介质阻挡放电的放电过程仿真研究

为深入地理解介质阻挡放电(DBD)的放电机理和实现DBD等离子体的大规模工业应用,采用基于连续性方程和泊松方程的DBD模型仿真研究了大气压空气中DBD的放电过程,计算得到放电空间的电子密度、电场强度和电压电流随时间变化的规律,讨论了阻挡介质在DBD放电不同阶段的作用。仿真结果表明,DBD的微放电过程可分为电子崩、流注和放电熄灭3个连续的阶段。在电子崩和流注阶段间,阻挡介质主要起到加速流注形成的作用;而在放电熄灭阶段,阻挡介质主要起到限制放电电流的自由增长,从而阻止放电发展到电弧的作用。     

不同电极结构介质阻挡放电的特性分析

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)由大量微放电构成,不同的电极结构会直接影响放电模式及微放电通道的发展,根据DBD电极结构的不同,DBD可分为体相放电和表相放电。研究了大气压下同轴管-管型、同轴线-管型及微腔型三种结构DBD的放电特性,根据电压、电流波形图对比分析了放电过程,并从放电机理的角度对实验结果进行了分析,结果表明微腔型DBD较为稳定,且放电所需要施加的外加电压也较低。     

高压纳秒脉冲下介质阻挡放电的仿真研究

为研究ns脉冲高电压条件下介质阻挡放电的特性,在实验测量正极性ns脉冲介质阻挡放电电压、放电电流的基础上,根据脉冲介质阻挡放电等效电路对空气间隙上的气隙电压、放电电流及功率等参数进行了计算。计算结果表明,气隙电压、电流均为双极性脉冲且放电瞬时功率呈现双峰,分析认为此双极性脉冲是由介质层累积电荷所致;阻挡介质材料、厚度和施加电压频率不同,正极性ns脉冲介质阻挡放电结果也不同;施加电压类型对介质阻挡放电影响很大,相比交流、单极性μs脉冲和单极性亚μs脉冲的介质阻挡放电,正极性ns脉冲介质阻挡放电的放电电流大很多。     

5kHz交流电压下电极覆盖窄空气隙放电非线性动力学行为

为了研究电极覆盖下窄空气隙放电非线性动力学特性,以空气介质作为研究对象,建立一维自洽流体力学的气体放电模型,其中包括电子和离子的连续性方程和动量方程,且耦合了泊松方程,研究了窄间隙空气放电过程及其动力学特性。通过求解气隙放电的非线性方程组,获得了频率5k Hz正弦电压下电极覆盖窄空气隙放电非线性动力学行为的时空演化过程,并以二维和三维相图展现了内部放电参量的关系,同时给出了空气间隙电场、电子密度和离子密度的时空分布规律。分析结果表明,当空气隙中电场超过其击穿阈值时,形成放电电流脉冲;随着外加电压幅值的增加,放电电流的幅值和放电电流脉冲数目也明显增加;窄空气隙放电表现出明显的非线性动力学行为特征,介质表面积聚的异性电荷产生反向电场是形成多脉冲放电流脉并触发混沌现象的根本原因所在。     

介质阻挡放电和介质阻挡电晕放电的特性比较

研究了平板-平板电极和线-管电极两种电极结构的放电特性,通过测量电压-电流波形图及放电发光图比较了它们的区别,并从放电机理角度对试验结果做出了解释。结果表明,平板-平板电极介质阻挡放电表现为微放电脉冲形式,而线-管电极结构介质阻挡电晕放电由于线电极的电晕效应,使得放电更为稳定。     

介质阻挡放电和介质阻挡电晕放电的特性比较

研究了平板-平板电极和线-管电极两种电极结构的放电特性,通过测量电压-电流波形图及放电发光图比较了它们的区别,并从放电机理角度对试验结果做出了解释。结果表明,平板-平板电极介质阻挡放电表现为微放电脉冲形式,而线-管电极结构介质阻挡电晕放电由于线电极的电晕效应,使得放电更为稳定。     

不同介质条件下大气压脉冲放电特性的数值仿真研究

大气压脉冲介质阻挡放电由于其独特的放电特性引起了人们极大的关注。为了深入理解外加放电参数对脉冲放电特性的影响,通过理论分析与数值模拟的方法,基于大气压等离子体的一维流体描述,定性研究了在给定电压波形的情况下介质类型、介质厚度、气体间隙、放电频率对大气压脉冲介质阻挡放电特性的影响,并与相关的实验结果进行了对比。仿真结果表明:在其他参数不变的情况下,随着介电常数的增加,放电电流与最大气体电压均变大,同时输入能量增加并可以输送更多的电荷;随着介质厚度的增加,放电电流幅值降低,同时脉宽变窄,输运的电荷量降低;随着气隙距离的增大,放电电流密度逐渐下降,击穿时刻出现延迟;随着频率的增加,放电电流降低,同时需要输入能量增加。本文的研究将对大气压脉冲放电应用中放电参数的选择提供一定的理论依据。     

介质阻挡放电忆阻特性分析

为了研究介质阻挡放电放电间隙的伏安特性,搭建同轴介质下介质阻挡放电的电路模型,研究其放电过程中的电压和电流关系从而得到其伏安特性曲线,对放电过程中的气体电压、放电电流和电荷变化进行分析。搭建忆阻器Matlab仿真模型,仿真得到忆阻器的伏安特性曲线,对忆阻器电气特性进行分析。通过分析比较发现介质阻挡放电过程中具有忆阻特性。     

常压介质阻挡放电平均放电电流的实验研究

为了优化介质阻挡放电(DBD)发生器设计,提高放电效率,实验研究了介质阻挡放电装置的平均放电电流特性,包括用Q-U李萨如图形测量法研究了激励电源特性和发生器结构参数对平均放电电流的影响。实验结果表明:采用高频电源、薄介质和小放电间隙可得到均匀放电;在DBD发生器结构和工作气体属性固定的情况下,提高激励电压幅值和激励频率可增大平均放电电流、提高放电强度;采用薄介质和减小放电气隙宽度都可提高放电强度,得到较大的平均放电电流。因此可以通过改变激励电源参数和放电装置结构有效地调节放电电流。     

用于材料表面处理的空气中的均匀介质阻挡放电

为解决针对大气压下气体中尤其是空气中的介质阻挡放电为大量的细丝状放电组成造成的一些材料表面处理效果不均匀甚至在表面形成烧灼的小洞的问题,以及用介质阻挡放电的形式实现大气压下空气中的辉光放电非常困难,大大地限制了这种方法在工业领域的应用的状况,提出了一种能获得均匀介质阻挡放电的新方法。这种均匀放电的特性介于丝状放电和辉光放电之间,可用于织物和无纺布的表面处理,有效改善其可湿性。虽然其电特性与平行平板介质阻挡放电相似,但放电更加柔和,不会对试样造成破坏。它采用圆柱—平板电极结构,其中高压电极为内填金属粉末的介质管,接地电极为介质平板。与平行平板介质阻挡放电或金属圆柱—平板介质阻挡放电相比,这种结构放电的电流和温度分布都更为均匀。实验证明,这种放电可改善无纺布的可湿性而不会造成任何破坏,是一种很好的可用于对织物和无纺布进行表面处理的方法。     

微腔介质阻挡放电忆阻特性分析

为了研究微腔结构介质阻挡放电的非线性电阻特性,搭建微腔结构介质阻挡放电的仿真模型,研究其放电过程中的电压和电流关系从而得到其伏安特性曲线.根据忆阻器数学模型及忆阻器物理模型,建立忆阻器的MATLAB仿真平台.应用阻变机理对忆阻器的伏安特性进行分析并与介质阻挡放电的伏安特性进行比较,发现微腔介质阻挡放电过程中的伏安特性与忆阻器的忆阻特性相似.从电荷转移角度进一步分析微腔介质阻挡放电过程中的忆阻特性.     

同轴圆柱结构DBD装置放电功率的模拟计算及实验研究

分析了介质阻挡放电的宏观工作机理,推导了介质阻挡放电功率的计算公式,在电场及等效电容分析的基础上,建立了同轴圆柱结构介质阻挡放电装置放电功率的数学模型。依据该模型对介质阻挡放电功率随输入电压的变化规律进行了模拟计算,并对具体算例进行了实验对比研究,研究结果验证了文中所建立模型的精确性和有效性,为介质阻挡放电类型的低温等离子体反应器的设计提供了理论依据。     

基于同轴直管和倒置锥形管的氩大气压等离子体射流放电形态的实验和仿真

为了研究同轴直管和倒置锥形管对氩气大气压等离子体射流(APPJ)放电形态的影响,首先进行实验,并通过建立二维轴对称模型,耦合求解连续性方程、Navier-Stokes方程、k-ε湍流方程和粒子质量输运方程,数值仿真两种管体中的氩气流的摩尔分数分布。相关结果表明,层流状态下,直管中的放电沿着管壁发展且不稳定;倒置锥形管中放电稳定,且集中在管体轴部。在层流状态下,与传统的同轴直管相比,采用锥管能够改善氩气流场分布,管体内存在较低氩气摩尔分数形成的薄层,阻碍了沿面放电的发生,保证了放电的稳定性。而湍流状态下,由于径向扩散效应,两管体中氩气摩尔分数分布差异变小,等离子体放电的形态差异不大。     

利用液体阻挡介质产生空气中均匀介质阻挡放电的研究

研究了外加电压幅值对均匀介质阻挡放电(DBD)特性的影响,并结合不同外加电压幅值下的发光图像,分析了DBD放电特性的变化情况.利用测量得到的李萨育图形计算得到放电功率P和传输电荷Q,并进一步研究了外加电压幅值和电源频率对P和Q的影响.研究结果表明,采用硅油作为液体阻挡介质的锥-平板电极结构DBD能够在大气压空气中产生均匀放电,P和Q随外加电压幅值和电源频率的增加而非线性增加.     

单介质与双介质结构介质阻挡放电水处理性能的比较

为研究不同结构介质阻挡放电(DBD)在水处理中的特性,首先搭建了可实现单介质阻挡放电和双介质阻挡放电的实验平台。实验结果表明,相同实验条件下若要得到相似的放电功率,则双介质阻挡放电所需的电压远高于单介质阻挡放电;2种结构下所得的放电电压电流波形以及Lissajous图的形状均有一定的相似性,但等效电容等参数的不同使它们也存在一定的差别。然后在2种结构下以相近的放电功率,对质量浓度为100mg/L的碱性品红溶液进行了处理。通过对各自脱色率的对比分析发现,介质层数对脱色效果影响不大;通过对2种情况下的pH值和化学需氧量(COD)的对比分析说明,2种结构下发生的化学反应也是相似的,并且最终都达到了去除有机污染物的目的。通过对不同结构介质阻挡放电在水处理中的特性的实验研究和优劣分析,完善了介质阻挡放电处理污水的相关理论,可以为设计、优化介质阻挡放电水处理装置提供参考。     

Ozone production using pulsed dielectric barrier discharge inoxygen

The production of ozone was investigated using a dielectric barrier discharge in oxygen, and employing short-duration pulsed power. The dependence of the ozone concentration (parts per million, ppm) and ozone production yield (g(O₃)/kWh) on the peak pulsed voltage (17.5 to 57.9 kV) and the pulse repetition rate (25 to 400 pulses/s, pps) were investigated. In the present study, the following parameters were kept constant: a pressure of 1.01×10⁵ Pa, a temperature of 26±4°C a gas flow rate of 3.0 1/min and a gaseous gap length of 11 mm. A concentric coaxial cylindrical reactor was used. A spiral copper wire (1 mm in diameter) was wound on a polyvinylchloride (PVC) cylindrical configuration (26 mm in diameter) and placed centrally in a concentric coaxial electrode system with 4 mm thick PVC dielectric layer adjacent to a copper outer electrode of 58 mm in internal diameter. HV and current pulses were provided by a magnetic pulse compressor power source     

大气压氦气介质阻挡辉光放电的数值仿真计算

通过精心选择一维模拟计算所需要的各个参数,使用有限差分法数值求解了大气压氦气介质阻挡辉光放电数学模型中的离子连续方程、电子连续方程、泊松方程以及相关的辅助方程,得到了与实验吻合度很好的仿真波形。在此基础上计算了电场、离子密度、电子密度等放电空间内部参量随时空的演化图,这些参量对定量分析大气压氦气辉光的放电机理有重要作用。从理论上对所得到的计算结果做出了解释,并使用仿真结果很好地解释了实验所拍摄到的放电图像。     

基于ZVS双管自激电路的等离子体电源设计

目前,等离子体激励电源通常以工频交流电作为供电输入,并且体积较大,与便携式等离子体发生装置不匹配,限制了等离子体技术的应用与推广。以此为研究背景,开展了便携式介质阻挡放电电源的设计与研究。该电源重量为200 g,体积为102 mm×57 mm×30 mm。电源主电路采用ZVS双管自激电路。通过电路仿真软件辅助设计主电路,并进行了实验测试。结果表明,当电源输入电压为3 ~12 V时,输出电压可达2 ~ 5 kV、输出频率可在20 ~ 30 kHz范围内变化,最大输出功率为60 W,功率重量比为300 W/kg,高于目前商品化高频高压等离子体电源。采用设计的电源能够成功激发沿面型介质阻挡放电（SDBD）等离子体发生器和悬浮电极介质阻挡放电（FE-DBD）柔性等离子体发生器产生冷等离子体,并对相关特性进行了实验研究,满足了大气压开放条件下空气介质阻挡放电工作电压2 ~ 20 kV、工作频率50 Hz ~ 1 MHz的要求,为介质阻挡放电电源的便携性提供了良好的技术支撑。