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空气-GFRP介质层组合间隙流注放电特性的实验和仿真研究

空气-GFRP介质层组合间隙流注放电特性的实验和仿真研究

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作者：夏德智华中科技大学

学位级别：硕士

风机叶片雷击放电击穿损伤是叶片遭受雷击后最主要的损伤形态。叶片复合材料层的击穿取决于其所承受环境电场和流注放电空间电荷场的共同作用。为了明晰风机叶片复合材料铺层雷击放电的击穿机制和物理过程,解释叶片雷击贯穿型损伤的形... 详细信息

风机叶片雷击放电击穿损伤是叶片遭受雷击后最主要的损伤形态。叶片复合材料层的击穿取决于其所承受环境电场和流注放电空间电荷场的共同作用。为了明晰风机叶片复合材料铺层雷击放电的击穿机制和物理过程,解释叶片雷击贯穿型损伤的形成原因,首先需要研究掌握空气—GFRP复合材料层组合间隙的放电击穿机制。本文首先搭建空气—GFRP介质层组合间隙流注放电过程观测平台。开展了组合间隙流注放电特性实验研究,获得了“沿面型流注”和“贯穿型流注”放电光学图像和实验波形;研究分析了电压幅值、介质层厚度等因素对沿面流注放电长度、针电极一次流注起始电压和介质层下方流注形成时延的影响规律。结果表明:施加电压幅值越大,沿面流注发展距离越长;介质层越厚度,介质层下方流注形成时延越长。然后,建立了考虑空气域粒子输运过程、GFRP复合材料板内部粒子输运过程以及气—固相分界面处电流连续的空气—GFRP介质层组合间隙流注放电数值仿真模型,其中采用亥姆霍兹偏微分方程法快速高效地求解粒子连续性方程中的光电离源项。阐明了仿真计算模型中各控制方程的耦合求解关系,采用了合适的网格剖分策略和求解器设置来求解紧密耦合的多物理场问题。组合间隙放电实验观测现象和本文模型仿真结果基本吻合,对比沿面流注长度的实验数据和仿真结果,证明了本文所建立模型用于研究空气—GFRP介质层组合间隙流注放电过程的正确性和适用性。最后,利用所建立的仿真模型解释了组合间隙流注放电实验现象和结论;研究了组合间隙中“沿面型流注”和“贯穿型流注”的放电特征,获得了流注放电过程中空间电荷和空间电场的分布特征和演变规律、介质层内部承受电场的演变过程及其与流注放电阶段的关系,解释了介质层内部承受电场变化的原因;计算获得了电压幅值、介质层介电常数和介质层厚度等因素对“贯穿型流注”放电过程中介质层内部承受电场变化的影响规律。

关键词：风机叶片复合材料组合间隙沿面型流注放电贯穿型流注放电介质层承受电场

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