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大气压氦气介质阻挡柱状放电2维仿真算法

高电压技术 2016年第3期42卷 797-806页

作者：黄之明郝艳捧韩玉英阳林李立浧郑彬华南理工大学电力学院广州510640 国网福建省电力公司厦门供电公司厦门361000

为了对比研究有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)2种算法以及网格结构对大气压氦气介质阻挡柱状放电仿真结果的影响,建立了2维流体模型。首先,计算了柱状放电的电流波形和电子数密度2维分布;然后,根据收敛曲线、迭代次数和运算时间对比研... 详细信息

为了对比研究有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)2种算法以及网格结构对大气压氦气介质阻挡柱状放电仿真结果的影响,建立了2维流体模型。首先,计算了柱状放电的电流波形和电子数密度2维分布;然后,根据收敛曲线、迭代次数和运算时间对比研究了相同网格结构下FEM和FVM的计算性能;最后,根据2维电子数密度分布云图和试验结果对比研究了2种算法下的放电形态、时序的差异。结果表明:在不稳定的初始阶段,放电由均匀向柱状转化,最后达到稳定的柱状放电阶段;FVM计算方法较稳定且耗时少;网格结构变化会影响FVM计算得到的放电形态,发现方形网格结构下FVM计算获得的柱状放电与试验结果相符。

关键词：介质阻挡放电有限元法有限体积法柱状放电流体模型网格结构

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大气压氦气介质阻挡柱状放电的形成条件

高电压技术 2019年第4期45卷 1323-1331页

作者：郝艳捧韩玉英黄之明阳林李立浧华南理工大学电力学院广州510640 南方电网科学研究院有限责任公司广州510663

大气压氦气介质阻挡放电可表现为均匀放电、柱状放电或丝状放电等放电形式,放电模式可为汤森放电、辉光放电或流注放电。柱状放电的形成条件、放电机理、动力学过程还远未掌握。为此研究介质阻挡柱状放电的形成条件,对气隙距离、电压频... 详细信息

大气压氦气介质阻挡放电可表现为均匀放电、柱状放电或丝状放电等放电形式,放电模式可为汤森放电、辉光放电或流注放电。柱状放电的形成条件、放电机理、动力学过程还远未掌握。为此研究介质阻挡柱状放电的形成条件,对气隙距离、电压频率和外加电场3因素,采用正交试验法研究其对放电形式的影响。采用方差分析研究各因素显著性,发现外加电场对柱状放电的形成影响最大,其次是电压频率和气隙距离。采用极差分析研究柱状放电形成条件,发现短间隙(2 mm、3 mm)、较低频率(10～16 kHz)、较低外加电场(0.212～0.247 kV/mm)有利于形成柱状放电。

关键词：介质阻挡放电均匀放电柱状放电丝状放电正交试验形成条件

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多种电场条件下的大气压氦气DBD柱状放电

多种电场条件下的大气压氦气DBD柱状放电

作者：苏恒炜华南理工大学

学位级别：硕士

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)因可产生能量和活性粒子密度适中的非平衡低温等离子体,在各领域得到了广泛的应用。但对它的研究,尤其是斑图放电方面,还需进一步的深入。本文结合了实验和数值仿真手段,研究了多种结构... 详细信息

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)因可产生能量和活性粒子密度适中的非平衡低温等离子体,在各领域得到了广泛的应用。但对它的研究,尤其是斑图放电方面,还需进一步的深入。本文结合了实验和数值仿真手段,研究了多种结构的电场条件下柱状斑图放电的演化规律和机理,发现了两种形式不同的柱状放电和一种新型的放电斑图,在数值仿真中实现了单柱放电的模拟,借此讨论了多脉冲放电的形成原理和影响放电柱演化的因素。本文利用可调角度和宽度的电极进行大气压氦气DBD实验,设计了准平行间隙实验和斜间隙介质阻挡放电实验,通过拍摄放电图像、测量电压和回路电流波形,研究放电柱演化现象及其机理,并用电场呈梯度连续变化的斜间隙进行验证。准平行间隙柱状放电随外加电压升高有三种形式,起始放电阶段的弥散柱状、过电压阶段的密集柱状和两者转化过程的触手状斑图,两种柱状放电存在跨周期的相互影响。在斜间隙中观察到放电柱定向排列成条纹斑图,其实质为放电柱在多个放电周期中在一定区域内有规律地产生,导致较长曝光时间或肉眼观察下呈现连续的发光条纹。影响放电柱的定向排列的主要因素是间隙中电场的径向分量与法向分量的相对强度。建立了二维流体模型对柱状放电进行数值仿真;在绘制电子密度分布图时采用对数图例,从而提高了通过图像分析放电形式的效率和准确性。对氦气DBD平行间隙放电实验和斜间隙实验进行了仿真,与实验结果较好对应,找到了弥散型和密集型两种柱状放电对应的特征电子分布形式,讨论了其形成机理。在数值仿真中实现了单柱放电,在此基础上讨论了影响放电柱形态的因素。认为多脉冲放电的实质是极间电压多次达到阈值并下降,然后再次随外施电压上升,周而复始的结果。发现了放电柱位置交替产生的现象,并认为这解释了实验中密集型柱状放电的不规律运动和亮度较低的特点。通过改变气体分子组分的方式验证了影响放电柱生成的因素,并得到了单柱放电,讨论了其根部电子团的扩散效应和因此引发临近放电柱产生的机理,并以此解释了触手状斑图可能的演化原理。通过斜间隙仿真验证了径向电场分量对放电柱运动的影响。

关键词：介质阻挡放电柱状放电多脉冲放电流体模型数值仿真

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大气压氦气介质阻挡柱状放电极间等效电容

大气压氦气介质阻挡柱状放电极间等效电容

作者：房强华南理工大学

学位级别：硕士

介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge,DBD）因可产生能量和活性粒子密度适中的非平衡低温等离子体,在各领域得到了广泛的应用。但对它的研究还需进一步的深入。本文结合了放电的外部电参量和ICCD短时曝光图像,研究了大气压氦气... 详细信息

介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge,DBD）因可产生能量和活性粒子密度适中的非平衡低温等离子体,在各领域得到了广泛的应用。但对它的研究还需进一步的深入。本文结合了放电的外部电参量和ICCD短时曝光图像,研究了大气压氦气介质阻挡柱状放电的放电特性和演化过程。探讨了不同放电行为下极间等效电容的变化规律,提出了放电气隙和阻挡介质等效电路模型的优化方法。本文利用ICCD相机拍摄了柱状放电的底面短时曝光放电图像,阐述了在本底空气40 Pa、间隙为3 mm下的柱状放电的演化过程,根据柱状放电外加电压、回路电流Lissajous图形的变化波形曲线,研究了柱状放电的放电特性。起始放电后,降低放电维持电压,出现了稳定的柱状放电;随着外加电压降低,放电单元数量增加,放电单元面积增加,放电逐渐均匀,脉冲电流幅值也逐渐增加,且与外加电压呈现出负特性关系;对应各放电状态的Lissajous图形为多线段相互交叉的多边形;放电功率在单个放电柱时存在突变,随后随外加电压降低满足线性增长的关系。基于Lissajous图形研究了不同放电行为对极间等效电容的影响,提出了等效电路模型的优化方法。在间隙3 mm、本底空气40 Pa下,测量了未放电、均匀放电、柱状放电以及放电熄灭下的Lissajous图形,根据其物理意义计算了对应阶段极间等效电容值,利用相关性计算方法研究了与放电转移电荷量的关系。实验结果表明:未放电情况下极间等效电容恒为9.6 p F,而放电过程中,极间等效电容与转移电荷量呈线性相关关系,说明介质表面积累电荷造成了极间等效电容的明显变化。由阻挡介质等效电容值固定,可知气隙等效电容是随着放电转移电荷量动态变化的,根据分析提出了等效电路模型的优化方法并验证了有效性。

关键词：介质阻挡放电柱状放电放电特性 Lissajous图形极间等效电容

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液体电极上辉光放电丝的运动特性研究

物理学报 2018年第7期67卷 176-181页

作者：李雪辰耿金伶贾鹏英吴凯玥贾博宇康鹏程河北大学物理科学与技术学院保定071002

大气压液体电极放电在生物医疗、化学降解、环境保护等众多方面具有广泛的应用前景,引起了研究者的关注.本文利用直流电压激励棒-水电极装置,在6 mm气隙间产生了大气压辉光放电.研究发现,随着电流的增大,放电由锥状转变成柱状,且此过程... 详细信息

大气压液体电极放电在生物医疗、化学降解、环境保护等众多方面具有广泛的应用前景,引起了研究者的关注.本文利用直流电压激励棒-水电极装置,在6 mm气隙间产生了大气压辉光放电.研究发现,随着电流的增大,放电由锥状转变成柱状,且此过程中水面上放电环的直径先增大后减小.利用高速照相机对放电进行研究,发现锥状放电是由单个放电丝旋转形成的.通过测量放电的伏安特性,表明放电处于正常辉光机理.利用光谱学方法,研究了不同电流下的振动温度、转动温度和谱线强度比I_(391.4)/I_(337.1),发现它们均随电流的增加而增大.根据气体放电理论,分析和解释了放电丝的运动机理,并对水面上放电环直径随电流的变化关系进行了解释.这些结果对于大气压液体电极放电的理论研究和实际应用均具有一定参考价值.

关键词：辉光放电锥状放电柱状放电运动特性

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大气压氦气平行板介质阻挡放电的形式转换

电工技术学报 2018年第13期33卷 3041-3050页

作者：郝艳捧韩玉英黄之明阳林李立浧华南理工大学电力学院广州510640 南方电网科学研究院有限责任公司广州510663

通过短时曝光图像和回路电流,研究了大气压氦气介质阻挡丝状、柱状、局部均匀和全部均匀等放电形式的特性、转换规律,以及柱状与丝状的区别与诊断方法。研究发现:气隙放电后降低外加电压放电仍维持;3 mm气隙含空气40 Pa在14 kHz、11.4 ... 详细信息

通过短时曝光图像和回路电流,研究了大气压氦气介质阻挡丝状、柱状、局部均匀和全部均匀等放电形式的特性、转换规律,以及柱状与丝状的区别与诊断方法。研究发现:气隙放电后降低外加电压放电仍维持;3 mm气隙含空气40 Pa在14 kHz、11.4 kHz或10 kHz的起始放电为全部均匀形式,由最低放电维持电压升高到起始放电电压,放电形式依次为局部均匀-柱状-全部均匀;3 mm气隙含空气20 Pa在10 kHz、12 kHz或14 kHz的起始放电为全部均匀形式,由最低放电维持电压升高到起始放电电压,放电依次为柱状-全部均匀;2 mm气隙含空气20 Pa在18 kHz的起始放电为柱状放电,由最低放电维持电压升高到超过起始放电电压,放电形式依次为丝状-柱状-全部均匀。电流波形有毛刺、无汤森放电、放电位置不固定等可诊断丝状放电。

关键词：均匀放电柱状放电丝状放电放电转换

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低气压氮气中放电形式转化的研究

高电压技术 2007年第2期33卷 19-23页

作者：李明李成榕王璁詹花茂许金豹华北电力大学电气与电子工程学院高电压与电磁兼容北京市重点实验室北京102206

目前广泛采用介质阻挡放电来获得大面积的均匀放电,但在常压下尤其是在空气中这种放电通常为细丝状放电。为研究在氮气中由均匀放电向柱状放电或丝状放电转化的过渡过程随外加电压变化的规律,实验研究了3.5-20kPa的氮气中,介质阻挡材料... 详细信息

目前广泛采用介质阻挡放电来获得大面积的均匀放电,但在常压下尤其是在空气中这种放电通常为细丝状放电。为研究在氮气中由均匀放电向柱状放电或丝状放电转化的过渡过程随外加电压变化的规律,实验研究了3.5-20kPa的氮气中,介质阻挡材料分别为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和石英的介质阻挡放电现象和电流波形随外加电压的变化情况,研究比较了介质材料对放电现象和特性的影响。研究发现,放电可在低于初始放电电压的情况下维持,并由丝状放电形式向柱状放电形式转化,放电电流和放电面积随之增大。实验结果表明,在低电场下放电会变得更加均匀,可能存在某种由丝状放电向柱状放电过渡的放电形式。但研究未能验证驻极体表面电荷去吸附对放电的影响。

关键词：低气压氮气介质阻挡放电丝状放电柱状放电放电转化

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大气压氦气介质阻挡低电压下放电形式的转换

大气压氦气介质阻挡低电压下放电形式的转换

作者：韩玉英华南理工大学

学位级别：硕士

介质阻挡放电能便捷产生大量能量和活性粒子密度适中的非平衡低温等离子体,具有十分广阔的工业应用前景。然而,在不同外部参数下,介质阻挡放电表现为丝状放电、柱状放电、均匀放电等不同放电形式,且不同形式放电之间可以相互转换。本文... 详细信息

介质阻挡放电能便捷产生大量能量和活性粒子密度适中的非平衡低温等离子体,具有十分广阔的工业应用前景。然而,在不同外部参数下,介质阻挡放电表现为丝状放电、柱状放电、均匀放电等不同放电形式,且不同形式放电之间可以相互转换。本文通过改变外加电压幅值、本底空气含量,研究大气压氦气平行板介质阻挡不同放电形式的转化规律。在本底空气40 Pa、20 Pa、间隙2 mm、3 mm下,进行大气压氦气介质阻挡放电形式试验。在起始放电电压以下,获得了局部均匀放电、柱状放电和丝状放电,通过短时曝光图像和回路电流,研究大气压氦气介质阻挡丝状、柱状、局部均匀和全部均匀等放电形式的放电特性、转化规律,以及柱状放电与丝状放电的区别与诊断方法。基于正交试验设计,研究大气压氦气介质阻挡柱状放电的形成条件。在间隙3 mm、本底空气30 Pa下,对间隙距离、电压频率和外加电场3因素,用正交试验设计研究其对柱状放电的影响。利用方差分析法研究各因素显著性,发现3因素对柱状放电的形成均有显著影响,其中,外加电场影响最大,其次是电压频率和间隙距离。采用极差分析法研究柱状放电形成条件,发现短间隙(2 mm、3 mm)、较低频率(106 kHz)、较低外加电场(0.212.247 kV/mm)有利于形成柱状放电。

关键词：介质阻挡放电均匀放电柱状放电丝状放电放电转换正交试验形成条件

大气压介质阻挡放电气体温度特性的数值模拟研究

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大气压介质阻挡放电气体温度特性的数值模拟研究

作者：林靖松辽宁师范大学

学位级别：硕士

大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge DBD)由于结构简单、操作便捷等特点受到国内外学者的普遍关注。很多课题组开展了大气压DBD放电模式方面的研究工作。已报到的研究工作揭示了电极电压、电源频率和介质材料等对放电模... 详细信息

大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge DBD)由于结构简单、操作便捷等特点受到国内外学者的普遍关注。很多课题组开展了大气压DBD放电模式方面的研究工作。已报到的研究工作揭示了电极电压、电源频率和介质材料等对放电模式的影响。然而,气体温度对大气压DBD放电模式影响的报道相对较少。由于重粒子在大气压下碰撞频繁,大气压DBD气体温度上升较高,这会引起放电通道的收缩。因此,开展大气压DBD气体温度特性的研究对于等离子体的稳定和控制具有重要的意义。本文利用COMSOL多场耦合仿真软件建立了大气压DBD模型,详细地研究了大气压DBD柱状放电向均匀放电、表面放电向体放电的转化,探讨了径向折合电场(E)在放电模式转变过程中的作用。主要研究内容如下:(1)数值研究了大气压氦气DBD柱状放电、E和介质表面电荷密度等随气体温度的演化。首先,计算了不同气体温度下的电子数密度、氦原子数密度和电离率的空间分布及电压电流波形、击穿电压。发现随着气体温度的升高,大气压氦气DBD柱状放电转化为均匀放电,击穿电压降低,击穿时刻向电极电压零点移动。然后计算了不同气体温度下的Err和电荷密度,发现它们的空间分布随气体温度增加逐渐变为均匀。这是柱状放电向均匀放电转变的主要因素。(2)研究了气体温度低于室温时大气压氦-氮混合气体DBD放电的气体温度特性。首先,得到了各种粒子(电子、氮分子和氮分子离子)的空间分布及击穿电压、放电电流与气体温度的依赖关系,发现随着气体温度的降低,放电逐渐由表面放电转变为体放电,分离的放电区(柱)向电极径向中心移动,击穿电压逐渐增大。揭示了表面放电与汤森放电、体放电和辉光放电的内在联系。然后探究了电子密度的时间演化和电流密度的空间演化。最后,计算、分析了E的分布规律,发现在表面放电时放电区(柱)中心两侧的介质表面的E分别指向放电区(柱)中心位置,在体放电时背离放电区(柱)中心位置。随着气体温度的降低,E最大值逐渐增强并向电极径向中心位置移动。利用库仑力、洛伦兹力和E空间分布解释了放电区(柱)的稳定性和向径向中心移动。

关键词：气体温度柱状放电电子数密度径向折合电场