二维对称结构纳秒脉冲介质阻挡放电数值模拟

为具体分析放电过程中电场强度、电子密度、平均电子能量及鞘层的变化规律,通过简化化学反应动力学模型以及采用全时域漂移-扩散模型方程,对N2-O2混合气体的二维平行电极纳秒脉冲介质阻挡等离子体放电的发展演化过程进行数值模拟。计算结果发现:放电从电极处开始发展形成约化场强约为5×10-19 V?m2的强电场,高电压电极附近形成0.2 mm的鞘层区域,鞘层边缘存在数密度为1.6×1019 m-3的薄电子层,且其边缘分层结构与低气压辉光放电鞘层分层结构一致;电子沉积在介质表面,等离子体从强电场中获得的能量使得其在脉冲结束后的余辉过程中继续维持,进而有效地将能量耦合给等离子体。数值模拟结果表明,提出的简化化学反应动力学模型能够有效地模拟复杂的介质阻挡纳秒脉冲放电的物理过程及其各个物理参数的变化规律。     

纳秒和微秒脉冲激励表面介质阻挡放电特性对比

表面介质阻挡放电(DBD)在气体流动控制方面有着巨大的应用前景。利用自制的纳秒和微秒脉冲电源进行表面DBD实验,比较了电压幅值、介质厚度、电极水平间距等对两种激励下表面DBD电特性的影响并进行了分析。实验中两种电源激励的表面介质阻挡放电能量均在mJ量级,上升沿瞬时最大功率达到几十kW。实验结果表明:在脉冲上升沿有多次放电,微秒脉冲上升沿放电次数比纳秒脉冲多;随着电压幅值上升,放电次数减少;介质越薄,放电越激烈,能量越大;电极水平间距对表面DBD放电有影响,间距0 mm时能量消耗最大;施加脉冲电压频率越大,放电等离子体的亮度越大;微秒脉冲放电的等离子体区域要大于纳秒脉冲放电。     

激励器参数对纳秒脉冲表面滑闪放电特性影响

利用三电极激励器结构,通过纳秒脉冲叠加负直流激励方式产生表面滑闪放电。研究电极间距、阻挡介质材料及其厚度对纳秒脉冲表面滑闪放电电气及光学特性的影响,并分析基于三电极激励结构的表面介质阻挡放电模式转换规律。实验结果表明,不同电极间距下纳秒脉冲表面滑闪放电电压激发差值不同,随着电极间距增大,电压激发差值逐渐增大,而介质表面平均电场强度先增大后减小,电极间距为25mm时为最优值,能在较低的电压激发差值条件下产生较高能量。此外,表面滑闪放电在不同电极间距条件下均存在3种放电模式,随着激励器电压差值的增大,放电模式由典型表面介质阻挡放电逐渐转变为表面滑闪放电,并最终转变为火花放电。介电常数较低的阻挡介质材料沉积能量较多,而介质厚度对表面滑闪放电电压激发差值影响较小,但激励器厚度较小时消耗的功率相对较大,能量利用率较低,不利于获得大面积等离子体。     

沿面型介质阻挡放电的数值仿真计算

沿面型介质阻挡放电因较平行板介质阻挡放电能产生均匀的较大面积等离子体层和在流动控制等新技术中的突出应用而得到学术界和应用界的广泛关注。为更好地研究和揭示沿面型介质阻挡放电的放电机理与演化规律,利用Comsol软件的等离子体模块对大气压空气中该放电进行二维数值模拟。考虑空气放电时O2-、N2-、O2+、电子等8种粒子及16种放电粒子化学反应,得到了放电过程中粒子浓度变化过程与放电空间的电场分布。分析讨论放电起始阶段电荷的运动情况后表明,电子在起始阶段主要受电场控制以漂移运动为主,其后在扩散和漂移的共同作用下分布范围不断扩大。验证分析放电的不对称性并与实验结果相对照后,指出正是由于表面电荷的积累导致了放电的不对称性。     

纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的仿真计算

为了深入探究纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的演化规律,揭示其作用机理,文中搭建了纳秒脉冲电源作用下非对称结构沿面介质阻挡放电等离子体光电特性实验测量平台,并在此基础上建立了放电集总参数等效电路模型,通过对比实验推理和仿真计算分别得到的放电电流以及电子密度参量,证明了模型的有效性。文中通过该模型计算得到了介质表面电压、气隙电压以及电子温度等等离子体特性参数随时间的变化关系,并进一步研究了电源斜率对大气压沿面介质阻挡放电电流的影响。得到的主要结论为:单极性纳秒脉冲电源作用下,在脉冲上升沿存在二次放电,在下降沿存在反向放电过程,电子温度与电子密度高达8.3 e V和2.7×10~(18)m~(-3),电源斜率对放电有重要的影响,随着电压上升率增加,第1次放电的电流增大。放电时刻提前,但是对应的第2次放电电流略有减小,下降率的增加则对应着第2次放电电流幅值的增加,第1次放电的电流则略有减小,研究结果为深入分析激励器放电特性,提高等离子体发生器效率提供参考。     

乙丙橡胶绝缘的表面击穿与沿面放电特性

为了探究乙丙橡胶绝缘的表面击穿特性和沿面放电行为,选择板–板电极、棒–环电极和针–板电极3种典型的电极结构来模拟不同电场分布,分别测量并分析了3种电极下外施交流和负极性直流电压时乙丙橡胶的表面击穿电压和击穿痕迹。在外施交流电压下,测量了不同电压下的沿面放电,分析了沿面放电起始和发展过程。试验结果表明:电场分布越均匀,表面击穿电压越大;板–板电极下的起始放电电压与电极间距成正相关性,而棒–环电极和针–板电极下的起始放电与起晕电压相关,其值在1.9~2.4 k V之间;在不同电场分布和放电阶段,发生的放电类型和放电谱图也有所差别,而且在沿面放电前期,放电脉冲幅值较小,约为1.2 V;但是在沿面放电后期,放电比较分散,放电脉冲幅值较大,最高可达43 V。据此可以对沿面放电发展的严重程度进行判断。     

电极介质覆盖SF6间隙纳秒脉冲电压放电特性研究

本文引入流体力学理论的对流-扩散机制,建立以自洽流体力学模型为基础的SF_6气体电极介质覆盖下的纳秒脉冲电压下的放电数学模型。采用MacCormack二阶精度反耗散的稳定格式,既顾了计算精度、计算量和收敛速度的要求,又克服放电过程间隙参量奇异性对计算结果的影响。同时计算分析了0. 4 MPa,纳秒脉冲电压上升沿20 ns条件下,幅值分别为10、14、19和25 kV,以及幅值15和25 kV条件下的20、30和40 ns下的SF_6气体电极介质覆盖下的纳秒脉冲放电特性,以及放电过程带电粒子的运动行为与间隙电场影响机制,获得了脉冲电压幅值和上升沿对其放电过程的位移电流、传导电流以及总电流之间制约关系。研究结果对拓宽SF_6应用领域具有参考价值。     

基于介质阻挡放电的等离子体除冰实验研究

通过放电测试、热像测试和静态除冰实验,探索基于不同介质阻挡放电形式的等离子体除冰效果及机理,为提高等离子体激励的除冰能力提供参考。结果表明,纳秒脉冲介质阻挡放电的放电通道长,作用范围广,单周期能量为交流正弦波介质阻挡放电的50%。介质阻挡放电激励器高低压电极交界处温度最高,产热区域主要位于低压电极上方。交流正弦波介质阻挡放电主要以介质层产热来除冰,可以更快地突破冰层的潜热,融化冰层的方式为"线状"扩展,加热范围大但温度低;纳秒脉冲介质阻挡放电在除冰过程中能够产生等离子体,融化冰层方式为"点状"扩大,加热范围较为集中且温度高,其静态除冰性能优于交流正弦波介质阻挡放电;冰层厚度越小,激励电压越大,除冰效果越好。     

大气压针–板介质阻挡放电丝的时空演化

为了分析在小间隙下介质阻挡放电丝的生成机理,以体放电和沿面放电为研究对象,探讨了其在流光放电机制下的形成过程。采用针–板介质阻挡放电装置,在大气压氩气中形成了稳定的放电。利用电学和光学方法,研究发现,随外加电压的增加放电由单丝发展为多丝,在此过程中,发光脉冲的强度增加,且半周期的发光脉冲个数也增加。对于正半周期放电的起始电压,发现其随氩气体积流量的增加而增加,随外加电压峰值的增加而减小。在纳秒曝光时间尺度下,利用高速相机对单丝放电在一个外加电压周期的时间演化过程进行了研究。发现该介质阻挡放电由气隙中的体放电和电介质板上的沿面放电两部分组成。不论电压正半周期还是电压负半周期,体放电均源于正流光机制,而沿面放电的机制与电极的极性有关。瞬时阴极上的沿面放电对应正流光传播过程,而瞬时阳极对应负流光机制。     

脉冲介质阻挡放电脱除N_2/NO体系中NO的模拟研究EI北大核心CSCD

NO是重要的大气污染物之一,为了深入了解脉冲介质阻挡放电去除N2/NO体系中NO的机理,采用一维自洽的流体力学模型对N2/NO中大气压脉冲放电进行了模拟研究,并分析讨论了各种放电参数对NO去除效率的影响。模拟结果表明:NO的去除主要通过还原反应N+NO→N2+O来实现;N原子是脱除NO的主要活性粒子,它来源于电压上升沿和下降沿的2次放电,并主要通过电子直接碰撞解离N2分子产生;放电中产生的N原子体积分数的高低直接决定NO的脱除效率;电压脉冲幅度越大,上升和下降时间越短,介质层越薄,或放电间隙越小,则脉冲放电产生的N原子体积分数就越高,越有利于NO的脱除;在其他参数不变时,存在1个最佳脉冲宽度,在此脉冲宽度下NO的脱除率最高。     

脉冲介质阻挡放电脱除N_2/NO体系中NO的模拟研究

NO是重要的大气污染物之一,为了深入了解脉冲介质阻挡放电去除N2/NO体系中NO的机理,采用一维自洽的流体力学模型对N2/NO中大气压脉冲放电进行了模拟研究,并分析讨论了各种放电参数对NO去除效率的影响。模拟结果表明:NO的去除主要通过还原反应N+NO→N2+O来实现;N原子是脱除NO的主要活性粒子,它来源于电压上升沿和下降沿的2次放电,并主要通过电子直接碰撞解离N2分子产生;放电中产生的N原子体积分数的高低直接决定NO的脱除效率;电压脉冲幅度越大,上升和下降时间越短,介质层越薄,或放电间隙越小,则脉冲放电产生的N原子体积分数就越高,越有利于NO的脱除;在其他参数不变时,存在1个最佳脉冲宽度,在此脉冲宽度下NO的脱除率最高。     

纳秒脉冲圆台形绝缘体真空沿面闪络特性实验研究

实验研究了纳秒脉冲(10／30ns)下圆台形绝缘体真空绝缘沿面闪络特性,结果表明锥角变化对闪络电压影响显著,45°锥角时闪络电压最高。与圆柱形绝缘体相比,脉冲电压下,±45°圆台形绝缘体闪络电压增幅较大,且脉宽越窄,增幅越大;直流和交流电压波形下,圆台形闪络电压增幅较小。分析认为,45°锥角时阴极三结合点处电场减弱幅度最大,初始场致发射电子数量受到抑制,电子沿绝缘体表面的倍增过程较难实现。预闪络期间直流、交流电压下正离子有时间积累起足够多的能量参与碰撞电离。而纳秒脉冲闪络过程中正离子数纳秒时间内积累起的能量非常有限,作用忽略不计。闪络电压与电压随时间的上升速率有关,纳秒脉冲电压上升速率极快,对应放电时延的电压增幅较大,因此纳秒脉冲闪络电压高于其它电压波形。     

大气压氖气介质阻挡多脉冲放电现象研究

为了探讨大气压氖气介质阻挡放电的多脉冲现象的本质,实验测量了多脉冲放电的电压电流波形,建立了多脉冲放电的电路模型,并利用ICCD高速相机研究了多脉冲辉光放电模式的演化过程。研究结果表明,多脉冲中的各次脉冲气隙电压的变化和单脉冲中气隙电压的变化趋势相同,即在气隙击穿前,气隙电压逐渐上升,在气隙击穿后突然下降。由于介质阻挡产生的异号电荷和外加电场的共同作用,使得多脉冲中每个电流脉冲对应的气隙击穿电压峰值出现逐渐下降的趋势。ICCD高速时间分辨图像表明,多脉冲的每个脉冲放电的底面演化过程与单脉冲时的辉光放电是十分相似的,都呈现出径向发展的过程,但相邻放电脉冲其放电的径向发展过程呈现互补现象,即若一个从内到外另一个就从外到内。这说明放电总是以活性粒子存活数量较多的地方作为放电的起始位置。同时,实验结果说明不能通过电流脉冲个数的多少判断放电是否均匀,多脉冲放电也可能是均匀放电。     

基于波形参数法的电场畸变对局部放电特性影响分析

通过搭建局部放电纳秒级放电电流测试系统,研究了针-板电极的畸变电场下局部放电的特性,以及针尖曲率半径和铝箔尺寸变化对放电特性的影响。研究表明,不同电场畸变条件下放电存在较大差异。当介质表面无铝箔覆盖时,正极性放电电流幅值大于负极性放电电流,其电流脉冲上升沿和下降沿都要小于负极性放电,这可以用流注理论很好的进行解释。当介质表面有铝箔覆盖,针尖曲率较小时,放电情形类似于无铝箔覆盖的情况;而当针尖曲率较大时,负极性脉宽小于正极性脉宽,其电流幅值大于正极性脉冲。由此推测,在针尖曲率较大铝箔覆盖时放电机理发生了改变,产生了不同于流注放电的另一种放电。本文的研究为波形参数法区分不同放电类型打下了基础。     

纳秒脉冲表面滑闪放电的电气和光学特性

为了研究纳秒脉冲表面滑闪放电特性,本文采用一种新型三电极结构的激励器,通过纳秒脉冲叠加负直流的混合激励模式产生表面滑闪放电。实验研究了电压脉冲分量、电压直流分量及两者的差值对纳秒脉冲表面滑闪放电特性的影响。实验结果表明,当脉冲电压幅值固定时,直流电压幅值的改变对脉冲侧电流的影响较小,但对直流源侧电流却影响显著,直流源侧电流随直流电压幅值的增加而增加,发生表面滑闪放电后峰值和速度均增加。直流电压幅值越大,直流源侧电流出现时刻越早。当直流电压幅值固定时,脉冲侧电流和直流源侧电流均随着脉冲电压幅值的增加而增加。实验中存在一个电压阈值(脉冲分量和直流分量电压差值)使纳秒脉冲表面滑闪放电发生,该阈值为22k V。此时发生表面滑闪放电,瞬时功率峰值、单脉冲能量峰值和稳态能量均迅速增加。脉冲直流电压差值相同时,脉冲分量主导脉冲侧电流的大小,直流分量主导直流源侧电流的大小,脉冲分量所占比例的大小对功率和能量损耗的影响较大。此外,利用数码相机拍摄放电图像研究了纳秒脉冲表面滑闪放电的光学特性,放电图像表明,在电极间施加合理的脉冲电压和负直流电压均可产生表面滑闪放电,实现等离子体的拉伸效果,在阻挡介质表面获得大面积的等离子体。     

大气压氩气纳秒脉冲针—水结构气液放电特性研究北大核心CSCD

为了在提高放电等离子体活性的同时保持较为稳定的放电,文中利用纳秒脉冲电源驱动大气压氩气中针—水结构气液放电,研究了不同脉冲电压和频率下的放电电学特性、发光图像和发射光谱强度,并讨论了相关参数对放电特性的影响原因。结果表明:在氩气纳秒脉冲气液放电中,脉冲电压和频率不会对放电模式产生影响。随着脉冲电压的增大,上升沿电流、下降沿电流和平均功率均增大,且上升沿电流总是大于下降沿电流;当脉冲频率增大时,上升沿电流和平均功率增大,下降沿电流逐渐减小。等离子体特性方面,在不同脉冲电压和频率下均测到了较强的Ar(4p→4s)、H(656 nm)和O(777 nm)谱线和较弱的H(486 nm)谱线,并且4种激发态活性粒子的发射光谱强度均随着脉冲电压和频率的增大而增大。     

直流电压下油纸绝缘沿面闪络特性及数值模拟

变压器油纸绝缘沿面放电起始与发展的物理过程较为复杂,放电机理尚未明确.本文通过对油间隙放电针-板电极模型和油纸绝缘沿面放电针-板电极模型进行试验测量和数值模拟,获取并分析油间隙放电和油纸绝缘沿面放电在不同纸板厚度、不同沿面距离下的放电特性和放电机理.结果表明:直流电压下,油纸绝缘沿面闪络电压低于油间隙击穿电压的原因在于绝缘纸板的存在不仅改变了电场的分布,使针尖处平行电场分量增大,流注放电的起始电压降低,还阻碍了空间电荷的扩散,加剧电场畸变程度,提升流注的发展速度.另外,由于绝缘纸板的存在,油纸绝缘沿面放电流注的起始过程也不同于油间隙放电流注的起始过程,存在着流注通道向绝缘纸板贴合的过程.增大纸板厚度可使针尖处平行电场分量增加,流注放电的起始电压降低,流注的发展速度变缓,沿面闪络电压降低.油纸绝缘沿面闪络电压随沿面距离的增加而增大,其呈现非线性变化是由于流注在向自持放电阶段发展的过程中,受外施电压的作用逐渐减弱,空间电荷畸变电场的作用占主导地位.     

空气中沿面流注放电表面电荷分布特性的仿真研究北大核心CSCD

绝缘子表面积聚的电荷会畸变电介质表面电场进而引发沿面闪络。为研究空气氛围中绝缘介质表面在沿面流注放电发展过程中动态电荷积聚情况,在自主开发的二维流体沿面放电仿真模型中增加化学反应体系,模拟了正负极性沿面放电在起始及发展过程中流注自身特性以及介质表面电荷分布特性的演化过程。研究发现施加电压为负极性时,介质表面始终累计负电荷,沿面流注头部累积电荷量极高,流注头部后方界面处电场极性反转,正离子向介质表面运动;施加电压为正极性时,沿面流注头部累积正电荷,尾部电子朝介质表面扩散,介质表面总电荷量为负值。     

利用重复频率纳秒脉冲和线电极产生常温常压下的大气压弥散放电

大气压弥散放电产生非热平衡等离子体在诸多高新技术领域具有较大应用潜力。分析了在常温常压的大气压条件下,形成和维持非热平衡等离子体的机制,提出了实现弥散放电应设法满足低放电电压、多电子崩发展和带电粒子温度抑制的条件。由此设计了在开放的大气压空气环境中实现大面积弥散放电的装置。根据逃逸电子击穿理论,选择重复频率、较低占空比的纳秒脉冲电激励方式作为弥散放电的低电压驱动源。利用线型电极的小曲率半径,构成极不均匀电场间隙。弥散放电分别在直线型电极和圆环型电极中进行。实验结果表明,所研制的放电装置能够以百kV以内峰值纳秒脉冲电压、数百Hz的频率激励若干厘米等级间距的大气压弥散放电。     

利用重复频率纳秒脉冲和线电极产生常温常压下的大气压弥散放电EI北大核心CSCD

大气压弥散放电产生非热平衡等离子体在诸多高新技术领域具有较大应用潜力。分析了在常温常压的大气压条件下,形成和维持非热平衡等离子体的机制,提出了实现弥散放电应设法满足低放电电压、多电子崩发展和带电粒子温度抑制的条件。由此设计了在开放的大气压空气环境中实现大面积弥散放电的装置。根据逃逸电子击穿理论,选择重复频率、较低占空比的纳秒脉冲电激励方式作为弥散放电的低电压驱动源。利用线型电极的小曲率半径,构成极不均匀电场间隙。弥散放电分别在直线型电极和圆环型电极中进行。实验结果表明,所研制的放电装置能够以百kV以内峰值纳秒脉冲电压、数百Hz的频率激励若干厘米等级间距的大气压弥散放电。