一種用於等離子體流動控制的微小壓力移動測量裝置及測量方法與流程

2023-06-02 01:23:49

本發明涉及靜止大氣下等離子體流動控制實驗技術的微小壓力測量，具體為等離子體流動控制實驗的測壓板設計、微差壓傳感器布置方式及空間中微小壓力變化的移動測量機構。

背景技術：

作為一種新的流動控制技術，等離子體流動控制相對於傳統的流動控制技術而言，沒有運動的物理部件、能耗較低、可靠性較高，被廣泛應用於抑制失速分離，減小流動阻力，抑制氣動噪聲等方面的研究。它的機理是當電壓高達千伏量級且頻率達到數千赫茲時，介質阻擋放電(dbd)會產生較大的低溫等離子體，等離子體中的帶電離子與氣體中的中性分子間相互碰撞，引起動量轉移，進而誘導出壁面射流。近些年，隨著等離子體流動控制在國際科技前沿中的應用，深入研究其控制機理成為一項熱門的研究方向，同時對我國未來戰機及商用大飛機的研發有著重要的戰略意義和工程應用價值。

對於等離子體流動控制技術的機理研究，國內外目前都還處於初步探索階段，對於靜止大氣下的等離子體射流的實驗的定量研究，只是停留在通過piv測量速度場，測量壓力場也只是進行了初步、粗獷的測量。由於等離子體激勵器激勵出來的速度場較小，理論上只能達到十幾米每秒，而所產生的壓力差的變化，預測在5個帕斯卡左右。要想測量這麼小的壓力差變化，就需要使用高精度的壓力傳感器。通常，這種高精度的傳感器價格十分昂貴。對於一個非常小的特定範圍(10cm*20cm)的壓力場的測量，至少需要幾百個高精度傳感器。如何得到壓力場中更多的高精度壓力差數據，同時減少使用高精度傳感器的數量，目前尚無很好的解決方案。

為了研究等離子體流動控制的作用機理，了解等離子體激勵在靜止大氣下的控制規律和特性，迫切需要一套適用於等離子體流動控制測力測量的實驗裝置。

技術實現要素：

為了解決等離子體流動控制實驗中微小壓力場的測量問題，同時實現用有限的高精度微差壓傳感器得到更多的高精度壓力差數據，本發明提出了一種測量等離子體微小壓力差場的裝置及方法，設計了測壓板及微差壓傳感器的布置方式，同時設計實現空間中微小壓力場的移動測量機構。

本發明的技術方案為：

所述一種用於等離子體流動控制的微小壓力移動測量裝置，其特徵在於：包括測壓板和移動裝置；

所述測壓板為非金屬結構板，與產生等離子體的電極板垂直布置，且測壓板與電極板之間塗有密封潤滑油脂；測壓板上開有一列垂直於電極板分布的測壓孔；測壓板朝向等離子體生成區域的正面表面粗糙度ra<0.025μm；測壓板背面每個測壓孔上安裝有鋼製測壓管，鋼製測壓管後端連接測壓軟管，測壓軟管另一端連接微差壓傳感器；

所述移動裝置包括門架、步進電機、絲槓和滑塊；步進電機和絲槓安裝在門架上，絲槓和滑塊形成絲槓絲母結構；滑塊固定在測壓板背面；當步進電機帶動絲槓轉動時，滑塊能帶動測壓板在電極板板面上沿x軸方向移動；所述x軸處於電極板板面上，且x軸垂直於電極板上的接觸電極和封裝電極。

進一步的優選方案，所述一種用於等離子體流動控制的微小壓力移動測量裝置，其特徵在於：測壓板採用環氧樹脂材料製備；在測壓板中部下方開有一列垂直於電極板沿y軸方向分布的測壓孔；所述y軸垂直於電極板板面；測壓孔直徑為0.6mm，相鄰測壓孔間距為1mm，最下方的測壓孔邊緣距離測壓板下沿的距離為1mm。

進一步的優選方案，所述一種用於等離子體流動控制的微小壓力移動測量裝置，其特徵在於：測壓板與電極板之間塗有高壓矽脂。

進一步的優選方案，所述一種用於等離子體流動控制的微小壓力移動測量裝置，其特徵在於：測壓板背面每個測壓孔上安裝有20mm的鋼製測壓管，鋼製測壓管後端連接聚乙烯測壓軟管。

進一步的優選方案，所述一種用於等離子體流動控制的微小壓力移動測量裝置，其特徵在於：所述微差壓傳感器誤差精度為±0.1％fs，量程為-50pa到+50pa，採樣頻率達到1000hz。

進一步的優選方案，所述一種用於等離子體流動控制的微小壓力移動測量裝置，其特徵在於：步進電機控制滑塊沿x軸方向移動精度能夠達到0.2mm。

所述一種利用上述測量裝置測量等離子體流動控制的微小壓力的方法，其特徵在於：步進電機控制測壓板在電極板表面沿x軸移動至接觸電極外側；然後通過步進電機控制測壓板在電極板表面沿x軸向接觸電極運動，並一直運動到封裝電極外側，其中運動和測量過程為：步進電機控制測壓板每運動設定距離後，暫停移動，並通過外部信號採集裝置採集一段時間微差壓傳感器的輸出信號，經過數據處理後，得到該x方向位置處，每個微差壓傳感器的輸出信號，然後再控制測壓板運動，直至運動到封裝電極外側。

有益效果

在靜止大氣下等離子體流動控制實驗中，採用本設計中的微壓力移動測量裝置，可以準確測量到空間中等離子體誘導流場的壓力分布，同時解決了因高精度微差壓傳感器價格昂貴，無法大量購買，而使用有限數量高精度微壓力傳感器，同樣達到測量整個等離子體流場的目的，實驗的結果與數值計算的結果的數據也非常一致。

本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

附圖1是測壓板的正視圖，10個直徑為0.6mm的測壓孔位於中間下方，最下方測壓孔距離測壓板下沿1mm，每個測壓孔間距為1mm。

附圖2是測壓板的側視圖，其中1是測壓板連接移動測量裝置的墊板，2是測壓板，3是測壓孔，4是鋼製測壓管。

附圖3是移動測量裝置的正視圖；其中5是螺紋孔，6是滑塊，7是絲槓，8是小型步進電機，9是支架的豎杆，10是支架的底座。

附圖4是移動測量裝置的側視圖；

附圖5是靜止大氣下微小壓力場測量實驗原理圖。

附圖6是1號測壓孔(高度y＝1.3mm)壓力沿水平方向分布。

附圖7是2號測壓孔(高度y＝2.9mm)壓力沿水平方向分布。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

本實施例是一套靜止大氣下等離子體流動控制實驗的微小壓力場測量裝置及方法，具體為等離子體流動控制實驗的微差壓傳感器布置方式，及空間中微小壓力的移動測量系統。

在靜止的大氣下等離子體實驗中，因為等離子體激勵器誘導出的射流速度非常的低，其壓力梯度的變化也很小，為了測量等離子體流動空間中壓力場的分布，不僅需要保證流動的二維性，還要求測量裝置要儘可能的減小對等離子體誘導射流的擾動。同時，還要考慮測量裝置的絕緣問題，不能影響到等離子體激勵器的放電效果。

在本實驗壓力測量系統的設計中，綜合考慮了等離子體流動特性，實驗材料的強度、絕緣性等多方面的因素，選用環氧樹脂製成一個長300mm、寬150mm，厚3mm，且表面非常光滑(測壓板朝向等離子體生成區域的正面表面粗糙度ra<0.025μm)的測壓板，見圖1和圖2。在測壓板的中間位置下方，設計了10個直徑為0.6mm，垂直分布的測壓孔，排序從下往上一次為1號至10號測壓孔。為了減小測壓孔對流場的影響，同時保證壓力測量的準確性，測壓孔的直徑設計為0.6mm，每個測壓孔間距1mm，最下方的測壓孔邊緣距離測壓板下沿的距離也為1mm。為了保證壓力梯度傳導的穩定，在每個測壓孔後方安裝了長度為20mm的鋼製的測壓管，以便於連接聚乙烯的測壓軟管，軟管的另一頭連接在微差壓傳感器。測壓板的上部的後方設計了2個連接機構，以便於使其安裝在移動測量裝置的滑塊上。

鋼製測壓管連接著聚乙烯的測壓軟管，軟管的另一頭接在高精度微差壓傳感器上。高精度的微差壓力傳感器，可以精確測量了靜止大氣下誘導的低速流場空間壓力的分布情況，其誤差精度是±0.1％fs，量程是-50pa到+50pa，同時採樣頻率最高可達到1000hz。

在靜止大氣下等離子流動實驗中，為了實現使用有限個微分壓力傳感器測量等離子流場中的整個空間的壓力分布，本實施實例中採用了一種移動測量機構，實現了測壓板在水平方向精確的移動。該裝置是由小型步進電機，滑塊，絲槓，支撐架組成，如圖3和圖4。整個支架由2個長30mm、寬10mm的鋼製金屬板底座，2個高30mm鋼製豎杆和1根長50mm的鋼製橫梁組成，構成一種門框結構形式。50mm長的絲槓穿過2個滑塊，固定於支架上部的橫梁上。步進電機安裝在支架的上方後端驅動絲槓轉動，使滑塊實現水平方向左右的移動，移動精度可以達到0.2mm。滑塊上面預留了4個螺紋孔，使測壓板可以安裝其上。

如圖5所示，環氧樹脂材料製成的測壓板安裝於移動測量裝置的2個滑塊上，在每個滑塊上，用4個螺杆通過螺紋連接，使其穩定固定在滑塊上，下沿與等離子體激勵器的電極板保持平行，且整個測壓板與激勵器電極板垂直。在本實施例中測量時，採用可升降式的平臺，使電極板水平布置，且緊貼於測壓板的下沿。為了保證所測得壓力數據的準確定和二維性，在測壓板下沿輕輕塗抹一層高壓矽脂，以達到電極板與測壓板之間的密封效果，同時還對測壓板在電極板上的水平移動，起到了潤滑的作用。本實施例中，經測試，測壓板每隔1mm平行移動一次，從-10mm到15mm(0坐標是接觸電極與封裝電極中間位置)，總共移動25次，每個位置採集15秒的數據，共採集26組壓力數據。由1號測壓孔至10號測壓孔得到垂直方向1.3mm至15.7mm，水平方向由-10mm至15mm範圍的壓力場分布，共採集了等離子體誘導流場的空間當中260個點的壓力數據。

圖6為最下方1號測壓孔測得，高度y＝1.3mm沿水平方向分布的壓力數據。從起始位置，到終止位置，壓力值從0先減小到負壓-0.6pa，再增大到正壓0.4pa。實施例中測量到的壓力數據與數值計算的結果一致。

圖7給出了2號測壓孔測得，高度y＝2.9mm沿水平方向分布的壓力數據。從起始位置，到終止位置，壓力值從0先減小到負壓0.2pa，然後恢復到0。測量到的壓力數據與數據計算結果也大體一致。

綜上所述，在靜止大氣下等離子體流動控制實驗中，採用本設計中的微壓力移動測量裝置，可以準確測量到空間中等離子體誘導流場的壓力分布，同時解決了因高精度微差壓傳感器價格昂貴，無法大量購買，而使用有線數量高精度微壓力傳感器，同樣達到測量整個等離子體流場的目的，實驗的結果與數值計算的結果的數據也非常一致。

儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。