双极电晕放电及其在空气净化中的应用

本文研制设计了一种基于双极电晕放电的新型无风机空气净化装置。实验研究了双极电晕的放电特性、离子风速、发射光谱及活性粒子种类和臭氧浓度,然后利用双极电晕净化装置进行了灭菌和去除挥发性有机化合物（VOCs）实验,并测试了净化装置的循环气量、噪声、副产物残余等性能参数。结果表明,双极电晕放电的伏安曲线满足经典汤森关系;介质板的利用有效避免了电极间火花放电的产生,使装置具有更高的操作电压和更大的离子风速。双极电晕产生的发射光谱以氮、氧和OH自由基的谱线为主。灭菌和去除VOCs实验表明,该双极电晕净化装置可在6 min左右完全杀灭金黄色葡萄球菌,相比于传统单极电晕（单针-环）或传统无介质层的双极电晕具有更高的杀菌效率;可以在120 min内使30 m3测试室初始浓度为1.06 mg/m3的甲醛（HCHO）降至0.1 mg/m3以下;而且臭氧、氮氧化物等副产物的浓度低,达到环境质量标准;净化装置的噪声小,满足相关标准的要求。     

直流电压激励单电极氩气射流阵列的放电模式

大气压等离子体射流在诸多领域具有非常广泛的应用。为了提高大面积材料的处理效率,通常需要将多个射流排列为射流阵列,但由于阵列中等离子体羽间的相互作用,实际上很难产生大面积均匀等离子体羽。针对于此,本文利用直流电压激励单电极氩气射流阵列,产生了大面积均匀等离子体羽。研究发现,在低电压下放电为分立的等离子体羽,而高电压下为均匀片状等离子体羽。片状等离子体羽随着电压、氩气流量及空气流量的增加而变长。电学和光学测量结果表明,分立等离子体羽的放电电流和发光信号均为频率很高的小脉冲。片状等离子体羽的电流和发光信号为频率很低的大脉冲,并且在两个大脉冲之间也存在着小脉冲。利用高速影像对分立羽和片状羽的产生机制进行了研究。结果表明分立羽中阳极羽对应正流光放电机制,而阴极羽对应汤森放电机制。片状羽的击穿机制也是流光机制,流光击穿后会产生辉光放电丝,此后辉光微放电丝沿着气流向下游运动。此外,利用光纤测温仪对片状等离子体羽的气体温度进行了研究,发现片状等离子体羽的气体温度不超过65℃。     

大气压脉冲调制射频放电中相关时间尺度效应的数值模拟

近年来,大气压射频放电由于可以产生大体积均匀的等离子体而引起人们极大的关注,引入脉冲调制后,所产生的脉冲调制等离子体与连续等离子体相比表现出不同的放电行为,这为研究大气压射频放电中不同的时间尺度关系提供了条件。本文基于一维流体模型,以首电流脉冲为研究对象,研究了电压变化时间(射频频率)、电压施加时长和电压关断时长对放电的影响,讨论了电场变化、带电粒子迁移与带电粒子扩散之间不同时间尺度的关系。计算结果表明,首电流脉冲现象仅出现在电压变化时间较短,即电压变化率较高的条件下;随着电压施加阶段的延长,首电流脉冲将明显增强,稳定后的放电电流也有所增加;随着电压关断阶段的延长,首电流脉冲先增强后减弱,稳定后的放电电流则一直减小。本文的研究有助于深刻理解大气压射频放电中不同时间尺度之间的关系,为实际应用中放电参数的选择提供理论依据。     

高重复频率纳秒脉冲放电特性

纳秒脉冲放电可用于产生非平衡态等离子体,提高脉冲重复频率有利于提高纳秒脉冲放电中的等离子体参数。采用脉冲重复频率达到30 kHz的纳秒脉冲电源放电产生大气压等离子体,并研究了放电特性及等离子体参数。结果表明在重复频率较高的情况下,击穿电压和击穿时延仍随重复频率的增加而持续下降,但降幅减少,出现饱和现象。计算了放电功率和单脉冲能量随频率的变化,发现高重复频率下,虽然单脉冲放电能量不断降低,但由于单位时间内脉冲个数的增加,放电总功率随脉冲重复频率的增加而不断增加。此外,通过Ar原子光谱获得的电子温度为0.8～2.5 eV,证明高重复频率纳秒脉冲放电产生的等离子体为典型的非平衡态等离子体。本研究能够为高重复脉冲纳秒脉冲放电的应用中反应条件优化提供参考。     

磁场环境下针板DBD臭氧发生的参数影响

磁场能有效地改变介质阻挡放电放电特性。然而,目前对于磁场环境下DBD臭氧发生重要参数的影响鲜有报道。本文主要实验研究了放电电压、频率和气体流量对磁场环境下针板DBD臭氧发生的影响。实验结果表明:磁场增加了放电电流,因此在8 kV和6.5 kHz下放电功率提高了约22.9%;臭氧浓度、臭氧产率和放电功率均随放电电压的增加而增加。同时磁场对臭氧浓度和放电功率有积极的影响,且随着放电电压的增大,这种影响将更明显。在8 kV,6.5 kHz和1 SLPM下臭氧浓度增加约33.1%,但磁场并不能增加臭氧产率;臭氧产率则随着气体流量的增大而逐渐增大;随着放电频率的增加,臭氧浓度和放电功率增加。同时随着放电频率的增加,磁场对臭氧浓度和放电功率将有更积极的影响。     

DBD等离子体协同催化剂MIL-101反应降解甲基橙溶液

以甲基橙为目标污染物,将MIL-101独特物化性质与DBD等离子体结合,协同作用,实现常温常压下高浓度偶氮废水的高效降解。实验对MIL-101催化剂进行XRD,SEM,UV-vis表征,研究了输入电压、冷却处理、甲基橙的初始浓度、催化剂用量及空气流量等对甲基橙降解的影响。研究结果表明:MIL-101催化剂下的DBD等离子体反应,表现出明显的协同效应,可以实现甲基橙的高效降解,在处理时间为10min时,输入电压22kV,催化剂用量为30mg,浓度为110mg·L-1的甲基橙溶液的降解率可达92%。     

低成本脉冲源驱动的纳秒脉冲等离子体固氮

纳秒脉冲等离子体在环境工程领域与生物医学领域有着广阔的应用前景。本文介绍了一种集成度较高、成本较低的kHz脉冲电源和一种简单、实用的等离子体发生装置。本文所提及的脉冲电源的成本在2000元以内,电压峰值、放电频率均可通过修改电路元件参数进行调节。该等离子体放电装置在大气压条件下可产生体积为25cm×25cm×2cm的均匀等离子体区,放电装置的工作气体为空气或氮气。将雾滴通过等离子体放电区域后,等离子体中的气相NOx、O和OH-等粒子溶解在雾滴中,并通过一系列反应形成NO-2、NO-3和NH+4,从而实现大气压条件下的低温等离子体固氮。     

脉冲电晕放电降解甲硫醚动力学研究

采用Blumlein脉冲形成网络(BPFN)型窄脉冲高压电源,在线筒式反应器中对甲硫醚进行降解.利用平推流式反应器模型,推导出脉冲电晕降解污染物的动力学方程,并对实验结果进行了曲线拟合.结果表明:甲硫醚的降解符合无明显自由基终止反应模型,甲硫醚的去除量与能量密度成正比,拟合曲线的相关系数大于0.99.初始浓度从510 mg.m-3增大到1 145 mg.m-3,速率常数k1仅从0.824 4升高到0.963 2,对能量利用率提高不大;流量从1 L.min-1增加到1.5 L.min-1时,速率常数k1从0.963 2升高到1.337 5,显著提高了能量利用率.     

基于微空心阴极的空气等离子体射流研究

本文采用钼片-陶瓷-钼片的三明治型结构,研究了微空心阴极放电产生的空气等离子体射流特性.钼电极和陶瓷层的厚度均为0.8 mm,中心为0.5 mm的通孔,以压缩空气作为放电气体.上述结构在正、负直流电源驱动下均能获得等离子射流.实验结果表明,对于相同放电电流和相同气流条件下,正直流电源驱动放电所获得的等离子体射流长度略大于负直流电源下的射流长度.当气流量较低时,气流为层流状态,放电可处于稳定的直流辉光模式;当气流量较高时,气流处于湍流状态,放电主要为自脉冲模式.在湍流模式下,射流长度均随气流量的上升而增加.     

纳秒脉冲激励Ar/PDMS介质阻挡放电特性

介质阻挡放电(DBD)因其能够在大气压下产生大面积等离子体,在材料改性领域具有广阔应用前景。为获得高活性、可调控、适用于憎水改性的DBD等离子体,本文以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为憎水性反应媒质,以Ar作为工作气体,采用纳秒脉冲电源激励产生介质阻挡放电。改变电压幅值、重复频率、上升沿时间等激励源参数,通过电学特性、发光特性和光谱特性诊断方式,获得了激励源参数与放电均匀性和粒子活性的关系。结果表明,重复频率对粒子活性影响最显著,随着重复频率增加,光谱强度显著增大,粒子活性增强,这对于提高憎水改性效果具有显著作用。此外,增大电压幅值和上升沿时间也可提高粒子活性,但增大电压幅值会导致放电均匀性下降,而上升沿时间超过200 ns会对粒子活性产生抑制作用。     

基于电晕放电的离子风推进装置推力性能

基于电晕放电的离子风推进装置的推力性能进行了实验研究。采用线-箔、线-平行箔和针-箔三种不同的电极结构,研究了外加电压和电极结构对离子风推进装置推力的影响。结果表明,对于线-箔结构,电晕放电的起始电压随着电极导线半径的增加而增加,装置的推力随着外加电压的升高而增加。在相同的外加电压下,具有多个收集极的线-平行箔结构产生的推力大于线-箔结构产生的推力,而针-箔结构产生的推力亦高于线-箔结构获得的推力。对应的静电场数值模拟结果表明,不同的电极结构改变了电场的空间分布,进而影响了离子风推进装置的推力。进一步的优化设计应综合考虑发射极附近的局部电场以及发射极和收集极之间的空间电场的组合效应,以提升离子风推进装置推力性能。     

针对室内空气污染处理的交直流耦合大气压辉光放电

通过构造交直流耦合电极结构,形成了较大面积的辉光放电并进行了空气净化研究。首先,研究了碳纤维螺旋电极的电场分布特征,分析了非均匀电场产生大气压空气辉光放电的可能性。其次,提出了碳纤维螺旋电极与网状电极的交直流耦合放电模式,分析了网状电极施加不同极性直流电压对电场分布的影响。结果表明,网状电极施加正极性直流电压时,利用碳纤维螺旋电极放电产生种子电子,可以在5 mm间隙内形成弥散的辉光放电。最后,利用制作的空气净化装置在60 min内将甲醛、TVOC和细颗粒物等污染物的浓度都降到国家标准以下。     

完全混合式厌氧生物电化学系统处理2,4-二氯苯酚废水

2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）是高毒性、难降解的工业污染物,因传统生物法处理受到诸多限制,本文耦合微生物电解池（MEC）工艺及完全混合间歇式厌氧反应器（CMB）,构建MEC-CMB系统对2,4-DCP进行处理。基于自建处理装置,阳极采用镀钌铱钛网,阴极采用碳布,研究了外加电压、2,4-DCP初始浓度对系统降解效率的影响及降解机理。实验结果表明,该耦合系统在电压1.4V,2,4-DCP初始浓度10 mg·L-1的条件下,24 h降解率可达到75.9%,较单一CMB提升了25.87%;对低浓度2,4-DCP均有较好的处理效果;其降解中间产物主要有:邻氯酚、苯酚、对苯醌、丁二酸等。     

大气压氩气介质阻挡放电特性的一维粒子仿真

介质阻挡放电(DBD)是产生低温等离子体的一种常见放电方式。本文建立了大气压下氩气DBD的一维PIC/MCC模型,采用了粒子自适应权重(APM)以及基于OpenMPI的并行计算策略,考虑了带电粒子在介质板上的积累以及复合反应。本文针对频率500 kHz,幅值电压3 kV正弦电压激励下放电的时空演化特性进行仿真研究,得到了其汤森放电、辉光放电等阶段中的放电特征,研究了电压幅值、气隙间距、介质板介电常数等参数对放电特性的影响。     

单向开口阀式Savonius水轮机及其水动力性能研究

为提高Savonius水轮机的能量捕获效率, 提出一种单向开口阀式Savonius转子设计. 建立转子三维数值模型, 仿真分析转子叶片开口率和曲率等参数对水轮机性能以及减流效果的影响. 最后, 搭建实验平台, 开展物理模型对照实验, 验证数值模拟结果的准确性. 结果显示, 叶片的曲率半径较大且开口率较小时, S型水轮机的水动力性能有效提升; S型转子开口率为0.2时, 性能平均比无开口的S型转子提升33.57%; 当叶片的曲率半径在50~之间时, S型转子具有较好的减流效果, 在S型转子后方范围内, 可减少35%的流速.     

电极间距对表面介质阻挡放电产物生成的影响

表面介质阻挡放电可以产生大气压低温等离子体,在空气净化领域有着重大的应用前景。为探究电极间距对表面介质阻挡放电中臭氧及氮氧化物生成的影响,建立二维流体模型进行数值模拟研究。模拟结果表明,在微秒脉冲电压上升沿阶段电流脉冲的个数及幅值均随着电极间距的增大而减小;减小电极间距可以提高臭氧产量,但增大电极间距可以提高臭氧产率。另一方面,NO含量随着电极间距的增大而减少,其余氮氧化物含量几乎不变。本研究对表面介质阻挡放电中有效和有害物质进行了综合模拟分析,能够为表面介质阻挡放电臭氧发生器的设计和优化提供一定的参考。     

彩色交流等离子体显示板发光特性的研究

本文扼要介绍了基于气体放电产生真空紫外谱线激发真空紫外荧光粉的彩色交流等离子体显示器件的工作原理 ,测试了其亮度、色度和发光光谱等参数 ,并就发光特性予以讨论 .     

新型固体氧化物燃料电池连接件的结构设计与数值仿真

离散型连接件构成的固体氧化物燃料电池结构中存在反应气体容易产生涡流和较小压降等问题, 影响电池的输出功率. 本文基于COMSOL Multiphysics仿真平台, 建立离散型连接件的固体氧化物燃料电池的三维模型进行数值仿真模拟. 考虑其气体流量、组成、质量以及电化学反应过程, 研究离散型连接件电池阳极和阴极内反应气体的流速、流道阻力和浓度对电池工作性能的影响, 并与相同工况下的平直流道型连接件的固体氧化物燃料电池三维模型进行比较. 结果表明: 离散型连接件的固体氧化物燃料电池流道内的气体流速较大, 气体浓度下降较慢, 有较强的流道传质能力, 与平直流道型连接件的固体氧化物燃料电池相比, 离散型连接件电池的最大输出功率提升了61.27％.     

基于发射光谱的大气压脉冲调制氩表面波等离子体的特性

以微波表面波形式激励的大气压放电等离子体能够在远离发生器的区域产生高密度等离子体且无需波导约束电磁波传输,从而提高了实际应用中微波耦合等离子体的处理效率和可操作性。本文介绍了表面波等离子体源的装置结构及其放电机制。基于等离子体发射光谱,利用Hα谱线的斯塔克展宽法和谱线-连续谱比值法分别诊断了等离子体中电子密度和温度,研究了脉冲调制等离子体在放电过程中电子密度和温度随瞬时功率、调制频率和轴向位置的变化规律,以及氩原子谱线强度的时间演化,并讨论了对电子密度和温度的影响机制以及等离子体余辉过程中激发态氩原子的产生机制。结果表明,等离子体电子密度可达～1015 cm-3且与局域微波耦合能量密度呈正相关,而电子温度受外部条件的影响相对较小,激发态氩原子主要由类似沙哈平衡过程控制。     

直流辉光放电光谱分析铜合金的基本特性研究

用自行组装的直流辉光放电原子发射光谱（ｄｃ Ｇ Ｄ Ａ Ｅ Ｓ）仪器对分析铜合金的某些基本特性进行了研究 探讨了光源放电室结构、放电气体压力、放电电压等操作参数以及试样尺寸大小对放电性能及元素谱线强度的影响,并进行了优化 考察了在不同放电气压条件下样品的溅射率和优化条件下辉光放电的稳定性最后,分析了铜合金标准样品中的 Ａｌ和 Ｍｎ,结果较满意