不同电极间距下纳秒脉冲表面介质阻挡放电分布特性

电极间距是表面介质阻挡放电(SDBD)的一个重要结构参数。通过实验研究和仿真计算,研究电极间距对纳秒脉冲SDBD等离子体分布特性的影响,并从理论上分析类弥散和离散通道两种等离子体分布的形成机制。实验研究表明,电极间距是造成两种典型特性及不同等离子体分布的关键结构参数。通过对放电区域外电场的仿真计算发现,不同电极间距下外电场分布形态和数值的差异,是形成两种不同等离子体分布模式的直接原因。结合气体放电基本理论,分析认为:等离子体类弥散分布是由于流注前向发展和横向激发电离同时在起作用,而离散通道分布是因为流注通道以前向发展为主、横向电离作用较弱;两种等离子体分布模式形成的根本原因在于电场随时间的增大率和随空间的减小率以及流注通道的发展速度之间的匹配。     

不同电源激励Ar同轴介质阻挡放电特性对比

大气压Ar同轴介质阻挡放电(Ar DBD)在能源化工领域有着广泛的应用,为进一步指导实际应用中DBD反应器结构优化和反应性能提升,通过电气特性、发光特性和温度特性等分析手段,系统研究了激励电源类型对ArDBD放电特性的影响,分析和比较了高频交流、微秒脉冲和纳秒脉冲激励ArDBD的放电均匀性、放电过程产生活性粒子的种类和浓度、放电功率和能量利用率以及反应器温度和热损率。研究结果表明,在相同的激励频率下,和高频交流与微秒脉冲电源相比,纳秒脉冲电源激励Ar DBD的放电均匀性最好,放电产生的活性粒子浓度最大,反应器稳定运行时温度最低,能量利用率最高,热损率最低。在3种电源输入电压为12 kV、频率为4 kHz的条件下,纳秒脉冲电源激励的Ar DBD反应器外壁面温度和内电极温度分别为109.9℃和227.9℃,而高频交流电源激励的Ar DBD对应的温度分别为169.0℃和564.4℃,这种高温条件将增加能量损失,降低能量利用率。在相同的激励条件下,纳秒脉冲Ar DBD的能量利用率为61.4%,显著高于微秒脉冲的40.2%和高频交流的24.1%。该研究从能量高效利用的角度为进一步促进Ar DBD...     

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。     

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。     

不同介质下纳秒脉冲介质阻挡放电特性对比

介质阻挡材料是影响介质阻挡放电的一个重要因素。为此,采用聚四氟乙烯、K9玻璃和环氧分别作为介质阻挡材料,研究了介质阻挡层厚度、气隙距离、施加脉冲电压幅值、重复频率对放电特性的影响,并对结果进行了对比分析。实验结果表明,阻挡材料的介电常数越大,越容易产生强烈的放电;玻璃为阻挡介质时,能够保持均匀放电的允许介质厚度范围最大,但漏电也最为严重;聚四氟乙烯为阻挡介质时,能够保持均匀放电的允许频率范围最大;环氧为阻挡介质时,能够保持均匀放电的允许电压范围最大。     

纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体氮还原合成氨的研究

氨气(NH3)可以合成富含氮的化肥,还是不含碳的能量载体.工业合成氨工艺通常在高温高压条件下进行,会消耗大量能源且伴随着温室气体的排放.低温、常压下的非热平衡等离子体为合成氨提供了一种有潜力、可持续的途径.为此以氮气和氢气为原料,在低温常压下用脉冲介质阻挡放电等离子体合成氨,主要探究了脉冲参数(脉冲峰值电压、脉冲重复频...     

大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电特性分析

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)是产生低温等离子体的重要方法,纳秒脉冲条件下DBD与普通交流下的放电不同。通过单极性纳秒脉冲激发大气压空气中DBD,计算纳秒脉冲DBD的电气参数,与交流或微秒脉冲放电的电气参数相比较,并对比放电图像与电流波形的关系,探讨了放电机制。研究结果表明,纳秒脉冲DBD的放电电流呈双极性,气隙上发生2次放电过程,其电气参数高于常规交流和微秒脉冲DBD的电气参数。随着空气间隙距离的增加,均匀放电向丝状放电的转化与电流脉冲波动相关。由于微放电持续时间与施加脉冲处于同一个数量级,且基本同时发生在气隙中,很难在同一位置上存在数个连续的微放电,这对放电的均匀性有利。     

二维对称结构纳秒脉冲介质阻挡放电数值模拟

为具体分析放电过程中电场强度、电子密度、平均电子能量及鞘层的变化规律,通过简化化学反应动力学模型以及采用全时域漂移-扩散模型方程,对N2-O2混合气体的二维平行电极纳秒脉冲介质阻挡等离子体放电的发展演化过程进行数值模拟。计算结果发现:放电从电极处开始发展形成约化场强约为5×10-19 V?m2的强电场,高电压电极附近形成0.2 mm的鞘层区域,鞘层边缘存在数密度为1.6×1019 m-3的薄电子层,且其边缘分层结构与低气压辉光放电鞘层分层结构一致;电子沉积在介质表面,等离子体从强电场中获得的能量使得其在脉冲结束后的余辉过程中继续维持,进而有效地将能量耦合给等离子体。数值模拟结果表明,提出的简化化学反应动力学模型能够有效地模拟复杂的介质阻挡纳秒脉冲放电的物理过程及其各个物理参数的变化规律。     

纳秒脉冲介质阻挡放电在聚合物绝缘材料表面改性中的应用

综述了利用纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)改性绝缘材料提高表面性能的研究成果,分别介绍了大气压空气中纳秒脉冲DBD改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)提高表面亲水性和改性有机玻璃(PMMA)提高表面疏水性的实验结果,对比了纳秒脉冲与交流DBD在绝缘材料改性中的效果,探索了纳秒脉冲DBD的改性机理。研究表明:纳秒脉冲DBD在聚合物绝缘材料表面改性中作用明显;经纳秒脉冲DBD亲水改性后,PET材料表面水接触角从78.0°降至25°,均匀模式DBD的改性效果要优于丝状模式DBD;经纳秒脉冲DBD疏水改性后,PMMA材料表面水接触角从68.0°升至92°;聚合物绝缘材料亲水性和疏水性的改善是由于放电等离子体在材料表面分别引入了含氧基团和甲基与大分子自由基。     

常压单极性纳秒脉冲DBD模式的实验研究

介质阻挡放电(DBD)是产生低温等离子体的重要方法。实验研究的DBD由上升沿15 ns,半高宽约30ns最高重复频率1 kHz的正极性纳秒脉冲产生,测量了DBD电压、电流以及放电图像。结果表明,空气间隙上发生两次放电,分别发生在施加电压的上升沿和下降沿末端,电流峰值可达百安培量级,峰值功率可以达到MW级。放电图像显示放电分为均匀放电和丝状放电两种模式,且阻挡方式和重复频率都是影响这两种放电模式相互转化的重要因素。     

大气压N2-O2混合气纳秒脉冲表面介质阻挡放电建模仿真

大气压N2-O2混合气ns脉冲表面介质阻挡放电(SDBD)机理是等离子体气动激励与流动耦合作用机制研究的重要内容。为此,耦合等离子体化学反应动力学方程和考虑能量的等离子体漂移-扩散方程组,建立了大气压下N2-O2混合气ns脉冲放电的2维模型。考虑15种粒子、对应的电子碰撞反应以及35个化学反应过程,得到了SDBD的伏安特性、电荷分布和能量分布。综合分析电荷及电子能量分布结果表明,高能电子撞击是产生离子的主要方式,而低能电子的累积和离子在电场驱动下的定向运动是使放电呈现非平衡的重要原因。将计算结果与实验获得的伏安特性数据、放电形态和光谱分析结果进行了比照分析,发现2者比较相符,验证了模型的可靠性。     

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。     

不同布局等离子体激励器的纳秒脉冲放电特性与流动控制效果

为研究不同布局等离子体激励器的电压-电流特性及对流动控制的影响规律,针对多组纳秒脉冲等离子体放电,设计了3种不同布局形式的等离子体激励器,对其放电特性以及流动分离控制能力进行了实验研究,并对其激励特性进行了唯象学仿真分析。结果表明:不同布局形式的等离子体激励器均产生了两组放电的效果,在相同激励电压下,其电流峰值基本相同,同单组激励相比,电流峰值约为其两倍;对流动控制的结果表明,纳秒脉冲等离子体激励能够有效增升减阻,不同布局形式的等离子体激励器对流动分离控制效果有很大影响,升力系数最大提高25.2%,而最小只有6.8%;仿真结果表明,纳秒脉冲等离子体激励能够产生冲击波,并且诱导出复杂的涡结构,不同布局激励器诱导的冲击波的传播速度和强度基本相同,但其诱导的涡的运动和涡量的大小不同,从而对流场产生了不同的扰动,造成了不同的流动控制效果。     

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。     

介质阻挡放电对聚苯乙烯表面改性研究

为了研究大气压空气等离子体对绝缘材料表面改性的影响,采用介质阻挡放电对聚苯乙烯进行了表面改性。通过接触角测量仪、扫描电镜、原子力显微镜和X射线光电子能谱对处理前后表面润湿性、结构形貌和化学成分的观测。结果表明:处理后表面润湿性改善,表面微结构形貌粗糙化,表面发生氧化和氮化。增加表面粗糙度和引入含氧、含氮高结合能官能团是改善材料表面润湿性的主要原因。     

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%。