针-板系统电晕辐射场仿真实验

利用基于矩量法的电磁场仿真软件FEKO 5.1对针-板电极系统高压电晕辐射场的方向特征进行了计算机仿真,得出了不同形式的电晕放电的频谱范围.     

针-板DBD微流注与微辉光交替生成的机理研究

在介质阻挡放电体系中产生辉光放电可以有效的提高放电体系产生高能电子的性能, 为等离子体化学反应提供更加丰富的活性粒子.本文对针-板介质阻挡放电体系下的放电模式进行了研究,实验发现放电正负半周期表现出不同的放电模式, 激励电压为3 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和电晕放电(或者Trichel脉冲放电),激励电压为6 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和微辉光放电.微辉光放电形貌具有与典型辉光放电相同的分层次放电结构, 分析了激励电压6 kV时的放电过程,认为足够强的阴极电场强度和裸露针状电极形成的有效的二次电子发射过程是形成微辉光放电的主要因素,绝缘介质层的存在避免了微辉光放电向弧光放电过渡.     

棒-板电极下缩比气隙辉光放电相似性的仿真研究

建立了棒-板电极下氩气直流放电的流体模型,利用有限元法对几何位形相似的两个气隙放电过程进行了数值求解.两放电气隙外加电压相同,气隙线性尺寸的比值为10:1,气压分别为1 Torr和10 Torr.仿真得到了两相似气隙的放电的伏安特性曲线以及放电物理量(如电位、电场、电子密度、离子密度、电子温度等)的空间分布.根据气体放电相似性的基本结论,检验了气隙对应物理量之间的数值关系.结果表明:两相似气隙的放电类型为正常辉光放电,对应放电物理量之间存在相似性理论指出的比例关系,且在相同幅值的直流电压作用下,气隙放电的工作点相同.这将为利用气体放电相似性来外推相似气隙的放电特性提供一定的理论依据.     

交流单针-板介质阻挡放电等离子参数空间分布研究

通过氩气和空气中交流针-板介质阻挡放电的光谱,研究了在外加电压正半周流注放电的等离子发光强度、谱线宽度、电场强度在放电通道内从针到板的空间分布情况,分析了介质板的存在对等离子参量空间分布的影响。通过对氩气放电光谱中763nm和772nm两条谱线强度研究发现,沿着放电通道从针到板等离子发光强度在针尖附近先增大后减小,在平板电极附近又迅速增大。通过研究氩气放电中696.54nm谱线的展宽发现,谱线宽度在平板电极附近最大。通过空气放电光谱中氮分子离子线(391.4nm)和氮分子谱线(394nm)的强度比,计算了放电通道中电场强度的分布,发现沿着放电通道从针到板电场强度先减小后增大。研究发现,介质板的存在对于放电等离子参数的空间分布有着重要影响。     

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%.     

脉冲放电产生螺旋流注的等离子体特性研究

通过脉冲放电方式产生三维螺旋形的等离子体放电通道,在高速摄像机拍摄下观察到放电通道中的发光电离体以流注形式沿螺旋轨迹快速传播.建立电磁模型解释螺旋放电的形成机制,对造成对称性破缺及影响其手性性质的极向电场进行分析.研究表明,螺旋放电产生的放电通道存在两种不同的手性特征,而脉冲重复频率等放电参数及边界条件对螺旋流注的传播特性存在影响.脉冲电源驱动的电磁场在介质管内所形成的波模是极向电场形成的一个重要来源,当极向电场与轴向电场强度相近时则形成螺旋流注放电.     

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。     

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     

光电离速率影响大气压空气正流注分支的机理研究

大气压空气中的流注放电有广泛的理论和应用研究价值,包括雷电机理、输变电系统空气绝缘理论以及材料表面改性等.流注是一个快速发展的强电离区域,在传播过程中存在着一种重要的特点—分支现象.光电离为正流注发展提供必要的自由电子,且实验结果表明分支特征与流注头部的光电离速率密切相关.本文基于新的流注分支判据,采用了粒子网格单元与蒙特卡罗碰撞相结合(PIC-MCC)的三维放电模型(Pamdi3D)进行数值仿真验证.为了研究光电离速率对正流注分支的影响,仿真了毫米尺度间隙针-板电极正流注发展,系统研究了不同光电离参数的影响.当减小氮气-氧气比例、光子吸收截面或光电离效率系数后,流注均更早地出现分支现象.这些计算结果表明大气压空气中流注头部光电离速率的降低将导致其发生分支的概率更高.     

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     

正极性纳秒脉冲电压下变压器油中流注放电仿真研究

建立了二维轴对称流体模型, 仿真研究了正极性纳秒脉冲电压下变压器油中针-板电极流注放电的起始与发展过程, 得到了不同的外施电压幅值、脉冲上升沿时间与电极间隙距离下油中流注放电的形貌、 电场强度与空间电荷密度分布等. 仿真结果表明: 空间电荷加强了流注头部前方电场, 使流注通道更易于向前推进, 形成"电离波"; 随着外施电压幅值升高, 流注发展的平均速度显著变大; 较陡的脉冲上升沿形成的放电半径较大, 对应的最大电场强度值变小; 随着电极间隙距离的增加, 流注发展平均速度变快. 仿真显示纳秒脉冲下放电中油温无明显升高, 表明此类放电过程没有明显的油气化现象. 我们认为, 场致电离是油中带电粒子产生的主导机制; 空间电荷效应增强流注前方电场使得电离进一步发展, 最终导致击穿. 本研究有助于加深对变压器油中放电起始、发展直至击穿过程的认识以及对液体电介质中电离机制的理解. 关键词： 变压器油 流体模型 流注放电 空间电荷效应     

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采用粒子模拟与蒙特卡罗模型相结合(PIC/MCC)的方法,建立了氮分子气体辉光放电自洽的混合模型,其中带电粒子在电场中的运动及其产生的自洽场由PIC方法的静电模型描述,粒子间的碰撞过程由MC方法描述。模拟了放电过程及带电粒子(e、N2+、N+)在整个放电空间的行为及与之对应的自洽电场和电势的分布,通过计算带电粒子在负辉区的几率分布函数,讨论了带电粒子(e、N2+、N+)在负辉区的行为和分布特征。计算的分子离子密度与实验结果一致。     

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。     

极板电压与间距对大气压射频氩等离子体放电参数的影响

基于1维流体力学模型,对大气压射频裸露金属电极氩气放电过程进行了研究。模型中考虑了氩等离子体放电过程中主要发生的激发和电离等7个反应过程,对等离子体反应产生的主要粒子,包括电子、氩原子离子Ar+、氩分子离子Ar2+和氩激发态Ar*等,建立连续性方程、动量方程和电流平衡方程。分析了极板电压、极板间距对上述粒子数密度分布的影响。给出了电子,Ar+,Ar*和Ar2+密度随极板电压及间距变化的时空演化过程。得出极板电压或极板间距的改变会使放电空间的电场发生改变,对应一定的极板间距,极板电压有一个最佳值,极板电压和间距的变化会使对应的极板间有一个最佳电场值,而对应最佳电场有一个等离子体气体间最佳反应系数,从而使放电空间粒子数密度发生改变。     

空心阴极类火花放电初始电离过程的PIC/MCC模拟

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法,应用静电模型,编写了准三维的模拟程序.该程序能够较好地描述空心阴极类火花放电初始电离过程的演化步骤.通过研究电离过程的细节,可以认为该阶段电离过程是空心阴极效应和局部强电场共同作用的结果.从起始电离到空心阴极初始阶段,局部强电场在电离过程中起到了支配作用;随后空心阴极效应占据主导地位. 关键词： 粒子模拟 蒙特卡罗 空心阴极 类火花放电     

不同电极结构下大气压Ar等离子体射流的流体模拟研究

采用二维轴对称流体模型对比研究了3种不同电极结构下大气压Ar等离子体射流的基本特性。第一种是带绝缘介质的针电极结构（电场方向和气体流方向平行）,第二种是在第一种电极结构的介质管外增加一个垂直气流方向的接地环电极,第三种是不带绝缘介质的裸针电极结构。研究结果表明,接地环电极的引入对介质管内外的射流传播影响不同。在介质管内,接地环电极使管内表面附近的径向电场增加,电子密度升高,射流传播速度加快,但对中心轴附近的电场和电子密度影响很小;然而在介质管外,接地环电极的引入导致轴向和径向电场均减小,从而引起射流的传播长度减小,射流通道径向收缩。通过带绝缘介质的针电极和裸针电极结构的对比研究发现,保持其他条件不变,去掉包裹在针电极上的介质后,由于等离子体电势升高,电场增加,射流的传播长度几乎增加一倍,峰值电子密度增加近一个数量级,而且在整个射流通道内电子密度都保持相对高的值。此外,对3种电极结构下的主要活性粒子的产生和输运进行了比较研究。     

Numerical study on the discharge characteristics and nonlinear behaviors of atmospheric pressure coaxial electrode dielectric barrier discharges

The discharge characteristics and temporal nonlinear behaviors of the atmospheric pressure coaxial electrode dielectric barrier discharges are studied by using a one-dimensional fluid model. It is shown that the discharge is always asymmetrical between the positive pulses and negative pulses. The gas gap severely affects this asymmetry. But it is hard to acquire a symmetrical discharge by changing the gas gap. This asymmetry is proportional to the asymmetric extent of electrode structure, namely the ratio of the outer electrode radius to the inner electrode radius. When this ratio is close to unity, a symmetrical discharge can be obtained. With the increase of frequency, the discharge can exhibit a series of nonlinear behaviors such as period-doubling bifurcation, secondary bifurcation and chaotic phenomena. In the period-doubling bifurcation sequence the period-n discharge becomes more and more unstable with the increase of n. The period-doubling bifurcation can also be obtained by altering the discharge gas gap. The mechanisms of two bifurcations are further studied.It is found that the residual quasineutral plasma from the previous discharges and corresponding electric field distribution can weaken the subsequent discharge, and leads to the occurrence of bifurcation.     

微腔等离子体放电过程的数值研究

采用2维自洽完全流体模型,数值研究了阳极为通孔的高气压微腔放电结构中等离子体参数的变化过程。模拟结果获得了当氩气压强为13.3 kPa时,放电中的电势分布、等离子体密度分布、径向电场分布和电子温度分布等重要参数的演化过程。模拟结果表明在放电过程中,阴极附近的电场由轴向电场逐步转变为径向电场,等离子体密度最大值位于放电腔中间处,并随时间推移由阳极附近向阴极附近移动,电子温度的最大值出现在阴极环形鞘层区域。