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大气压介质阻挡放电时空演化行为理论研究

张远涛  
【摘要】:大气压非平衡等离子体由于其巨大的应用前景正成为等离子体物理学界关注的热点领域。介质阻挡放电系统是产生大气压非平衡等离子体的主要装置之一。在大气压条件下,介质阻挡放电一般具有三种不同的放电模式:均匀放电、丝状放电和斑图放电。研究大气压介质阻挡放电系统不同放电模式对于大气压非平衡等离子体的产生、稳定及控制具有重要的实用价值及理论意义。本文主要是从等离子体流体力学模型出发,利用理论分析与数值模拟的方法讨论了大气压介质阻挡放电的时空演化行为。 大气压下均匀放电(包括辉光放电和Townsend放电)是人们最为关注的大气压下的放电模式,由于这种放电可以提供大体积的均匀非平衡等离子体,在工业上具有非常好的应用前景。本文利用所提出的理论模型对此进行了理论分析与数值模拟,指出均匀放电过程中出现的负微分电导对大气压均匀放电的稳定性有重要影响,并指出介质表面电荷是导致负微分电导的重要原因。还讨论了当外加参数改变时对大气压均匀放电的影响,其结果有助于对大气压均匀放电进行控制,以便得到满足应用要求的均匀非平衡等离子体。另外,还基于二维数值模拟结果,讨论了大气压辉光放电的径向演化,指出对于单电流脉冲大气压辉光放电击穿首先从极板中央区域开始然后向边缘区域扩展,若是能产生多个电流脉冲,则从第二个电流脉冲开始击穿首先从边缘开始然后向中央区域发展。这与已有的实验结果一致。此外,还讨论了如何通过改变放电参数以有效的抑制大气压辉光放电的径向演化,以获得更为均匀的非平衡等离子体。 丝状放电是大气压介质阻挡放电中常见的放电模式,研究历史由来已久。但是由于放电空间中的放电丝,即微放电通道,出现的位置近乎随机且存在时间非常短,绝大多理论工作主要集中在单个微放电通道的演化上,丝状放电整体演化的规律多来自于对实验观测的总结。在本论文中基于二维理论模型数值模拟了丝状放电在整个放电空间的时空演化特性,表明微放电通道在正负两个半周期往往交替出现,数值结果还指出微放电通道有遍历整个放电空间的趋势。另外还讨论了微放电通道的分裂、运动及合并等现象,且根据数值结果可知介质表面电荷对这些现象有重要影响。 气体放电中的斑图现象是气体放电系统作为远离平衡的耗散结构所呈现的一种典型的非线性现象。对放电斑图现象的深入研究不仅可以深化对非平衡等离子体输运的认识,而且将对一般的斑图动力学理论起到推动作用。目前,有关气体放电中斑图现象的研究在实验上已经相对充分,但是理论研究却主要限于唯象模型。


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