等离子体助燃激励器介质阻挡放电发射光谱分析

为了研究激发粒子的演化规律,优化等离子体助燃参数,在不同的电极形状、电极间隙、气体流量、放电电压条件下,对介质阻挡放电的发射光谱进行了实验测量与分析。研究发现:网形电极结构的激励器光谱最强,王形次之,条形最低;随着电极距离的增大,发射光谱强度呈现先慢后快的下降趋势;工作介质流量有一个最佳值,为60 g/s;随着驱动电压或频率的增加,微放电通道增多,放电增强,发射谱线强度增强。     

大气压氩气纳秒脉冲针—水结构气液放电特性研究北大核心CSCD

为了在提高放电等离子体活性的同时保持较为稳定的放电,文中利用纳秒脉冲电源驱动大气压氩气中针—水结构气液放电,研究了不同脉冲电压和频率下的放电电学特性、发光图像和发射光谱强度,并讨论了相关参数对放电特性的影响原因。结果表明:在氩气纳秒脉冲气液放电中,脉冲电压和频率不会对放电模式产生影响。随着脉冲电压的增大,上升沿电流、下降沿电流和平均功率均增大,且上升沿电流总是大于下降沿电流;当脉冲频率增大时,上升沿电流和平均功率增大,下降沿电流逐渐减小。等离子体特性方面,在不同脉冲电压和频率下均测到了较强的Ar(4p→4s)、H(656 nm)和O(777 nm)谱线和较弱的H(486 nm)谱线,并且4种激发态活性粒子的发射光谱强度均随着脉冲电压和频率的增大而增大。     

基于印刷电路板的沿面型介质阻挡放电特性

沿面型介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)产生大气压低温等离子体技术在生物医学等多个领域具有广泛的应用前景。为此,设计了一种基于印刷电路板(printed circuit board,PCB)制作工艺的SDBD装置,研究了其在正弦交流电压驱动下的放电均匀性、放电模式及形态、放电功率、等离子体发射光谱等光电特性。研究结果表明:随着外施电压幅值和频率的升高,SDBD放电强度与均匀性相应增加,当电压幅值>5.2 kV时可实现宏观上稳定的均匀放电。表面放电由网状电极边沿、介质板与空气三结合点处的收缩状放电向网格内部发展为弥散状放电,外施电压正半周期内的放电强度大于负半周期,这主要是由正负放电中阻挡介质表面电荷对沿面电场抑制作用的差异造成。当SDBD施加的电压幅值在5.0～6.2 kV范围内变化时,由于电场强度和粒子间碰撞频率的增加,使得放电空间注入能量、高能电子数量以及粒子动能均增加,放电程度变强,从而使SDBD放电功率、等离子体发射光谱谱线相对强度、氮分子振动与转动温度均随着电压幅值的增加出现不同程度的升高。     

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。     

大气压射频放电中放电参数对活性粒子影响的数值模拟研究EI北大核心CSCD

大气压射频放电是人们比较关注的气体放电形式,在合适的放电条件下,其产生的低温非平衡等离子体中可以产生大量的活性粒子,如何优化与调控这些活性粒子的产生与分布是实际应用中,特别是与环境相关的应用中人们非常关心的问题。因此数值求解了描述大气压射频等离子体的流体模型,研究了放电频率、放电间隙及脉冲调制对大气压射频等离子体中活性粒子的影响。计算结果表明,在相同的功率下,过高的放电频率(>20 MHz)会抑制活性粒子的产生,而较小的放电间隙(<1 mm,即在微等离子体范围内)则有助于提高活性粒子的数密度;通过选取合适的调制频率与占空比,借助于脉冲调制的方式在大气压射频放电中可以有效的调控活性粒子的产生,并降低功率消耗。研究结果可对大气压射频放电中活性粒子的应用提供一定的理论指导。     

三维共面介质阻挡放电装置及放电特性研究

针对传统介质阻挡放电(DBD)和共面(CDBD)处理三维或不规则材料的不足,文中设计一种由小型微秒脉冲电源驱动的三维CDBD处理装置,在箱体内部由多个单面CDBD反应器组合形成空间环绕式等离子体。通过光学和电学诊断手段测量了装置的放电功率、发光图像以及发射光谱等,研究了电源工作参数对放电均匀性、产生活性粒子强度以及能量效率的影响。结果表明,随着电源电压的升高,放电区域变大,放电均匀性增强,当电压达到11 kV时能够激励整个放电区域,形成较均匀的等离子体。相同电压下,活性粒子强度随频率升高而提高,在5 kHz工作频率下产生的活性粒子强度最强,能量效率随工作频率升高有所下降,工作频率为1 kHz时能量效率最高为40.1%。通过对木块进行表面亲水改性,来验证装置的三维材料处理效果。结果表明,处理后木块各个表面的亲水性均得到增强,处理1 min后,达到稳态时的表面水接触角由30°下降至10°,并且由初始值下降至30°以下的液滴静置时间减少了70%以上。     

不同类型电源激励下HMDSO添加比例对Ar介质阻挡放电特性的影响

绝缘材料表面湿闪、污闪会对电力系统安全带来隐患.利用低温等离子进行疏水改性,可降低水滴在绝缘材料表面的浸润程度,抑制其吸附污渍、粉尘,进而提高耐湿闪、污闪等沿面耐压能力.为此,可在放电气体中添加疏水反应媒质,在材料表面引入相应疏水性基团,提高其疏水性.该文在Ar大气压介质阻挡放电(DBD)中添加六甲基二硅醚(Hexamethyldisiloxane,HMDSO)作为疏水反应媒质,研究高频、微秒脉冲和纳秒脉冲电源激励下HMDSO添加比例对DBD光学和电气特性影响规律.结果表明,不同电源激励下DBD均呈现丝状放电模式,尤其纳秒脉冲DBD放电区域中出现明亮的放电细丝,添加HMDSO后,DBD均匀性得到改善.高频和微秒脉冲激励下,HMDSO的添加会导致放电电流减小,发射光谱强度降低,放电减弱,而纳秒脉冲激励下放电电流和发射光谱强度先增加后减小,在添加比例为1.5％时,放电电流和发射光谱最大,放电最强.采用等效电路模型计算相应的能量效率,高频DBD能量效率最低,约为20％;纳秒脉冲DBD能量效率最高,约为70％,HMDSO添加对DBD能量效率影响不明显.三种类型电源相比,纳秒脉冲电源激励下放电强度和能量效率最大,在合适的HMDSO添加比例下产生活性粒子的能力更强,可为疏水改性提供更加有利的条件.     

微间隙大气压空气介质阻挡放电模式的转化

大气压空气中介质阻挡均匀放电产生的等离子体在工业领域具有广阔的应用前景。为研究这种放电的产生条件及机理,利用微间隙介质阻挡放电装置,通过测量放电参数和发射光谱,研究了放电模式的转化过程。结果表明:低电压时电流波形每半个周期存在若干个脉冲宽度很小的脉冲,为微放电丝模式;随着电压增加,电流每半个周期出现了一个宽度较大(约5.5μs)强度较强的脉冲,该较宽电流脉冲上随机叠加了宽度小(约100 ns)强度弱的小脉冲;外加电压峰值达到9.2 kV时,电流波形只存在该较宽放电脉冲,为均匀放电模式。放电发射光谱的研究表明:外加电压增加时谱线强度比降低,即高能电子比例减小。这说明随外加电压增加,微气隙中的放电电场强度是降低的。     

考虑湿度气压影响的瓷绝缘子沿面类辉光放电仿真及其紫外光谱特性分析

为研究湿度和气压对瓷绝缘子沿面类辉光放电日盲紫外波段光辐射的影响机制，结合试验和仿真模型，从宏观、微观两个角度分析了湿度和气压对放电点日盲紫外波段光辐射产生过程的影响特性。该文首先搭建了污秽瓷绝缘子放电试验平台，利用光谱仪测量了不同湿度和气压下240～280 nm日盲紫外波段的放电发射光谱。根据发射光谱的特征谱线，确定了放电时产生日盲紫外波段光辐射的激发态N₂和NO分子的具体退激跃迁反应。基于试验，利用有限元软件建立了瓷绝缘子沿面类辉光放电的二维仿真模型，主要考虑了25种粒子和37个化学反应，其中包括与产生日盲紫外波段光辐射有关的2种激发态粒子及9个相关化学反应。在模型中分别改变湿度和气压，得出了2种激发态粒子的粒子数密度及生成速率的变化特性，与试验中不同湿度和气压下的日盲紫外波段光辐射强度的变化特性进行对比分析可知，湿度、气压通过影响2种激发态粒子的产生与淬灭过程，改变了光辐射的强度。     

空气放电等离子体助燃激励器的动力学机理

为了研究空气放电等离子体助燃激励器介质阻挡放电(DBD)的动力学机理从而完善等离子体助燃理论,通过对能量传递方程、组分粒子浓度方程以及Boatman方程进行耦合,建立了等离子体动力学模型,利用动力学模型对不同放电时间、放电频率条件下氮系粒子浓度和氧系粒子浓度的变化规律进行了研究。结果表明:在等离子体的演化过程中,由于不同活性粒子产生与消亡的机理不同,所以不同活性粒子的粒子浓度在放电过程中随放电时间与放电频率的发展而呈现出不同的变化趋势;对于衰减迅速的粒子,放电时间与放电频率的增大对粒子浓度几乎无影响,而对于N、O3等衰减较慢的粒子,其粒子浓度最大值会随放电时间与放电频率的增加而增大。     

基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子的时空分布

由于传统辐射光谱法无法对大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子进行定量检测,本文利用自主研制的纳秒脉冲激励针筒型等离子体射流装置,基于单光子和双光子激光诱导荧光法分别对OH自由基和O原子的时空分布进行诊断。结果发现,OH自由基和O原子的寿命时间分别为1ms和3ms,远大于脉冲放电持续时间;采用拟合衰减曲线法,得到OH自由基的绝对密度为1012~1013cm-3;发现离喷嘴口越远,OH自由基和O原子密度越低。然而,即使距离喷嘴口数cm的地方,仍然存在大量的OH自由基和O原子;OH自由基和O原子的密度随激励频率和脉冲电压幅值的增加而升高,随H_2O含量和O_2含量的升高而出现先增大后减小的趋势。其中,当氦气中H_2O含量为0.012%时,OH自由基密度达到最大值。当氦气中O2含量为0.5%时,O原子密度达到最大值。本文研究为调控和优化低温等离子体射流中OH自由基和O原子密度提供重要科学依据。     

等离子体作用下甲烷和氮氧化物活化转化研究

比较了不同的放电方式,即单纯脉冲火花放电、脉冲流光放电(针-板式、线-筒式)、介质阻挡放电(正脉冲、交流)对NO和CH4的活化转化能力。其中脉冲火花放电和针-板式脉冲流光放电对CH4的活化能力较强,CH4的最大转化率分别为100%和36%,但是在N2+O2体系中NOx的合成加剧。如在针-板式脉冲流光放电中,在O2体积分数为9.8%时,NO的体积分数为449μL/L。线-筒式脉冲流光放电中,即使在输入功率为14.4W时,CH4的最大转化率小于3%,而NO的最大转化率为25%。正脉冲介质阻挡放电中,在21.6kV、输入功率6.4W时,NO和CH4的转化率分别为31%和4.4%,在交流介质阻挡放电中,在低温下有利于NO的转化,在100℃、输入功率为6W时,NO转化率为34.5%,但是对CH4的活化能力较弱。     

Aqueous Phenol Decomposition by Pulsed Discharges on the Water Surface

Decomposition of environmental contaminants such as phenol contained in water was investigated using a pulsed high-voltage gas-phase discharge on the water surface (water surface plasma). The discharge consists of streamer channels that spread out over the water surface. Discharge characteristics were dependent upon the distance between the needle-tip electrode and the water surface, the shape of the submerged ground electrode, and the composition of the gas enveloping the electrode. When the electrode–water distance was decreased, the discharge mode changed from corona to streamer, and then, finally, to a water surface discharge when the distance was small. Argon gas was the most effective enveloping gas for decomposing phenol in water (compared to oxygen or air). When the gas flow rate was increased to carry away the active species formed in the gas phase; the decomposition rate did not change in argon, but decreased in oxygen. The shape of the submerged ground electrode influenced the discharge state and the phenol decomposition rate. A ring-shaped ground electrode was more effective for decomposition of phenol than straight or semicircular shapes. Experiments were performed to identify the mechanism(s) responsible for the decomposition of organic materials in water.      

气液两相放电水处理技术及装置综合评述

为推进放电废水处理工业化的进程,对气液两相废水处理技术及装置的发展进行了评述。各种技术措施均有各自的特点,向上喷雾使废水两次参与放电反应;静电雾化使雾滴更小,增大总反应表面积且表面带电;对流和鼓风使水气更好混合后通过介质阻挡放电,构成塔式工业化处理装置;微孔注氧放电产生氧、羟基,提高氧化降解能力;氧气以流注放电形式渗出进入苯酚溶液区,避免了电极腐蚀;旋转运动的中空针电极送氧使气液充分融合,用于高微生物含量废水处理;比较放电降解水中苯酚的方法可知:DC+AC水面气中电晕放电容易实现且不存在电极水中腐蚀问题;混合串联或并联放电反应器比单液相方式有更高的苯酚降解效率;串联式有更多活性基进入液相,所以移出率稍高。能量、尺寸和持续率等是衡量气液两相流注放电的重要指标。     

Formation of chemical species and their effects on microorganismsusing a pulsed high-voltage discharge in water

The primary mechanism for sterilization of microorganisms by high-voltage pulses has been considered to be an electrical breakdown of the cell membrane. However, it is expected that many kinds of chemically active species would be generated by an electrical discharge in a needle-plate or rod-rod electrode system. Therefore it is necessary to identify the chemical species produced by the discharge and to investigate lethal effects of the active species on microorganisms. In the present study, the formation of active species in water (without O ₂ flow) and their effects on yeast cells were investigated using needle-plate electrodes. In the presence of the streamer discharge, H and OH radicals were detected by means of emission spectroscopic analysis of the discharge light. Hydrogen peroxide (H₂O₂) was also detected by absorption spectrophotometry using a reaction of peroxidase and catalase. The effect of the electrical conductivity of the water on the formation of the active species was investigated. Maximum ·OH and H₂O₂ concentrations were obtained at a water conductivity of about 10^-5 S/cm. The H₂O₂ formation mechanism was considered to be a recombination reaction of ·OH. The lethal effects on beer yeast of ·OH and H₂O₂ generated by the pulsed electrical discharge in water were also investigated. It was found that ·OH had almost no effect in reducing the survivors. However, the H₂H₂ did kill the yeast cells: the logarithm of the survival ratio decreased linearly with increasing H₂O₂ concentration     

火花放电预电离对空气中介质阻挡放电的影响

实现大气压下空气中辉光放电的办法之一是降低空气的击穿场强,避免放电以流注的形式发生.为此,利用脉冲电路产生的火花放电为介质阻挡放电提供初始电子,以验证预电离对介质阻挡放电的作用.实验证明:1. 火花放电预电离确有"点燃"放电,降低空气击穿场强的作用,在正常大气压下,采用预电离手段可使击穿场强降低25%左右;2. 预电离的有效率随气压升高而逐渐减小;3. 在有气体流动的条件下,预电离的作用显著增强;4. 预电离并不是实现大气压下空气中的辉光放电的唯一条件.本文中的方法可以用于在较低场强下提供初始电子以建立均匀介质阻挡放电,但在目前的实验条件下,这种作用还远未达到获得大气压下辉光放电的程度.     

大气压氩等离子体射流的放电特性

为了深入地理解大气压等离子体射流放电机理和优化其放电效率,通过对大气压氩等离子体射流的电压电流波形和Lissajous图形等电气特性的测量及发射光谱和发光图像等光学特性诊断,研究了外电极距石英玻璃管口不同距离时,氩等离子体射流放电的放电特性和演变规律。计算放电功率、传输电荷量、电子激发温度、分子振动温度和分子转动温度等主要放电参量后,研究了它们随外加电压增加的变化趋势,并结合放电机理对所得实验结果进行了分析。结果表明,氩等离子体射流主要产生的粒子有OH、N2、Ar和少量的O,随着外电极位置的不同,气体温度在317～395K之间变化,为典型的低温等离子体;外电极位置影响放电模式和放电起始电压,在氩射流阶段,电子激发温度在不同外电极位置条件下相差不大。当外电极距离管口40mm时,外加电压幅值达8kV时,放电功率和传输电荷最大,放电效果和发光强度也最强,由Penning效应产生的OH谱线强度也最强,因此,用于聚合物材料表面改性等应用时,可以采用此运行参数,以达到更好处理效果。     

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。     

短空气间隙流注放电的实验观测技术综述

流注放电是气体间隙放电的重要阶段,流注放电的机理、仿真及实验研究是高压放电等离子体领域研究的重点之一,其中流注放电的实验研究是流注放电机理及仿真研究的基础。然而流注放电具有多时空尺度、多粒子碰撞、多物理场耦合等复杂特点,这对流注放电的实验观测提出了巨大的挑战。该文针对短空气间隙流注放电的实验观测,分别从短空气间隙流注放电实验设置和短空气间隙流注放电过程观测技术2个方面综述了国内外相关实验方法、平台及取得的研究进展。在此基础上,该文对目前短空气间隙流注放电研究所需要解决的关键问题和未来的发展趋势进行了探讨,认为未来短空气间隙流注放电实验研究进一步发展的关键在于建立更高精度与更高时空分辨率的多物理量同步观测系统,观测并分析单个流注发生发展的完整过程;探索新的实验手段和测量技术,获取电子平均能量等关键特征参数;深入研究数字图像处理技术,挖掘放电光学图像蕴含的更深层次的特征信息,进而完善对流注放电机理的研究。     

气体成分对水中脉冲放电产生过氧化氢的影响

通过化学方法检测了水中脉冲放电产生的H2O2,通过拍摄照片研究流注长度的变化。实验发现,在分别通入氮气和氧气的情况下,随着气体流量和放电时间的增加,H2O2的浓度逐渐增加;在电极间距为5cm,所加电压为35kV时,通氮气比通氧气生成的H2O2多,通氮气时流注长度较通氧气时要长。在电极间距为3cm,所加电压为21kV时,通氧气比通氮气生成的H2O2多,而流注长度差异不大。