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。     

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。     

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。     

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%。     

等离子体气动激励的能量转化过程分析

为了提高等离子体气动激励的能量利用率,优化等离子体气动激励,对表面介质阻挡放电的能量转化过程进行了研究。将消耗的能量分为4部分,针对3种典型频率表面介质阻挡放电试验过程波形进行数据处理,得到了等离子体气动激励的能量利用率。试验计算结果表明:ns脉冲最大放电电流最大,可达4A,而且能耗最低,仅为7.5W;ns脉冲等离子气动激励的能量利用率最高、μs脉冲次之、ms脉冲最弱。研究结论有助于提高等离子体气动激励控制附面层的能力,为等离子体流动控制技术的应用奠定基础。     

激励器参数对纳秒脉冲表面滑闪放电特性影响

利用三电极激励器结构,通过纳秒脉冲叠加负直流激励方式产生表面滑闪放电。研究电极间距、阻挡介质材料及其厚度对纳秒脉冲表面滑闪放电电气及光学特性的影响,并分析基于三电极激励结构的表面介质阻挡放电模式转换规律。实验结果表明,不同电极间距下纳秒脉冲表面滑闪放电电压激发差值不同,随着电极间距增大,电压激发差值逐渐增大,而介质表面平均电场强度先增大后减小,电极间距为25mm时为最优值,能在较低的电压激发差值条件下产生较高能量。此外,表面滑闪放电在不同电极间距条件下均存在3种放电模式,随着激励器电压差值的增大,放电模式由典型表面介质阻挡放电逐渐转变为表面滑闪放电,并最终转变为火花放电。介电常数较低的阻挡介质材料沉积能量较多,而介质厚度对表面滑闪放电电压激发差值影响较小,但激励器厚度较小时消耗的功率相对较大,能量利用率较低,不利于获得大面积等离子体。     

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。     

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。     

介质材料对NS-DBD等离子体除冰特性影响的实验研究

为了研究介质材料的种类和厚度对等离子体除冰特性的影响规律,在无来流条件下进行了纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励除冰实验.使用示波器记录激励器放电过程中的电压电流波形,通过相机和红外热像仪分别记录了动态除冰过程与激励器表面温度分布.结果 表明,放电电流峰峰值、放电功率及激励器表面平均温度都与介质层的介电常数呈正相关,与介质层厚度呈负相关.激励器表面达到热平衡后,氧化铝陶瓷(相对介电常数ε=9)激励器表面平均温度比聚四氟乙烯(相对介电常数ε=2.55)高30℃;介质材料相同时,厚度为0.3 mm的激励器表面平均温度比0.8 mm高15℃.因此,选择介电常数大、厚度小的介质材料,有助于提高等离子体激励器的表面温度进而提升除冰能力.最后,对介质阻挡放电等离子体的除冰机理进行了分析,气体快速加热效应在除冰过程中起关键作用.     

高频高压下介质阻挡放电的实验研究

利用介质阻挡放电实验装置和测量系统研究了不同的介质层厚度、外加电压以及空气间隙距离的等离子体助燃(PAC)激励器放电特性,并在实验数据的基础上,根据介质阻挡放电等效电路对空气间隙上的两端电压、放电电流等参数进行了计算。结果表明,介质层的厚度对放电脉冲的次数的影响很大;随外加电压的增加,脉冲放电增加,放电的起始时刻不断提前;随着空气间隙距离的减小,激励器放电强度明显增强,放电更加均匀。     

电压波形对介质阻挡等离子体放电特性和体积力的影响

驱动电压波形对于介质阻挡放电等离子体激励器的放电状态和激励性能均有影响。基于典型构型的介质阻挡放电等离子体激励器(DBDPA)在静止大气中的放电实验,通过电学测量和电子天平测力,分别获得了不同驱动电压波形下DBDPA的放电电流–电压信号和射流产生的时均反推力等物理量。驱动电压波形主要包括正弦波、方波、对称三角波和正、负斜波。基于伏安特性图分析了放电电流、微放电电流脉冲等特性,基于Lissajous图分析获得了放电功率,初步讨论了沉积电荷对DBDPA起始放电的影响。结果表明:驱动电压波形所决定的电压变化率直接影响激励器的回路电流和等离子体微放电电流脉冲形态。放电中的表面沉积电荷形成虚拟电极,其在裸露电极极性发生反转时加强了电极间的电场,降低了起始放电电压阈值,使得放电得以提前。所有驱动电压波形中,方波驱动电压产生的时均反推力和放电功率均相对较大,正弦波次之,其余波形相对最小。其中,50%占空比方波产生的2个量最大。     

纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的仿真计算

为了深入探究纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的演化规律,揭示其作用机理,文中搭建了纳秒脉冲电源作用下非对称结构沿面介质阻挡放电等离子体光电特性实验测量平台,并在此基础上建立了放电集总参数等效电路模型,通过对比实验推理和仿真计算分别得到的放电电流以及电子密度参量,证明了模型的有效性。文中通过该模型计算得到了介质表面电压、气隙电压以及电子温度等等离子体特性参数随时间的变化关系,并进一步研究了电源斜率对大气压沿面介质阻挡放电电流的影响。得到的主要结论为:单极性纳秒脉冲电源作用下,在脉冲上升沿存在二次放电,在下降沿存在反向放电过程,电子温度与电子密度高达8.3 e V和2.7×10~(18)m~(-3),电源斜率对放电有重要的影响,随着电压上升率增加,第1次放电的电流增大。放电时刻提前,但是对应的第2次放电电流略有减小,下降率的增加则对应着第2次放电电流幅值的增加,第1次放电的电流则略有减小,研究结果为深入分析激励器放电特性,提高等离子体发生器效率提供参考。     

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。     

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。     

基于气隙伏安特性研究大气压氦气辉光放电的模式和机理

进行了单脉冲和多脉冲辉光放电试验,通过拍摄放电空间的ICCD短时曝光图像,研究了大气压多脉冲辉光放电的模式;通过测量外加电压和回路电流,计算了气隙的放电电压、放电电流、介质表面电荷和气隙放电的伏安特性曲线,探讨了多脉冲辉光放电的物理过程,研究了伏安特性曲线诊断大气压介质阻挡放电模式的可行性。结果表明:外加电压及其造成的放电积聚在介质的表面电荷,使辉光放电具有多脉冲的电流波形,外加电压升高促进放电,表面电荷积累抑制放电,但是起主导作用的是外加电压升高抑制作用不会超过促进作用造成放电熄灭,脉冲之间辉光放电并未熄灭;伏安特性曲线只能诊断多脉冲辉光放电的第一个脉冲的放电模式,即具有正特性时为汤森放电,具有负特性时为辉光放电,对后续脉冲伏安特性曲线不能用来诊断放电模式。     

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。     

对称布局等离子体气动激励器的放电特性与加速效应

等离子体气动激励诱导空气流动特性的测试诊断,是等离子体流动控制的重要基础。为了解等离子体气动激励的电特性,以及激励电压幅值和相位对诱导流动特性的影响,选取对称布局介质阻挡放电激励器进行了实验研究。结果表明：对称布局激励器的放电形式为丝状放电,均匀发生在高压电极周围,与非对称布局激励器的放电图像不同;当激励器相邻高压电极上施加电压的幅值和相位均相同时,诱导的定向射流向上垂直于激励器表面,速度为m/s量级;改变激励器高压电极上施加电压的幅值或相位,可以诱导产生向左上方或右上方的射流,但不能有效增大诱导气流速度。     

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。     

大气压氦气介质阻挡多脉冲辉光放电的形成条件

利用高频高压电源,进行大气压氦气介质阻挡放电试验,测量了单脉冲和多脉冲辉光放电的放电回路电流波形,分析了外加电压峰.峰值和频率、放电间隙对多脉冲辉光放电过程的影响,探讨了大气压氦气介质阻挡多脉冲辉光放电的形成条件.研究表明:多脉冲辉光放电的形成条件是较高的外加电压峰-峰值、较低的电源频率,其中较高的外加电压峰-峰值是产生多脉冲辉光放电的必要条件.     

脉冲等离子体反应器放电特性研究

脉冲放电等离子体被广泛用于气态污染物处理的研究,放电参数直接影响反应器内等离子体状态,进而影响污染物的去除效果,研究不同条件下的放电特性可为脉冲等离子体技术的应用提供参考.本文利用线板式脉冲等离子体反应器, BPFN型高压脉冲电源供电, 研究了电源电容、极板间距及介质阻挡对放电特性的影响.结果表明:增大电源电容可以有效地提高电源能量效率;增大极板间距,峰值电压VP增大,峰值电流IP减小,脉宽减小,波形更加理想;陶瓷板阻挡放电可解决间隙火花放电,使脉冲电晕放电空间分布均匀,在大范围内提高电源能量效率.