空气流对大气压纳秒脉冲介质阻挡放电的影响

发布时间：2017-12-26 03:48

本文关键词：空气流对大气压纳秒脉冲介质阻挡放电的影响　出处：《大连理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着对放电等离子体的研究和认识的逐步深入,人类可以在较大的气压范围内,采用不同的激励方式、不同的放电结构以及多种工作气体来产生具有不同性质的放电等离子体,并将其应用在不同的领域,如流动控制、发动机点火与助燃、材料表面改性、微电子工艺、气体净化、污水处理以及激光技术等。大气压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)具有放电结构灵活、生产效率高、等离子体的气体温度低、较少的运行成本以及不需要真空室等诸多优点,其产生的大气压非平衡等离子体受到越来越多的关注。尤其是纳秒脉冲激励的DBD与传统的交流激励的DBD相比具有多方面优势,如放电更加均匀、能量利用效率更高、电子密度更高以及产生的等离子体具有更高的化学活性等,所以大气压纳秒脉冲DBD等离子体的应用越来越广泛。在大多数大气压气体放电等离子体的应用中,气体流动不可避免。因为放电等离子体在气流中产生,气流与放电之间的相互作用就显得尤为重要。近年来越来越多的科研人员注意到气流对放电等离子体的影响,并做了一些相关的研究工作,发现气流能够显著改变气体放电的特性,如放电模式、放电强度、放电稳定性以及击穿特性等等。但是,目前对于气流影响放电的机制仍在讨论当中。在本文中,我们主要针对空气流对大气压纳秒脉冲DBD的影响开展了如下工作：1、在静止空气中获得了稳定的大气压纳秒脉冲DBD,研究了放电气隙间距和脉冲重复频率(pulse repetition frequency, PRF)对放电的均匀性、击穿电压及放电强度的影响,讨论了纳秒脉冲DBD的机制。实验结果表明,随气隙间距的增大,击穿电压增大,这符合气体放电的帕邢定律,在脉冲峰值电压不变时,放电强度减弱,放电的均匀性下降；而随着PRF的升高,击穿电压减小,放电强度基本不变,放电均匀性提高,这体现了在较高脉冲重复频率下的“记忆效应”更强。2、利用板-板电极结构,在空气流速0-50 m/s范围内研究了气流对不同频率不同放电气隙间距下纳秒脉冲双介质阻挡放电(double dielectric barrier discharge, D-DBD)的影响,讨论了气流对放电影响的机制,并在气流条件下获得大体积弥散的大气压纳秒脉冲放电。通过对放电的电压电流信号和光电流信号的测量,分析了放电过程以及气流对气隙击穿电压和放电强度的影响；通过采集不同条件下放电的单周期图像,分析了气流对放电均匀性的影响；通过采集连续多个脉冲周期的单周期放电图像,分析了放电通道的演化过程；采集了等离子体的发射光谱,通过拟合氮分子的转动温度,分析了气流对放电等离子体气体温度的影响。在此基础上综合分析了空气流中纳秒脉冲DBD的物理规律,结果表明,在较高频率较大气隙间距时气流对放电的影响更加明显。3、采用单介质阻挡的板-板电极结构,在阴极阻挡(裸阳极)和阳极阻挡(裸阴极)两种条件下对比研究了气流对纳秒脉冲单介质阻挡放电(single dielectric barrier discharge, S-DBD)的影响。通过高压探头和电流探头及光电倍增管分别测量不同放电条件下的电压、电流和光电流波形,分析单个脉冲放电的物理过程,同时分析了空气流速改变时放电气隙的击穿电压、放电强度的变化情况；采集单周期放电图像,分析了气流对放电均匀性的影响：采集放电等离子体的发射光谱,分析了气流对放电等离子体的温度的影响；采集时间分辨的放电图像和放电空间的纹影图像,分析了气流对放电影响的物理机制。4、采用线-线电极在大气压下对比研究了气流对体介质阻挡放电(volume dielectric barrier discharge, VDBD)和沿面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge, SDBD)的影响。在较高频率下,随着空气流速的增大,VDBD的击穿电压增大,放电形态由静止空气中的丝状放电转变为弥散放电；但是对于SDBD,气流几乎没有影响。主要原因是沿面放电中产生的空间电荷和其它粒子都积累在尼龙板表面上,气流对其密度和分布的影响较小。而对于VDBD和SDBD相叠加的情况,在静止空气中会形成自组织放电,但是当电极间距超过10 mm时,放电呈现弥散的模式。另外,在较大的电极间距下放电的光电流强度随气流的引入而增强。5、在较高频率和较大气隙间距下,研究较大流速(0-260 m/s)的气流对纳秒脉冲D-DBD的影响,实验结果表明,放电气隙间距7mm,在脉冲重复频率为1200 Hz时,当空气流速大于50 m/s时,进气口一端放电又由弥散模式过渡到丝状放电模式,而且随着空气流速的进一步增大,两种模式的边界向出气口方向移动,当空气流速超过140 m/s时,放电完全转变为丝状模式：击穿电压在小气流时呈增大趋势,在流速超过50 m/s时击穿电压基本不随空气流速变化,主放电峰值电流随空气流速的增大呈减小趋势。而脉冲重复频率为100 Hz时,放电形态基本不随空气流速变化,始终维持丝状放电,随着空气流速的增大,击穿电压略有减小,主放电峰值电流略有增大。另外,利用水电极从正面观察了空气流速逐渐增大时放电通道的移动和放电通道之间的相互作用。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O53

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