纳秒脉冲表面滑闪放电的电气和光学特性

为了研究纳秒脉冲表面滑闪放电特性,本文采用一种新型三电极结构的激励器,通过纳秒脉冲叠加负直流的混合激励模式产生表面滑闪放电。实验研究了电压脉冲分量、电压直流分量及两者的差值对纳秒脉冲表面滑闪放电特性的影响。实验结果表明,当脉冲电压幅值固定时,直流电压幅值的改变对脉冲侧电流的影响较小,但对直流源侧电流却影响显著,直流源侧电流随直流电压幅值的增加而增加,发生表面滑闪放电后峰值和速度均增加。直流电压幅值越大,直流源侧电流出现时刻越早。当直流电压幅值固定时,脉冲侧电流和直流源侧电流均随着脉冲电压幅值的增加而增加。实验中存在一个电压阈值(脉冲分量和直流分量电压差值)使纳秒脉冲表面滑闪放电发生,该阈值为22k V。此时发生表面滑闪放电,瞬时功率峰值、单脉冲能量峰值和稳态能量均迅速增加。脉冲直流电压差值相同时,脉冲分量主导脉冲侧电流的大小,直流分量主导直流源侧电流的大小,脉冲分量所占比例的大小对功率和能量损耗的影响较大。此外,利用数码相机拍摄放电图像研究了纳秒脉冲表面滑闪放电的光学特性,放电图像表明,在电极间施加合理的脉冲电压和负直流电压均可产生表面滑闪放电,实现等离子体的拉伸效果,在阻挡介质表面获得大面积的等离子体。     

纳秒和微秒脉冲激励表面介质阻挡放电特性对比

表面介质阻挡放电(DBD)在气体流动控制方面有着巨大的应用前景。利用自制的纳秒和微秒脉冲电源进行表面DBD实验,比较了电压幅值、介质厚度、电极水平间距等对两种激励下表面DBD电特性的影响并进行了分析。实验中两种电源激励的表面介质阻挡放电能量均在mJ量级,上升沿瞬时最大功率达到几十kW。实验结果表明:在脉冲上升沿有多次放电,微秒脉冲上升沿放电次数比纳秒脉冲多;随着电压幅值上升,放电次数减少;介质越薄,放电越激烈,能量越大;电极水平间距对表面DBD放电有影响,间距0 mm时能量消耗最大;施加脉冲电压频率越大,放电等离子体的亮度越大;微秒脉冲放电的等离子体区域要大于纳秒脉冲放电。     

基于介质阻挡放电的等离子体除冰实验研究

通过放电测试、热像测试和静态除冰实验,探索基于不同介质阻挡放电形式的等离子体除冰效果及机理,为提高等离子体激励的除冰能力提供参考。结果表明,纳秒脉冲介质阻挡放电的放电通道长,作用范围广,单周期能量为交流正弦波介质阻挡放电的50%。介质阻挡放电激励器高低压电极交界处温度最高,产热区域主要位于低压电极上方。交流正弦波介质阻挡放电主要以介质层产热来除冰,可以更快地突破冰层的潜热,融化冰层的方式为"线状"扩展,加热范围大但温度低;纳秒脉冲介质阻挡放电在除冰过程中能够产生等离子体,融化冰层方式为"点状"扩大,加热范围较为集中且温度高,其静态除冰性能优于交流正弦波介质阻挡放电;冰层厚度越小,激励电压越大,除冰效果越好。     

三电极合成射流激励器电极布局与电源系统的匹配特性

为了有效增加合成射流激励器的放电强度,提高放电稳定性,使用直流电源和不同类型的触发电源,对三电极合成射流激励器的放电特性进行研究,提出了设计准则,优化了电极布局。结果表明:触发电源脉冲电压的上升时间对触发特性有重要的影响。纳秒触发源电压上升时间与击穿延迟时间相近,可促使2个放电通道同时形成,实现同时击穿;微秒触发源配合直流激励只能使2个放电通道依次形成,放电模式为依次击穿。三电极合成射流激励器的放电通道长度和稳定放电时放电通道的可调节范围由触发电源与直流电源共同决定。采用纳秒脉冲触发源和较大的直流电压激励时,可显著提高三电极合成射流激励器的最大放电间距和放电稳定性。在4 k V直流激励下微秒脉冲触发形成的最大间距为7.5 mm,而在无直流电压输入时,纳秒脉冲触发形成的最大放电间距已达10 mm。当施加-4 k V直流电压时,纳秒脉冲触发形成的最大放电间距更是达到了17.5 mm。     

纳秒脉冲表面放电等离子体影响因素的实验研究

在大气环境条件下,以环氧为介质阻挡材料,基于单极性ns脉冲电源进行了表面介质阻挡放电实验,研究了电压幅值、电极宽度、电极间距和重复频率对放电等离子体的影响。结果表明ns脉冲表面介质阻挡放电是丝状放电,放电发生在电压脉冲的上升沿阶段;放电电流主要包括两部分脉冲,与放电丝分布的均匀性有着一定的内在关系,外加电压对放电的均匀性以及产生等离子体的长度起作用;电极宽度和间距对放电电流和产生等离子体的发光强度影响不大,电极宽度和间距越小,放电丝分布越均匀,电极宽度存在一个最优值,使得激励器的放电稳定且产生等离子体相对均匀;脉冲重复频率仅对等离子体强度起作用,对放电特性的影响较复杂,不同电极参数下这些影响与放电丝的分布状态有关。     

大气压纳秒脉冲裸电极放电的粒子模拟研究

大气压纳秒脉冲放电由于能量利用率高、可以生成多种活性粒子且容易形成均匀的放电等优势,在等离子体环境、医学等应用方面具有广阔的前景。为此借助于粒子模拟方法,研究了在裸电极条件下,纳秒脉冲放电的演化过程及放电机理。由于电极表面没有覆盖介质,在脉冲电压施加过程中,只能观察到一次放电,放电电流一般在电压下降沿开始时刻附近达到最大值。在电压上升沿及坪区阶段,鞘层电场持续增强,鞘层厚度逐渐变薄,电子能量概率分布函数存在明显的高能尾部,电子与离子数密度可以达到很高的数值;放电的熄灭主要是由于脉冲电压的下降造成的,即使在脉冲电压下降阶段,由于前面阶段放电剧烈鞘层电场非常强,碰撞电离依旧可以持续一定的时间。通过粒子模拟研究脉冲电压驱动的裸电极放电,并与相应的介质阻挡放电比较,有助于深化对纳秒脉冲激励的放电演化过程与内在机理的认识。     

锯齿形等离子体激励器纳秒脉冲放电及红外辐射温度特性

为优化表面介质阻挡放电激励器的布局形式,基于ns脉冲表面介质阻挡放电快速放热诱导压缩波进行流动控制的原理,设计了具有平面和锯齿类型高压电极的激励器。在ns脉冲电压的驱动下,研究了其放电特性和激励器表面红外辐射温度特性,并比较了3种激励器的放电能量、峰值功率、峰值电流、表面红外辐射温度。结果表明:施加同样电压时,高压电极为锯齿形的激励器具有较高的放电电流、瞬时放电功率以及放电能量;3种激励器表面温度最高处均位于高、低压电极之间的介质表面处,且锯齿形激励器表面的局部最高红外辐射温度可达88℃,高于平面形激励器的72℃。从脉冲放电能量和表面红外辐射温度的角度验证了锯齿形激励器在流动控制上具有潜在优势,可供提升流动控制效果和优化激励器参考。     

介质材料对NS-DBD等离子体除冰特性影响的实验研究

为了研究介质材料的种类和厚度对等离子体除冰特性的影响规律,在无来流条件下进行了纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励除冰实验.使用示波器记录激励器放电过程中的电压电流波形,通过相机和红外热像仪分别记录了动态除冰过程与激励器表面温度分布.结果 表明,放电电流峰峰值、放电功率及激励器表面平均温度都与介质层的介电常数呈正相关,与介质层厚度呈负相关.激励器表面达到热平衡后,氧化铝陶瓷(相对介电常数ε=9)激励器表面平均温度比聚四氟乙烯(相对介电常数ε=2.55)高30℃;介质材料相同时,厚度为0.3 mm的激励器表面平均温度比0.8 mm高15℃.因此,选择介电常数大、厚度小的介质材料,有助于提高等离子体激励器的表面温度进而提升除冰能力.最后,对介质阻挡放电等离子体的除冰机理进行了分析,气体快速加热效应在除冰过程中起关键作用.     

高频交流激励表面介质阻挡放电特性及其应用

高频交流电激励表面介质阻挡放电在控制流动分离方面有重要应用,电压幅值与频率是关键的因素。为此,通过改变电压幅值及频率,获得了电流、电压波形,以及放电图像。并将研究表面介质阻挡放电特性激励器应用于S1223翼型,在风洞中进行了流动控制实验。实验表明:随电压幅值的增大,电流幅值及每mm激励器消耗功率增大,放电宽度以及放电亮度增加;频率改变几乎不影响暴露电极向植入电极一侧放电,频率增大却可以降低双侧放电强度;通过在翼型表面布置表面介质阻挡放电激励器,可以达到抑制翼型流动分离,提高翼型升力系数的效果;翼型攻角在0°~4°与10°~25°下等离子体对翼型升力系数均能起到增效作用,而且表面介质阻挡放电对流动分离的控制效果与电压幅值有关,该文实验条件下7 kV时对翼型升力系数的增效最大,可达61.8%。     

纳秒脉冲激励的表面介质阻挡放电中表面电离波传播特性

表面介质阻挡放电(SDBD)激励器在等离子体主动流动控制中应用广泛,其表面电离波(SIW)传播特性是优化激励器控制效果的重要参数之一。该文分别以聚四氟乙烯(PTFE)和环氧树脂(ER)为介质材料,制作了多地电极阵列结构的表面介质阻挡放电激励器,采用纳秒高压脉冲电源作为激励源,对表面介质阻挡放电中的表面电离波传播特性进行了实验研究。实验结果表明,在脉冲电压的上升沿发生了两次击穿,形成放电通道,分别为初级电离波和次级电离波。在电流曲线上表现为有两个峰值,第一个电流峰值指示初级电离波,第二个电流峰值指示次级电离波。对不同位置处的电流曲线进行积分得到其电荷分布与演化,发现靠近高压电极处的电荷消散的较快,远离高压电极处的电荷消散的较慢,且聚四氟乙烯介质在放电后有明显的电荷残余,而环氧树脂介质电荷残余不明显。此外,研究了外加电压幅值和重复频率对SIW传播特性的影响,结果表明,当保持电压幅值不变(14kV),在100～1 000Hz范围内,脉冲重复频率越高,SIW的电流衰减速率越快,而SIW传播速度变化不大。保持重复频率不变(500Hz),在8～17kV范围内,脉冲电压幅值对SIW的电流衰减速率基本没有影响,但是SIW的传播速度随着脉冲电压幅值的增大而增加。该研究结果有助于SDBD激励器的放电参数优化。     

不同气压下纳秒脉冲的放电特性

为了解不同气压下纳秒脉冲放电特性,利用真空舱在不同气压下采用纳秒脉冲电源对表面介质阻挡放电特性进行了实验研究,讨论了气压、电压幅值、重复频率对放电特性的影响。实验结果表明:保持气压2 200 Pa、重复频率1 000 Hz不变,电压为5.9 k V时,电流为单脉冲,随电压增加至8.5 k V时,电流转变为多脉冲形式,且电压越大,脉冲数量、振幅增大;保持气压2 200 Pa、电压6.8 k V不变,随频率增加,丝状放电放电通道数量及放电丝长度逐渐增大,重复频率为1 900 Hz时,明显出现多个丝状放电通道,由电极边缘向周围呈放射状延伸,随频率的增大,放电功率呈增加趋势;保持电压6 k V,重复频率1 000 Hz不变,气压为87 750 Pa时,电流为单脉冲,气压降低至3 650 Pa时,电流转变为多脉冲,气压越低,脉冲个数与振幅越大,随气压降低,放电亮度、放电长度、放电功率增大。     

沿面介质阻挡放电装置静电场影响因素研究

以螺环型沿面放电作为研究对象,利用有限元仿真软件对沿面介质阻挡放电装置进行静电场的仿真分析,研究激励电压、高压电极线径、高压电极间距(螺距)、介质厚度及介质相对介电常数等对沿面介质阻挡放电装置静电场的影响。仿真结果表明:在气隙的同一位置,场强随电压的升高而线性增大,随线径的减小而非线性减小,随介质厚度的增加而非线性减小,随相对介电常数的增大而非线性增大。选取电极线径较小、介质厚度薄、较大相对介电常数的介质,均可以降低放电起始电压。     

电压波形对介质阻挡等离子体放电特性和体积力的影响

驱动电压波形对于介质阻挡放电等离子体激励器的放电状态和激励性能均有影响。基于典型构型的介质阻挡放电等离子体激励器(DBDPA)在静止大气中的放电实验,通过电学测量和电子天平测力,分别获得了不同驱动电压波形下DBDPA的放电电流–电压信号和射流产生的时均反推力等物理量。驱动电压波形主要包括正弦波、方波、对称三角波和正、负斜波。基于伏安特性图分析了放电电流、微放电电流脉冲等特性,基于Lissajous图分析获得了放电功率,初步讨论了沉积电荷对DBDPA起始放电的影响。结果表明:驱动电压波形所决定的电压变化率直接影响激励器的回路电流和等离子体微放电电流脉冲形态。放电中的表面沉积电荷形成虚拟电极,其在裸露电极极性发生反转时加强了电极间的电场,降低了起始放电电压阈值,使得放电得以提前。所有驱动电压波形中,方波驱动电压产生的时均反推力和放电功率均相对较大,正弦波次之,其余波形相对最小。其中,50%占空比方波产生的2个量最大。     

纳秒脉冲介质阻挡放电特性及其聚合物材料表面改性

介绍了大气压空气下纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)的特性及其对聚酰亚胺(PI)材料表面进行的亲水性改善。利用单极性纳秒脉冲激发大气压空气中DBD,通过电气特性测量和发光图像拍摄研究了纳秒脉冲DBD的特性,获得了均匀模式的放电,并分析了气隙距离对放电特性和均匀性的影响。利用大气压下均匀放电改性PI薄膜表面,对改性前后的薄膜表面进行水接触角、表面形态和表面成分分析,并与丝状放电的改性效果进行了比较。结果表明单极性纳秒脉冲DBD电流呈双极性,放电电流、介质电压和瞬时功率等随气隙距离的增大而减小,窄间隙条件下易获得均匀放电。经DBD处理后PI表面粗糙度明显增加,静态水接触角明显减小,亲水性含氧基团被引入,从而改善了薄膜表面亲水性,且均匀放电比丝状放电处理效果更为显著。     

高频高压下介质阻挡放电的实验研究

利用介质阻挡放电实验装置和测量系统研究了不同的介质层厚度、外加电压以及空气间隙距离的等离子体助燃(PAC)激励器放电特性,并在实验数据的基础上,根据介质阻挡放电等效电路对空气间隙上的两端电压、放电电流等参数进行了计算。结果表明,介质层的厚度对放电脉冲的次数的影响很大;随外加电压的增加,脉冲放电增加,放电的起始时刻不断提前;随着空气间隙距离的减小,激励器放电强度明显增强,放电更加均匀。     

对称布局等离子体气动激励器的放电特性与加速效应

等离子体气动激励诱导空气流动特性的测试诊断,是等离子体流动控制的重要基础。为了解等离子体气动激励的电特性,以及激励电压幅值和相位对诱导流动特性的影响,选取对称布局介质阻挡放电激励器进行了实验研究。结果表明：对称布局激励器的放电形式为丝状放电,均匀发生在高压电极周围,与非对称布局激励器的放电图像不同;当激励器相邻高压电极上施加电压的幅值和相位均相同时,诱导的定向射流向上垂直于激励器表面,速度为m/s量级;改变激励器高压电极上施加电压的幅值或相位,可以诱导产生向左上方或右上方的射流,但不能有效增大诱导气流速度。     

纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的仿真计算

为了深入探究纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的演化规律,揭示其作用机理,文中搭建了纳秒脉冲电源作用下非对称结构沿面介质阻挡放电等离子体光电特性实验测量平台,并在此基础上建立了放电集总参数等效电路模型,通过对比实验推理和仿真计算分别得到的放电电流以及电子密度参量,证明了模型的有效性。文中通过该模型计算得到了介质表面电压、气隙电压以及电子温度等等离子体特性参数随时间的变化关系,并进一步研究了电源斜率对大气压沿面介质阻挡放电电流的影响。得到的主要结论为:单极性纳秒脉冲电源作用下,在脉冲上升沿存在二次放电,在下降沿存在反向放电过程,电子温度与电子密度高达8.3 e V和2.7×10~(18)m~(-3),电源斜率对放电有重要的影响,随着电压上升率增加,第1次放电的电流增大。放电时刻提前,但是对应的第2次放电电流略有减小,下降率的增加则对应着第2次放电电流幅值的增加,第1次放电的电流则略有减小,研究结果为深入分析激励器放电特性,提高等离子体发生器效率提供参考。     

电极环参数对环状表面介质阻挡放电特性的影响

表面介质阻挡放电在流动控制、生物医学等诸多领域应用前景广阔。该文基于新型环状表面介质阻挡放电激励器,研究电极环半径和放电方向对放电特性的影响。结果表明,位移电流偏置不随结构参数变化,外向放电的起始电压低于内向放电;内向放电电流脉冲数随半径线性增大,而外向放电时无明显变化;放电平均功率随半径线性增大,但相同参数下外向放电功率高于内向放电;放电为离散通道放电和弥散放电共存的混合模式,但内向放电时以弥散模式为主,外向放电以离散通道模式为主;放电面积随半径线性增大,内向放电存在一个最佳半径,可使放电均匀性和长度都达到最佳,而外向放电的长度随半径减小;内向、外向放电时外电场分布规律的差异与实验现象相吻合。研究结果可为不同应用领域中激励器的结构设计提供理论指导。     

不同类型电源激励下HMDSO添加比例对Ar介质阻挡放电特性的影响

绝缘材料表面湿闪、污闪会对电力系统安全带来隐患.利用低温等离子进行疏水改性,可降低水滴在绝缘材料表面的浸润程度,抑制其吸附污渍、粉尘,进而提高耐湿闪、污闪等沿面耐压能力.为此,可在放电气体中添加疏水反应媒质,在材料表面引入相应疏水性基团,提高其疏水性.该文在Ar大气压介质阻挡放电(DBD)中添加六甲基二硅醚(Hexamethyldisiloxane,HMDSO)作为疏水反应媒质,研究高频、微秒脉冲和纳秒脉冲电源激励下HMDSO添加比例对DBD光学和电气特性影响规律.结果表明,不同电源激励下DBD均呈现丝状放电模式,尤其纳秒脉冲DBD放电区域中出现明亮的放电细丝,添加HMDSO后,DBD均匀性得到改善.高频和微秒脉冲激励下,HMDSO的添加会导致放电电流减小,发射光谱强度降低,放电减弱,而纳秒脉冲激励下放电电流和发射光谱强度先增加后减小,在添加比例为1.5％时,放电电流和发射光谱最大,放电最强.采用等效电路模型计算相应的能量效率,高频DBD能量效率最低,约为20％;纳秒脉冲DBD能量效率最高,约为70％,HMDSO添加对DBD能量效率影响不明显.三种类型电源相比,纳秒脉冲电源激励下放电强度和能量效率最大,在合适的HMDSO添加比例下产生活性粒子的能力更强,可为疏水改性提供更加有利的条件.     

基于Q-V Lissajous图形法的介质阻挡放电试验研究

为了解介质阻挡放电(DBD)在不同激励电压峰值VP-P和介质厚度ld下的放电特性,通过建立介质阻挡放电试验系统,采用Q-V Lissajous图形法研究了激励电压峰值VP-P、介质厚度ld对DBD主要放电参量的影响.研究表明:增大激励电压峰值VP-P、减小介质厚度ld可提高放电功率P、单周期电荷传输量Q、气隙有效电场强度Eg和气隙折合电场强度E/n.固定介质厚度ld,增大激励电压峰值VP-P,介质等效电容Cd增大,气隙等效电容Cg减小,但放电熄灭阶段总电容C变化不明显.固定激励电压峰值VP-P,增大介质厚度ld,放电熄灭阶段总电容C和介质等效电容Cd减小,气隙等效电容Cg增大.