基于莫尔偏折的弓网电弧等离子体参数研究

摘要

由于列车运营速度的不断提高、弓网离线频率的不断上升，导致了弓网之间的空气击穿、产生弓网电弧的现象愈加频繁。弓网电弧是一种处于开放环境下的，具有明显高温度、高能量特性的热等离子体，与其他电弧等离子体有着本质的区别。弓网电弧的产生一方面给铁路通信系统带来了严重的电磁干扰;另一方面，产生的高温加速了滑板的磨损和导线的软化变形，极大地缩短列车弓网接触副的服役寿命，更严重者会造成接触网的断线，威胁列车的安全稳定运行，因此对弓网电弧进行深入系统地研究具有重要意义。目前弓网电弧的研究手段比较单一，电弧等离子体的内部参数还有待揭示。而光学诊断技术具有装置简单，对被测对象无干扰等显著的优点。因此基于光学的诊断技术，对弓网电弧等离子体的内部参数特性进行深入研究，有助于完善弓网电弧研究手段和分析理论体系，为降低弓网电弧危害、提高弓网服役性能、推动高速铁路发展提供科学的依据。
　　本文基于莫尔偏折光学诊断技术，阐述了其基本原理、推导了相关的理论计算公式。根据模拟场的重建结果，比较分析了不同重建算法的准确度。通过建立的等离子体物理方程，确定了折射率与温度和电子密度之间的对应关系。搭建了莫尔偏折诊断系统，推算了实验平台空间分辨率。针对莫尔图像的处理，分别论述了条纹骨架提取法和傅里叶变换法的原理与流程。
　　重建了蜡烛的燃烧温度场，验证了实验诊断方法与数据处理的正确性。以小电流下的交流电弧等离子体为对象，研究并分析了温度场的分布规律与原因。对弓网电弧等离子体进行了诊断，揭示了其温度与电子密度的分布，并探究了不同输入电流条件下的变化规律。
　　最后，采集了弓网电弧等离子体的辐射光谱，仿真得到了电弧等离子体的温度，从而验证了莫尔偏折诊断结果的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 等离子体诊断方法

1．2．1 探针法

1．2．2 发射光谱法

1．2．3 光学干涉法

1．3 国内外研究现状

1．3．1 弓网电弧研究现状

1．3．2 莫尔偏折研究现状

1．4 论文的研究内容

第2章 莫尔偏折的原理

2．1 莫尔偏折的理论基础

2．1．1 莫尔条纹的产生

2．1．2 折射率的推导

2．2 折射率的重建

2．2．1 代数重建法

2．2．2 Abel逆变换

2．2．3 模拟场的重建

2．3 等离子体折射率与温度的关系

2．3．1 格拉斯通-戴尔公式

2．3．2 Saha方程

2．4 本章小结

第3章 实验平台与数据处理

3．1 实验平台

3．1．1 实验装置

3．1．2 实验步骤

3．1．3 尺寸的标定

3．2 电弧的产生方式

3．2．1 交流电弧

3．2．2 弓网电弧

3．3 图像数据处理

3．3．1 条纹骨架法

3．3．2 傅里叶变换法

3．4 本章小结

第4章 实验结果

4．1 蜡烛温度

4．2 交流电弧温度

4．3 弓网电弧温度

4．4 光谱测温结果对比

4．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果