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user: 2. NS DBD激励基本特性 对于NS-DBD激励有几个明显的特点，下面从诱导流动特性、产生时间要求、放电机理、特性影响因素等方面依次论述。 2.1. 诱导流动特性 对于纳秒脉冲诱导流动特性的研究主要是通过粒子图像测速(PIV， Particle Image Velocimetry)技术和纹影技术，PIV技术主要是看诱导速度场，纹影主要是研究诱导冲击波的结构和运动规律。 图3为单次NS DBD激励诱导流动在不同时刻的纹影图像，可以观察到明显的冲击波结构。沿激励器展向看，诱导冲击波结构为半圆弧形外加一个较平的“尾巴”构成，这说明NS-DBD激励产生的主要热源较为集中；沿激励器横向看，有很多随机分布的圆弧形冲击波结构，而不是均匀分布的，且有的明显，有的不明显，这对应了丝状放电通道诱导的冲击波强度不一，即随机分布的丝状放电能量差别较大。 PIV对流场的测试有两方面研究：一是单次激励诱导流场的演化；二是重频激励下诱导流场的演化。前者研究对相机曝光时间和示踪粒子粒度要求较高。 图1. 流动控制中常用的DBD激励器示意图：① 接地电极；② 绝缘介质层；③ 高压裸露电极；④ 等离子体区域；⑤ 绝缘底板 图2. 典型正极性纳秒脉冲电压信号：τ r 上升沿，τ d 下降沿，τ p 水平沿，脉宽τ pulse = τ r + τ p + τ d ，τ h 是加热持续时间 图3. NS-DBD激励后不同时刻沿激励器展向和横向诱导的冲击波纹影图 [ 9 ] ，(a)~(c)为展向，(d)~(f)为横向 在重频激励下，文献 [ 10 ] 利用PIV对1.712 kHz下NS-DBD激励诱导速度场的测量表明NS-DBD激励在激励器顺电势和逆电势方向均有诱导速度，主要诱导速度场出现在激励器逆电势方向，最大诱导速度约为0.3 m/s；然文献 [ 11 ] 中1.0 kHz下NS-DBD激励诱导的流场方向呈近似垂直向上分布，诱导速度不足0.5 m/s，如图4。二者实验中最大的不同是纳秒脉冲激励电压信号不同。 Zhao等人采用锁相PIV技术 [ 12 ] ，研究了单次NS-DBD激励诱导速度场的变化，捕捉了激励形成早期和晚期诱导瞬时流场，如图5；发现早期冲击波处的诱导速度可达35 m/s，晚期在近激励区诱导旋涡，最大速度不足0.3 m/s。 总的来说，就目前的研究进展来看，虽然对NS-DBD诱导速度场的方向存在不同的结论，然而诱导流场的宏观速度或时均速度很低，不足0.3 m/s，分析原因是由于快速的放电即便是诱导产生较大体积力，然其作用时间太短，以致流场没有足够的时间响应。 图4. NS-DBD激励诱导速度场 图5. 激励电压40 kV时不同时刻的速度场 2.2. 放热时间尺度 等离子体在放电和湮灭过程中热量释放的时间尺度在合理的范围内才能产生压缩波。文献 [ 9 ] 认为，快速加热的时间尺度小于t acoustic ~d/a~300 ns，就会诱导产生强压缩波，其中d~0.1 mm，是放电通道中流注直径的特征尺寸，a~300 m/s是音速。 文献 [ 5 ] 从激励诱导压力演化上支撑了激励可诱导近一个大气压的瞬间压力升，如图6(a)，是较强冲击波产生原因。同时也表明随着激励电压的增大压力升是增大的，峰值对应的时刻不变，表明激励加热的时间比较稳定约几百纳秒量级。Boeuf等 [ 13 ] 对NS-DBD激励进行建模仿真，考虑了电子振动激发释放热量在不同的时间尺度对最大温升的影响，发现在100 ns内温升达到最高，此后逐渐降低，不同的t VT 对最大温升的值和时间点影响较小，见图6。文献 [ 14 ] 通过0维建模仿真，预测了快速加热能量释放的时间尺度，从30 torr下2~3 μs到760 torr下0.2~0.3 μs。 事实上从放电能量的转化上分析，等离子体用于气体加热能量可分为两大部分：离子的贡献和电子的贡献 [ 13 ] 。离子(正离子和负离子)的贡献为 (其中 ， 为正负离子的粒子流密度， 为电场)，这部分能量在瞬间释放加热气体，伴随放电的过程。从这个角度上讲，电流与电压信号相关，根据脉冲放电电流–电压波形，在电压信号上升沿和下降沿各存在一次较为强烈的放电，加热能量中离子贡献部分的作用时间不会短于电压信号的脉宽。电子的贡献分为三部分：第一部分是来自弹性和转动碰撞激发，第二部分是电子激发，这两部分随放电释放；第三部分来自振动激发，这部分能量释放的时间t VT 较长，大于5 μs [ 15 ] 。 整体上，热量注入分为焦耳热和熄灭放热，时间尺度差别较大，通过比较认为小于1 μs的时间是合理的，激励在1 μs以后由于振动激发释放的能量可以忽略；同时，用于气体加热的时间不应短于电压信号的脉宽。 2.3. 放热机理 当采用交流正弦高压驱动激励器时，表面气体的击穿电压与静态直流击穿电压相近；而采用短脉冲高压驱动时，快速上升沿使气体被击穿时电压明显高于其静态击穿电压，使击穿时约化场强E/N明显比交流时更高，使得电子获得过能量，导致电子能量分布函数向高能端偏移，从而产生更多的高能电子，提高了电离率带来等离子体的化学活性更高，比如，原子/分子的激发、分解、电离等过程随着E/N的增大而迅速加强，而其中对气体加热的反应，与约化场强有着密切关系。 中科院电工所的严萍等人对大气压脉冲放电等离子体的研究现状进行了综述和展望 [ 16 ] ，结合国外文献 [ 17 ] ，从放电机理上解释热效应的产生，认为大气环境放电产生非平衡等离子体的过程中，加热的典型物理化学过程包括：N 2 (v)的振动–转动弛豫反应、电子碰撞导致的氮分子和氧分子离解、氧分子碰撞导致的氮分子电子激发态的熄灭、分子离子与电子的复合。根据约化场强(E/N，E为电场强度，N为粒子数密度)的不同，电子能量分布发生变化，上述加热反应的发生概率也显著变化。如果折合电场强度大于 80~100 Td (1 Td = 10 −17 V cm 2 )，高能电子增多，氮分子电子激发态的熄灭、分子离子与电子的复合、分子离解导致放电初始阶段的快速加热，并且随着折合电场强度的增大，加热速率也相应增大。同样的解释在文献 [ 2 ] 中也进行了分析。 文献 [ 18 ] 通过实验和仿真研究了氮气–氧气混合物的击穿放电，认为在约化场强E/N = 200~400 Td时，主要能量释放发生在氮氧分子的电子碰撞离解上，以及氧分子导致的电子激发态氮分子的熄灭上，N 2 分子碰撞导致的激发态氧原子的熄灭上。文献 [ 19 ] 氮氧混合物被击穿放电的快速加热模型表明，当E/N <= 200 Td，对加热主要的贡献的反应为电子碰撞导致的O 2 的离解反应和氧分子碰撞导致的电子激发态 图6. NS-DBD激励后流场扰动的时间特性 的 的熄灭、氮分子碰撞导致的激发态氧原子的熄灭。当约化场强大于400 Td，电子碰撞导致的N 2 分子的离解反应，以及带电粒子的反应占主要部分。 Pancheshnyi [ 20 ] 研究了快速脉冲放电中放热能量构成，将从放电中电子能量分为三部分：电子通常是将电场能转化为气体的粒子，不同的加热机理主要依赖放电中电子的能量。1) 弹性碰撞和转动激发；2) 振动激发；3) 离解、电离，附着等与电子能级有关的激发过程。指出在约化场强较高(E/N > 100 Td)的情况下，分配给转动激发和分子弹性碰撞的能量极少，振动激发的较多；大部分的电源功率分配给了高能级分子激发、离解、电离和复合反应。见图7(a)。 图7. NS-DBD等离子体中不同化学反应产热组分 说明弹性碰撞和转动激发，反应快，但是通常在低场强下起到重要作用。类似的文献 [ 21 ] ，对NS-DBD建模仿真时，将沉积功率分为四部分，如图7(b)。对于NS-DBD中一些主要的化学反应在文献 [ 22 ] 中列了出来。 2.4. 激励特性影响因素 NS-DBD激励的影响因素主要有波形、气压、来流，脉冲频率、绝缘介质层等。 ① 电压极性或波形的影响 有几种典型的高压纳秒脉冲波形用于流动控制研究和特性研究。根据电压极性大致分四种：正极性脉冲，负极性脉冲，双极性脉冲，多极性脉冲。根据放电电压–电流信号，强烈的放电发生在电压的上升沿和下降沿，这与毫、微秒脉冲DBD一致，文献 [ 34 ] 对AC-DBD和NS-DBD的放电特性进行了比较，文献 [ 7 ] 也进行了AC-DBD、μs-DBD和NS-DBD三者放电特性和体积力特性的比较。发现其电流却比毫、微秒脉冲放电大得多，这也就导致了更为明显的焦耳热释放流场中，诱导强烈的温升压升，产生冲击波。 它们在驱动激励器放电时产生较高的放电电流、瞬时放电功率和单脉冲功率。波形因素主要包括激励电压脉宽、幅值、下降沿和上升沿斜率，这些因素对NS-DBD的影响在文献 [ 23 ] 中通过仿真进行了研究，文献 [ 17 ] 就这些因素对脉冲放电的影响进行了研究综述。值得一提的是，脉冲放电的上升沿(或下降沿)是不是越窄越好，还有待研究，从流动控制的角度来说，要看上升沿(或下降沿)对应的放电注入流场的热量，这也决定是否有必要发展皮秒或飞秒脉冲DBD用于提升等离子体流动控制能力。因为对于定容过程的完全气体满足： (1) (2) 其中，m为局部体积内空气质量；C v 为空气定容比热；T为温度，Q为注入热量。从流场对扰动的响应时间(微秒量级)看，NS-DBD瞬间放热可假设为局部定容的热力学过程，那么皮秒或飞秒脉冲DBD也可以这么假设，所以决定诱导扰动强度(压升Δp或温升ΔT)的关键参数为单脉冲放电注入流场的热量，一方面是放电能量Q；另一方面是放电能量转热率η。 文献 [ 24 ] 研究大气压空气中电压极性对NS-DBD特性的影响，研究发现放电中的能量沉积不依赖于电压极性，正极性电压导致的放电更加均匀，电场更强。然而在文献 [ 25 ] [ 26 ] 发现上升沿和下降沿对放电电流影响较大，主放电电流大于二次放电电流，发生在上升沿。较宽的下降沿没有明显的二次放电。沉积能量主要依赖于电压上升沿和电源幅值，决定诱导压力波的强度，同样的电压幅值和上升沿(下降沿)下，正极性脉冲可诱导较强的压力波。通过调节脉宽(大于500 ns)可以诱导产生双波结构，分别对应上升沿和下降沿的两次放电，而脉宽对放电能量没有明显的影响；且从诱导冲击波结构上看，上升沿和下降沿诱导的冲击波结构没有明显区别，即弧形波外加一个平直形尾巴，这或许暗示上升沿和下降沿放电过程中放热的热源分布相似。而NS-DBD激励上升沿热分布和下降沿热分布在朱益飞等人 [ 27 ] 的仿真研究中并不相同(图8)。 通过文献 [ 5 ] 诱导的压力升研究中可以看出，在同样放电能量下，电压极性对压力升的影响不大(没有明显的差异)，放电能量与诱导压升成近似线性关系。然而，对于电压极性和介质厚度的影响研究结果在文献 [ 28 ] 有所不同，对于较薄介质层激励器，负极性脉冲放电产生较多的放电能量；对于较厚介质层激励器，正极性脉冲放电产生较多的放电能量，然而对于多数测量结果，二者的差异不超过测量误差，这也说明正极性放电和负极性放电没有产生明显的放电能量的不同。然而，保持其他条件相同情况下，负极性脉冲诱导的冲击波强度稍强于正极性脉冲诱导的，作者讨论认为一方面是由于二者放电区域大小不同导致的积分差异，一方面也表明在放电能量转化热的效率上二者有不同。 ② 介质材料、厚度和电极间隙的影响 文献 [ 29 ] 认为用介电常数较大、且较薄的材料易于产生较为强烈的放电。文献 [ 30 ] 认为电极间隙对放电影响较大，当电极间隙较大时，放电变得困难，起始放电时间越长，当间隙为0 mm和1 mm时，差别不大，且放电功率高于其他间隙。文献 [ 31 ] 利用正极性NS-DBD研究了放电特性随峰值电压、脉冲频率、放电长度、介质厚度的变化。放电能量、压力波强度随介质厚度的减小而增强，虽压力波强度有所不同，但是其运动速度均是Ma = 1，即为音速波。 文献 [ 9 ] 研究了电压极性对放电中耦合能量的影响，得到耦合能量随电压是近似指数增长，负脉冲的电压耦合能量相对较低，然而文中并没有给出负脉冲的电压波形，其上升沿和下降沿是否与正极性脉冲一致(图9)。 图8. 正负极性纳秒脉冲高压驱动同一激励器 图9. 不同极性纳秒脉冲高压驱动DBD时放电能量 图10中可看到在电压的上升沿和下降沿均存在一次明显的放电，正极性和负极性的差别：正极性脉冲放电能量、峰值电流、峰值功率稍大，上升沿对应放电的峰值电流和峰值功率大于下降沿。在脉宽较大时，可观测到激励诱导双波结构，即上升沿和下降沿放电共均能诱导冲击波，但是两阶段的放电的图像确有不同。文献 [ 17 ] 综述了上升沿和下降沿对放电的影响，认为对于脉冲上升沿和下降沿所起作用，研究结论虽还存在分歧。但是认为脉冲下降沿对二次放电仍是非常重要的。 ③ 脉冲重复频率的影响 在进行流动控制的实验或仿真研究中，通常认为电源工作的脉冲频率对单次放电的影响不大，在这一前提下研究频率对流动控制效果的影响。事实上，人们对这一问题并没有形成统一的认识。文献 [ 31 ] 通过实验得出NS-DBD最大电流和实时功率随频率的变化不大，然从放电图像上看，频率增大可使丝状放电更剧烈，电压增大则是使放电趋于均匀化。文献 [ 9 ] 则发现放电频率对放电耦合能量有很大影响，频率越大，耦合能量越大。文章没有对这一结果做解释，这可能与电源的构造或者工作原理有关。文献 [ 32 ] 在10 Torr气压下发现随着放电频率的增大，纳秒脉冲放电逐渐变为均匀的，并解释为当频率很低时，脉冲间隔长，等离子体快速复合，初始电子密度降到非常低以至于不能够产生均匀放电。如果解释成立，那么在大气压下等离子体复合的会更快。在文献 [ 33 ] [ 34 ] 对纳秒脉冲的放电能量研究中，发现频率对放电能量影响较小，不同的是文献 [ 34 ] 得出随频率增大，脉冲能量略有增大，文献 [ 35 ] 得出随频率增大脉冲能量略有降低。文献 [ 9 ] 研究中认为频率有一定的影响；与激励器有关，在一定的条件下与频率有些关系，当激励器较短时(6.8 cm)，放电能量随频率增大略有增大，其他较大长度的激励器则没有表现出明显频率依赖性。 文献 [ 28 ] 在1000 Hz频率下研究了NS-DBD对加热动力学和压力演化的影响，文中未给出相关数据，仅说明脉冲串模式下下与单脉冲模式下诱导的压力振荡是一致的，意思是激励形成相对于1 ms的时间间隔足够小，使激励引起的流场参数改变可以得到恢复。 ④ 流动对放电的影响 与合成射流等别的激励方式最大的不同是DBD放电激励受流场条件的影响明显，即与流场是相互干扰的。文献 [ 35 ] 在NACA 3506翼型上研究了来流对NS-DBD的影响，如图11。通过放电图像可以看到，在来流下放电区域增大，亮度增强。置于机翼前缘的NS-DBD比尾缘的放电较为强烈。对应了下面放电发光辐射强度。说是来流对放电的影响，其实含有气压的因素在里面。有来流时，静压低，易于放电， 图10. 不同极性NS-DBD放电特性 [ 26 ] 图11. 来流下上升沿放电和下降沿对应的放电图像，发光强度 [ 36 ] 也可以解释这一现象。不过最大亮度值对应的坐标位置有了一定的变化，从放电原理上可以认为是来流的影响。因为有来流速度时，带电粒子的漂移和扩散速度受到来流的影响 [ 36 ] 。同时，激励器寿命在无来流的条件下可以持续几个小时以上，然而，在Ma = 0.6以上，激励器在相对较低的电压下仅能维持几分钟的寿命，只有介质层较厚的激励器才能满足跨音速条件下长时间放电的要求。 然而在控制翼型上翼面激波结构的研究中没有取得效果。 文献 [ 37 ] 通过仿真研究了来流对NS-DBD的影响，将来流速度叠加到带电粒子漂移扩散速度中，求解其运动方程。发现来流不光影响激波的结构。还影响了放电沉积能量和峰值电流。在来流的作用下，峰值电流降低了，放电沉积能量降低了。同时也研究电压幅值、水平沿等因素的对电流、温升、沉积能量影响。发现水平沿对电流幅值影响不大，当水平沿对能量沉积总量产生的影响不大，整体上水平沿宽的沉积能量稍大。对主放电电流无影响。 通过对NS-DBD基本特性的回顾，可以认为只要驱动电压的上升沿或者下降沿达到纳秒到几十纳秒的量级，DBD激励都可诱导形成快速加热，引起局部温升和压升，进而诱导形成冲击波。 由于大气压放电诊断本身就很困难，纳秒脉冲放电快速的时空演化过程进一步加大了对其测试诊断的难度。对其研究还受到脉冲电源参数的限制，对测量设备的精度要求高，加上放电本身具有随机性，一些研究还没有形成共识，比如正极性脉冲和负极性脉冲对放电和诱导流动的影响孰强孰弱，冲击波运动速度的计算有的认为是超音速，有的认为是音速，原因是测量设备的时空分辨率相对较大，对冲击波的测量误差较大。