曲面结构的表面电荷反演计算方法

研究高压直流输电线路下绝缘材料表面电荷积聚与消散规律时,只能根据绝缘材料表面静电电位反演计算得到电荷密度,但当材料表面为曲面时,很难准确计算出材料表面电荷密度.提出了一种针对曲面的电荷密度反演计算方法,针对曲面的绝缘材料,合理、密集地选择电位测量点,通过多轴运动控制器得到电位测量点的相对位置坐标,再按测量点将曲面划分为三角形的网格,求出各点处的法向量,进而反演出表面电荷密度.测量得到的3D打印的曲面圆盘和悬式绝缘子表面电位,以此为算例计算其表面电荷密度.计算结果同理论分析趋势一致,绝缘材料表面的静电电位与电荷密度相关性较强,电位高的区域对应的电荷密度也大;电荷分布按照离放电电极距离的远近,呈现"同心圆"分布;但靠近悬式绝缘子钢帽的区域电荷难以积聚,电荷密度小.     

利用探针法研究二次电子发射过程中介质材料的表面电位

为研究介质材料二次电子发射过程中表面电位的测量手段及相关规律,以拒斥场会影响二次电子出射为基础,提出了能够原位测量介质材料表面电位的探针法。首先,利用专业电磁仿真软件对探针法原理进行了研究,计算了探针附近电位分布和探针偏压对二次电子发射系数的影响曲线,此曲线拐点处对应的探针偏压即为样品的表面电位;其次,用铜样品进行了实验研究,验证了探针法测量样品表面电位的可行性;最后,将探针法应用于介质材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),对其表面电位进行了实验测量和研究。结果表明:栅网偏压和入射电子能量对PMMA表面电位有直接的影响,PMMA表面电位总是高于栅网偏压,两者呈线性关系;随着入射电子能量的增加,PMMA表面电位呈现先升高后下降的趋势。实验结果与理论分析相一致,验证了探针法测量介质材料表面电位的可行性。该方法操作简便、成本低廉,而且实现了原位在线测量,减小了实验中的不稳定性,对介质材料二次电子发射机理的研究有一定的参考价值。     

气固绝缘系统电场模型的建立与求解方法

针对目前气固绝缘系统直流电场计算所普遍采用的恒定电流场计算方法过于简化,尤其对于电流密度存在饱和现象的气体介质计算误差较大的问题,建立了基于介质内部和分界面上电荷驰豫过程的复合绝缘系统的电场模型,通过构建自由电荷密度方程并实时计算电荷产生的泊松场分布,获得了体电荷和界面电荷密度分布的暂态变化过程;建立了基于气体自然电离和离子迁移、扩散运动的弱电离气体的电导模型,准确表征了气体电流密度与场强的非线性关系。制作了常用于GIS/L的柱式绝缘子实验模型,测量了直流电压下绝缘子表面的电位分布,并与计算结果进行了对比,结果表明:计算得到的表面电位分布的整体变化趋势以及各电位峰位置均与测量结果吻合较好;发现弱电场下绝缘子配置嵌件时表面主要积聚同号电荷,强电场下则正好相反,同时负极性电压下的阴极发射电子过程将增大空气侧电流密度。     

采用收拢式表面的二次电子发射抑制策略

针对二次电子谐振倍增引起的微放电效应导致微波部件传输性能降低的现象,提出了一种能显著抑制二次电子的收拢式微陷阱表面结构。首先,通过分类处理弹性背散射、非弹性背散射以及真二次电子出射概率得到平整表面的总二次电子出射特性;然后,采用粒子模拟的方法跟踪二次电子在收拢式陷阱结构内的级联再入射过程,获得收拢式陷阱结构对二次电子的抑制特性,从而得到收拢式表面结构对不同类型出射电子的抑制效果和二次电子能谱变化趋势,以及表面结构参数对二次电子发射特性和微放电品质因子的影响规律。仿真结果表明:收拢式表面使得二次电子产额在各个能量段整体下降,对应的二次电子能谱呈现更集中的趋势。收拢式结构中的矩形宽度对二次电子的影响呈先减小后增加趋势,而矩形深度能呈线性地提高微放电的品质因子。这种收拢式结构的椭圆水平轴长在最优的情况下比相同孔隙率和深宽比矩形陷阱结构对二次电子发射的抑制效果提高21.2%,同时使微放电品质因子提升24.97%。     

导线内部电场与电荷密度分析及研究

导线表面电荷的分布是不均匀的,各点电场强度的大小也不同。采用表面电荷法计算导线表面的电荷密度,然后求出导线表面各点的最大电场强度值。通过计算方法能够反映出电荷密度及电场强度沿导线圆周分布的情况,同时估算了一下电荷密度的数量级。     

基于羽流污染的霍尔推进器电荷交换碰撞效应分析

推进器喷射过程中在尾部形成羽流区,羽流区域发生电荷交换碰撞,产生的电荷交换(charge exchange, CEX)离子与航天器表面相互作用,对在轨运行的航天器产生羽流污染效应.基于SPT100霍尔推进器建立了完整的航天器三维仿真模型,在满足准中性假设的条件下,采用PIC-MCC方法,通过模拟和计算航天器表面电势分布、电荷交换碰撞后的CEX离子电荷密度分布以及束流离子电荷密度分布规律,分析了CEX离子对航天器表面充放电的影响以及造成的羽流污染影响区域范围,为霍尔推进器系统的进一步优化设计提供理论参考.     

基于能量释放的深井巷道断面形状优化

选取矩形、直墙拱形、梯形、圆形和椭圆形共5种典型断面形状的巷道,基于UDEC程序分析巷道的围岩能量释放特征、应力及塑性区分布规律,并分析水平构造应力对它们的影响。研究结果表明:巷道围岩稳定性受断面形状影响显著,巷道边界线越光滑,能量释放量越低,主应力差不均匀区域及塑性区范围越小;深井巷道的最优断面形状为圆形及椭圆形。针对围岩的不同应力状态选择不同的断面形状,能够有效减少围岩塑性区及主应力差分布不均匀区域的范围,降低巷道的冲击危险性。     

改性聚四氟乙烯膜在油田含油污水中的表面ζ电位和电荷密度

对油田含油污水中不同孔径的改性聚四氟乙烯膜的流动电位进行了实验研究.根据Helmholtz-Smoluchowski方程算出改性聚四氟乙烯膜的微孔表面ζ电位,再根据Gouy-Chapmann方程,估算出膜表面的电荷密度.并对油田含油污水中悬浮颗粒的ζ电位进行了测定.结果表明:改性聚四氟乙烯膜表面带有负电荷,表面Zeta电位稳定在-20mV左右,而污水中悬浮颗粒ζ电位也为负值.由于膜表面电荷的作用,使膜具有更强的截留悬浮物颗粒及抗污染能力.     

变密度微圆坑表面织构在往复运动下的减摩作用

为了研究变密度微圆坑表面织构在往复运动下的减摩效果,根据活塞-缸套往复运动的变速特点,在模拟缸套的块试件的滑动接触表面行程上加工出不同均匀密度组合的微圆坑织构,与模拟活塞的销试件进行往复滑动摩擦试验.结果表明:与其他均匀密度织构相比,在较低载荷下,密度为0.1的均匀织构表面在较宽的滑动速度范围内表现出最佳的减摩效果,在较高载荷下,低速时的减摩效果较显著;中间区域为低密度、两端区域为高密度的变密度织构表面具有润滑减摩效果,反之设计的变密度织构表面则具有增大摩擦系数的作用;密度组合为0.3-0.1-0.3的变密度织构在较高载荷和滑动速度时能达到最佳的润滑减摩效果.因此,变密度织构在往复运动摩擦副接触表面设计中应该是低密度织构在中间,高密度织构在两端,密度的高低应该有一个合适的范围.     

ERT／ECT双模态敏感阵列电极优化设计

在过程层析成像系统中,传感器电极阵列的设计直接影响到整个系统．为了使系统获得更高的图像分辨率,通过电磁场有限元仿真软件COMSOL分析,构建ERT／ECT双模态敏感阵列电极三维模型．基于敏感场分布的均匀性、相关系数及空间分辨率等优化指标,进行了ERT／ECT双模态敏感阵列电极优化设计．实验表明,三维ERT电极选圆形电极,且其电极直径为0．3s;而三维ECT阵列电极选矩形电极,其宽为0．65s,高为1．8R（s为2πR／16;R为管道半径）为佳．优化设计的敏感阵列电极可获得较均匀的灵敏场分布及较高图像质量．