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。     

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。     

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。     

纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体激励器的特性

沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体在空气动力学、生物医学以及环境保护等领域具有广阔的应用前景。为了进一步了解激励器结构对SDBD等离子体放电特性参数的影响,采用光电联合测量手段,分析了在ns脉冲电源作用下,等离子体激励器电极的封装和对称性对放电电流、N2(C3Πu)振转温度、电子温度、电子密度等等离子体特性参数的影响。结果表明:封装有利于稳定放电,能够提高发射光谱的强度和振转温度,增加电子密度;与非对称结构等离子体激励器相比,对称结构等离子激励器放电发生的时刻较早,存在较为明显的二次放电,且具有较高的电流峰值、N2(C3Πu)振转温度、电子温度以及电子密度。当频率从200 Hz增加到1 400 Hz时,3种结构等离子体激励器放电对应的谱线强度和转动温度增加,振动温度下降,电子温度受重复频率的影响较小。研究结果有利于深入理解ns脉冲的放电机理及能量传递机理。     

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。     

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。     

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。     

水蒸气添加对纳秒脉冲激励氩气DBD放电特性的影响

为了制备高能效、高活性且均匀稳定的大气压等离子体源,利用纳秒脉冲电源驱动氩气介质阻挡放电(dielectricbarrierdischarge,DBD),并添加H2O增强等离子体活性。通过电学及光学诊断方法,系统分析研究了H2O体积分数对放电特性的影响规律,并利用图像灰度标准差方法和等效电路模型方法,定量计算了放电均匀性和放电微观参量。结果表明,纳秒脉冲激励氩气DBD中H2O体积分数较低(0%～0.2%)时具有较好均匀性,当H2O体积分数升高后,其吸附电子引起空间电场畸变,产生明亮放电细丝导致放电均匀性降低,过量H2O添加会使放电熄灭;由于添加少量H2O可促进等离子体中电离过程,传输电荷、放电平均功率及能量效率随着H2O体积分数增加而增加,并在H2O体积分数为0.1%时达到极大值,之后随着H2O体积分数增加而减少。通过OH和Ar激发态粒子发射光谱强度表征等离子体活性,发现当H2O体积分数达到0.1%时,OH和Ar谱线强度达到最大,Ar激发态粒子发射光谱强度比值表明电子能量随着H2O体积分数增加而升高,在H2O体积分数为0.1%时达到最大值,之后降低。     

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。     

大气压下纳秒脉冲弥散放电对铜的表面处理

纳秒脉冲弥散放电能够在大气压下产生高功率密度、高电子能量的低温等离子体。为了研究弥散放电等离子体在金属材料表面改性的作用,利用上升沿约150 ns、脉宽约300 ns的MPC-50D纳秒脉冲电源在大气压下(空气)管-板电极之间产生弥散放电,寻找最佳弥散放电参数,并对金属Cu表面进行了弥散处理。研究结果表明:随着重复频率的增加,弥散放电增强,瞬时功率增大,沉积能量增多。当施加电压为31 kV,重复频率为800 Hz,间隙距离为3 cm时,得到最佳的弥散放电效果。此外,采用发射光谱检测到空气中弥散放电中N2(C→B,0-0)的第二正带系和N2+(B→X,0-0)的第一负带系。采用大气压弥散放电等离子体对金属Cu表面处理的结果显示处理后的Cu表面出现孔径约0.5μm的熔孔;Cu的亲水性及表面能有明显提高,在处理90 s后趋于饱和。显微硬度测量结果表明,表层硬度在等离子体处理时间480 s后提高约26.5%。     

放电参数对大气压多脉冲介质阻挡放电特性的影响

为了进一步了解大气压氦气多脉冲介质阻挡放电特性,采用数值模拟的方法对一维流体力学模型进行研究,分析讨论了外加电压的幅值和频率对放电电流脉冲的数目和相邻两个电流脉冲之间时间间隔的影响。模拟结果表明,外加电压幅值和频率不断变化时,不仅电流脉冲数目发生变化,而且相邻电流脉冲之间的时间间隔也发生变化。随电压幅值的增大电流脉冲数...     

大气压重频纳秒脉冲放电对尼龙纤维的表面改性

纤维织物的等离子体表面改性有时需要较大面积或体积的低温等离子体环境以提高效率,为此设计了一种同轴多棒电极结构的重频纳秒脉冲放电发生器,能够在无阻挡介质的大气压空气中稳定地产生较大体积的低温弥散等离子体。用这种等离子体对不同目数的尼龙66纤维进行处理。采用垂直芯吸效应法测量了不同放电条件下尼龙表面亲水性能的变化。使用原子力显微镜和X射线光电子能谱分别观察尼龙表面微观结构、极性官能团种类和数量的变化。结果表明:纳秒脉冲放电等离子体能明显地使尼龙66纤维发生表面刻蚀,表面粗糙度增加,同时增大表面能,改善亲水性能。另外,就弥散等离子体处理时间和脉冲重复频率对处理效果的影响开展了比较研究。     

纳秒脉冲空气放电的声学特性实验研究

纳秒脉冲空气放电发声具有频域响应宽、发声元器件小、适用于某些恶劣的周围环境等诸多优势.在纳秒脉冲空气放电领域,现阶段少有针对其发声过程中电信号与声信号关系以及发声原理开展的研究.为此通过搭建电声联合诊断试验平台,在不同脉冲放电能量、放电气隙距离下对电信号与声信号进行实时采集,总结声压波形随不同试验参数的变化规律.结果显...     

HMDSO含量对纳秒脉冲激励Ar/HMDSO射流放电特性的影响

通过在放电气体中添加含Si媒质可在材料表面引入含Si基团,能有效提高等离子体憎水改性效果,增强材料沿面耐压能力.该文选取六甲基二硅醚(HMDSO)为含Si媒质,采用纳秒脉冲激励在Ar/HMDSO中产生射流放电,通过电压电流波形测量等电气特性,发光图像、发射光谱及ICCD等光学特性诊断,研究了HMDSO含量对放电特性的影...     

纳秒脉冲电晕放电衰减研究

建立了线－板结构脉冲电晕放电实验模型，研究了沿电晕线的纳秒脉冲电晕放电对其自身波头幅值、波头形状的衰减特性，用高灵敏度紫外光－可见光成像系统摄取了单次纳秒脉冲电晕波电图像并进行了分析。研究表明，纳秒脉冲电晕放电对其自身波头幅值的衰减在电晕线前段的下降具有指数型快速衰减的趋势，且首端所加电压幅值越高，这种衰减越严重。