大气压氮气交流滑动弧放电模式及其周期特性研究

滑动弧放电在能源环境及材料处理等领域有着广泛的应用,为指导实际应用中滑动弧电极结构和运行参数优化及应用效果提升,通过电学和光学特性等分析手段,采集并获得不同气体流量、电源调压器电压下氮气滑动弧的放电信号和放电图像,研究不同条件下交流滑动弧放电的放电模式、伏安特性、光谱特性及电弧运动特性。研究结果表明:交流滑动弧在整个放电过程中存在稳定滑动和击穿伴随滑动两种模式,两者的电信号特征和电弧运动特征存在显著差异,通过减少气体流量或增加输入电压均会使电弧的放电模式向着稳定滑动模式转变。稳定滑动模式下的平均放电功率和滑动周期都高于击穿伴随滑动模式,且在稳定滑动模式下能产生较大的电弧弧长和弧高;交流滑动弧的发射光谱强度也和滑动弧放电模式直接相关,稳定滑动模式下的光谱强度高于击穿伴随滑动模式的光谱强度,有利于促进化学反应的进行。因此,在交流滑动弧放电实际应用中,可在较低的气体流量和较高的调压器输入电压下运行(该文在3L×min~(-1)和120V),来获得稳定性高、活性强的等离子体,以达到提升应用效果的目的。     

环境压力对滑动弧放电等离子体助燃激励器特性的影响研究

在航空发动机上运用等离子体助燃技术能够有效减少燃烧化学反应所需的活化能,提高燃烧效率。为了将该项技术真正应用到航空发动机燃烧室,搭建了三维旋转滑动弧放电等离子体助燃激励器放电特性的实验平台,采用实验与理论分析相结合的方法,探索环境压力对三维旋转滑动弧放电等离子体助燃激励器特性的影响。结果表明,在三维旋转滑动弧放电过程中,电弧在击穿伴随滑动模式(B-GI)和稳定电弧滑动模式(A-G)之间还存在一种过渡模式(B-GII),同时具有以上两种模式特征。环境压力对电弧滑动模式影响显著,当压力小于1 bar(1 bar=0.1 MPa)时,电弧滑动模式随气压升高逐渐从B-GI模式发展为A-G模式。与此同时,随着环境压力的增大,电弧击穿电压和峰—峰值电压也随之增大,但由于放电过程中的电弧滑动模式转换,击穿电压在0.5～0.7 bar范围附近会有小幅度的减小。     

AC激励下的针-水电极等离子体特性

为研究AC激励产生的等离子体的物理特性,通过电压电流波形测量和高速摄影仪拍摄对AC激励产生针-水电极等离子体的电特性和放电现象进行了研究,并通过比色分析法对生理盐水中生成的H2O2浓度进行了测量。研究表明:20kHz激励下的针-水电极的放电过程存在脉冲模式和连续模式2种工作模式。在脉冲工作模式下,当电极两端电压极性发生改变时,等离子体熄灭,每1个电压周期都需要较大的电压来击穿气体间隙,但此击穿电压比初始击穿电压低许多倍。在连续工作模式下,等离子体放电强度变强,且持续存在于放电间隙。针-水电极放电产生的等离子体可以在生理盐水中有效地生成H2O2,且在脉冲工作模式下生成H2O2的效率更高。然而,由于Fenton反应的影响,AC激励针-水电极放电等离子体对生理盐水的处理时间应≤50s。     

大气压交流旋转滑动弧的放电特性

为研究气体流量和施加电压对旋转滑动弧放电的电信号与电弧运动规律的影响,采用3种不同几何结构的电极分别进行了大气压交流旋转滑动弧放电实验,并记录了其电信号和放电图像。结果表明:滑动弧放电过程中存在2种滑动放电模式,即稳定滑动放电(A-G)和伴随击穿滑动放电(B-G),2者在电信号特征和电弧运动形态上存在明显不同,并受气体体积流量、施加电压等因素的影响;流场环境和施加的电压对电弧形态及发展过程影响显著,随着气体体积流量的增大,滑动弧放电由A-G模式向B-G模式发展;对于E-1型电极,当气体体积流量较大时(77 L/min),电弧滑动周期较小(9 ms),且出口截面电弧旋转速度较大(11 m/s);随着施加电压幅值的增大,电弧滑动放电模式由B-G模式向A-G模式发展,且出口截面电弧旋转速度增大。实验结果对于揭示大气压交流滑动弧放电机理具有参考价值。     

大气压微等离子体放电特性研究

通过减小电极孔径到微米量级来实现高气压甚至大气压放电的现象已成为研究热点。笔者利用不锈钢空心针作为放电阴极,不锈钢网作阳极,进行了大气压微等离子体放电实验研究。实验测量了大气压微放电的伏安特性曲线。实验发现,大气压直流微放电存在不同的放电模式:空心阴极放电和反常辉光放电,随着电流的增加,放电越来越强烈。实验研究了放电电压随压强和气体流量的变化关系。结果显示,随着体系压强的增加,电离过程增多,放电电压逐渐降低。随着流量的增加,气体流动状态由层流状态逐渐过渡到紊流状态,引起放电电压先降低后增加。     

交流旋转滑动弧的放电特性

为研究交流旋转滑动弧的滑动模式、伏安特性和发光强度,对大气压交流驱动下的旋转滑动弧放电进行了电信号测量与图像采集。研究结果表明:旋转滑动弧在整个放电的过程中存在两种滑动模式,分别为击穿伴随滑动(B-G)模式和稳定滑动(A-G)模式,B-G模式的电流峰值在1～40 A之间变化,为安培量级,A-G模式的电流峰值在-900～900 mA之间变化,为毫安量级,并且电弧的滑动模式受电压与气流量的影响;交流旋转滑动弧放电过程中电弧从产生到熄灭满足交流电弧零休、燃弧、熄弧的整个物理过程,采用分段拟合的数学方法对伏安特性曲线进行描述,发现在放电的正半周期,电弧的零休阶段U与I满足阶跃函数特征;电弧稳定燃烧阶段中,电弧电流增加的过程U与I满足反比例函数特征;电弧电流减小的过程U与I满足一次函数特征。放电的负半周期U与I满足的数学函数特征与正半周期类似,但伏安特性曲线关于原点并不对称;电弧发光强度分布不均匀,最强的区域始终位于阴极电弧根部。     

空气等离子体射流动态过程分析

等离子体射流可有效提高点火效率,为探究等离子体射流动态特性,建立了实验测量系统,利用高速CCD相机记录等离子体点火射流发展过程,分析了等离子体射流击穿过程和稳定工作过程特性。实验结果表明:设计的等离子体点火器电弧击穿时间为65 ns,击穿电压为9.2 k V,射流形成时间约为1.62 ms;大尺度分流周期约为1.1~1.8 ms,小尺度分流周期约为0.1~0.16 ms;电极温度的均匀度、高速旋流气体对电弧发展以及射流形成过程中的强烈脉动有不同程度的影响;射流核不存在稳定区域。     

新型滑动弧放电等离子体的特性

目前研究人员对滑动弧放电的应用和纯气流推动的滑动弧放电等离子体的理论分析及计算方面研究较多,而对气液滑动弧放电的理论分析及计算方面则研究甚少。为此,对新型气液滑动弧放电进行了电信号测量和图像测量。在半个周期10ms内,电弧电压随时间呈锯齿状变化;高速摄影照片观察发现单个电弧由电弧核心区和外延电晕区组成,电弧核心区直径2.5mm。根据电参数、图像分析结果及Elenbass-Heller方程,建立了交流等离子体通道理论模型,通过该模型可求出气液等离子体电弧的电场强度、电子密度和沿轴线的温度等参数。     

大气压交流滑动弧的放电特性

为研究不同射流体积流量和放电电压下滑动弧放电的电信号特征和电弧运动规律,对3种不同几何结构的电极进行了大气压交流滑动弧放电的电信号测量和图像拍摄。结果表明:滑动弧放电过程中存在两种滑动模式,即稳定电弧滑动(A-G)和击穿伴随滑动(B-G);两者在电信号特征和电弧运动形态上存在明显不同,并受来流体积流量、放电电压、电极结构的影响;流场环境对电弧的形态及发展过程影响显著,随着射流体积流量的减小,滑动弧放电向A-G模式发展,体积流量越小,电弧滑动范围越大,周期也越大;对A型电极,当体积流量小于33.3 L/min后,A-G模式放电占比超过66%。     

大气压He中2维射流阵列放电特性的影响因素

为获得大气压大面积射流低温等离子体,在大气压He中产生稳定的2维射流阵列放电,并通过发光图像、电压电流波形、Lissajous图研究其发光特性和电气特性。在此基础上,研究了电极结构、电压幅值、气体体积流量对2维射流阵列放电特性和均匀性以及射流长度、放电功率和传输电荷等关键放电参数的影响。结果表明:针–环和针–环–板结构的射流阵列在一定条件下都能产生均匀、稳定的等离子体射流阵列。电压幅值的增加对放电均匀性影响不大,但能有效提高射流阵列的放电功率和射流长度,从而提高射流阵列放电强度;气体体积流量对放电强度影响较小,但对放电均匀性影响较大,因此增大气体体积流量可以提高放电均匀性;电极结构对放电功率和传输电荷影响较少,在电压幅值、气体体积流量较小的情况下,板电极的引入有助于获得更长的射流。     

二维交流滑动弧放电物理参数分析

笔者对刀片式交流滑动弧放电过程进行了系统的分析,考察了进气流量、电极间距等因素对放电电压、电流、放电功率、对流换热等物理参数的影响.实验结果表明:当流量较低,如0.9 L/min时,放电电压随着弧长增加呈现二次曲线增长;当流量提高,超过10 L/min时,放电电压在电弧较短区域变得紊乱.放电功率随着气流量的增加.先线性...     

气液滑动弧放电降解4-氯酚溶液的研究

用10kV高压产生直接与废水接触的气液滑动弧放电非平衡等离子体降解水中4-氯酚。实验研究表明:由于液滴的存在改变了电极间的介电常数和局部电场,气液滑动弧放电的电压波形比纯气流滑动弧放电更加不规则,起弧电压更低:从溶液COD降解效果来看,当不锈钢作为电极材料时, 4-氯酚降解效果比铝和铜电极材料好;当空气作为载气时,经过76min的等离子体处理,溶液的COD值由1679.2mg／L降到190mg／L,相当于COD降解率为88．68％;增大气液混合比能够提高4-氯酚的降解效果;同时检测了H2O2和O3的生成量和溶液pH、电导率的变化。     

滑动弧等离子体技术用于环境治理领域的研究进展

叙述了滑动弧放电的产生方法、物理属性和基本原理，以及滑动弧反应器结构及反应器在废气和废水处理等环境污染治理工程中的应用情况。利用自制的气液两相流滑动弧放电等离子体降解机理实验装置，对制药废水和DSD酸的浓缩废液进行了初步处理试验，结果表明，高浓度有机废水通过主处理器后，CODCr、BOD5、NH3—N等去除率均可达99％以上，具有良好的应用前景。     

大气压空气中同轴介质阻挡放电微放电特性

为了更好的利用和研究介质阻挡放电技术,探讨了研究较少的同轴介质阻挡等离子体反应器的放电特性。因该类反应器2个介质阻挡层结构不一致,导致微放电行为在高频高压电源的正弦波电压的正、负半周内特点不同。研究从其放电的等效电路模型,流注放电击穿机理,以及在大气压空气中的放电实验等方面进行。结果表明,大气压下放电间隙8mm反应器时,放电电流波形在外加电源电压的正负半周期内不对称;分别呈现出明显的“似辉光放电”和“丝状放电”特点,单个微放电电流脉冲宽度约50ns,与外加电源电压极性和频率无关。     

NaOH气液两相滑动弧放电处理含硫废气的研究

为了提高气液两相滑动弧放电对火电厂废气的处理效率,将传统的纯水液相替换成NaOH溶液。通过观测放电过程中的电压-电流波形和发射光谱,研究加入NaOH对滑动弧放电的电气特性和光学特性的影响。选取SO_2作为待处理废气,对比分析NaOH溶液、纯水液相下SO_2的去除率以及产物浓度随处理时间、气体流速的变化情况,以及NaOH溶液浓度对SO_2去除结果的影响。实验结果表明,相同条件下,NaOH溶液代替纯水液相增强了气液两相放电强度,电离出更为大量的OH自由基;同时,NaOH的加入使SO_2的去除率提高了5%~7%,产物中的SO3含量较纯水液相时降低了50%左右。     

正弦激励的大气压空气放电过程和作用机制

为了从机理上研究大气压介质阻挡表面放电,采用数值方法模拟了正弦激励下的放电过程,得到了随时间变化的电子浓度、离子浓度、电场、电极电流以及体积力,分析了放电电流特征,发现等离子体放电起动时的伪辉光-辉光-丝状放电模式转换过程,电子雪崩不对称-电场不对称-体积力不对称是正弦激励产生单向体积力的机理,"推-拉"机制为等离子体流动控制的作用机制,而负半周期诱导速度更大的原因在于粒子惯性延迟。最后,提出了一个初步的电势优化波形。     

沿面/体介质阻挡放电装置的放电及臭氧生成特性

相对于体介质阻挡放电(VDBD),沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体可以更高效地生成反应活性物质,在气体处理方面显示了较高的效率。但沿面放电仅沿介质表面发展,限制了放电等离子体装置处理气体的能力。文中设计了一种新型的沿面/体复合DBD装置,通过在垂直于沿面放电高压电极的上部增加体放电电极,用于扩展等离子体的空间分布并提高活性物质的产量,研究了电极构型、放电气隙、放电电压及气体体积流量等对装置的放电特性及臭氧生成的影响。在空气间隙为4.5mm,外加电压幅值为16kV时,SDBD放电功率为11.2W,VDBD放电功率为4.6 W,复合装置的放电功率为19.7 W;分别测量复合装置中的沿面放电和体放电功率发现,复合装置的沿面放电功较单一沿面放电装置的放电功率提高了1.1倍,而复合装置的体放电功率较单一体放电功率提高了1.9倍。臭氧测试结果表明,复合装置生成的臭氧质量浓度可达3.0 mg/L,分别是SDBD和VDBD的3.8倍和5.0倍。     

He二维射流阵列放电模式转换条件实验

为获得高强度和大面积大气压下等离子体射流,利用类蜂巢状电极结构,在大气压He中获得了两种不同模式的二维射流阵列放电,比较了它们的放电特性,并研究了气流速度、射流单元之间距离和外加电压幅值等参数对射流阵列模式转换的影响。结果表明,He中射流阵列在一定条件下会出现具有较高放电强度的强耦合模式和具有较大放电面积的均匀模式两种放电模式,相同的外加电压幅值下,强耦合模式阵列的放电功率、传输电荷和主要粒子谱线强度均高于均匀模式。射流单元之间距离和气体流速是影响射流阵列模式转换的主要决定因素,外加电压的变化只会影响到放电强度而不会影响到射流阵列的放电模式。射流单元之间距离为0.2mm,流速小于5L/min时,放电模式为强耦合模式;流速大于5L/min放电转换到均匀模式;当射流单元之间的距离超过0.4mm时,放电只出现均匀模式。     

压缩气流灭弧条件下配网线路雷击跳闸率计算

压缩气流灭弧防雷间隙是一种冲击电弧诱导型灭弧防雷装置,它通过灭弧管道的特殊排列结构使得冲击电弧能够被优先吸引进入在压缩管道内并形成压力梯度产生自膨胀气流,在各个相邻灭弧管道拐点处粉碎性截断电弧直至电弧熄灭。为了计算在安装压缩气流灭弧防雷间隙后的雷击跳闸率,文中根据并联间隙与绝缘子串的放电电压分布特性得出了灭弧防雷装置的有效保护系数,通过数理统计的方法处理了试验数据,得出了安装压缩气流灭弧防雷间隙后配网线路上的建弧率,同时建立了压缩气流灭弧防雷间隙下的雷击跳闸计算模型。通过算例计算了某线路在安装灭弧装置前后的雷击跳闸率,通过数据分析可知安装压缩气流灭弧防雷间隙后有效降低了雷击跳闸率。