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。     

大气压N2-O2混合气纳秒脉冲表面介质阻挡放电建模仿真

大气压N2-O2混合气ns脉冲表面介质阻挡放电(SDBD)机理是等离子体气动激励与流动耦合作用机制研究的重要内容。为此,耦合等离子体化学反应动力学方程和考虑能量的等离子体漂移-扩散方程组,建立了大气压下N2-O2混合气ns脉冲放电的2维模型。考虑15种粒子、对应的电子碰撞反应以及35个化学反应过程,得到了SDBD的伏安特性、电荷分布和能量分布。综合分析电荷及电子能量分布结果表明,高能电子撞击是产生离子的主要方式,而低能电子的累积和离子在电场驱动下的定向运动是使放电呈现非平衡的重要原因。将计算结果与实验获得的伏安特性数据、放电形态和光谱分析结果进行了比照分析,发现2者比较相符,验证了模型的可靠性。     

基于介质阻挡放电的等离子体除冰实验研究

通过放电测试、热像测试和静态除冰实验,探索基于不同介质阻挡放电形式的等离子体除冰效果及机理,为提高等离子体激励的除冰能力提供参考。结果表明,纳秒脉冲介质阻挡放电的放电通道长,作用范围广,单周期能量为交流正弦波介质阻挡放电的50%。介质阻挡放电激励器高低压电极交界处温度最高,产热区域主要位于低压电极上方。交流正弦波介质阻挡放电主要以介质层产热来除冰,可以更快地突破冰层的潜热,融化冰层的方式为"线状"扩展,加热范围大但温度低;纳秒脉冲介质阻挡放电在除冰过程中能够产生等离子体,融化冰层方式为"点状"扩大,加热范围较为集中且温度高,其静态除冰性能优于交流正弦波介质阻挡放电;冰层厚度越小,激励电压越大,除冰效果越好。     

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。     

脉冲放电反应器的电极结构和放电特性研究

脉冲放电等离子体化学过程广泛用于处理气态污染物的研究 ,反应器的电极结构直接关系到放电等离子体的形成和放电能量的利用效率 ,研究电极结构可为脉冲放电等离子体化学过程的应用提供参考。用线 -板式脉冲放电等离子体的电极结构 ,正极性纳秒级脉冲高压电源供电 ,研究了线 -板电极间距、放电线相邻间距、电场中放电线的分布对放电特性的影响 ,得到放电线间距和线 -板电极间距的合适比例范围 ,在该范围内流光所消耗的能量高     

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。     

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.     

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.     

AC激励下的针-水电极等离子体特性

为研究AC激励产生的等离子体的物理特性,通过电压电流波形测量和高速摄影仪拍摄对AC激励产生针-水电极等离子体的电特性和放电现象进行了研究,并通过比色分析法对生理盐水中生成的H2O2浓度进行了测量。研究表明:20kHz激励下的针-水电极的放电过程存在脉冲模式和连续模式2种工作模式。在脉冲工作模式下,当电极两端电压极性发生改变时,等离子体熄灭,每1个电压周期都需要较大的电压来击穿气体间隙,但此击穿电压比初始击穿电压低许多倍。在连续工作模式下,等离子体放电强度变强,且持续存在于放电间隙。针-水电极放电产生的等离子体可以在生理盐水中有效地生成H2O2,且在脉冲工作模式下生成H2O2的效率更高。然而,由于Fenton反应的影响,AC激励针-水电极放电等离子体对生理盐水的处理时间应≤50s。     

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。     

低气压SDBD等离子体体积力结构参数影响

采用粒子图像测速技术对7 kPa气压下表面介质阻挡放电等离子体诱导射流进行测量,根据速度场利用二维N-S方程求解得到等离子体体积力空间分布,研究了电极宽度与电极间隙对诱导体积力与速度的影响。实验结果表明:电极宽度对体积力与诱导速度影响较大。采用相对较宽的植入电极能够取得更大的体积力与诱导速度,存在最优暴露电极与植入电极宽度比以取得最佳控制效果。增大电极间隙,体积力与诱导速度先增加后下降,气流加速距离增加,并存在最优电极间隙。采用电极宽度比约0.56,电极间隙为6 mm时取得最佳控制效果。     

微秒和纳秒脉冲激励下甲烷DBD电学特性研究

利用等离子体技术可以裂解甲烷,产生C2烃和氢气等具有更高价值的物质。对等离子体放电参数优化以提高甲烷等离子体转化效率具有重要意义。文中基于同轴DBD反应装置,在自主研制的微秒和纳秒脉冲电源的激励下,改变电源参数和气体流速,研究了甲烷裂解过程中不同参数下初始击穿电压的变化规律、放电图像、Lissajous图形以及单脉冲内的能量和功率,为甲烷转化提供参考。实验结果表明,两台电源作用下气体初始击穿电压均随脉冲重复频率的增加而下降,但纳秒源作用时该趋势更明显;放电强度均随脉冲重复频率增加而加强,相同参数下,微秒源作用时放电更强;施加电压一定时,不同脉冲重复频率以及不同气体流速下Lissajous图形形状几乎一致,微秒源作用时的图形更接近典型的平行四边形;气体流速和脉冲重复频率相同时,两台电源单脉冲内放电能量与所加电压几乎成直线关系变化,气体流速和施加电压相同时,单脉冲内放电能量几乎不受脉冲重复频率的影响,但是纳秒源可以得到更高的瞬时功率。实验表明,脉冲电源可以作用于DBD反应器用于转化甲烷,纳秒源作用时系统的效率比微秒源更高。     

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%。     

低气压大体积等离子体发生及其电参数特性研究

低气压大体积的均匀等离子体在材料处理、催化剂的活化和再生等领域有很好的应用前景。为研究理想的低气压大体积等离子体发生装置,在自制的真空反应器中采用平行板电极,在10~100 Pa的气压下,利用脉冲宽度小于50μs、峰值电压小于3 kV、频率50~104 Hz的双极性脉冲源,发生了最大体积约为21 L的均匀等离子体。对放电时反应器的电压电流波形进行了测试,获得在不同压强的空气、氧气、氩气介质,不同的电极间距下,放电的起始电压,以及空气中等离子体功率随气体压强、电极间距、极板面积、脉冲频率及电压峰值等不同参数变化的数量关系。结果表明:在3种介质中均获得了大体积均匀等离子体,最大体积为21 L,且空气中气压50 Pa时,生成等离子体的均匀性和放电的稳定性较好;在20~100 Pa的空气中,电极间距为10~30 cm时,放电起始电压随着气压和电极间距增大而增大;放电的功率密度与极板面积无关,随气压、脉冲频率、电压的增大而增大,随电极间距的增大而减小。     

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。     

调制脉冲等离子体的放电特性及降解异戊烷的实验研究

为了提高放电等离子体降解VOCs的处理量,降低反应装置在放电过程中的温度,实验利用调制脉冲电源驱动多层平板式介质阻挡放电装置产生低温等离子体,考察了放电过程中的温度变化以及O_3产量,并进行了异戊烷降解的实验研究。结果表明:调制脉冲放电可以分为放电阶段和放电间歇两个阶段,放电能量主要集中在放电阶段;减小占空比有利于减少欧姆热效应,降低反应器的温度,提高O_3产生的能量效率;调制脉冲放电可以有效地利用放电阶段产生的自由基以及活性物质,在占空比20%时,能量效率可以达到9.8 g/(kWh)。     

线电极和线电极阵列结构的大气压空气纳秒脉冲放电特性

近年来,由于可以在大气压空气中形成较稳定的低温弥散等离子体,重频纳秒脉冲放电受到了广泛的关注。基于一台紧凑型高压重频纳秒脉冲发生器并采用线电极结构,研究了线电极距离、线电极长度、重复频率和多对线电极之间的距离对放电特性的影响。实验结果表明这些参数的变化都会引起弥散放电强度的变化或者放电电弧的产生。长线电极结构有利于抑制电弧的形成,而短线电极结构有利于增强线电极间隙中等离子体的能量。采用多根短线电极平行交叉排布的阵列结构在兼具两者的优点同时,放电强度也没有明显的降低。相关研究结果对于使用阵列电极结构获得大面积放电等离子体的研究具有一定的参考价值。     

同轴电极脉冲电晕放电形态的研究

通过理论推导得到脉冲电晕放电等离子体的电子平均能量 (用电子温度表示 )与同轴电极系统中的击穿电压有成正比的关系。实验研究了同轴电极系统中脉冲电晕等离子体中脉冲波形参数 (脉宽和上升时间 )对电极击穿电压峰值 (电子平均能量 )的影响 ,结果表明 ,减短脉冲宽度和减少脉冲上升时间可提高反应器的击穿电压并增加激发电子的能量。     

二维对称结构纳秒脉冲介质阻挡放电数值模拟

为具体分析放电过程中电场强度、电子密度、平均电子能量及鞘层的变化规律,通过简化化学反应动力学模型以及采用全时域漂移-扩散模型方程,对N2-O2混合气体的二维平行电极纳秒脉冲介质阻挡等离子体放电的发展演化过程进行数值模拟。计算结果发现:放电从电极处开始发展形成约化场强约为5×10-19 V?m2的强电场,高电压电极附近形成0.2 mm的鞘层区域,鞘层边缘存在数密度为1.6×1019 m-3的薄电子层,且其边缘分层结构与低气压辉光放电鞘层分层结构一致;电子沉积在介质表面,等离子体从强电场中获得的能量使得其在脉冲结束后的余辉过程中继续维持,进而有效地将能量耦合给等离子体。数值模拟结果表明,提出的简化化学反应动力学模型能够有效地模拟复杂的介质阻挡纳秒脉冲放电的物理过程及其各个物理参数的变化规律。     

多针-板高压脉冲放电反应器结构优化及降解甲醛的实验研究EI北大核心CSCD

为了进一步提高脉冲放电能量注入效率达到有效去除有机污染物的效果,对自制多针-板高压脉冲放电反应器的电极结构配置优化进行了实验研究。通过研究不同针板间距和针针间距对脉冲功率密度的影响来优化了电极结构配置,在此基础上进一步研究了不同电参数和气体参数对脉冲放电能量注入效率和甲醛降解率的影响规律。结果表明：随着针板间距的增大,对应的脉冲功率密度随之减小,脉冲放电最大可注入的脉冲功率密度在针板间距为20 mm时达到极值;当针板间距为20 mm时,随着针针间距的增大,对应的脉冲功率随之增大,脉冲功率密度随之减小,当针针间距增大到20 mm时脉冲功率增幅已经很小,但针针间距在15~20 mm范围内时脉冲功率密度变化很小,兼顾放电稳定性和脉冲功率密度,针针间距为20 mm较优。在优化的反应器结构下进行的甲醛降解实验研究发现：当脉冲峰值电压为17 k V、脉冲重复频率为40 Hz、气体体积流量为0.3 L/min且反向进气时,该实验的甲醛降解效果达到最佳,甲醛降解率和能量注入效率分别为87.1%和3.19 g/（k W·h）。