不同电极结构下介质阻挡放电的特性研究

研究了平板-平板电极、多针-平板电极和筛网电极3种电极结构DBD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实验结果作了解释。结果表明:平板-平板电极DBD表现为稳定的细丝状放电。而多针-平板电极DBD融合针尖的电晕效应,使得放电空间中呈现扩散圆锥形放电。筛网电极DBD可以实现大气压辉光放电(APGD),放电更加均匀,放电空间内看不到放电细丝的存在。     

不同电极结构气液两相介质阻挡放电特性比较

文中以水作为工作溶液,空气作为工作气体,采用电压—电流波形测量、发光图像拍摄、发射光谱分析等手段诊断了网—板电极、管—板电极和刃—板电极结构气液两相介质阻挡放电(DBD)的放电特性,研究了外加电压幅值对这3种电极结构放电产生影响,进一步计算得到了放电功率、传输电荷、分子振动温度和分子转动温度等主要放电参量,研究了他们随外加电压变化的变化规律,并结合放电理论对不同电极结构下气液两相DBD的放电机制进行分析。结果表明,相同条件下网—板电极结构气液两相DBD放电最强,放电功率与传输电荷最大,放电电流可达140 m A。电极布置差异导致电场不均匀系数的不同是放电特性出现差异的主要原因。随着电压幅值的增加,3种电极结构放电增强,放电功率和分子振动温度增加,电子密度也增加。     

不同电极结构介质阻挡放电特性比较

采用电压-电流波形测量、发光图像拍摄、光谱分析等手段研究大气压空气中刃-板电极、针-板电极和柱-板电极结构介质阻挡放电(DBD)的放电特性,并研究电压幅值、电源频率及气隙距离对放电功率和分子振动温度等放电参量的影响,结合放电理论对不同电极结构DBD的特性进行分析。结果表明：3种电极结构DBD的电压电流波形、Lissajous图形以及光谱谱线体现出不同的特点,相同条件下柱-板电极结构DBD放电强烈,消耗放电功率多,粒子谱线强度高,放电电流可达200 mA。电极布置差异导致电场不均匀系数的不同是放电特性出现差异的主要原因。随着电压幅值、电源频率的增加和气隙距离的减小,3种电极结构放电增强,放电功率和分子振动温度增加。     

管-管和管-板电极介质阻挡放电特性研究

电极结构对介质阻挡放电(DBD)的放电特性有重要影响,研究和比较不同电极结构DBD的放电特性,对优化DBD反应器结构和提高放电效率具有重要意义。笔者实验研究和比较了大气压空气中管-管电极和管-板电极DBD的放电特性,比较了它们电压电流波形图、李萨育图形以及发光图像的区别,研究了不同电压幅值下放电参量的变化,并从放电机理上对实验结果给出合理解释。结果表明:管-板电极DBD的电气特性和发光特性与管-板电极DBD有明显的区别,相对于管-管电极DBD,管-板电极DBD的放电更稳定,放电细丝分布更均匀;随着外加电压幅值的增加,两种电极结构DBD的放电持续时间、电流幅值、放电功率和传输电荷量都增加,在相同外加电压幅值下,管-板电极DBD的各参量均大于管-管电极DBD。     

不同电源激励下多针-平板介质阻挡放电特性比较

利用多针-平板电极在大气压空气中产生介质阻挡放电(DBD)等离子体,通过实验研究比较了μs脉冲和高频电源激励下的放电特性。测量了放电的电压电流波形图等电气特性,同时获得了放电发光图像及光谱特性等光学特性。计算得到放电功率、传输电荷、振动温度和电子密度等主要放电参量,研究了不同电压幅值下这些放电参量的变化规律,并结合放电机理对实验结果进行分析。结果表明:μs脉冲DBD比高频DBD更强烈,脉冲电压幅值的上升速率快,迅速在放电空间产生很高的过电压,加上脉冲放电过程中两次放电的相互影响,有效降低了放电空间的场强,因而脉冲DBD具有更好的放电均匀性和更高的放电效率。     

多脉冲均匀介质阻挡放电特性的仿真及实验研究

为了简化实验,优化反应器设计,扩大均匀介质阻挡放电的应用范围,基于用电压控制电流源(VCCS)模拟均匀放电过程的介质阻挡放电(DBD)等效电路模型,利用Simulink建立了大气压多脉冲均匀DBD的动态仿真模型。模型中采用适于表征均匀DBD的VCCS激励信号,建立了开关控制模块再来对VCCS进行控制,从而实现对放电电流脉冲个数的调节。利用所建模型对大气压氖气中平板电极结构DBD的电气特性进行了仿真,得到了不同条件下多脉冲均匀DBD的电压电流波形以及Lissajous图形。同时,建立了大气压氖气中DBD实验装置并对不同电压幅值下的放电特性进行了实验研究,还将仿真与实验所得到的结果进行了比较。结果表明,利用所建模型仿真得到的电压电流图形和Lissajous图均与实验测量结果相符合,验证了仿真模型的正确性。利用仿真模型进一步计算得到了实际实验过程中无法直接测量获得的放电参量,如气隙电压、介质电压、放电电流、放电功率、传输电荷等。由仿真得到的伏安特性曲线可知,氖气中多脉冲放电除第1次脉冲放电为Townsend放电转化为辉光放电,其余脉冲放电皆为辉光放电。     

大气中电极结构对介质阻挡放电的影响

笔者研究了平行平板电极、柱-板电极、斜板-平板电极三种电极结构DBD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他们的区别,并从放电机理角度对实验结果进行了讨论。结果发现:柱-板电极DBD中,随柱电极外径的增大,正负半周起始放电电压增大。     

多针-平板电极介质阻挡放电的特性及影响因素研究

通过电压-电流波形图和电压-电荷李萨育图形的测量，研究了空气中多针-平板电极介质阻挡放电特性，比较了这种放电和平板-平板电极介质阻挡放电的区别。通过实验研究了放电间隙距离、多针电极针的密度、阻挡介质材料性质对多针-平板电极介质阻挡放电放电功率的影响。实验结果表明，在相同的条件下，与平板-平板电极介质阻挡放电相比，多针-平板电极介质阻挡放电消耗较大的放电功率；放电空间消耗的功率随外加电压和介电常数的增加而增加，随气隙距离的增加而减小。     

多针–平板电极气液两相介质阻挡的放电特性

为深入理解气液两相介质阻挡放电的机理和特征,利用多针–平板电极结构,测量了气液两相DBD的电学和光学放电特性,研究了放电电气参量及放电空间主要粒子强度随外加电压的变化趋势,并根据实验结果建立了放电的等效电路模型,利用其结合放电机理对所得到的结果进行了分析和讨论。结果表明:气液两相DBD的放电与纯气相DBD放电相类似,但还要考虑液体阻抗对放电的影响,其放电电流为阻容性,超前电压的角度90°。气相放电中产生了大量的N2、O和OH等活性粒子,放电功率、传输电荷和电子密度等主要放电参量均随外加电压的增加而增大,而气隙电容随外加电压增加而减小,外加电压20.5 k V时,它们的值分别为78 W、1 060 n C、1.87×1011 cm-3和8.07 p F,气相放电可用电压控制电流源(VCCS)、电阻和可变电容来等效,而液体可用可变电阻等效,计算得到放电前其值为825?。     

多针-平板电极介质阻挡放电特性研究

通过电压-电流波形和电压-电荷李萨育图的测量,研究了空气中多针-平板电极介质阻挡放电特性,比较了这种放电和平板-平板电极介质阻挡放电的区别,并通过接触角测量比较了这两种形式放电对聚四氟乙烯(PTFE)进行表面改性的效果。结果表明:在相同的条件下,与平板-平板电极介质阻挡放电相比,多针-平板电极介质阻挡放电空间能产生更多的活性粒子;用这种放电对PTFE进行表面改性,能在更短的时间内获得和平板-平板电极介质阻挡放电相同的效果。     

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.     

电极结构对介质阻挡放电参数的影响研究

为了优化介质阻挡放电(DBD)反应器设计,提高放电效率,提出一种针阵列芒刺状棒电极结构。利用电压-电荷Lissajous图形法,研究了光滑铜棒、螺纹铜棒和针阵列芒刺状铜棒电极等反应器电极结构对DBD放电参数的影响。实验结果表明,随着外加激励电压的升高,5种电极结构的放电功率P和平均放电电流Im及周期传输电荷量Q都随之增大。相同激励电压下,针阵列芒刺状棒电极的P、Im、Q值最大。针阵列芒刺状铜棒电极的气隙等效电容Cg随电压的升高呈震荡形式增加,而光滑电极和螺纹电极的Cg随电压的升高呈减小的趋势。研究结果表明,针阵列芒刺状铜棒电极更有利于挥发性有机物的去除,针间距越小,能量利用率越高。     

低气压板-板与多针-板电极结构甲烷气体介质阻挡放电的对比

为深入理解低气压板–板与多针–板电极结构甲烷气体DBD放电特性的差异,主要设计并测量了两种电极结构的放电特性,研究了放电电气参量随气体压强变化规律,测量了两种电极结构的放电区发射光谱,诊断了两种电极结构CH双原子分子的转动温度,利用转动温度近似气体温度,得到了气体温度随气压变化的规律,并对所得到的结果进行了分析和讨论。结果表明:在等气隙条件下,两种电极结构随着气压的升高放电逐渐过渡到不稳定状态,放电半径逐渐缩小,有明显的同心圆形貌;多针-板阵列结构电极相对于板–板电极结构,在电压正半周期时放电电流较大,在电压负半周时放电电流十分微弱。当气压较高时多针–板阵列结构起始放电的极间电压较低;光谱计算表明在其他条件相同条件下,多针-板阵列结构的气体温度较低。     

基于SIMULINK的介质阻挡放电的仿真

为了深入地理解DBD的放电机理和优化DBD等离子体反应器的设计,在分析DBD微放电过程和等效电路的基础上,建立了基于SIMULINK的DBD动态仿真模型。为了更真实地反映DBD的放电情况,模型中采用一个电压控制电流源(CCS)来模拟DBD的微放电,同时考虑到了微放电的起止及幅值衰减的影响。用所建立的模型对空气中DBD放电进行仿真,计算得到放电电流、气隙电压和李萨育图形等放电参量。仿真结果及分析表明,放电模型可以用来对DBD进行仿真研究,所得的结果能真实地反映DBD的放电情况。     

管状电极介质阻挡放电和介质阻挡电晕放电的研究

实验研究和比较了管-管电极DBD和线-管电极 DBCD的放电特性,并从放电机理角度分析了它们放电特性不同的原因。电压-电流波形图、电压-电荷李萨育图形测量和发光图像拍摄的结果表明:线-管电极DBCD相对均匀、稳定,不同于管-管电极DBD明显的丝状流注放电的形式; 在相同的外加电压下,线-管电极DBCD比管-管电极DBD 具有更高的能量效率。     

不同条件下介质阻挡放电的仿真与实验研究

建立基于电压控制电流源(voltage-controlled current source,CCS)的工频介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)动态仿真模型和实验装置,对空气中平板电极结构DBD进行仿真与实验研究。可通过分别计算仿真与实验得到的电压电流波形和电压电荷Lissajous图形得到DBD的电气参数,二者的定量比较验证了仿真模型的准确性,利用仿真模型和实验装置对不同外加电压幅值、阻挡介质厚度与介电常数条件下DBD功率的变化情况进行研究和定量比较,并从理论上对所得的仿真计算结果与实验测量结果的变化规律进行定性分析。研究结果表明,基于CCS的工频DBD动态仿真模型能够反映放电的真实情况,仿真计算所得到的不同条件下DBD的放电功率与实验测量所得到的值是吻合的,且两者的变化规律均与定性理论分析是一致的。     

介质阻挡放电系统中谐振问题的研究

为了解决介质阻挡放电 (DBD)反应器放电性能随激励频率提高反而下降的问题 ,采用电荷电压测量等方法对DBD系统主要放电参量的变化规律进行了实验研究。结果表明 :由激励变压器漏感与电介质层等效电容引起的系统谐振是造成这一问题的主要原因。DBD系统谐振不但能引起放电间隙等效电压、电介质层等效电压、放电间隙等效电阻等放电参量的异常变化 ,降低DBD反应器放电性能 ,而且会对激励变压器与DBD反应器中电介质层的绝缘产生危害 ,影响DBD系统工作稳定性。减小激励电源漏感与合理分布DBD电介质层等效电容是解决DBD谐振问题的有效措施。     

平面线圈电磁耦合的沿面DBD气体放电加速诱导气流的实验研究

为了提高典型沿面DBD平板激励器诱导气流速度,通过实验研究了典型DBD平板激励器表面的磁场分布,提出了在DBD平板激励器的上、下电极之间夹进平面线圈,运用电磁耦合原理增强等离子体激励器放电效果,从而加速DBD等离子体诱导气流的方法。探究了不同结构参数的电感线圈产生的电磁耦合作用对大气压下平板式DBD等离子体激励器放电加强的效果,以及夹进平面线圈后加载电源的电压和频率对DBD放电的影响,并利用粒子图像测速技术测量了电磁耦合作用下典型DBD等离子体诱导气流流场,考察了其中电磁耦合对加速诱导气流的作用。实验结果表明,运用电磁耦合作用可在一定程度上增强等离子体激励器的放电效果,一些电感线圈产生的电磁耦合作用可显著改善DBD等离子体诱导气流的连续性和加厚流场区域。     

中心电极半径对介质阻挡放电工作特性的影响

为分析中心电极半径对同轴圆柱结构介质阻挡放电工作特性的影响。通过实验研究了不同中心电极半径r对同轴圆柱结构DBD的放电功率P、起始放电电压Us的影响。结果表明,在相同的外加电压U下,当起始放电电压Us较小时,DBD的放电功率P较大,功率升高率较小;起始放电电压Us随中心电极半径r的增加呈现先增加而后减小的趋势。     

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。