不同级联方式的多级沿面介质阻挡等离子体激励器的放电和反推力特性研究

为研究不同级联方式下,多级沿面介质阻挡等离子体激励器的放电和反推力特性的不同,本文基于典型的沿面介质阻挡等离子体激励器结构,开展了单级、两级并联和两级串联激励器在静止大气环境下的放电实验和天平测力实验。实验中,激励器的驱动电压波形为正弦波,频率为1 kHz~3 kHz。通过高压探头和电子天平分别测得激励器工作的电流、电压信号和其产生的反推力,基于Lissajous图分析了激励器的放电功率。最后,从伏安特性、放电功率、反推力和放电辉光等方面对实验结果进行了对比分析,获得以下结论：在同样的驱动电压参数下,两级并联激励器的放电电流、放电功率和反推力均相对最大,两级串联激励器的则相对最小,单级激励器居中。在工作模式方面,两级并联激励器的每级承载电压相同,相互独立,放电同步,但存在逆向放电;两级串联激励器的每级间存在强耦合,承载电压不同,放电不同步,接高压端级放电优先,近接地级放电迟缓,由于等势体的存在,不存在逆向放电。     

大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器流动控制特性综述

主要针对大气压沿面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)的电特性和机械特性,综合概述了交流高压驱动条件下典型的单个板-板结构的SDBD等离子体激励器在气流控制领域中的研究进展.文中仅给出了周围没有气流情况下SDBD等离子体激励器的研究结果.首先总结了SDBD的放电电流、等离子体的扩展及其形态等主要特征,然后给出了时间平均的电流体动力(Electro-hydro-dynamic,EHD)和离子风速度的测量情况,最后总结了EHD力和离子风速度的时间分辨测量的最新研究进展.研究结果显示,单个SDBD等离子体激励器产生的平均EHD力和离子风速分别可高达1 m N/W和7 m/s,类辉光放电对推力和离子风的产生起主导作用.     

高斯电压驱动大气压氩气介质阻挡放电的特性研究

本文采用一维自洽流体模型理论研究了高斯电压驱动下大气压氩气介质阻挡放电的放电特性.在特定的频率、振幅和气隙间隔条件下,得到了气隙电压和放电电流随时间的变化关系,以及放电气隙中电子、离子和电场的空间分布特征.模拟结果表明,高斯电压驱动下的大气压氩气介质阻挡放电是一个多电流脉冲放电,存在两种放电模式:汤森模式和辉光模式.在每半个放电周期内,放电经历一个在汤森模式与辉光模式之间的转变过程,气隙空间电荷和介质表面电荷是造成放电模式转变的主要因素.此外,下降沿残余电流峰的出现,是源于上升沿放电残留了大量的空间电荷.上述仿真结果为等离子体在材料表面处理、污染治理,以及生物医学等领域中电压激励源的设计提供了新的思路.     

介质材料对大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器产生的最大离子风速的影响

对两种不同介质材料的介质阻挡放电等离子体激励器在不同峰峰值电压下所诱导的最大离子风速分别进行了测量.实验结果表明,当峰值电压较低时,介质板介电常数较低的激励器所诱导的最大风速要小于介质板介电常数较高的激励器诱导的最大风速,但随着峰值电压的继续增大,具有低介电常数的激励器所诱导的最大风速较大.这主要是因为低介电常数能够显著提高最大可施加电压而不会导致流光放电的产生.     

大气压下介质阻挡放电等离子体诱导起始涡的实验研究

对介质阻挡放电等离子体激励器进行了参数化分析,考察了诱导速度和功率随信号波形、激励电压、信号频率、电极间距等参数变化的规律,同时采用流场显示方法和PIV技术研究等离子体在静止流场中诱导的涡系结构生长和演化过程.结果表明,等离子体通过诱导产生的起始涡存在3种主要的涡系结构,即裸露电极下游的主涡、裸露电极上游的反向涡以及主涡侧下方的二次诱导涡.进一步分析了主涡和反向涡的产生和发展过程,通过和激励器放电电流波形及放电图像的对比分析,揭示了起始涡的产生机理,同时也证实了介质阻挡放电等离子体产生诱导气流机理的正确性.     

锥齿形电极介质阻挡放电特性的研究

提出一种用于流体等离子体化学反应的锥齿形介质阻挡放电电极结构,并从放电形貌、放电电流波形和功率注入效率等方面,探讨了锥齿形放电电极结构在等离子体形成区域,放电强度,等离子体区域流体分布等方面的特性.实验结果表明,在相同放电条件下,锥齿形放电电极结构的微放电电流峰值及注入功率都比平板形电极结构的大,锥齿形电极介质阻挡放电电极结构更有利于流体物质的等离子体化学反应.     

介质阻挡放电时间对放电光电特性的影响

在介质阻挡放电过程中，由于离子对电极表面不断轰击产生热量，电极温度会有所升高，放电光电特性也会随之变化.通过改变外加电压和等离子体放电时间发现，电极温度随着外加电压的增加和等离子体放电时间的延长而增加，并且高压电极的温度比接地电极的温度增加得更快.延长等离子体放电时间发现，输入功率、放电脉冲数目和光谱谱线相对强度都在上升，电流峰值却在下降.所得研究结果为今后介质阻挡放电光电特性研究提供了时间上的参考性，具有重要的研究意义.     

测量介质阻挡放电功率的一种新方法

为了解决传统的用于测量介质阻挡放电功率消耗的功率表达，高压侧电流电压测量法,q-V轨迹Lissajous图形法等在准确性，方便性，实用性等方面所存在的问题，并真实地反映放电装置消耗的功率，对介质阻挡放电装置等效电路及传统测量方法的分析比较及实验验证，认为应用高压电桥Lissajous图法测量介质阻挡放电功率消耗是一种更加精确，方便，可靠，实用的方法。     

不同结构介质阻挡放电的放电特性

研究了在大气压氮气流中、不同激励电源电压条件下，具有单、双两种电介质层结构的介质阻挡放电装置的放电特性，利用CCD影像技术和放电电压-电流波形进行了分析和讨论。结果表明，无论是哪种结构的介质阻挡放电，在大气压、氮气条件下微放电是介质阻挡放电等离子体的本质，在通常条件下观察到的大气压窄间隙介质阻挡放电等离子体均匀而强烈的放电形貌实际上是放电集体作用的结果。     

介质阻挡放电中相邻沿面放电之间的相互影响

采用双水电极介质阻挡放电装置,观察了60kPa气压下氩气的放电情况,并利用Matlab软件对放电图像中的电场和电势分布进行仿真模拟,研究了相邻两沿面放电之间的影响.在空气-氩气介质阻挡放电中,随着电压的升高,放电区域内放电丝的数量从4个增加到5个,放电丝周围的沿面放电区域也发生了巨大变化.为了对影响沿面放电分布的因素进行更深入地研究,对电流波形图中放电脉冲进行积分,从而对放电区域的电势和电场线进行了模拟.     

纳米复合聚酰亚胺基DBD等离子体气动激励器研究

等离子体流动控制技术具有响应快、频带宽、结构简单等优点,具有显著技术优势。介质阻挡放电(DBD)等离子体气动激励器是研究最为广泛的激励器形式,但是国际上鲜有研究关注其介质材料的寿命,这严重制约了等离子体流动控制技术的发展和应用。为解决这一问题,进行了聚酰亚(PI)/纳米复合聚酰亚胺基等离子体气动激励器实验研究。实验结果表明,纳米复合结构有利于提高激励器的导热性能,其放电区域最高温度与传统激励器相比,降低了10%~20%;发现了纳米复合聚酰亚胺基激励器的高温点自愈现象;纳米结构激励器抑制了结构损伤,从而阻止了放电功率和表面温度的快速增加;普通聚酰亚胺表面在放电老化后,形成大量孔洞、沟槽以及烧蚀痕迹,纳米复合聚酰亚胺在老化后表面出现大量的白色球形纳米粒子团簇,减轻了绝缘材料受到的侵蚀与破坏。     

大气压介质阻挡放电同步辅助射频辉光放电研究

采用在大气压脉冲调制射频(radio frequency,RF)辉光放电段之间同步引入介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体射流的放电技术,通过电压和电流曲线以及放电的时空分布的时间演化过程,表征脉冲调制射频辉光放电和介质阻挡放电等离子体射流的放电特性及其动力学过程。试验研究发现,引入介质阻挡放电能有效辅助射频放电的起辉过程以及降低射频放电的击穿电压(从2.36kV降至1.53kV),这是由于介质阻挡放电等离子体射流在射频放电区域中注入了等离子体子弹,这一点可以由放电图像强度和放电空间结构的时间演变看出。     

大气压空气介质阻挡放电的数值模拟

常压介质阻挡放电(DBD)是等离子灭菌和废气处理应用中形成等离子体的主要方法。为了理解空气放电产生等离子体的基本过程,建立了包含20种成分和75种化学反应过程的多组分自洽一维流体模型。通过对同轴圆柱介质阻挡放电进行数值模拟,研究频率为10 kHz、峰值电压为20 kV的正弦电压驱动的常压空气介质阻挡放电的基本特性。结果表明:在一个正弦周期内将有两次不对称的电流峰;电流峰期间电子、电场与空间电荷之间以流注放电的形式变化;等离子体在正负电流期间的电子密度和电子温度分别可达(1～3)×10~(19)/m3和7～9 eV;放电过程中主要活性粒子为N、O、O_2(a~1△_g),主要的带电粒子为电子、O~+_4、O~-_2与O~-。     

大面积表面放电等离子体的产生及电特性研究

为了获得大面积表面放电等离子体,设计了大气压多电极表面放电等离子体激励器,并对给定电源频率下等离子体激励器的放电特性(包括气体放电的利萨如图形、稳定放电时的功率及功率面密度等参数)进行了实验研究.实验测量结果表明,采用多电极结构表面放电等离子体激励器可以在较低的电源输入功率面密度下获得大面积的气体放电等离子体.     

三电极非热电弧发生器放电模式的实验研究

该文提出了一种三电极非热电弧等离子体发生器结构设计,通过引入浮动电极,降低了非热电弧放电的点火电压,获得了稳态的非热电弧放电等离子体。实验结果表明:采用该三电极结构的等离子体发生器所产生的等离子体气体温度在2.0×103~3.0×103 K之间;在其他参数保持不变的情况下,随着等离子体工作气体流量的增加,存在非热电弧放电、非热电弧-介质阻挡混合放电和表面介质阻挡放电3种不同的放电模式;在等离子体工作气体流量不变的情况下,增加电源的输入功率将有利于使放电保持在非热电弧放电模式下。三电极结构的非热电弧发生器有助于实际应用中在较低的外加电压下产生非热电弧等离子体,并在较大的气体流量下维持非热电弧等离子体的工作状态。     

交流峰值电压对大气压表面介质阻挡放电激励器产生的离子风速的影响

首先介绍了两电极结构表面介质阻挡放电激励器的基本构造和基本工作原理,然后测量了不同峰值电压下激励器所产生的离子风速.实验结果表明在一定的峰值电压范围内,离子风速随着施加的峰值电压的增加而增大,但当电压增加到一定幅值的时候,风速不会有明显的变化,这主要是因为增加的电压主要用于产生流光放电,而不是用来产生离子风.     

新型单级高功率因数AC-DC变换器

针对中小功率场合,验证一种新型单级功率因数校正变换器的拓扑,分析了其工作原理.为了减小负载变化时对电容和功率器件造成的影响,主电路采用串联充电并联放电模式,并将开关管两端的电压自动箝位为电容电压;为了实现高功率因数并降低成本,控制核心改用加法器电路代替乘法器.实验结果表明,应用电路拓扑的实验装置,功率因数较高,输入电流的谐波满足IEC1000-3-2 Class D的要求.     

四电极装置产生片状氩气等离子体羽的特性

利用四电极结构的介质阻挡放电(DBD)装置,在大气压环境中,产生了一个弥散的氩气等离子体羽.结果表明:随着交流电压峰值和氩气流量的增大,等离子体羽的长度变长,且在此过程中氩原子谱线强度也增大.电压电流波形表明放电既可以出现在电压的上升沿也可以出现在其下降沿.利用高速摄像不断缩短曝光时间,发现正负放电存在明显差别.正放电对应分叉的放电丝,而负放电却是均匀弥散的.实际上,正放电的分叉丝和负放电的弥散背景分别对应着正流光放电和负流光放电.讨论了分叉丝及弥散背景的形成机制.这些研究结果对于大尺度等离子体羽的产生及流光动力学行为的深入研究具有重要意义.     

大气压多脉冲介质阻挡均匀放电的数值模拟

为了进一步明确大气压多脉冲辉光放电的形成机理,采用扩展的一维等离子体流体模型数值研究了大气压多脉冲介质阻挡均匀放电的放电特性.该模型增加了电子能量守恒方程,考虑了电子温度对电子输运系数的影响.结果表明大气压氦气多脉冲放电中的每个电流脉冲都处于汤森放电模式,上一次放电为下一次放电提供了种子电子,导致了后面的击穿电压依次降低,放电电流脉冲依次减小.随着驱动频率的增加,电流脉冲个数减少,但是脉冲电流大小增加.随着驱动电压幅值的增加,不仅电流脉冲个数增加,脉冲大小也增加,模拟结果与实验结果定量吻合.     

等离子体表面处理装置

设计了一种利用介质阻挡放电产生等离子体对材料表面进行处理的新型表面处理装置.此装置采用交流高压驱动,在每个电压半周期内放电次数达到4次甚至更多次,能够产生大量的等离子体.此装置产生的等离子体距离待处理材料近,对等离子体具有较高的利用率,在工业应用方面具有较高的应用前景.