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。     

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。     

高频高压激励环形表面介质阻挡放电特性实验研究

该文基于高频高压电源,研究不同电压幅值和电源频率对环形表面介质阻挡放电的放电特性以及流场分布的影响。结果表明,位移电流随外加电源电压按照正弦规律变化,但是有正向偏置存在;放电过程中,放电模式随着电压幅值的增加由丝状放电向弥散放电转变,当频率升高时,弥散放电的程度更加明显;放电过程中消耗的平均功率随着电压幅值的增加逐渐增大但并不与电压二次方成正比,在频率变化时,放电消耗的平均功率与频率成正比;诱导气流沿着垂直于介质板的方向延伸,且气流高度可达90mm以上;通过搭建三维模型进行仿真计算得到放电区域外电场分布,计算发现外电场在靠近高压电极放电边缘处最大,向地电极方向和垂直介质板方向衰减;在相同空间点处,环形表面介质阻挡放电的外电场高于条状表面介质阻挡放电的外电场,越靠近高压电极边缘,两种结构外电场差值越大。计算结果可以解释放电过程中观测到的现象。     

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%。     

新型介质阻挡放电等离子体激励器的放电与诱导流动特性实验

等离子体流动控制扩大压气机稳定性对等离子体激励器的诱导气流速度提出了更高的要求。进行了新型布局介质阻挡放电等离子体激励器的放电特性与诱导流动特性研究,实验研究不同放电电压和占空比对激励器诱导气流速度的影响,并与传统布局激励器进行了对比分析,探讨其在压气机扩稳实验上应用的可能性。结果表明:相对于传统布局等离子体激励器一个放电周期内有一次"强"放电和一次"弱"放电,新型布局等离子体激励器有两次"强"放电;放电频率为15k Hz时,新型布局激励器的诱导气流速度在较低电压下比传统布局激励器小,在较高电压下比传统布局激励器大,最大速度能达到4.7m/s,因此在高电压下能够更好地抑制压气机叶顶泄露流或泄露涡的流动;两种激励器产生的射流都为紊流,随电压增高诱导气流紊流度增大,且新型布局激励器在高电压下紊流度更大,能更好地促进压气机主流与附面层之间的掺混;固定放电电压和放电频率,两种激励器的诱导气流速度均随着占空比增大而线性增大。     

激励参数对等离子体EHD加速效应影响的试验研究

在静止空气中,进行了激励参数对等离子体EHD加速效应影响的试验研究。在激励频率固定的情况下,诱导气流速度随激励电压的增加而近似线性地增加;在激励电压固定的情况下,诱导气流速度并非随频率的增加而线性增大,而是存在一个最优频率,在这个频率下测得的诱导气流速度最大。试验获得的激励电压、频率对诱导气流速度影响的定量关系有助于进一步揭示辉光放电等离子体EHD的机理,也为等离子体在流动控制方面的应用奠定了基础。     

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。     

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。     

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。     

高频介质阻挡放电传输电荷影响因素的研究

利用高频介质阻挡放电(DBD)实验装置和测量系统研究了外加电压幅值、气隙距离和电源频率等因素对高频DBD单个周期传输电荷的影响,并结合气体放电理论对实验结果进行了分析。结果表明,介质表面积聚的表面电荷影响高频DBD的电荷传输特性,高频DBD单个周期传输的电荷随外加电压幅值和电源频率的增加而非线性增加,随气隙距离的增加而非线性减小。     

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。     

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。     

直流局部放电干扰源研究

局部放电作为影响绝缘老化的主要原因之一,是评估电气设备绝缘性能,研究绝缘老化趋势的重要手段。为掌握直流下局部放电波形的特性,笔者结合直流换流阀试验,对悬浮电位、高压尖端放电、地尖端放电3种典型缺陷的直流局部放电典型干扰源进行模拟研究。在直流电压逐步升高的情况下,从放电脉冲的极性、放电脉冲的位置、放电脉冲的幅值、放电脉冲的根数4个方面对特征进行总结、归纳,为直流下缺陷类型的识别奠定了基础。     

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%。     

锯齿等离子体气动激励器放电特性与加速效应

为研究新型布局的锯齿等离子体气动激励器的放电特性与加速效应,在常规大气环境下测量了不同激励参数下的频率—放电电压—放电电流—电源电流以及等离子体气动激励器诱导的边界层速度。结果表明:与常规布局等离子气动激励器相比,布局形式改变后谐振频率保持不变,放电电压相差不大,但放电电流变小,消耗的功率变小;诱导速度与激励电压呈近线性关系变化,速度值较常规布局小,其尖端放电诱导的气流对流场的扰动影响有待进一步的研究;实验还发现锯齿等离子体气动激励器放电时离子流对绝缘材料有很强的破坏作用。     

高速气流对绝缘子表面放电特征的影响

为了研究高速气流环境下绝缘子的表面放电特征,建立了高速气流环境下绝缘子放电试验的微型风洞试验系统,进行了两种典型结构的绝缘子试样的工频放电试验,结果表明绝缘子的放电具有多通道滑闪和非沿面放电等特征。基于计算流体力学可压缩Navier-Stokes方程和有限元数值分析,计算并得到了绝缘子周围气流的速度和压强分布特性,特别是绝缘子侧风面的高流速和低气压特征。研究分析认为高速气流的吹弧效应对绝缘子放电通道或电弧的形态起主导作用,以及低气压效应对滑闪或放电的起始位置起决定作用,而边界层效应则保持沿绝缘子表面延伸的电弧不受吹弧效应影响。     

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。     

脉冲电源驱动多针—平板电极介质阻挡放电影响因素研究

笔者采用μs振荡脉冲电源驱动多针—平板电极,产生空气中介质阻挡放电(DBD),测量了不同条件下放电的电压电流波形,拍摄了放电发光图像,并进一步计算得到放电功率和传输电荷量等主要放电参量,研究了多针电极密度、外加电压幅值和气隙距离对多针—平板电极DBD放电特性和放电参量的影响,并结合放电机理对所得到的实验结果进行了分析....