空气流对大气压介质阻挡放电特性影响的实验研究

摘要

大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)因其对工作环境、电极结构和电源参数等要求简单且易于实现规模化而在军事和工业应用领域备受关注。围绕大气压放电，研究者们主要关注放电强度、稳定性和均匀性的提高，以期得到较高的应用效率和广泛的适用环境。其中，放电均匀性一直是众多研究人员关注的重点。目前已在大气压氦气或氮气中得到较大气隙间距中的均匀放电，并且在研究中发现气流有助于均匀放电的产生与维持。在大气压空气放电中获得均匀放电通常是比较困难的，施加气流同样有利于放电均匀性的改善。同时，在大气压空气放电的诸多应用中，气流环境往往不可避免，气流的存在就会强烈地影响放电特性。因此，明晰气流对空气放电的作用机制对大气压放电应用具有重要的实际意义，同时也有助于加深对相关放电特性的理解，具有很高的科学价值。本文利用交流电源和纳秒脉冲电源激励板-板DBD结构或针-板DBD结构在大气压空气中产生放电，针对空气流对DBD特性的影响，开展以下研究: 1.使用交流电源激励板-板DBD结构，在大气压空气中产生放电，通过测量放电电压电流波形、发射光谱信号和拍摄不同曝光时间的放电图像，研究了流速为0-40m/s的空气流对放电特性的影响。结果表明，气流使放电击穿电压降低，电流脉冲数目增多且幅值减少;通过光谱拟合计算得到气流条件下气体温度和电子温度降低，电子密度不变。气流中放电仍为丝状模式，但在不同气流速度下放电表现出不同的宏观分布形态:气流速度小于等于10m/s时，放电为沿气流方向辐射的流线状分布;气流速度大于10m/s时，在气流仍为层流的条件下，放电出现絮状分布。当放电为流线状分布时，可以观察到放电丝通道在不同放电周期中沿气流方向移动，计算得到的放电丝通道移动速度正比于且小于相应的流速;当放电为絮状分布时，放电丝通道产生位置在小范围内随机跳动且无定向移动。通过分析气流对放电衰减阶段中带电粒子的作用对实验现象进行了解释。更低的击穿电压可以使放电空间中产生更多放电丝通道，气流通过影响放电的记忆效应使放电丝通道产生位置在周期间发生变化。总体而言，放电均匀性有所提高。 2.使用交流电源激励板-板DBD，在大气压不同气体（包括环境空气和干燥的空气、氮气、氧气）中产生放电并施加气流，研究气流对放电击穿特性的影响。分别考察了第一个放电通道出现时对应的放电起始击穿电压和连续放电中每半周期中电流脉冲出现时对应的击穿电压随气流速度的变化。随着气流速度的增大，环境空气放电中起始击穿电压单调减小，而击穿电压先在低流速下有一明显下降，随后又随气流速度增大而增大，并且在流速大于10m/s时不再变化。同样使用其他干燥气体进行了实验，发现起始击穿电压不变，干燥空气和氮气放电的击穿电压先增大后在流速大于10m/s时不变。通过测量气体湿度、温度及亚稳态粒子浓度随气流速度的变化，可以发现气体湿度降低是起始击穿电压和击穿电压降低的原因，而热量和亚稳态粒子的损失是导致气流速度较大时击穿电压再次升高的原因。 3.针对交流电源激励的针-板DBD，通过测量放电电压电流波形和拍摄时间分辨放电图像，分析了气流速度为0-50m/s时的针-板放电特性，分别使用单针-板电极和双针-板电极研究了空气流对放电通道移动特性和放电通道间相互作用的影响。单针-板电极放电实验结果表明，气流使放电正周期“类辉光”放电增强，负周期“流注”放电减弱。放电通道在气流作用下向下游方向弯曲并在气流方向上移动，移动速度正比于且小于相应的气流速度。改变气流高度可以发现，更靠近针尖位置的气流可以使放电在更小的流速下由丝状放电转化为弥散放电。双针-板电极放电实验结果表明，当双针电极距离为10mm时，双针放电通道间存在明显的排斥现象;当双针电极距离为20mm时，这一排斥现象不再明显。施加气流后，双针放电通道间的排斥力和气流拖拽力会共同影响放电通道的移动:对于上游放电通道，静电排斥力与气流拖拽力方向相反，只有气流拖拽力大于静电排斥力时，放电通道才会向下游方向弯曲;对于下游放电通道，静电排斥力与气流拖拽力方向一致，则放电通道向下游方向移动的范围更大。 4.针对纳秒脉冲空气板-板DBD，通过拍摄放电长曝光图像和连续放电周期的高速相机图像以及测量不同放电区域的光电流信号，研究了高速(0-280m/s)气流条件下纳秒脉冲弥散放电的产生及演化。实验发现，气流条件下得到两种新的纳秒脉冲放电形态:弥散放电（diffuse discharge，DD）和细密的丝状放电(thin filament discharge，TFD)。较小气流速度下，整个放电空间为DD;气流速度增大，上游放电区域出现TFD，下游放电区域仍为DD，且随着气流速度增大、脉冲重复频率降低、施加电压降低，TFD区域长度增加;当气流速度大于110m/s时，TFD区域长度大于电极总长度，整个放电空间表现为TFD。连续放电周期的高速相机图像表明，DD和TFD先后在上游电极边界处产生并在气流中随时间向下游方向演化，在经过几百个脉冲周期后放电形态空间分布达到稳定，TFD或DD向下游方向演化的速度远小于气流速度和放电丝通道的移动速度。分析认为，上述现象是由横向电场和气流作用下电荷分布发生改变导致的。气流条件下纳秒脉冲放电模式发生改变，且放电均匀性得到很大提高，这对于实际应用具有重要的意义。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1大气压冷等离子体概述

1．1．1等离子体概述

1．1．2大气压冷等离子体的产生

1．2大气压介质阻挡放电

1．2．1 丝状放电

1．2．2斑图放电

1．2．3均匀放电

1．3气流对放电影响的研究

1．3．1气流对单独放电通道的影响

1．3．2气流对沿面介质阻挡放电的影响

1．3．3气流对体介质阻挡放电的影响

1．4论文的选题及研究路线

2气流对板-板介质阻挡放电丝通道的影响

2．1实验设备及诊断方法

2．2气流对放电电学特性的影响

2．3不同气流速度下放电发射光谱测量

2．3．1放电气体温度

2．3．2电子密度和电子温度

2．4气流对放电形态的影响

2．5气流中放电丝通道的移动

2．6不同气隙间距下气流中放电丝通道的移动

2．7本章小结

3气流对板-板介质阻挡放电击穿特性的影响

3．1实验设备及诊断方法

3．2气流对放电起始击穿电压的影响

3．3气流对放电击穿电压的影响

3．4本章小结

4气流对针-板介质阻挡放电的影响

4．1实验装置

4．2静止空气条件下针-板放电特性

4．2．1放电电学特性

4．2．2放电发光特性

4．2．3 双针放电通道间的相互作用

4．3不同高度气流对针-板放电特性的影响

4．4气流对单针放电通道移动的影响

4．5气流对双针放电通道间相互作用的影响

4．6本章小结

5高速气流对放电的影响

5．1 引言

5．1．1研究背景

5．1．2纳秒脉冲放电概述

5．2高速气流产生装置搭建

5．3 高速气流对中频交流介质阻挡放电形态的影响

5．4高速气流下弥散纳秒脉冲放电的产生与演化

5．4．1 实验及测量装置

5．4．2气流对纳秒脉冲放电形态的影响

5．4．3 气流下放电形态随时间的演化

5．5本章小结

6结论与展望

6．1 结论

6．2创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介