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直流条件下厘米级间隙流注特性数值仿真及实验研究

董曼玲  
【摘要】:由于流注放电是一个在时间与空间上都剧烈变化的暂态过程,其时间尺度为纳秒级,时至今日,即使借助于ICCD超高速照相机,仍没有足够的实验手段完整记录流注发展的整个过程;流注通道内部的参数,例如净电荷密度、电场分布,仍无法用实验手段完全确定。本文以直流条件下厘米级短间隙流注放电为研究对象,采用物理建模和数值仿真的方法,针对流注放电的起始和发展两个过程,对其放电特性开展深入细致的研究。 针对流注放电的流注起始和流注发展过程,分别建立了光电离电子崩-流注转化模型和流注发展流体动力学模型。基于时域有限差分方法建立圆柱坐标系下空间电场求解方法,并通过引入红黑排序并行计算提高了空间电场的求解效率。 利用光电离电子崩-流注转化模型,开展不同间隙长度均匀场流注起始特性仿真分析。同时提出二维圆柱坐标系下FD-FCT算法,实现均匀场流注发展流体动力学模型求解。开展短间隙流注放电仿真研究,获得了流注空间带电粒子分布、空间电场分布、流注通道半径,流注发展速度及流注放电电流等微观物理量的变化特性。同时研究了流注放电仿真初始条件及背景电场对流注放电物理特性的影响。 提出了一个准一维流注发展等效数值模型,实现了不均匀场中流注发展仿真,从而克服了二维不均匀场流注仿真求解中数值求解复杂及很难收敛的不足。基于该流注发展等效模型,对典型的棒-板间隙中正流注发展微观物理过程进行研究,获得空间电场、电势、电荷密度分布及流注发展速度等重要微观物理量的变化特性。同时讨论了等效模型中流注通道外形对流注放电物理特性的影响,确定了合理选择流注通道外形的原则。并针对负流注放电的特点,特别考虑了正离子撞击阴极表面产生二次电子发射的物理过程,深入分析了负流注特里切尔脉冲放电过程中的三个阶段:电子崩阶段,等离子体形成阶段以及负离子消散过程的放电物理过程。并提出负离子对棒电极头部电场的周期性的削弱在特里切尔脉冲的形成及发展中起着重要作用。 提出了湿度计算模型,开展湿度对均匀场和不均匀场流注起始及流注发展过程的微观物理特性影响研究。研究表明湿度对均匀场及不均匀场的流注起始电压影响很小,可忽略不计。随着湿度的增加,电子的附着和复合作用增强,降低了空间有效电离作用,从而使正流注头部电荷密度及流注通道内的等离子体密度降低了,减弱了流注头部场强,增大了流注通道的平均场强。特里切尔脉冲电流幅值随着空气湿度的增加而减小,频率随着空气湿度的增加而降低。 设计研制了用于测量流注放电电流的高电位电流测量系统;建立了厘米级间隙放电综合同步观测平台,结合高电位电流采集和高速摄影技术,研究不同电极结构及间隙距离条件下空气间隙放电特性,并与本文提出的流注放电光电离电子崩-流注转化模型和流注发展流体动力学模型的仿真结果进行对比,验证本文提出的流注起始及发展物理模型的合理性。


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