激勵器相結(jié)合的新型除冰方法（圖31），其主要思想是用簡單的機械裝置取代熱刀，在除冰過程中，使用電加熱裝置去除結(jié)冰黏附力，然后使用單脈沖等離子體合成射流激勵器對冰施加力并使其破裂。與傳統(tǒng)電加熱裝置相比，這種新的裝置消除了連續(xù)的加熱片，減少了能量消耗。

圖31 等離子體錐桿的破冰過程 [102-103]Fig. 31 Ice breaking process by the cone rod of plasma[102-103]

等離子體激勵具有高壓、高頻特性，因此在等離子體激勵防/除冰過程中有著較為明顯的電磁干擾，會對相應的儀器儀表造成干擾，從而制約著其機理探究和工程應用前景。德國雷根斯堡應用技術(shù)大學的Lindner等[104]（2020）對低電壓下的等離子體激勵防結(jié)冰進行了研究，以降低電磁干擾的影響。該團隊使用嵌入方法將激勵器集成到碳纖維增強聚合物材料中，使用薄膜氧化鋯基板作為等離子體激勵器的電介質(zhì)。這樣的激勵器在低電壓下（VRMS= 2 kV）可以被激勵，并通過實驗驗證了低壓等離子體激勵防結(jié)冰的可行性（見圖32）。

圖32 低電壓等離子體激勵防結(jié)冰過程(VRMS = 2 kV) [104]Fig. 32 Anti-icing process by low voltage plasma acutation at VRMS = 2 kV[104]

葡萄牙貝拉英特拉大學的Abdollahzadeh等[105]（2020）利用等離子體激勵防結(jié)冰過程中的電磁輻射特性，設計了一種可以同步進行結(jié)冰檢測的 SDBD 等離子體防結(jié)冰技術(shù)。該設計中等離子體激勵器帶有由一對電極和一個測試電容組成的嵌入式傳感器，可以用于檢測表面結(jié)冰位置。該團隊通過實驗測量了冰層融化過程中激勵器電容的動態(tài)變化，繪制了激勵器表面的結(jié)冰圖像。

4 研究總結(jié)

目前，等離子體激勵防/除冰研究方法多數(shù)以翼面上最終的結(jié)冰情況對防/除冰效果進行評估，并對其影響參數(shù)和控制規(guī)律進行研究。同時，對等離子體激勵防/除冰機制的研究正逐漸變得深入。

受限于等離子體激勵的能量輸入與轉(zhuǎn)化效率，等離子體激勵無法使得撞擊在飛行器部件表面的過冷水滴直接氣化實現(xiàn)干式防冰。在等離子體激勵下的多物理場效應（熱效應、空氣動力效應、電離效應、化學效應等）下，過冷水滴撞擊在等離子體區(qū)域時不會發(fā)生結(jié)冰，而是會變成溪流或者水膜流向下游，因此屬于主動式濕式防結(jié)冰模式。

相對于傳統(tǒng)的防/除冰研究方法和技術(shù)，等離子體激勵防/除冰方法具有如下的優(yōu)點：

1）在防/除結(jié)冰的同時，可以兼顧流動控制，提升空氣動力特性。飛行過程中的結(jié)冰位置往往處于空氣動力特性變化劇烈的位置，該位置在非結(jié)冰環(huán)境下往往需要進行流動控制來提升氣動特性。等離子體激勵器本身可以作為附面層控制技術(shù)實現(xiàn)氣動特性的改善，其激勵器可以在表面敷設而不影響當?shù)氐膸缀瓮庑危蚨坏粫斐蓺鈩犹匦缘膿p耗，而且可以作為流動控制技術(shù)來提升空氣動力特性，這是等離子體激勵防/除冰方法最大的優(yōu)勢所在。

2）具有自持放電特性帶來的限溫特性，不會對復合材料造成熱損傷。傳統(tǒng)氣熱、電熱的防結(jié)冰溫度普遍過高，會對復合材料造成熱損傷。SDBD等離子體的自持放電特性使得其對表面材料的加熱溫度限制在復合材料的耐溫范圍內(nèi)，避免了熱氣防結(jié)冰過程中高溫引氣（高于200 ℃）對復合材料造成的熱損傷，因而適用于以復合材料為基材的部件防/除冰。

3）等離子體防/除冰方法采用電力驅(qū)動，不需要機械系統(tǒng)或者熱氣管路，因此可以作為下一代全電動式飛行器的防結(jié)冰系統(tǒng)。

等離子體激勵防/除冰方法的缺點在于：

1）等離子體激勵過程中會帶來明顯的電磁輻射，從而會對應用環(huán)境的電磁屏蔽提出更高的要求；

2）其濕式防結(jié)冰模式需要精確化控制防結(jié)冰效果，以確保下游處的液膜以及溪流攜帶足夠多的熱量，不會出現(xiàn)嚴重的回流冰，否則會造成氣動特性的下降；

3）等離子體的產(chǎn)生需要高壓電源供電，會帶來額外的配重問題，這對于小型有人或無人機的重量限制是一個挑戰(zhàn)。

5 工作展望

SDBD等離子體激勵防/除冰的機理探究的突破主要集中在以下兩個方面：1）等離子體激勵下的誘導流場、溫度場、電磁場會與含過冷水滴、水膜的特殊流場相互作用，表現(xiàn)出很強的多物理場耦合特性，需要剖析各因素的影響以提取等離子體激勵防結(jié)冰的主要機制；2）等離子體激勵的電學特性在納秒時間量級、等離子體氣動激勵在毫秒時間量級、而結(jié)冰效果的分析卻在秒時間量級或者更長的時間，等離子體激勵防/除冰過程中的多時間尺度使得探究其機理變得困難。

因此，等離子體激勵防/除冰研究中的關(guān)鍵科學問題可以凝練為：1）以等離子體空氣動力與熱激勵為主要因素的多物理場耦合機制；2）等離子體激勵下多物理場非平衡相變演化規(guī)律與防/除冰機理。相應地，對上述問題展開研究是未來等離子體激勵防/除冰研究的重要方向。

另外，對結(jié)冰過程中的空氣動力學、熱力學、傳熱傳質(zhì)學、飛行力學等科學問題的研究，以及新研究問題（如過冷大水滴、冰晶結(jié)冰等）的出現(xiàn)，等離子體激勵的引入，均會產(chǎn)生新的研究方向。同時，等離子體激勵工程化應用面臨的技術(shù)問題，例如電磁干擾的抑制與消除、防/除冰效果的精細化控制、高壓電源的集成化與小型化，也是下一步等離子體激勵防/除冰的研究內(nèi)容。

圍繞等離子體激勵防/除冰方法與機理探索展開的相關(guān)研究，既有著重要的工程應用前景，又可以從全新的角度來關(guān)注防/除冰機理，因此具有重大的理論創(chuàng)新和技術(shù)突破的潛力。