介質(zhì)阻擋面放電(Surface Dielectric Barrier Discharge，SDBD)等離子體主動流動控制技術(shù)可以顯著改善飛行器的氣動性能，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點問題。通過介紹國外針對SDBD 特性、流動控制機理、氣動激勵數(shù)學(xué)模型、流動控制影響因素等的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了國內(nèi)在SDBD 等離子體流動控制實驗、數(shù)值模擬和機理研究方面的進展，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分離能力的等離子體沖擊流動控制方式是一種重要研究方向。

0、引言

　　隨著世界能源危機的到來，新型飛行器對能源和動力提出更高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的氣動設(shè)計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性能。主動流動控制技術(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設(shè)計的新手段。

　　等離子體主動流動控制技術(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性能。SDBD 是一種重要的大氣壓放電形式，激勵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分離，最終實現(xiàn)飛行器增升減阻和效率增加。

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

　　文章主要介紹了國外針對SDBD 特性、流動控制機理、氣動激勵數(shù)學(xué)模型、流動控制影響因素等的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了國內(nèi)在SDBD 等離子體流動控制實驗、數(shù)值模擬和機理研究方面的進展，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分離能力的等離子體沖擊流動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 流動控制的團隊非常多，包括田納西大學(xué)、空軍研究實驗室團隊(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控制研究主要集中在IVTAN，目前IVTAN 對SDBD研究相對較少。法國代表了歐洲的研究水平，最主要的研究團隊是由法國Poitiers 大學(xué)和阿根廷Buenos Aires 大學(xué)組成的研究團隊，對SDBD 流動控制開展了實驗研究。英國較早就開始了等離子體展向振蕩減阻研究，但是實驗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。瑞士的研究則強調(diào)氣流對等離子體的影響。另外還有德國、印度與伊朗進行了一些相關(guān)研究。

　　1.1、SDBD 研究

　　1857 年，西門子第一次進行了DBD 實驗。1933 年，Engle 等在一個大氣壓空氣中得到DC正常輝光放電，由于存在輝光-電弧轉(zhuǎn)化，這個放電并不穩(wěn)定，很少在工業(yè)或?qū)嶒炇抑械玫綉?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半周期的反向減速作用，增強加速作用，然而，該裝置還處于發(fā)展的初始階段。

　　1.2、流動控制機理研究

　　1.2.1、動量加速和動量摻混

　　Schatzman 等在實驗中用粒子成像測速技術(shù)(PIV)測出激勵器連續(xù)工作和脈沖工作模式下誘導(dǎo)速度場，發(fā)現(xiàn)連續(xù)激勵時等離子體與邊界層氣體之間進行動量交換，誘導(dǎo)出壁面射流;脈沖工作時等離子體向邊界層輸入動量的同時誘導(dǎo)出旋渦，從而對激勵器下游流場的影響范圍更大。Hultgren 等在閉式循環(huán)水洞中進行了SDBD 等離子體主動控制邊界層流動分離的實驗，結(jié)果表明激勵器通過促進邊界層的提前轉(zhuǎn)捩而使流動再附。Enloe 等認為等離子體-中性分子碰撞造成動量傳輸從而產(chǎn)生體積力是主要的能量耦合機制，激勵器附近加熱也很重要，但并不是等離子體流動控制的主要機制，Roth等、Jukes 等得到類似的結(jié)論。Minton 等認為進入邊界層的能量使得流體加熱膨脹，造成了一個障礙，從而在放電位置造成流動分離，但是這是一個不愿看到的結(jié)果，據(jù)此推測認為產(chǎn)生控制效果的是體積力。Gaitonde 等通過仿真表明SDBD 激勵器通過促進層流-湍流轉(zhuǎn)捩和增強近壁面動量來實現(xiàn)控制作用，轉(zhuǎn)捩和湍流增強機制比純粹的壁面動量增強更重要。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制：第一種為DBD 增強邊界層旋渦，因而避免翼型前緣更大分離渦的形成;第二種為激勵器通過抑制翼型分離，從而改善了翼型氣動性能。圣母大學(xué)團隊研究NACA 0015 機翼處于振蕩過程中SDBD 對流動分離的控制效果，發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)下一個單獨的SDBD 激勵器類似于襟翼或者鼓包，對機翼升力具有雙重作用：一是無粘動量添加;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激勵器誘導(dǎo)二分量速度場和拉格朗日加速度，認為等離子體誘導(dǎo)體積力存在時間和空間兩種加速機制，實驗得出時間加速機制起主要作用。

　　1.2.2、溫升效應(yīng)和熱沖擊效應(yīng)

　　Correale 等通過實驗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，還在層流條件下進行了納秒脈沖等離子體控制翼型失速的研究，以此來進一步探索流動控制機理，研究發(fā)現(xiàn)納秒脈沖等離子體在翼型表面誘導(dǎo)出旋渦是流動控制的最主要機制。Roupassov 等[21] 研究表明激勵器放電產(chǎn)生的納秒脈沖等離子體在激勵器表面誘導(dǎo)出沖擊波，沖擊波誘導(dǎo)旋渦對主流產(chǎn)生擾動，從而促進主流和邊界層之間的動量交換，使得翼面流動再附。Jonathan Poggie 等對DBD 納秒脈沖放電的作用機理進行了數(shù)值研究，仿真的結(jié)果很好的再現(xiàn)了實驗中觀察到的現(xiàn)象。認為納秒脈沖可用于高速流動控制，作用機理主要在于激勵器迅速將電能轉(zhuǎn)化為快速釋放的熱能，以及隨之而產(chǎn)生的沖擊波對流場的擾動作用。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)等離子體對斜激波和激波邊界層的相互作用。

　　1.2.3、綜合觀點

　　目前還存在一些綜合觀點，比如Menier 等提出亞聲速條件下適用動量傳輸機理，超聲速條件下則主要為加熱機制，二者更可能同時存在，放電位置的不同導(dǎo)致動量傳輸和加熱作用可能疊加，也可能互相抵消。Roupassov 等認為能量耦合機制與所使用的激勵電源有關(guān)，對于交流放電來說，電場對流場的動量輸入和近壁面流動加速是主要影響機制，對于納秒脈沖SDBD 來說，主要機制是能量傳輸?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 等離子體流動控制技術(shù)。美國、俄羅斯等國等離子體流動控制技術(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)針對等離子體流動控制進行了數(shù)值仿真和實驗方面的研究，主要單位有空軍工程大學(xué)、中國空氣動力研究與發(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)，在等離子體流動控制機理和應(yīng)用上進行了研究探索�？傮w來看，國內(nèi)外都還沒有形成一個被廣為接受和認同的等離子體流動控制機理，對等離子體流動控制的具體過程認識還不是很清晰。當(dāng)然，主要針對等離子體流動控制實現(xiàn)翼型或機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擴穩(wěn)、風(fēng)力機槳葉增效、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 激勵器連續(xù)工作模式下誘導(dǎo)的電場強度比較低，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，未來還需要進一步探索如何增加等離子體激勵強度，提高等離子體的氣動激勵性能。

　　針對現(xiàn)階段等離子體氣動激勵強度不高和工程化應(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分離能力的等離子體沖擊流動控制方式，近年來成為流動控制領(lǐng)域的研究熱點，但是納秒脈沖作用周期的占空比小，能否產(chǎn)生一個更高的作用效率值得深入的探討;(2)還應(yīng)該進一步開展SDBD 等離子體流動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，應(yīng)該加強這方面的研究。