具有不对称结构的电晕放电模型的建立及应用

详细研究尖端电晕放电特征对深入探讨地闪连接过程(或称为闪击过程)以及先导发展和传播机制是极为重要的。在实际雷暴云下,地面尖端发生电晕放电时,通常均有风的存在(导致电晕扩散不对称),且地面通常具有多个尖端共存(电晕放电尖端的不对称性),在这些实际情况下,电晕离子在扩散过程中是很难对称分布的。然而由于现有的雷暴云下的电晕扩散模型多为一维模型或二维轴对称模型,对于不对称结构无法模拟,因此在模拟分析实际问题时具有一定的局限性。为了更好地模拟符合实际雷暴云环境下的电晕放电过程,建立了二维直角坐标系下的电晕放电模型。通过与实际观测和已有模式结果的对比,验证了本模式的模拟能力。并初步模拟了具有风或多针存在时的电晕放电过程,进一步证明了本模式的实际价值。     

三维电晕放电模型的开发与应用

电晕放电是研究地闪过程和雷电预警的关键,而以往的模型多为二维模型或一维模型,且多以单个建筑物电晕放电为研究对象,因此建筑物(群)电晕放电的研究受到越来越多的关注,三维电晕放电模型的开发具有重要的意义。本文开发了考虑风场与忽略风场两种不同情况下的三维电晕放电模型,并通过应用于单针系统、双针系统以及九针系统,以证明本文模型的可靠性与准确性。相比于以往的二维或一维模型,三维模型使用起来更灵活,更能全面的获取空间参数和近地面空间的具体数据,且变网格划分的方法不仅可以实现对大模拟域中细小尖端的精细化模拟,还能扩大模拟域范围。     

一种针-板结构模拟飞机放电刷负电晕放电辐射特性的等效方法

为了解决地面放电实验对空中飞机放电刷负电晕放电辐射噪声模拟的问题,分别对飞行器放电刷及针-板放电结构负电晕放电起始阶段进行建模。经过数值计算得到两种模型在一定的放电环境、激励电压及放电刷几何结构条件下,放电的阈值电压;并且探讨了两种模型在不同条件下阴极二次光电子随"电子崩"发展过程。通过比较不同条件下二次光电子的发展趋势,确定不同放电模型电磁辐射的可比性。提出的等效方法为今后有关飞行器放电刷负电晕放电辐射干扰的地面模拟提供理论依据。     

交流等离子体显示板寻址和维持放电的二维流体模拟

采用二维流体模型对表面放电型交流等离子体显示板的放电过程进行了数值模拟，放电气体为Ne 5%Xe(体积分数)混合气体，模拟时间包括寻址脉冲及其后一个维持脉冲。通过模拟，得到了放电过程中粒子密度和壁电荷等物理量随时间和空间的变化规律，结果与实际的物理过程相符合。计算结果表明，寻址放电产生的壁电荷在维持和扫描电极间形成的壁电压超过了150V，维持期间施加-170V电压可维持放电的继续进行。     

地面湿度对雷暴云电过程影响

分析了南京地区2002～2011年(共10年)闪电和地面相对湿度的卫星观测资料,分析表明:闪电密度与相对湿度呈正相关。为了进一步研究相对湿度对雷暴云起电和放电的影响,采用二维雷暴云起、放电数值模式进行敏感性试验。结果表明:随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离;当相对湿度从60%增加到90%时,总闪数增加,并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。     

地面湿度对雷暴云电过程的影响

分析了南京地区2002～2011年(共10年)闪电和地面相对湿度的卫星观测资料,分析表明:闪电密度与相对湿度呈正相关。为了进一步研究相对湿度对雷暴云起电和放电的影响,采用二维雷暴云起、放电数值模式进行敏感性试验。结果表明:随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离;当相对湿度从60%增加到90%时,总闪数增加,并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。     

AC-PDP结构对串扰的影响

采用二维数值模拟的方法计算了表面放电型PDP在不同结构下相邻3个显示单元的放电过程.研究了放电过程中各单元内电子、氙谐振态浓度分布和其平均浓度随时间的变化情况.在流体模型计算基础上,采用蒙特卡罗模型对单元内大量谐振光子的辐射、捕获过程进行模拟跟踪,从而得出各放电单元内所产生谐振光子在荧光粉层上的分布.研究了放电过程中相邻单元之间的影响,结果表明,对传统条形障壁结构,单元内维持电极间距增大,放电空间高度增加会使放电串扰和发光串扰加强,Waffle型障壁结构不仅能提高放电效率,而且能有效阻止串扰的发生.     

紫外辐射强度表示电晕放电特征的试验研究与分析

目前在电晕放电故障的紫外检测过程中,电晕紫外辐射强度与传输距离的关系,以及放电过程中的电光特征量之间的量化关系仍然需要进一步研究.在晴朗天气下采用CoroCAM紫外成像仪观察电晕放电,发现20几米内探测到的紫外辐射强度仅与距离平方成反比.此外,通过电光传递函数研究放电过程中的电光特征量之间的量化关系,发现同一湿度下,起晕后即使电压增大约一倍,紫外光脉冲数仍与电晕电流强度有着近似的线性比例关系,因此可以通过紫外光脉冲数来表征电晕放电强度等级.     

纳米尖阵列屏蔽效应与发射面积耦合机理仿真

基于纳米尖阵列的场致发射放电结构是微纳电离式器件的核心,能有效降低放电电压,但同时也决定该放电结构的放电电流较小难以被精确感知。对纳米尖阵列电极的电场屏蔽效应和有效发射面积的优化,是提高放电强度的有效方法,对此,利用有限元方法对N_2-O_2空间的动态电场进行数值模拟,对纳米尖阵列在不同间距下的放电过程进行仿真计算。计算发现:在纳米尖阵列中,随着纳米尖间距的增加,尖端间的屏蔽效应逐渐减弱,最终趋于各尖端独立放电的情况;并通过不同间距下尖端动态放电过程中的电子密度分布情况,对屏蔽效应进行进一步验证和说明;最后,通过探究屏蔽效应与发射面积间耦合关系对放电电流的影响,发现在纳米尖阵列中,尖端间距与尖端高度之间存在最佳比例,使纳米尖阵列的放电电流最大。研究揭示常压微电晕放电阵列电极屏蔽效应与发射面积的耦合机理,可用于调控微纳场致发射电离器件的放电效应,进而为此类器件输出性能优化提供一定的理论指导。     

高原山区地形对雷暴云地面电场影响规律的数值模拟

为了在高原山区有效利用雷暴临近阶段的地面电场数据实现雷电的精准预警,搭建了典型雷暴云和基本山体模型,并结合高程数据模拟了真实高原山区地形,然后通过有限元方法研究了高原山区地形对雷暴云产生的地面电场分布特点和演变趋势的影响规律。结果表明：基本山体表面的雷暴云电场会发生畸变,畸变程度与山体形态和观测位置有一定关系;真实地形表面的雷暴云电场分布因为地貌的高低不平出现起伏波动,但整体趋势与平坦地面情况下基本一致;雷暴云临近观测点时近地电场的演变过程呈现先大幅上升再小幅下降的规律,但观测点地形特征会影响电场变化幅度。     

济南市山前平原区暴雨内涝模拟

应用InfoWorks ICM综合流域模拟软件,建立济南市山前平原区一维排水管网模型和二维地面淹没模型,对2015-08-03场次实测降雨和不同降雨情景下的研究区内节点溢流和地面淹没情况进行定量模拟,统计溢流检查井的分布和地面淹没范围,利用实测地面淹没过程线校验实测洪涝过程模拟结果,验证模型适用性,分析模型误差原因.结果表明:1)一维模拟站点附近节点最大溢流出现时间为21:50,二维模拟地面最大水深出现时间为20:05,二维模拟与实际出现时间20:03较为相符,二维模拟最大水深为0.078m,与实测值0.07m 也比较吻合;2)由于二维模拟结果准确性较高,以二维模拟结果为标准,确定2015-08-03场次降雨为5a一遇降雨标准.本研究对研究区历史暴雨洪水进行了评估,给出了多种降雨情景下的地面淹没过程,将为研究区防洪减灾工作及正在进行的“海绵城市”建设工作提供科技支撑.      

厦门市雷暴时间分布特征分析

雷暴是由发展旺盛的积雨云引起闪电、雷鸣等现象的局地对流性天气。当大气中的层结处于不稳定时容易产生强烈的对流。云与云、云与地面之间电位差达到一定程度后就要放电,有时雷声隆隆、耀眼的闪电划破天空,常伴有大风、冰雹、阵性降雨或暴雨。雷暴可分为热力雷暴和锋面雷暴两种类型;热力雷暴属气团内部热力发展所致强烈对流而形成,以夏季最为多见;     

接地多孔材料输水放电极雾化电晕放电过程特征研究

为解决传统静电除尘器对烟气污染源中高黏性微米及亚微米粒径颗粒物(粉尘及液滴等)捕集的难题,提出了一种新型的使用多孔输水材料作为放电极以实现雾化电晕放电的方法,并通过实验对该种雾化电晕放电的雾化状态、电晕放电状态与伏安特性、输水量和电极清洗效果等进行了研究,为基于多孔输水放电极雾化电晕放电原理净化含黏性细颗粒烟气提供了理论依据和实验基础.结果表明:具微孔阵列特征结构的多孔输水放电极具有良好的电水动力学雾化特征,能够获得更好的水雾化状态和效率.通过多孔电极长度和极间距正交实验所得伏安特征曲线,初步确定了多孔电极出露10 mm,电极间距40 mm条件下,能够获得稳定的电晕放电过程.通过控制多孔电极的输水速率,使雾化速率高于输水速率,尤其是水位差≦5cm低供水量条件下,可使电晕放电和雾化两个过程同步稳定存在.非金属材质的多孔放电极,使雾化电晕放电过程在≧至7 kV/cm场强条件能够稳定存在,且具有稳定的极间电流和更高的火花放电点,更适于实际烟气的净化应用.多孔输水放电极雾化电晕放电获得的高速荷电液滴流,在收集极表面能够形成均匀的冲击面,其对极板的洗涤效果十分理想.采用接地输水放电极的电极系统,可以产生适于颗粒物捕集的雾化电晕放电过程.     

直流电晕放电现象在针板式电除尘中的表现

电晕放电是指气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很小的尖端电极附近,由于局部电场强度超过气体的电离场强,使气体发生电离和激励,因而出现电晕放电引。发生电晕时在电极周围可以看到光亮,并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式,也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。     

大气压氩气介质阻挡均匀放电的数值模拟

通过建立一个自洽的一维等离子体流体模型,数值模拟了大气压下氩气介质阻挡均匀放电的放电过程,得到了各种等离子体参量在放电过程中的时空分布,研究了驱动频率对放电特性以及放电模式的影响.计算结果表明:随着驱动频率的增加,放电电流密度以及空间电荷密度不断增加,气隙电压在放电前后的变化量也随之增大,均匀放电模式从典型的大气压汤森放电(APTD)模式逐渐过渡到大气压辉光放电(APGD)模式.驱动电压的增长率以及空间剩余电荷是造成放电模式转变的主要因素.     

不同气压下氩气介质阻挡放电γ过程仿真

为了研究在氩气不同气压下对介质阻挡放电(DBD)的电气参数和放电特性的影响,利用有限元分析建立大气压下氩气中的二维轴对称板-板电极放电等离子体模型,并对放电过程进行求解,通过仿真得到放电过程中的电势、电子温度、电子密度及氩离子数密度随着空间位置变化的波形。仿真结果表明,介质阻挡放电的特性变化与放电环境气压变化有关,随着气压的增加,气压在一定范围内,电势、电子温度、电子密度都下降,且电势空间分布的变化与电子密度相关。     

强迫对流影响枝晶生长的三维相场法模拟

将计算流体的三维模型与模拟枝晶生长的三维相场模型进行耦合,建立强迫对流环境下枝晶等温生长的三维PF-LBM模型,以Al-Cu合金为例研究液态金属流动时枝晶的生长行为、不同流速下枝晶的生长行为并在相同模拟参数条件下将三维模拟与二维模拟进行对比.结果表明:液态金属的流动显著改变了三维枝晶原有的对称生长形貌.不同流速下枝晶的生长形貌和溶质场分布不同,流动速度越大,迎流方向主枝晶越粗,逆流方向主枝晶越细.流动速度对尖端曲率半径的影响大于对尖端生长速度的影响,大的流动速度对逆流方向枝晶的影响比对迎流方向枝晶影响严重.三维模拟中液态金属的流动状况比二维模拟中复杂;相同模拟参数下三维模拟中液态金属的流动对枝晶生长的影响比二维模拟中影响大.     

介质阻挡微放电过程的二维粒子模拟计算

针对介质阻挡微放电的空间尺度较小以及较难进行实验诊断,利用二维PIC-MCC(质点网格法-蒙特卡罗碰撞)对其放电过程进行模拟研究,得到放电过程中带电粒子密度、电势与电场的分布,以及离子入射角度和入射能量分布.模拟结果表明:带电粒子的密度分布和放电空间中的电势、电场分布相互影响;介质阻挡微放电过程中出现的条纹现象,来源于放电过程中的粒子密度峰分布,与电势和电场分布密切相关;电极介质层附近的离子入射角度和入射能量分布对研究电极寿命极其重要.     

计算带电人体通过金属小棒电极放电电流的一种电路模型

依据IEC61000-4-2标准制造的静电模拟器的放电过程,与真实的人体静电放电过程中身体表面分布的电荷是通过在手指尖端产生的火花放电完成的过程存在明显区别。为了探明人体真实放电过程的性质,提出了一种由所测放电电流估算火花放电电压的方法;并证明在人体接触式放电过程中,在火花放电之后存在着电弧放电现象。考虑到电弧放电和基于火花阻抗公式的时变阻抗,得到了一种用于计算与充电电压有关的人体放电电流的改进等效电路模型。     

大气压下氮气介质阻挡放电的时空特性

通过建立大气压下氮气介质阻挡放电的1维自洽模型,对大气压下氮气介质阻挡放电的时空特性进行了数值模拟.结果表明:在1个放电周期内有2次明显的放电现象,电流密度出现第1个峰值即表示放电开始,该峰值可出现于激励电压反向之前;气隙压降基本保持不变,激励电压达到反向最大时放电过程结束;激发态粒子N2(A3∑+u)和N2(a'1∑-u)的数密度明显高于N2(B3∏g)和N2(C3∏u)的数密度,N2(A3∑+u)和N2(a'1∑-u)的寿命较长;N2(B3∏g)和N2(C3∏u)的数密度受放电空间电场分布的影响较大,并随着放电过程的进行,数密度峰值将会在正负极之间交替出现;N2的各种离子态粒子密度均高于电子密度,该放电模型适用于模拟汤生放电,N+2为放电空间中氮气的主要离子态粒子.