基于等效电气模型的不同条件下介质阻挡放电的仿真与实验研究

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虽然介质阻挡放电(DBD)的研究已经成为目前低温等离子体研究领域的热点,在能源、环境、材料和医学等领域取得了丰富的成果,但是研究方法仍然以繁琐的实验研究为主。传统实验方法仅能够获得直观的放电特性,DBD放电参量的时间变化特性无法直接获得,因此工作量大而繁琐,而仿真研究方法克服了这些缺点。研究DBD的仿真模型主要分为两种:物理模型和电气模型。物理模型基于流体力学方程建立,建模复杂,计算量大且时间长。电气模型是在对放电过程进行分析和模拟的基础上建立起来的,与物理模型相比,建模较为方便,能够有效缩短计算时间。虽然电气模型研究方法已被国内外广泛采用,但是大多数仍局限于单一的电源类型和电极结构,对不同电源类型和电极结构DBD的系统研究仍较少,尤其是大气压等离子体射流(APPJ),因此需要对这方面进行深入研究。本文在对其他研究者的模型进行学习的基础上,通过改进和创新,采用仿真与实验相结合的方法,简化实验,实现了对不同条件下DBD的系统研究。通过了解其放电参量影响,对反应器结构进行优化,从而促进DBD的大规模工业应用。  根据实验室条件,建立高频射流、脉冲射流和不同电极结构DBD的实验装置及测量系统,用于对不同条件下DBD放电特性进行实验研究,并介绍了DBD微观参量计算方法。分析高频射流不同阶段放电特性,解释其电气原理,建立高频射流不同阶段等效电气模型和动态仿真模型。验证高频射流仿真模型的正确性,并用其进一步仿真研究不同外电极形式、外电极位置和内电极长度等因素对高频射流的放电特性的影响,分析其机理。分析脉冲电源工作原理,设计脉冲电源仿真模型。分析脉冲射流放电特性,建立脉冲射流等效电气模型和动态仿真模型。验证脉冲射流仿真模型正确性,利用该模型研究不同外电极形式和外电极位置等因素对脉冲射流放电特性的影响。对高频射流和脉冲射流的优缺点进行了分析。分析不同电极结构DBD放电特性,分别建立对称电极结构(平板、水电极)和不对称电极结构(柱-板、针-板和刃-板)等效电气模型和动态仿真模型。验证模型正确性,分析不同电极结构DBD放电原理。  论文研究结果表明:大气压Ar中高频射流仿真模型可分为电晕、DBD和射流形成三个阶段。经验证,不同阶段的仿真模型都能准确地反映对应阶段的放电特性。仿真研究发现高频电源激励下外电极为铜皮、外电极距管口距离d=40mm和内电极为长电极(165mm)时放电效率最高。脉冲电源仿真模型在分析其工作原理的基础上设计,分为电容充电和电容放电两个阶段。经验证,大气压Ar中脉冲射流仿真模型正确。仿真研究发现脉冲电源激励下外电极为铜皮,外电极距管口距离d=40mm时放电效率最高。相同电压幅值下,脉冲射流放电功率和传输电荷比高频射流要高,而且外加电压幅值较低情况下更明显。不同电极结构DBD仿真模型分为对称和不对称两种。对称模型可以用于仿真研究Ne中平板电极均匀放电和空气中水电极丝状放电的放电特性,不对称模型可以用于仿真研究柱-板、针-板和刃-板的放电特性,经验证模型正确,可以用于进一步研究不同因素影响。加入惰性气体和采用水电极结构是减轻大气压DBD热不稳定性的两种方法。本文研究的不对称电极结构放电特性兼具电晕放电和DBD的特点。
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