纳秒脉冲空气辉光放电等离子体及应用

采用基于半导体断路开关的纳秒脉冲高压电源,在两个金属电极之间产生放电区间为1 600mm×100 mm×25 mm的常压辉光空气等离子体。等离子体发生器采用负高压针电极阵列与平板阳极结构,针电极的直径为1 mm,长度为20 mm,针电极之间的间隔为20 mm,针电极与平板零电位之间的距离为25mm,在每个负高压针电极末端周围同时形成圆锥形辉光放电,在平板地电极则形成大面积辉光放电。采用电压探针测量了该新型等离子体的放电特性,结果表明:放电脉冲的上升时间为26 ns,最高脉冲输出峰值电压为27 kV;利用该辉光等离子体对幅宽为1 000 mm聚四氟乙烯薄膜进行了表面改性处理,处理后其表面接触角由原来的124°降到69°,亲水性能大为提高。     

实现大气压负直流辉光放电的针-柱电极结构设计与实验

为了实现大气压环境下稳定的辉光放电,设计了一种新型的针-柱电极结构放电装置。采用针尖直径为56.4 μm的不锈钢针作为放电阴极,直径为4 mm的紫铜圆柱作为放电阳极,两者通过精密机械结构保持平行。当针-柱之间间距为2 mm、镇流电阻10 MΩ,放电电阻10 MΩ,测试电阻1 kΩ、放电电压-2 740 V、大气压环境、室温、无外部通入气流时,针-柱之间实现了稳定的辉光放电。示波器存储的放电波形和数码相机记录的放电图像验证了从电晕放电到辉光放电,再到火花放电的三种放电模式。该针-柱结构易于用MEMS工艺加工制作,可应用于便携式分析仪器中作为离子源使用。     

HL-2A托卡马克装置真空系统

介绍了HL 2A装置真空系统研制。它由真空主抽气系统、抽气偏滤器、直流辉光放电清洗系统组成。主抽气系统提供了装置真空室从大气到高真空、烘烤除气、直流辉光放电清洗所需要的抽气能力。抽气偏滤器初步实现了托卡马克放电过程中边缘粒子的抽运与控制;直流辉光放电清洗系统保证了装置良好的真空器壁条件。介绍了这些系统的初步运行情况,并给出了其测试结果。HL 2A装置首轮物理实验运行时真空室极限真空度达到4.6×10-6Pa,12h总漏放气率为1.8×10-5Pa·m3·s-1。     

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应用商业软件ANSYS CFX计算了等离子体热通量和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布的影响。计算结果表明,导向槽中心附近液态锂温度较高,冷却水入口和出口对应位置液态锂温度最低。液态锂出口温度随着等离子体热通量的增大而线性升高,冷却水流速为1.5m·s-1,热通量分别为0.1MW·m-2和1MW·m-2时,液态锂在出口处对应的温度分别为255.3°C和458.6°C。增大液态锂流速,导向槽内液态锂的温度逐渐降低,但温度变化的幅度较小。计算结果对液态锂回路安全稳定运行提供了一定参考。     

接触热阻对水冷辉光放电电极温度分布影响的数值模拟

为了研究接触热阻对陶瓷绝缘水冷辉光放电电极温度及其分布的影响，利用计算流体动力学软件ANSYSCFX，模拟了电极表面温度、温差随氮化铝陶瓷与两侧铜导体之间接触热阻的变化。模拟结果表明：随着接触热阻的增大，氮化铝陶瓷与铜接触界面的温度跳变幅度增大，辉光放电电极整体温度上升，并且辉光放电电极表面的最高温度和最大温差均随之呈现指数上升的变化趋势。     

实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理

采用稍不平行电极进行大气压He气介质阻挡多脉冲辉光放电实验,通过增强电子耦合器件相机短时曝光照片,研究大气压多脉冲辉光放电在不同时刻的放电模式.通过气隙放电电流、表面电荷计算,理论分析了表面电荷、空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系,研究大气压辉光放电形成多脉冲的机理.实验结果表明,放电首先在间隙稍窄的电极左端开始;在第一个脉冲电流峰值,电极右端也开始放电;第一个电流脉冲经历了Townsend放电到辉光放电的过程;电流脉冲之间的时间内,间隙一直维持着微弱的辉光放电;随后的每个电流脉冲均是辉光放电.理论分析表明,大气压辉光放电的多个电流脉冲是表面电荷、空间电荷与外加电压共同演化的结果;除放电伊始出现Townsend放电外,同一半周期内的放电电流脉冲中不会再出现Townsend放电.     

实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理

采用稍不平行电极进行大气压He气介质阻挡多脉冲辉光放电实验,通过增强电子耦合器件相机短时曝光照片,研究大气压多脉冲辉光放电在不同时刻的放电模式.通过气隙放电电流、表面电荷计算,理论分析了表面电荷、空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系,研究大气压辉光放电形成多脉冲的机理.实验结果表明,放电首先在间隙稍窄的电极左端开始;在第一个脉冲电流峰值,电极右端也开始放电;第一个电流脉冲经历了Townsend放电到辉光放电的过程;电流脉冲之间的时间内,间隙一直维持着微弱的辉光放电;随后的每个电流脉冲均是辉光放电.理论分析表明,大气压辉光放电的多个电流脉冲是表面电荷、空间电荷与外加电压共同演化的结果;除放电伊始出现Townsend放电外,同一半周期内的放电电流脉冲中不会再出现Townsend放电. 关键词： 介质阻挡放电 增强电子耦合器件 大气压辉光放电 多脉冲     

基于Li分布特性的锂电池放电容量研究

本文采用锂电池多尺度耦合模型对不同工况下放电的电极颗粒内部Li浓度分布特性进行了研究,并根据放电过程中的Li脱嵌量对放电容量进行了估算。结果表明:在1 C放电电流下,当环境温度较低(0~25℃)时,锂电池放电容量随环境温度的升高而迅速增大,当环境温度较高(25~40℃)时,放电容量基本不随温度变化;在25℃的环境温度下,当放电电流较小时(0 C~4 C)时,放电容量随放电倍率的增大而减小,而当放电电流较大(4 C~10 C)时,锂电池放电容量随放电倍率的增大基本不变。     

辉光放电触发赝火花开关实验研究

设计了一种辉光放电触发赝火花开关,进行了He气介质下的放电实验研究。测得了耐受电压和气压关系,结果表明:随着气压的升高,开关耐受电压减小;开关电极孔径为3mm、电极间距为4mm时的耐受电压约是电极孔径和电极间距均为3mm时的85%。在电极孔径和电极间距均为3mm时,研究了辉光放电电流、气压、触发电压等参数对开关时延、抖动的影响。结果显示:当辉光放电电流大于0.45mA、气压为7～30Pa、触发电压达到一定值,开关就能比较稳定地触发,时延短、抖动小。在辉光放电触发下,实现了开关耐受30.5kV、时延223.2ns的输出,并实现了开关抖动小于1ns的稳定输出。     

基于电化学与热能的耦合关系演算聚合物锂离子动力电池的温度状态及分布

基于电化学-热耦合模型研究聚合物锂离子动力电池放电过程热行为, 分析了放电倍率、冷却条件对电池放电过程的温度变化及分布的影响规律. 结果表明: 3C放电时, 模型计算结果与实测结果的平均偏差为0.57 K, 方差为0.15, 说明模型准确度较高. 电芯的平均生热率在整个放电过程中呈现出增加的趋势, 初期和末期增长较快. 大倍率放电时, 与电流密度的平方呈正比的不可逆热所占的比重较大, 小倍率放电时, 电化学反应可逆热占主导. 改善冷却条件能降低电池放电过程的平均温度, 对流传热过程的表面传热系数为5 W/(m²·K), 1 C, 3 C, 5 C放电结束时, 电芯的平均温升为分别为6.46 K, 17.67 K, 27.53 K, 当对流传热过程的表面传热系数增加至25 W/(m²·K)时, 温升比自然对流条件下相同倍率放电时的温度分别降低了2.91 K, 4.68 K, 5.62 K, 但电芯温度分布的不一致性也会加剧. 关键词： 电化学 耦合 锂离子动力电池 温度分布     

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建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m·s?1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×1026s?1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m·s?1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

弹丸消融速率的理论模型及数值计算

建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m•s^-1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×10²⁶s^-1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m•s^-1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

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Based on one dimension simulations implemented by software and analytical method, the design and calculation of water cooling system for HL-2M TF, PF and CS coils are introduced. The hydraulic parameters for the cooling design is provided. By optimizing available pressure and flow distribution in the cooling system, maximum flow of the subsystems power output is 400m³•h⁻¹ and maximum pressure is 1.8MPa. The optimization results of hydraulic parameters meet the requirement of coils thermal exchange under the maximum velocity 4.5m•s⁻¹.     

HL-2M 主机线圈冷却系统设计和优化

用一维网络仿真和解析计算方法对HL-2M 磁体TF 线圈、PF 线圈和CS 线圈水冷却系统进行设计和计算,给出了冷却系统工程设计所需要的水力参数。通过优化冷却系统的资用压力和流量分配,得到满足子系统动力输出的最大流量为400m³•h⁻¹,最大压力为1.8MPa,满足线圈在最大流速4.5m•s⁻¹ 下热交换的要求。     

热通量和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布的影响

应用商业软件ANSYS CFX 计算了等离子体热通量和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布的影响。计算结果表明,导向槽中心附近液态锂温度较高,冷却水入口和出口对应位置液态锂温度最低。液态锂出口温度随着等离子体热通量的增大而线性升高,冷却水流速为1.5m·s⁻¹,热通量分别为0.1MW·m⁻² 和1MW·m⁻² 时,液态锂在出口处对应的温度分别为255.3°C 和458.6°C。增大液态锂流速,导向槽内液态锂的温度逐渐降低,但温度变化的幅度较小。计算结果对液态锂回路安全稳定运行提供了一定参考。     

用于核聚变装置的W/Cu 穿管部件的制备与辐照性能研究

采用了两步热等静压法制备W/Cu 穿管部件,即先用热等静压(930℃,100MPa,2h)在钨块的孔内壁上覆一层无氧铜作为中间层,然后再用热等静压工艺(600℃,100MPa,2h)把W/Cu 复合块与CuCrZr 管串接起来。经过高热负荷辐照测试,部件经受住了1000 次10MW•m⁻² 高热负荷的辐照,满足使用要求。     

EAST 钨偏滤器外靶板热工水力分析

为提高EAST 偏滤器的抗热载和排热能力,将偏滤器第一壁的材料由原来的石墨改为钨,在结构上,靶板采用了类ITER 的单块结构,支撑和冷却采用一体化的盒式结构。确定了EAST 钨偏滤器的冷却结构后,通过水管的流固耦合传热模型,分析了外靶板在紊流冷却方式下的散热情况。同时计算了在水冷系统失效的情况下,偏滤器外靶板的危险区域在3、5、8、10MW·m^-2 热流密度下的瞬态温度分布情况。结果表明,水流速度在4m·s^-1 时, 水管可以承受峰值功率10MW·m^-2 的热流密度,能够很好地满足EAST 装置运行的排热要求。     

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In order to improve the anti-thermal load and heat dissipation performance of the divertor of EAST, its first wall material is changed to tungsten from graphite. In the structure, outer target adopts the ITER-like monoblock, bracing and cooling structure adopts incorporate cassette. After establishing the cooling structure of EAST tungsten divertor, the flows-solid coupling heat conduction model of water-pipes is used to analyze the heat dissipation situation of outside target in the form of turbulent flow. While the cooling system comes to failure, a series of heat flux value 3MW·m^-2, 5MW·m^-2, 8MW·m^-2, 10MW·m^-2 are applied in the hazardous area to analyze transient conditions and real temperature distribution. The results shows that if the water flows at 4m·s^-1, the cooling pipes can withstand the heat flux with peak power in 10MW·m^-2. It can well meet the needs in heat dissipation of EAST experiment.     

HL-2A充气弹丸注入初步实验结果

介绍了充气夹心弹丸的基本结构、制作工艺和充气弹丸注入器的基本构成以及在HL-2A等离子体中注入的初步实验结果。实验中采用以聚苯乙烯为主的空心微球为载体，直径~0.76mm，壳体厚度~20μm，充满~1.5MPa的氘气的充气弹丸。实验结果表明，充气弹丸注入速度~200m•s^-1，注入深度~12cm，加料效率~60%。     

基于跨平台红外高光谱观测的对流层三维风场测量

精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义,对流层风是改进天气预报的要素之一。虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法,且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报,但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力,通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场,能够提升风场垂直高度的准确性,改进风场高度分配模糊问题。提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法,根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像,通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场,对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较,分析风速均值绝对偏差、均方根误差和风向均值绝对偏差。分别对2019年2月20日UTC世界时00:00,06:00,12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200,300,400,600,650和1 000 hPa六组垂直高度风场,结果表明,风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致,风速范围随高度降低而减小,高层对20 m·s-1以上风速更敏感,地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1,最大不超过4 m·s-1,风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1,最大不超过4.5 m·s-1,风向均值绝对偏差多数小于30°,最大不超过40°。风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差,以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。