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。     

三电极脉冲沿面介质阻挡放电等离子体特性及除冰研究

风力发电机和飞机在低温潮湿环境下运行时存在表面覆冰问题，进而影响装备的正常工作，严重时甚至危害人身财产安全。已有文献发现两电极沿面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)在除冰方面有潜在的应用前景，但仍存在温升小和效率低等问题。为有效提高SDBD表面温度和除冰效率，该文将一接地电极安装在高压电极同侧，构成三电极SDBD结构，研究三电极脉冲SDBD等离子体特性及除冰过程与效果。结果表明：在相同的放电条件下，与两电极脉冲SDBD相比，三电极脉冲SDBD在放电能量、表面温度、发射光谱强度和除冰效果等方面表现出更为优异的能力。在20kV脉冲电压作用下，13mm间隙的三电极SDBD比两电极SDBD的放电能量增加了约1.95倍，最高温度提高了8℃。数值模拟结果也进一步表明：通过脉冲快速加热，三电极SDBD温升范围广和热量空间分布均匀，在除冰方面有很大的潜力。研究结果可为脉冲放电等离子体除冰及相关应用提供参考。     

SDBD等离子体中正、负离子的动量传递效率

为研究表面介质阻挡放电(SDBD)等离子体体积力密度的产生机理,采用粒子图像测速技术测量了SDBD激励器的诱导射流。发现采用正极性纳秒脉冲激励时诱导射流从植入电极指向暴露电极,与一般交流激励SDBD诱导射流方向相反,说明负离子对体积力密度的产生具有重要影响。同时,数值模拟了正极性纳秒脉冲激励下SDBD放电过程,得到了正离子、负离子和电子浓度分布随时间的演化情况;计算了正离子、负离子产生的时均体积力密度,发现整个脉冲放电周期内负离子数密度一直低于正离子,其产生的体积力密度绝对值远小于正离子情况,与实验结果进行对比表明负离子动量传递效率要远高于正离子,正离子的动量传递效率应低于37.9%。电流计算结果表明,放电过程中出现了2个连续正向放电和1个反向放电。     

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。     

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。     

结构及供电电源对沿面介质阻挡放电装置放电特性及臭氧生成的影响

沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体能够高效生成反应活性物质,在生物医学、环保等应用领域得到广泛研究。SDBD装置的结构和供电电源参数是影响其放电特性及反应活性物质生成的主要因素,为此,以具有螺环线形高压电极的管状沿面放电装置为对象,研究了装置结构及供电电源对其放电特性及臭氧生成的影响。结果表明:在相同的供电电压下,螺环线形高压电极的螺距、介质厚度影响电极间的电场强度和分布、放电功率和臭氧生成量,但螺环线形高压电极的线径对放电功率和臭氧生成量几乎没有影响;螺环线形高压电极的螺距存在一个优化值,在螺距低于25mm时,放电功率和臭氧产生量随着螺距的增加而增加,当螺距大于25mm时,放电功率和臭氧产生量基本不再变化;当绝缘介质管厚度由3mm减小到1.6mm时,放电功率提高约2倍,臭氧产生量提高约3倍。同采用50Hz交流电源供电相比,SDBD装置采用9.6k Hz高频电源供电时,在较低的电压下即可获得较大的放电功率及臭氧产量,且臭氧生成的能量效率提高约25%。     

等离子体流动技术在列车减阻应用上的初步研究

随着高速列车速度的不断提高,空气阻力已成为影响列车运行速度和能耗的关键因素。与传统流动控制技术相比,表面介质阻挡放电(SDBD)具有无运动部件、响应迅速和体积小等众多优点,在抑制高速列车边界层分离上表现出较好的应用前景。为了研究SDBD对高速列车流量控制的影响,进行实验和数值模拟。首先,基于实验比较不同形状电极对列车模型的流动控制作用。从功率消耗、放电强度和诱导气流速度等方面进行研究,发现线形和锯齿形电极的功耗和放电强度均高于矩形和曲形电极,而矩形和曲形电极的机电效率高于其他电极。利用烟雾可视化实验,实现了不同电极形状下列车模型周围流场的可视化,发现与线形和锯齿形电极相比,矩形和曲形电极具有较强的流动分离抑制作用。此外,基于Suzen模型对等离子体进行仿真,并结合N-S方程计算列车模型周围的流场。结果表明,SDBD对高速列车减阻有重要影响,随着外加电压的增加,流动分离的抑制效果更为显著。     

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。     

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。     

用于材料表面处理的空气中的均匀介质阻挡放电

为解决针对大气压下气体中尤其是空气中的介质阻挡放电为大量的细丝状放电组成造成的一些材料表面处理效果不均匀甚至在表面形成烧灼的小洞的问题,以及用介质阻挡放电的形式实现大气压下空气中的辉光放电非常困难,大大地限制了这种方法在工业领域的应用的状况,提出了一种能获得均匀介质阻挡放电的新方法。这种均匀放电的特性介于丝状放电和辉光放电之间,可用于织物和无纺布的表面处理,有效改善其可湿性。虽然其电特性与平行平板介质阻挡放电相似,但放电更加柔和,不会对试样造成破坏。它采用圆柱—平板电极结构,其中高压电极为内填金属粉末的介质管,接地电极为介质平板。与平行平板介质阻挡放电或金属圆柱—平板介质阻挡放电相比,这种结构放电的电流和温度分布都更为均匀。实验证明,这种放电可改善无纺布的可湿性而不会造成任何破坏,是一种很好的可用于对织物和无纺布进行表面处理的方法。     

场畸变火花开关电极优化设计及其触发特性

在烟气脱硫脉冲电源中采用场畸变火花间隙为开关,并在探讨开关电极各种形状基础上以旋转椭圆近似法优化设计一近似Ｂｏｒｄａ 电极形状为开关主电极形状,实验研究表明它触发性能可靠,可实现低脉冲幅值触发,且其放电点分布均匀,大大减小了电极烧损,有利于延长开关寿命     

孔阳极大气压直流辉光放电研究

为得到一种简单可靠的大气压直流辉光放电方式,并提高直流辉光放电在织物表面处理领域的实用性,提出了一种孔阳极辅以轴向气流的直流大气压辉光放电装置。实验并记录和讨论了放电图像和放电电流波形,还根据约化伏安特性曲线确定了辉光转化的阈值电压。结果表明孔阳极与轴向气流配合可有效消除辉光放电的不稳定性,产生稳定的大气压直流辉光。另外,考察了放电发射光谱和电极轴线上的光强分布,并确认光强分布具有典型的辉光特征。     

线–板式电除尘器中RS芒刺电极放电特性研究

线–板式电除尘器中管状芒刺类电极几何形状复杂,其电场特性的数值计算面临几何建模的困难,而对电极放电特性的研究是建立合理几何模型的基础。针对实际RS芒刺电极,建立了实验平台,对电极放电特性进行了实验研究,观察确定了电极的放电部位,测量了电场伏安特性和极板电流密度分布,对比分析了电极不同部位的放电情况;利用半球面代替芒刺尖端,通过数值方法获得了电极表面静电场分布。研究结果表明,RS芒刺电极的放电位置主要集中在芒刺尖端区域;无芒刺尖端时,芒刺片会放电;无芒刺片时,芒刺管将放电;而极板电流密度分布与芒刺位置有显著对应关系,离芒刺越近,极板电流密度越大,且沿RS电极长度方向,极板电流密度分布并不均匀。     

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。     

基于Ansoft Maxwell的空气沿面介质阻挡放电仿真与研究

对空气沿面型介质阻挡放电(Surface Dielectric Barrier Discharge,SDBD)进行了仿真与研究,主要对不同介质材料、介质厚度、激励电压、电极尺寸、电极形状对放电特性的影响进行了研究.仿真结果表明:介质阻挡材料介电常数越大,越容易获得较大的电场强度;介质阻挡层越厚,获得的电场强度越小;激励电压越大,获得的电场强度越大;电极尺寸为25 mm×25 mm时获得的电场强度大于尺寸为45 mm×45 mm、35 mm×35 mm、15 mm×15 mm的;采用圆形电极获得的电场强度大于三角形电极、八边形电极、正方形电极.这对于研究空气沿面介质阻挡放电等离子体发生装置奠定了一定基础.     

介质阻挡放电和介质阻挡电晕放电的特性比较

研究了平板-平板电极和线-管电极两种电极结构的放电特性,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试验结果做出了解释。结果表明,平板-平板电极介质阻挡放电表现为微放电脉冲形式,而线-管电极结构介质阻挡电晕放电由于线电极的电晕效应,使得放电更为稳定。     

介质阻挡放电和介质阻挡电晕放电的特性比较

研究了平板-平板电极和线-管电极两种电极结构的放电特性,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试验结果做出了解释。结果表明,平板-平板电极介质阻挡放电表现为微放电脉冲形式,而线-管电极结构介质阻挡电晕放电由于线电极的电晕效应,使得放电更为稳定。     

应用附件系统提高高压穿墙套管的工频干闪电压和污秽闪络电压

套管与一般的绝缘子在电极布置上有所不同,它是一种"插入式"的电极结构,其法兰边缘处的电场十分集中。为了提高套管的外绝缘强度,根据电场分布理论、气体放电理论和沿面放电理论,在现有高压穿墙套管的结构形式上,即在绝缘子的电极形状、电极距离和尺寸参数保持不变的情况下,考虑空间电荷的因素,在绝缘子的电极上或者绝缘体上设置一重和多重主要由有机材料组成的附件系统,将传统绝缘子的二元素结构(电极和绝缘体)改变为三元素结构,即绝缘子由电极、绝缘体和有机材料附件系统三部分组成。试验结果表明,在没有改变套管的电极形状、电极距离和尺寸参数的情况下,应用附件系统可将工频干闪电压提高7.1%,将污秽闪络电压提高81.74%。研究结果对提高高压穿墙套管的外绝缘有一定的指导意义。     

利用旋转电极形成50Hz带状介质阻挡放电的研究

为了改善介质阻挡放电分布形成工业水平均匀放电,研制了旋转电极介质阻挡放电装置,在高频和低频下形成带状放电分布。通过拍摄50Hz半个周期内放电照片,发现放电在半个周期内形成了带状轨迹。这说明在半个周期内,放电残留物随气流流动为下游放电提供初电子,有利于形成带状轨迹分布。在工频条件下,拍摄了不同转速下的放电照片,发现随着转速增加,带状区域扩大,放电分布变得更均匀。上述现象及初步计算分析说明利用电极旋转带动放电残留物与壁电荷发生相对位移改变放电分布是成功的,为下一步实现工业应用水平上的均匀放电提供了可能性。     

沿面介质阻挡放电等离子体及其应用

沿面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体产生技术由于放电空间受限制较小,结构简单,动态响应快,在空气动力学、生物医学以及环境保护等领域有着广阔的应用前景,是近年来的研究热点。为了使读者全面和深入地了解SDBD特性及其研究进展,根据国内外研究者所取得的研究成果综述了SDBD等离子体的研究现状,并对未来发展进行展望。首先介绍了目前SDBD等离子体特性常用的诊断方法,进而评述了SDBD等离子体的实验研究和数值仿真研究进展,并给出了SDBD等离子体在流动控制、风力发电以及生物医学中的应用。重点论述了沿面介质阻挡等离子体的放电特性、影响因素及其优化。结果表明SDBD应用前景广阔,未来需要建立多时间、空间尺度的参数测试与模拟方法,探讨等离子体的化学反应动力学过程,研究流速、海拔、气压、湿度等复杂的外界条件下对SDBD等离子体特性的影响,揭示其在不同领域的作用机制,提升作用效果。