Numerical simulation and experimental validation of direct current air corona discharge under atmospheric pressure

Air corona discharge is one of the critical problems associated with high-voltage equipment. Investigating the corona mechanism plays a key role in enhancing the electrical insulation performance. An improved self-consistent multi-component two-dimensional plasma hybrid model is presented for the simulation of a direct current atmospheric pressure corona discharge in air. The model is based on plasma hydrodynamic and chemical models, and includes 12 species and 26 reactions. In addition, the photoionization effect is introduced into the model. The simulation on a bar-plate electrode configuration with an inter-electrode gap of 5.0 mm is carried out. The discharge voltage– current characteristics and the current density distribution predicted by the hybrid model agree with the experimental measurements. In addition, the dynamics of volume charged species generation, discharge current waveform, current density distribution at an electrode, charge density, electron temperature, and electric field variations are investigated in detail based on the model. The results indicate that the model can contribute valuable insights into the physics of an air plasma discharge.     

大气压直流正电晕放电暂态空间电荷分布仿真研究

本文提出了流体一化学动理学二维正电晕放电混合模型,该模型包含12种粒子间的27种化学反应,并且考虑光电离的影响．此外,在实验室内对该模型开展试验验证,单次脉冲波形及伏安特性曲线符合较好．基于上述模型,本文研究了在外施电压3kV时棒一板电极正电晕放电过程中的电场分布、电子温度分布、空间电荷分布的发展规律,并对电晕放电过程中粒子的成分进行了详细分析,讨论了电子、正负离子、中性粒子在放电过程中的生成规律及对电晕放电的影响．结果表明：在整个电晕放电过程中,电子温度分布和电场强度分布曲线相似,电子密度维持在10^19m-3左右,只发现带正电的等离子体特征．O4＋密度是放电过程中数量最多的正离子,O2＋和N2＋在二次电子发射过程中具有重要作用,O2-离子和O分别是负离子和中性粒子中数量最多的粒子,由于负离子和中性粒子在电晕放电过程中数量较小,因而起的作用相对较小．     

Numerical simulation of a direct current glow discharge in atmospheric pressure helium

Characteristics of a direct current(DC) discharge in atmospheric pressure helium are numerically investigated based on a one-dimensional fluid model. The results indicate that the discharge does not reach its steady state till it takes a period of time. Moreover, the required time increases and the current density of the steady state decreases with increasing the gap width. Through analyzing the spatial distributions of the electron density, the ion density and the electric field at different discharge moments, it is found that the DC discharge starts with a Townsend regime, then transits to a glow regime. In addition, the discharge operates in a normal glow mode or an abnormal glow one under different parameters, such as the gap width, the ballast resistors, and the secondary electron emission coefficients, judged by its voltage–current characteristics.     

棒-板电极直流负电晕放电特里切尔脉冲的微观过程分析

本文基于流体动力学理论改进出一种新的棒-板电极负电晕放电混合数值模型, 模型中加入了27种主要碰撞反应, 并考虑了光电离和二次电子发射过程. 对棒-板间距3.3 mm, 施加电压-5.0 kV情况下进行数值计算, 得到负电晕放电的特里切尔脉冲. 重点分析了单个特里切尔脉冲持续过程中5个关键时刻的微观特征量发展规律, 丰富并量化描述了特里切尔脉冲的微观过程, 主要结论如下: 随着放电时间的发展, 电场集中分布区域向阳极移动且幅值变小, 这对电子崩的发展非常不利. 大部分放电区域都是电中性的, 只有在阴极鞘和阳极鞘附近有带正电的等离子体特性, 带负电的离子云随着放电时间的发展缓慢向阳极发散式移动. 整个特里切尔脉冲持续过程中, 阴极鞘内电子密度几乎为0; 特里切尔脉冲前期, 阴极鞘附近电子密度迅速增加至最大值并保持基本不变; 随着放电时间的增加, 放电间隙内电子密度整体增加, 并且向阳极发展. 在特里切尔脉冲后期, 电子的产生主要来自于N₂和O₂的碰撞电离, 电子的消失则主要由N₂⁺的复合决定, O₄⁺和O₂^-分别是数量最多的正离子和负离子. 关键词： 负电晕 混合模型 特里切尔脉冲 微观特征量     

雷云电场作用下长地线表面正极性辉光电晕放电的仿真研究

在雷云电场的缓慢作用下, 一种无流注的正极性辉光电晕在接地物体表面起始, 向周围空间注入大量正极性空间电荷, 从而改变雷电先导对雷击目的物的选择. 本文对雷云电场作用下起始于长地线表面的正极性辉光电晕放电进行了仿真研究; 考虑了正极性离子与其他离子的附着与碰撞作用, 建立了一种精确的二维正极性辉光电晕模型; 并通过在实验室内开展高压电晕放电试验, 测量了不同背景电场下的电晕电流; 与本文所建模型的仿真结果进行对比, 对模型的正确性进行了验证. 基于上述模型, 对正极性辉光电晕在雷云感应作用下的起始发展过程与电晕特性进行了仿真模拟, 得到了该电晕的电晕电流、正离子密度分布规律以及正离子迁移规律. 发现在雷云电场作用下, 电晕放电产生的正离子在迁移初期于垂直于地线的平面内基本呈圆对称状均匀分布, 但随着离子逐渐远离地线其分布不再均匀, 呈拉长的椭圆形分布, 多数离子最终分布于地线上方区域并逐渐向雷云方向迁移; 由于正离子在地线上方迁移区聚集形成的正空间电荷背景对行进电子束具有衰减和消耗作用, 抑制了电子崩的形成, 并降低了电子崩转化为流注的概率, 阻止了新的电子崩对流注的不断注入, 同时正空间电荷背景使气体的碰撞面增大, 增加了与电子的复合概率, 引起大量电子的消耗, 最终抑制了电子崩的形成与流注的发展, 地线表面的上行先导得到抑制.     

电晕均压多间隙串联气体开关特性实验

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关,分析了电晕放电在开关工作过程中的作用,开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明：老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%,电晕均压效果明显;随着放电次数增加,电晕针尖逐渐钝化,触发性能变化不大;开关电晕放电电流随耐受电压升高增大,增长趋势逐渐变快;开关充400 kPa干燥空气,100 kV工作电压下开关放电50 000次以上,触发性能稳定,触发击穿时延抖动约4.3 ns,自放电概率低于110-4。     

微波阶梯阻抗变换器低气压电晕放电粒子模拟

采用3维粒子软件VORPAL对微波阶梯阻抗变换器中的低气压电晕放电过程进行了粒子模拟,获得了放电过程中带电粒子实空间分布的时间演变图像,分析并解释了其中低气压电晕放电机理和微放机理之间的关系.模拟结果表明:低气压电晕放电的阈值电压随着气压的增长呈现先减小后增加的变化趋势;并且随着气压的增长,微放电作用减弱,低气压电晕放电作用增强.通过对银和铜两种器壁材料放电阈值的比较,获得了两种放电机理之间的临界气压.     

Comparative study of corona discharge simulation techniques for electrode configurations inducing non-uniform electric fields

Numerical modeling of corona discharges has followed the same set of procedures for many years. Corona discharges on large scales are modeled only for ion drift, neglecting ionization. Studies of the ionization zone are often conducted in uniform axisymmetric configurations. However, in configurations that induce non-uniform electric fields, a combination of the two procedures is necessary to accurately capture the discharge physics and ion distribution. The present study conducts numerical simulations of a wire-cylinder corona using both the models and demonstrates the necessity of including the ionization physics to obtain improved accuracy, particularly in the presence of non-uniform electric fields.     

大气压甲烷针-板放电等离子体中粒子密度和反应路径的数值模拟

甲烷针-板放电与重油加氢耦合形成甲烷转化重油加氢,可实现重油高效加氢并增产高附加值低碳烯烃,有实践应用前景和科学研究意义.建立二维流体模型,对大气压甲烷针-板放电等离子体进行数值模拟,得到电场强度、电子温度和粒子密度的空间与轴向分布,总结反应产额并提炼生成各种带电和中性粒子的关键路径.模拟结果表明,CH_3~+和CH_4~+密度与电场强度和电子温度的轴向演化接近且密切相关;CH_5~+和C_2H_5~+密度沿轴向先增大后减小;CH_3与H密度的空间和轴向分布几乎相同;CH_2,C_2H_4与C_2H_5的粒子密度分布在靠近阴极的区域内明显不同而在正柱区内较为相像;电子与CH_4发生电子碰撞电离生成的CH_3~+和CH_4~+,CH_3~+和CH_4~+分别与CH_4发生分子碰撞解离生成C_2H_5~+和CH_5~+;电子与CH_4间的电子碰撞分解是生成CH_3,CH_2,CH和H的主导反应;CH_2与CH_4和电子与C_2H_4发生的反应分别是生成C_2H_4和C_2H_2的关键路径;电子与CH_4间的电子碰撞分解反应和CH_2与CH_4发生的反应的产额各占H_2总产额的52.15%和47.85%.     

大气压介质阻挡丝状放电时空演化数值模拟

通过数值求解二维流体方程，在均匀的初始条件下研究了大气压丝状放电的整体时空演化.通过模拟可以发现，在丝状放电的时空演化过程中，各条放电通道在不同位置相继发生击穿，且放电通道有遍历整个放电空间的趋势.在一定条件下，放电通道还会发生分裂与合并现象，其中放电通道的分裂导致了放电空间中放电通道的增加，而放电通道的合并则提供了一条放电空间中放电通道减少的途径.研究还表明，介质表面电荷是影响丝状放电整体时空演化的关键因素之一. 关键词： 介质阻挡放电 丝状放电 数值模拟 时空演化     

大气压射频氧气放电特性的数值模拟研究

基于漂移扩散近似,对大气压下氧气射频放电产生的等离子体建立了一维流体模型,包括了电子、正离子和负离子的连续性方程、电子能量方程及泊松方程。采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽的数值模拟,得到了相应的数值结果。通过对所得数值结果的分析,研究了大气压下氧气放电的基本特性。研究表明,大气压氧气放电中等离子体密度可达到10¹²cm^-3 ,电子温度约在1.23eV,放电中主要的负离子是O^-离子;随着电压峰值的增加,电子密度、电子温度都增加,但n_O-/n_e 的比率先增加到7.5%又后减小到5%,在电压峰值为700V 时达到最大。     

大气压空气针-水结构脉冲气-液放电特性研究

利用纳秒脉冲电源激励大气压空气中针-水结构气液放电,研究了不同脉冲参数下的放电特性、等离子体特性和活化水中活性粒子浓度的变化规律。结果表明,在一个脉冲周期内放电分为3个阶段,其中发生在脉冲持续时间内和下降沿的两次放电较强,上升沿的放电较弱。当脉冲电压增大时,放电电流、平均功率、发光强度和发射光谱强度均逐渐增大;当频率增大时,放电电流几乎不变,但是功率显著增大,放电发光强度和发射光谱强度均增大。电压上升沿时间的增大则会减弱放电强度,相应的放电发光强度和发射光谱强度均减弱。而电压下降沿的增大则会增强放电,发光强度和发射光谱强度增大。当脉冲电压、频率和下降沿时间增大,H2O2,${\rm{NO}}_2^ - $和${\rm{NO}}_3^ - $浓度逐渐增大;而电压上升沿时间增大会导致3种活性粒子浓度逐渐降低。     

空气中大气压下均匀辉光放电的可能性

利用介质阻挡电极结构,对101325×105Pa气压下空气间隙中的放电进行了实验研究,数值模拟计算了实验条件下电子雪崩的发展过程.结果表明:对于长度不大于2mm的空气间隙,可能实现辉光放电.对于长度不小于5mm的空气间隙,如果不能设法降低放电场强,放电必然是流注形式,不可能实现辉光放电.另外,实验结果未能验证“离子捕获”机理降低放电场强而实现辉光放电的正确性 关键词： 大气压辉光放电 电子雪崩 流注     

120 kV下常压空气纳秒脉冲电晕放电特性

使用上升沿15 ns、脉宽30~40 ns的重复频率纳秒脉冲电源对120 kV下大气压空气中管-板电极结构电晕放电进行了实验研究,通过电压电流测量、放电图像拍摄和X射线探测分析了纳秒脉冲电晕放电特性。结果表明：纳秒脉冲电晕放电中存在X射线辐射,但辐射强度较弱,X射线辐射计数随着气隙距离的增大而减少,随着脉冲重复频率的增大而增多;放电空间的残余电荷加强了下一个脉冲到来时的局部电场,从而导致高重复频率下易于出现分散的电晕通道。     

120 kV下常压空气纳秒脉冲电晕放电特性

使用上升沿15 ns、脉宽30~40 ns的重复频率纳秒脉冲电源对120 kV下大气压空气中管-板电极结构电晕放电进行了实验研究,通过电压电流测量、放电图像拍摄和X射线探测分析了纳秒脉冲电晕放电特性。结果表明:纳秒脉冲电晕放电中存在X射线辐射,但辐射强度较弱,X射线辐射计数随着气隙距离的增大而减少,随着脉冲重复频率的增大而增多;放电空间的残余电荷加强了下一个脉冲到来时的局部电场,从而导致高重复频率下易于出现分散的电晕通道。     

气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响

快脉冲直线变压器型驱动源（FLTD）是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术,多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能,但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响,确定了电晕针电极的尺寸,之后研究了N₂,CO₂,SF₆/N₂混合气体、C₄F₇N/N₂混合气体中的电晕放电特性,研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明,N₂中电晕电流较大且不稳定,空气中电晕电流比N₂中低,且电晕放电较为稳定,微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N₂作绝缘介质时,气体开关击穿电压随气压升高线性增加,但存在低值击穿,微量强电负性气体混合N₂可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF₆/99%N₂混合气体在0.18 MPa时,击穿电压约为197.33 kV,标准偏差占击穿电压比例为1.50%,1% C₄F₇N /99%N₂混合气体在0.15 MPa时,击穿电压约为190.42 kV,标准偏差为0.55%。这表明,微量环保替代气体C₄F₇N与N₂的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。     

大气压等离子体针产生空气均匀放电特性研究

大气压空气放电由于脱离了真空装置,易于实现流水线生产,因而在工业上具有广泛的应用. 采用等离子体针装置在空气中产生了稳定的大气压均匀放电. 利用光谱法对等离子体的相关参数进行了空间分辨率测量,并通过光学方法对放电机理进行了研究. 结果表明,等离子体针产生的放电存在电晕放电和等离子体羽放电两种模式. 在稳定的等离子体羽放电模式中,发光分为强光区和弱光区. 弱光区放电的发展速度远大于强光区的发展速度,电子能量和电子密度均是弱光区比强光区大. 对均匀放电的气体温度和振动温度的研究表明,强光区放电遵循汤生击穿机理而弱光区为流光放电. 这些结果对大气压空气放电的工业应用具有重要意义. 关键词： 大气压均匀放电 等离子体针 发射光谱 放电机理     

大气压氩气介质阻挡辉光放电的一维仿真研究

为了研究氩气(Ar)中介质阻挡大气压辉光放电(APGD)的放电机理, 通过建立一个一维的多粒子自洽耦合流体模型, 采用有限元方法进行数值计算, 得到了气体间隙压降、介质表面电荷密度、放电电流密度随时间的周期变化波形, 以及电子、离子、亚稳态粒子密度和空间电场强度的时空分布. 仿真计算结果表明：介质表面积聚的电荷对于放电的过程的起始及熄灭具有重要作用;当增大外施电压时, 放电击穿时刻提前, 放电电流密度和介质表面电荷密度峰值增大, 表明放电过程更加剧烈;随着阻挡介质相对介电常数的增大, 放电电流密度也随之增大. 各粒子密度及电场的时空分布表明放电过程在外施电压半个周期中只有一次放电, 且存在明显的阴极位降区、负辉区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域, 为大气压辉光放电(APGD).     

Influence of conductivity on corona discharge current from a water droplet and on ejection of nano-sized droplets

The influence of the conductivity of a water droplet formed at a capillary electrode on the negative corona discharge and production of nano-sized droplets was investigated. Conductivity of a water droplet was adjusted from 1 μS/cm of deionized water to 48 mS/cm of nitric acid water solution. The size distribution of nanometer sized water particles yielded at a disruption of a Taylor cone was measured. The higher conductivity of a droplet, the larger corona pulses appeared and the more number of charged droplets was generated.     

线-铝箔电极电晕放电激励器的推力理论与实验研究

空气电晕放电离子风激励器无需旋转部件, 仅通过消耗电能就能直接产生驱动力, 它是一种新型的动力技术, 备受国内外航空航天界的广泛关注. 目前对空气电晕放电离子风激励器的推力产生机理虽有各种解释, 但是现有理论均不能统一各种条件下的实验结果, 仍需要开展进一步的分析与研究. 本文以线-铝箔电极电晕放电激励器为研究对象, 通过实验研究发现作用在线电极与铝箔电极上的静电力不对称, 而且改变铝箔电极纵向高度和气压均能影响激励器的推力大小; 通过理论分析, 考虑电晕层与空间电荷的影响, 建立了线-铝箔电极电晕放电激励器的推力计算模型, 其计算值与实测值比较一致. 基于上述实验现象与理论建模分析, 本文认为线-铝箔电极电晕放电激励器的推力主要来源于线电极电晕产生的空间电荷对电极系统产生了不对称静电力作用, 使激励器出现净静电力作用.