引言

离子风（ionic wind）作为一种典型的电场诱导气体流动现象，其研究可追溯至18世纪Hauksbee的先驱性工作。离子风现象的物理本质源于强电场作用下气体的电离雪崩效应，通过荷电粒子与中性分子的动量耦合实现能量传递。目前研究表明，实现离子风的主要气体放电形式包括：辉光放电（glow discharge，GD）、射频放电（radio frequency discharge，RFD）、电晕放电（corona sischarge，CD）及介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD）。其中，介质阻挡放电因结构简单、响应快和功耗低等特点，在等离子体流动控制中备受关注。沿面介质阻挡放电（surface dielectric barrier discharge，SDBD）由Roth团队于1995年首次提出，作为DBD的一种形式，其可生成大面积、均匀的等离子体层，不仅能避免电弧放电、提高系统稳定性和安全性，还具备高功率密度，能够在有限空间内实现高效能量传递，为主动流动控制提供稳定而强大的驱动力。因此，SDBD在应用中比CD更具优势。尽管SDBD激励器尚未投入实际应用，但已被广泛探讨用于多种流动控制场景，尤其在航空航天推进领域展现出显著潜力。

1 SDBD等离子体激励器的基本结构

在众多结构形式中，非对称布局是SDBD等离子体激励器最为常见且应用最为广泛的构型，典型SDBD等离子体激励器的结构如图1所示。该构型主要由高压电极与地电极构成，两者之间通过厚度为数百微米至数毫米的介质层实现电气隔离，且任意电极与介质层之间均不存在间隙。其中，高压电极直接暴露于空气中，而地电极则被绝缘介质材料完全包覆，与外界空气形成物理隔绝。启动高压交流电源后，高压电极周围会形成强电场，驱动空气中的自由电荷发生剧烈运动。当自由电子在电场作用下获得超过空气分子电离能的动能时，将引发中性粒子的碰撞电离，产生次级电子并触发雪崩式电离过程。这将导致带电粒子在电介质表面持续积累，形成与外加电场方向相反的极化电场，其空间电荷效应可显著削弱电极附近的场强分布，从而有效抑制气体介质击穿并避免火花放电的产生。值得注意的是，在交流电压半周期切换过程中，积聚电荷在反向电场作用下带电粒子与中性气体分子间的碰撞动量交换形成定向离子风。在供电方式上，SDBD等离子体激励器的电极可连接高压电源，常见的供电模式包括直流供电、连续交流供电，以及纳秒、微秒级脉冲供电等多种形式。

2 SDBD离子风的研究进展

SDBD离子风独特的流动特性及其携带带电粒子的能力，使其在众多领域具有广泛应用。已在食品灭菌、环境净化、航空航天等相关领域展现出良好的应用前景。以下综述SDBD离子风在多领域的研究现状。

2.1 在灭菌杀菌领域的研究进展

SDBD低温等离子体通过电离食品周围介质，产生活性氧、活性氮、紫外光子及带电粒子等杀菌物质，破坏微生物细胞结构，实现高效灭菌。该技术因具备低温快速、无污染、低成本、广谱杀菌及安全等优势，成为新兴的非热食品杀菌方法，在食品加工中应用前景广阔。

Tappi等人的研究表明，经DBD等离子体处理30 min并在10℃下储藏的鲜切苹果，其货架期从2天延长至4天，显示出显著的保鲜效果。Lotfy等人利用SDBD处理3分钟，在不影响食用的情况下，可使不同品种椰枣中分离出的黑曲霉生长受到显著抑制，并同步降低椰枣pH值、水分活度及含水量，该技术有望成为椰枣真菌污染的有效控制手段。Pourbagher小组利用SDBD冷等离子体技术处理双孢蘑菇，可在21天储存期内有效抑制托拉斯假单胞菌及多酚氧化酶）、过氧化物酶活性，提升超氧化物歧化酶活性，同时保持颜色、质地、pH值和失重等品质参数稳定。

2.2 在环境净化领域的研究进展

SDBD离子风可起到高效降解挥发性有机化合物、抑制微生物生长、促进颗粒团聚沉降等作用，在空气净化、水资源清洁及工业废气处理等环境净化领域展现出高效的应用潜力。

Maxime等人通过SDBD等离子体与光催化的协同作用，证实该技术能够高效降解工业生产中产生的气相氨（NH₃）和硫化氢（H₂S）等无机恶臭污染物。Lu Taining等人利用串联火花放电与SDBD装置生成臭氧，以泡沫镍负载P25为光催化剂，结合曝气—光催化系统，80分钟内使罗丹明B完全脱色、环丙沙星降解率达99%，实现污染水体高效净化。Chen等人利用网状结构电极的SDBD反应器与TiO₂光催化剂及紫外光协同作用，使得甲苯降解效率、碳平衡和CO₂选择性均进一步大幅提高。E. Timmermann等采用DBD作为等离子体源，联合离子风技术处理室内空气。结果表明，该方法可将臭氧含量控制在362 μg/L，同时实现95%的杀菌率，显著提升了空气净化的高效性与安全性。

2.3 在航空航天领域的研究进展

作为一种非平衡态等离子体技术，在航空航天领域的流动控制与推进系统中展现出显著的应用潜力。通过电离气体产生的等离子体与流场的相互作用，SDBD技术可有效调控边界层分离、抑制失速现象，并为新型推进系统提供创新解决方案。

Cheong等利用直接力测量和粒子图像测速两种方法，测得常压室温条件下13 kHz频率、16 kV峰-峰值方波脉冲电压驱动SDBD等离子体发生器产生的推力密度水平为10-50 mN/m。Vorobiev等研究发现，嵌入机翼吸力面的两个SDBD等离子体激励器，通过运行单个激励器来实现飞机滚转控制，在2 m/s流速下等效襟翼偏角达31°。Ebrahimi等人针对NACA 4415翼型开展DBD等离子体激励器控制流动分离的数值研究，结果表明通过调控剪切层失稳与尾流结构能够显著改善流动特性，使得时均升力系数与时均升阻比均有提升。Rethmel等人利用重复纳秒脉冲驱动的 NS-DBD等离子体激励器在高雷诺数和马赫数下，通过脉冲加热机制有效的控制了翼型前缘分离。Xu等通过协同优化DBD离子源电气参数，实现了EAD推进器性能突破。推力密度50 mN·m^-1时，推功比达20 N·kW⁻¹，且在150 mN·m^-1工况下仍保持10 N·kW^-1。较传统电晕放电装置，能量转化效率提升100%且功耗更低，该DBD-EAD技术显著延长飞行器续航能力，为固态飞机实用化提供关键技术支撑。

3 总结

SDBD技术以其独特的非对称电极构型和等离子体调控机制，在主动流动控制领域构建了多维度应用场景。当前研究已证实其在食品灭菌中低温高效的杀菌能力、在环境净化中对复杂污染物的协同降解效能，以及在航空航天领域对流动分离和推进效率的显著改善作用。未来研究仍需探索与其它技术的复合作用机制，以进一步提升 SDBD在不同领域的效能表现。随着基础理论与工程实践的深度融合，SDBD有望在绿色食品加工、高效环境治理及新型航空动力系统等领域实现突破性应用，为跨学科技术创新提供新范式。

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