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Discharge and mass transfer characteristics of atmospheric pressure gas-solid two-phase gliding arc

Plasma Science and Technology 2024年第9期26卷 88-96页

作者： Min ZHU Yuchen PING Yinghao ZHANG Chaohai ZHANG shuqun wu Department of Electrical Engineering Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 211106People’s Republic of China

In this work,a gas-solid two-phase gliding arc discharge(GS-GAD)reactor was *** arc was formed in the gap between the blade electrodes,and solid powder was deposited on the sieve plate positioned beneath the blade electrodes.A range of experimental parameters,including the inter-electrode spacing,gas flow rate,applied voltage,and the type of the powder,were systematically varied to elucidate the influence of solid powder matter on the dynamics of gliding arc discharge(GAD).The discharge images were captured by ICCD and digital camera to investigate the mass transfer characteristics of GS-GAD,and the electrical parameters,such as the effective values of voltage,current,and discharge power were record to reveal the discharge characteristics of *** results demonstrate that powder undergoes spontaneous movement towards the upper region of the gliding arc due to the influence of electric field *** the discharge voltage,decreasing relative dielectric constant of the powder and reducing the electrode-to-sieve-plate distance all contribute to a greater involvement of powder in the GAD process,subsequently resulting in an enhanced powder concentration within the GAD ***,powder located beneath the gliding arc experiences downward resistance caused by the opposing gas flow and *** gas flow rate notably hampers the powder concentration within the discharge region,and the velocity of powder motion in the upper part of the GAD region is *** the condition of electrode-to-sieve-plate distance of 30 mm,gas flow rate of 1.5 L/min,and peak-to-peak voltage of 31 kV,the best combination of arc gliding and powder spark discharge phenomena can be achieved with the addition of Al_(2)O_(3) powder.

关键词： gliding arc discharge atmospheric pressure plasma multiphase discharge mass transfer

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Investigation on the characteristics of an atmospheric-pressure microplasma plume confined inside a long capillary tube

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Plasma Science and Technology 2018年第10期20卷 90-97页

作者： shuqun wu Fei wu Xueyuan LIU Wen CHEN Chang LIU Chaohai ZHANG Center for More Electric Aircraft Power System College of Automation EngineeringNanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016People＇s Republic of China

An atmospheric-pressure microplasma plume of diameter 10 μm is generated inside a long tube. The length of the microplasma plume reaches as much as 2 cm. First, with the assistance of an air dielectric barrier discharge （DBD）, the ignition voltage of the microplasma decreases from 40 kV to 23.6 kV. Second, although the current density reaches as high as （1.2-7.6）× 10 4A cm-2, comparable to the current density in transient spark discharge, the microplasma plume is nonthermal. Third, it is interesting to observe that the amplitude of the discharge current in a positive cycle of applied voltage is much lower than that in a negative cycle of applied voltage. Fourth, the electron density measured by the Stark broadening of Ar spectral line 696.5 nm reaches as high as 3× 10 16 cm-3, which yields a conductivity of the microplasma column of around 48 S m-1. In addition, the propagation velocity of the microplasma plume, obtained from light signals at different axial positions, ranges from 1 × 10 5 m s-1 to 5× 10 5m s-1. A detailed analysis reveals that the surface charges deposited on the inner wall exert significant influence on the discharge behavior of the microplasma.

关键词： microplasma atmospheric pressure plasma non-thermal plasma microdischarge

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Plasma propagation in single-particle packed dielectric barrier discharges:joint effects of particle shape and discharge gap

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Plasma Science and Technology 2022年第6期24卷 124-134页

作者： Min ZHU Shengyu HU Yinghao ZHANG shuqun wu Chaohai ZHANG Department of Electrical Engineering Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 211106People's Republic of China

In this work,a single Al_(2)O_(3) particle packed dielectric barrier discharge(DBD)reactor with adjustable discharge gap is built,and the influences of the particle shape(ball and column)and the residual gap between the top electrode and particle on the electrical and optical characteristics of plasma are *** research confirms that streamer discharge and surface discharge are the two main discharge patterns in the single-particle packed DBD *** strong electric field distortion at the top of the ball or column caused by the dielectric polarization effect is an important reason for the formation of streamer *** length of streamer discharge is proportional to the size of the residual gap,but the number of discharge times of a single voltage cycle shows an opposite *** to the column,a smooth spherical surface is more conducive to the formation of large and uniform surface *** surface discharge area and the discharge intensity reach a maximum when the gap is equal to the diameter of the *** in all,the results of this study will provide important theoretical support for the establishment of the synergistic characteristics of discharge and catalysis in plasma catalysis.

关键词： low-temperature plasma packed-bed dielectric barrier discharge streamer discharge surface discharge plasma catalysis

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Numerical study on the modulation of THz wave propagation by collisional microplasma photonic crystal

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Plasma Science and Technology 2020年第11期22卷 42-51页

作者： shuqun wu Yuxiu CHEN Minge LIU Lu YANG Chaohai ZHANG Shaobin LIU College of Automation Engineering Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016People's Republic of China College of Electronic and Information Engineering Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016People's Republic of China

In order to demonstrate the modulation of terahertz wave propagation in atmospheric pressure microplasmas,in this work,the band structure and the transmission characteristics of a onedimensional collisional microplasma photonic crystal are investigated,using the transfer matrix *** a lattice constant of 150μm and a plasma width of 100μm,three stopbands of microplasma photonic crystal are observed,in a frequency range of 0.1-5 ***,an increase in gas pressure leads to a decrease in the central frequency of the *** the gas pressure increases from 50.5 k Pa to 202 k Pa,the transmission coefficient of the THz wave first increases and then decreases at high frequency,where the wave frequency is much greater than both the plasma frequency and the collision ***,it is interesting to find that the central frequency and the bandwidth of the first THz stopband remain almost unchanged for electron densities of less than 10^15 cm^-3,increasing significantly when the electron density increases up to 10^16 cm^-3.A central frequency shift of 110 GHz,and a bandgap broadening of 200 GHz in the first stopband are *** addition,an atmospheric pressure microplasma with the electron density of 1×10^15-6×10^15 cm^-3 is recommended for the modulation of THz wave propagation by plasma photonic crystals.

关键词： microplasma plasma photonic crystal terahertz wave electron density

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Influence of high-voltage pulse parameters on the propagation of a plasma synthetic jet

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Plasma Science and Technology 2019年第7期21卷 60-68页

作者： shuqun wu Xueyuan LIU Guowang HUANG Chang LIU Weijie BIAN Chaohai ZHANG Center for More Electric Aircraft Power System College of Automation Engineering Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

In this work, a typical pin-to-pin plasma synthetic jet in static air is excited by a pulsed DC power supply. The influences of the pulse rising time, the amplitude and the repetition frequency of the pulse voltage on the jet flow have been investigated. First, using a high-speed Schlieren imaging technique, the induced shock waves and the fast jet flow generated by the plasma synthetic jet are characterized. With a deposited energy of 44 m J per pulse, the velocity of the shock wave and the maximum velocity of the jet flow reach 320 m s-1 and 100 m s-1,respectively. Second, when the applied voltage increases from 12.8 kV to 16 kV, the maximum jet velocity increases from 66 m s-1 to 93 m s-1. On the other hand, as the pulse rising time varies from 50 ns to 500 ns, or the pulse repetition frequency increases from 5 Hz to 40 Hz, the jet velocity induced by the plasma synthetic jet is weakly dependent. In addition, a comparative study of the plasma synthetic jets using three commercial pulsed power supplies(XJ-15, NPG-18, and PG-30) is implemented. It reveals that the maximum jet velocity of 120 m s-1 is obtained in the case of PG-30, with the longest pulse rising time and the lowest breakdown voltage, while the maximum velocity of 33 m s-1 is detected in the case of NPG-18, even though it has the shortest pulse rising time and the highest breakdown voltage.

关键词： spark discharge plasma synthetic jet nanosecond pulsed power

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点火器的火花放电能量转换分析

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高电压技术 2023年第8期49卷 3315-3323页

作者：徐志豪郭玥吴淑群南京航空航天大学自动化学院南京211106

火花放电是一种航空发动机点火方式,通过研究点火器的火花放电能量转换过程,有助于提升点火器性能。实验向电极间隙为1 mm的火花塞施加4 kV固定电压,通过调整储能电容大小改变火花塞释放的能量。采用放电回路等效模型计算火花能量,火花... 详细信息

火花放电是一种航空发动机点火方式,通过研究点火器的火花放电能量转换过程,有助于提升点火器性能。实验向电极间隙为1 mm的火花塞施加4 kV固定电压,通过调整储能电容大小改变火花塞释放的能量。采用放电回路等效模型计算火花能量,火花能量从0.44 J增加至7.87 J时,电能转换效率从54.99%降低至49.23%。建立火花放电全局模型,仿真得到电子数密度、电子温度和环境温度,发现40.91%~62.51%火花能量转换为重粒子总和热能,0.18%~0.33%火花能量转换为电子总和能量。采用高速纹影技术拍摄火花放电动态过程,发现气流动能非常小,可忽略不计。

关键词：火花放电点火器空气放电电点火火花能量

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大气压非平衡等离子体射流

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高电压技术 2015年第8期41卷 2602-2624页

作者：吴淑群聂兰兰卢新培华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室武汉430074 南京航空航天大学自动化学院南京210016

大气压非平衡等离子体射流(APNP-Js)的显著优点是可以在开放空间内而非狭窄放电间隙内(如介质阻挡放电)产生非平衡等离子体,APNP-Js已成为低温等离子体应用领域的1项新型关键技术。为此,首先从驱动电源的角度出发,分别介绍了直流、交流... 详细信息

大气压非平衡等离子体射流(APNP-Js)的显著优点是可以在开放空间内而非狭窄放电间隙内(如介质阻挡放电)产生非平衡等离子体,APNP-Js已成为低温等离子体应用领域的1项新型关键技术。为此,首先从驱动电源的角度出发,分别介绍了直流、交流、射频、微波、脉冲和双电源驱动的几种典型APNP-Js。其次比较了不同电源驱动的APNP-Js特性,发现在消耗功率相同的情况下,脉冲驱动模式下的APNP-Js长度更长,APNP-Js推进速度更快,活性粒子数密度更高,而气体温度则保持在常温。再次进一步分析了电源参数对APNP-Js的影响,1随着频率从1 Hz上升至射频范围,APNP-Js长度总体变短,APNP-Js推进形状由"等离子体子弹"转变为连续柱状;2随着脉冲上升沿从几μs降低至50 ns,不仅APNP-Js推进速度加快,而且APNP-Js长度增加,电子温度更高,活性更强;3通过比较正负极性电压驱动的APNP-Js特性,发现负极性APNP-Js长度更短,APNP-Js推进速度更慢,射流携带电流更小,但等离子体通道中电场强度更高。最后讨论了驱动电源特性与APNP-Js参数之间的关系,并对APNP-Js面临的一些关键问题和发展方向进行了展望,如利用最少的电源功率来驱动APNP-Js以获得最高的活性粒子数密度、电源输出能量耦合进等离子体后如何分配优化等。

关键词：大气压非平衡等离子体等离子体射流脉冲放电活性粒子等离子体医学驱动电源气体放电

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基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子的时空分布

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电工技术学报 2017年第8期32卷 82-94页

作者：吴淑群董熙裴学凯岳远富卢新培南京航空航天大学自动化学院南京210016 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉430074

由于传统辐射光谱法无法对大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子进行定量检测,本文利用自主研制的纳秒脉冲激励针筒型等离子体射流装置,基于单光子和双光子激光诱导荧光法分别对OH自由基和O原子的时空分布进行诊断。结果发现,OH自... 详细信息

由于传统辐射光谱法无法对大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子进行定量检测,本文利用自主研制的纳秒脉冲激励针筒型等离子体射流装置,基于单光子和双光子激光诱导荧光法分别对OH自由基和O原子的时空分布进行诊断。结果发现,OH自由基和O原子的寿命时间分别为1ms和3ms,远大于脉冲放电持续时间;采用拟合衰减曲线法,得到OH自由基的绝对密度为1012~1013cm-3;发现离喷嘴口越远,OH自由基和O原子密度越低。然而,即使距离喷嘴口数cm的地方,仍然存在大量的OH自由基和O原子;OH自由基和O原子的密度随激励频率和脉冲电压幅值的增加而升高,随H_2O含量和O_2含量的升高而出现先增大后减小的趋势。其中,当氦气中H_2O含量为0.012%时,OH自由基密度达到最大值。当氦气中O2含量为0.5%时,O原子密度达到最大值。本文研究为调控和优化低温等离子体射流中OH自由基和O原子密度提供重要科学依据。

关键词：大气压低温等离子体射流激光诱导荧光活性粒子等离子体医学 OH自由基 O原子等离子体活性

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管内氦等离子体的电场诊断与传播过程研究

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中国电机工程学报 2021年第17期41卷 6116-6126页

作者：欧阳帆吴淑群刘旭晖郭玥张潮海南京航空航天大学自动化学院江苏省南京市210016

依据氦谱线斯塔克分裂效应测量等离子体中电场强度的基本原理,以管内等离子体为研究对象,采用高压脉冲放电与辐射光谱仪系统同步,获得纳秒动态传播过程中等离子体子弹的电场强度。进一步将该方法应用于对比研究脉冲上升沿和脉冲下降沿... 详细信息

依据氦谱线斯塔克分裂效应测量等离子体中电场强度的基本原理,以管内等离子体为研究对象,采用高压脉冲放电与辐射光谱仪系统同步,获得纳秒动态传播过程中等离子体子弹的电场强度。进一步将该方法应用于对比研究脉冲上升沿和脉冲下降沿放电时管内氦气等离子体的电场分布与传播过程。发现脉冲上升沿放电中等离子体的电场强度高达15.1 k V/cm(距离针尖15 mm处),明显高于脉冲下降沿放电的电场强度。然而,相比于脉冲上升沿放电,脉冲下降沿放电的等离子体传播速度更快。结合等离子体仿真分析发现,高密度的种子电子是造成脉冲下降沿放电等离子体传播速度更快的重要原因。

关键词：斯塔克分裂效应等离子体电场强度传播速度

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单电源驱动多路电弧方法对比研究

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真空科学与技术学报 2022年第8期42卷 608-616页

作者：陈杰李陈莹靖子洋吴淑群国网江苏省电力有限公司电力科学研究院南京211103 南京航空航天大学南京211106

多路电弧的产生方法对提升材料处理或气体合成的效率具有重要意义,而目前产生多路电弧时通常需要多个电源,显著增加了应用成本。因此,本文重点对比研究了单电源驱动多路电弧的方法,设计了多对电极串联、多对电极并联(支路串联电容)以及... 详细信息

多路电弧的产生方法对提升材料处理或气体合成的效率具有重要意义,而目前产生多路电弧时通常需要多个电源,显著增加了应用成本。因此,本文重点对比研究了单电源驱动多路电弧的方法,设计了多对电极串联、多对电极并联(支路串联电容)以及多对电极并联(支路串联电容或电感)共三种电路结构,均实现了起弧与电弧稳定维持,并对击穿特性、电弧稳定电压电流特性进行了分析。结果表明:在多对电极串联时,多路起弧与电源输出电压紧密相关,即电极对数越多所需开路电压越高;在多对电极并联(支路串联电容)时,多路起弧与电源输出电流紧密相关,即电极对数越多则所需输出电流越大;在多对电极并联(支路串联电容或电感)时,电路中电感的磁饱和效应造成各元件电压电流的突变,影响各电弧的稳定与功率分配。本文对比研究了单电源产生多路电弧的三种方法,可有效降低应用成本,为电弧在材料处理与气体合成应用提供技术支撑。

关键词：电弧放电滑动电弧多路电弧电弧特性

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