DBD等离子体激励器作为后向台阶流动与传热控制器的CFD方法

《Thermal Science and Engineering Progress》：Using DBD plasma actuators as flow and heat transfer controller over a backward-facing step: CFD approach

　　

本研究采用数值方法分析DBD等离子体激励器（DBD plasma actuator）作为主动流动控制装置在改变后向台阶（backward-facing step, BFS）通道内流场和增强传热方面的潜力。研究人员系统考察了DBD等离子体激励器的两个不同位置、雷诺数（Reynolds number, Re）、施加电压（voltage, V）和激励频率（frequency, f）等关键参数在较宽范围内的变化。主要观察结果总结如下：与未采用流动控制装置的BFS相比，采用DBD等离子体激励器可有效增强传热约3至4倍，并改善BFS分离区内的流动控制。与传统传热增强方法通常增加压降不同，在BFS中使用等离子体激励器通过改变再附长度（reattachment length, L_x）降低了压降，同时改善了传热。DBD激励器的位置显著影响流场和传热；将激励器从顶壁（Top wall）移至台阶上方（Over Step）使平均努塞尔数（Nusselt number, Nu）在Re=400时增加108.9%。在DBD等离子体作用下，将Re从100增至400导致再附长度减小，在V=7 kV和f=4 kHz时传热增强约16.75%。将电压从6 kV增至9 kV使再附长度增加约0.0157 m，且η提高31.22%。较高频率使再附长度延长；值得注意的是，在f=3 kHz时，DBD等离子体条件下再附长度保持恒定，但分离区内涡强度增加，该区域涡强度的增强导致传热意外增强。总体而言，结论表明将频率从1 kHz增至3 kHz和从4 kHz增至6 kHz可增强传热。

**论文解读：基于DBD等离子体激励器的后向台阶流动与传热控制——CFD方法研究**

**研究背景、问题与意义**
后向台阶（backward-facing step, BFS）流是流体力学中经典的分离流模型，广泛应用于航空航天、车辆工程、暖通空调（HVAC）、传热系统及建筑周围气流等领域。BFS流动包含分离泡、再附区和再附点等关键区域，对流场控制与传热强化具有重要意义。然而，传统被动控制方法（如障碍物、涡流发生器、波纹壁等）虽能改善流动，但常伴随压降增加；主动控制方法（如合成射流、电液动力激励等）则存在结构复杂或能耗高等问题。近年来，介质阻挡放电（dielectric barrier discharge, DBD）等离子体激励器因其结构简单、无移动部件、响应迅速等优势，在流动控制领域受到广泛关注。尽管已有研究证明DBD等离子体激励器可有效抑制BFS流动分离、缩短再附长度，但针对其同时提升传热性能的系统性研究仍十分匮乏，尤其在层流BFS通道中，热-流耦合机理尚未被深入探讨。为此，本研究采用数值模拟方法，系统评估DBD等离子体激励器在不同参数条件下对BFS通道内流场与传热特性的影响，旨在填补该领域研究空白，为高效紧凑式换热设备的设计提供理论依据。论文发表于《Thermal Science and Engineering Progress》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）方法，基于ANSYS Fluent 18.0软件，利用有限体积法求解二维不可压缩稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS）方程与能量方程。电体力采用Yoon半经验模型建模，通过用户自定义函数（user-defined function, UDF）作为动量源项引入。压力-速度耦合采用SIMPLE算法，控制方程离散采用二阶迎风格式。计算域入口为均匀速度与300 K恒温，出口为零表压，下游底壁施加100 W/m²的均匀热流，其余壁面绝热。网格采用结构化非均匀网格，经网格独立性验证选定98,000个单元。等离子体模型参数包括电极厚度、介电层厚度等，DBD激励器置于台阶顶壁与台阶上方两个位置，分别考察雷诺数（Re=100、200、300、400）、施加电压（6–9 kV）和激励频率（1–6 kHz）的影响。数值验证通过与Thomas等实验数据（平板DBD激励器速度分布）及Kumar等数值数据（BFS局部努塞尔数分布）对比完成，误差在可接受范围内。

**研究结果**

**6.1 DBD等离子体激励器位置的影响**
研究人员通过对比无等离子体、顶壁位置与台阶上方位置三种工况（V=7 kV, f=4 kHz, Re=400），发现DBD等离子体激励器可显著提高BFS内最大流速，且顶壁位置的最大流速高于台阶上方位置。温度分布显示，等离子体激励器激活后最高温度降低，表明传热增强。局部努塞尔数（Nu_x）分布表明，台阶上方位置实现最高的最大局部努塞尔数，且平均努塞尔数比（η=Nu_m/Nu_m0）从无等离子体时的1增至顶壁位置的1.80，再增至台阶上方位置的3.76，增幅达108.9%。此外，等离子体激励器还改变了再附长度（L_x）：无等离子体时L_x=0.0347 m，顶壁位置增至0.0544 m，台阶上方位置减至0.0181 m。静压分布表明，台阶上方位置不仅传热增强，还降低了入口静压与压降，优于顶壁位置。因此，后续分析均采用台阶上方位置。

**6.2 雷诺数的影响**
在V=7 kV, f=4 kHz条件下，研究人员考察了Re=100至400的影响。流速云图显示，随Re增大，等离子体诱导射流的最大速度向分离泡迁移，增强了对再附过程的影响。温度云图表明，Re增大导致最高温度降低，即对流传热系数上升。再附长度分析显示，在Re=100和200时，DBD等离子体使L_x较无等离子体时增大；但在Re=300和400时，L_x减小，且Re=400时L_x最小（0.0181 m），表明涡强度增强。平均努塞尔数比η随Re增大而上升，从Re=100时的3.218增至Re=400时的3.757，传热增强约16.75%。

**6.3 施加电压的影响**
在Re=400, f=4 kHz条件下，研究人员分析了V=6–9 kV的影响。流线与速度云图显示，电压升高使最大流速增大，且再附长度增加：L_x从6 kV时的0.0135 m增至9 kV时的0.0292 m。局部努塞尔数分布表明，V=8 kV时出现一个局部最大峰值（因两涡间高速射流增强局部对流），但整体上V=9 kV时Nu_x值更高。平均努塞尔数比η从6 kV时的3.184增至9 kV时的4.178，增幅31.22%。同时，等离子体功耗从0.297 W增至4.015 W。

**6.4 频率的影响**
在Re=400, V=9 kV条件下，研究人员考察了f=1–6 kHz的影响。流线图显示，频率变化显著影响再附区附近的流型，f>2 kHz时再附长度增加。局部努塞尔数分布呈现非单调趋势：f=3 kHz时出现最大Nu_x峰值，对应再附长度L_x=0.0224 m，与无等离子体时的L_x（0.022 m）接近，提示共振现象，此时分离泡内涡强度增强但尺寸不变，导致传热意外增强。平均努塞尔数比η从f=1 kHz时的3.781增至f=3 kHz时的4.448（增幅17.64%），降至f=4 kHz时的4.178（降幅6.07%），再升至f=6 kHz时的4.770（增幅50%）。功耗从1.004 W增至6.023 W。

**总结与讨论**
研究表明，DBD等离子体激励器通过边界层再激励与剪切层混合增强，有效减小热边界层厚度并增强壁面法向输运，促使高动量流体向壁面迁移，从而显著增强对流传热，同时再附提前且近壁区动态更活跃。传热增强程度受激励器工作参数（电压、频率）及流向位置强烈影响，且在较低雷诺数下剪切层赋能效果更显著。然而，实际部署受限于高压高频电源需求、介电击穿风险及长期运行下的热退化等问题。

**研究结论**
（1）与无流动控制装置的BFS相比，采用DBD等离子体激励器可将传热有效增强约3至4倍，并改善BFS分离区内的流动控制。
（2）与传统传热增强方法通常增加压降不同，在BFS中使用等离子体激励器通过改变再附长度降低了压降，同时改善了传热。
（3）DBD激励器的位置显著影响流场和传热；将激励器从顶壁移至台阶上方使平均努塞尔数在Re=400时增加108.9%。
（4）在DBD等离子体作用下，将Re从100增至400导致再附长度减小，在V=7 kV和f=4 kHz时传热增强约16.75%。
（5）将电压从6 kV增至9 kV使再附长度增加约0.0157 m，且η提高31.22%。
（6）较高频率使再附长度延长；在f=3 kHz时，DBD等离子体条件下再附长度保持恒定，但分离区内涡强度增加，导致传热意外增强。总体而言，将频率从1 kHz增至3 kHz和从4 kHz增至6 kHz可增强传热。