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两相体介质阻挡放电研究

鲁非  
【摘要】: 介质阻挡放电(DBD)作为大气压条件下获得非平衡等离子体的一种重要手段,具有良好的开发和应用前景,其在理论和实验上都得到了广泛的重视与研究。然而随着工业应用的发展,越来越多地涉及到了两相体DBD,并不局限于单一气体中的放电,包括烟气催化剂脱硫、材料处理、食品保鲜等,但目前国内外对于两相体DBD的系统研究较少。 本文的工作主要针对两相体DBD进行了理论和实验研究,取得如下成果: 针对强耦合两相体,建立了计算局部畸变电场的能量偶极子模型,该方法简单有效,优于传统的点偶极子模型。当两相体中介电差异或颗粒体积分数较大时,颗粒间相互作用较大,传统的点偶极子模型已经不再适用,可利用能量偶极子模型计算局部电场的分布。同时,在能量偶极子模型的基础上,获得了两相体中颗粒饱和荷电量的修正公式。发现当两相体中的介电差异大到一定程度时,颗粒的荷电量主要取决于颗粒的体积分数。另外,通过能量偶极子模型在HVDC输电线离子流场求解问题中的应用,验证了能量偶极子模型在复杂问题处理应用上的可行性与有效性,进一步为其在两相体放电等问题上的应用奠定了基础。 针对两相体放电,提出了两相体放电物理机制和计算击穿电压的近似解析模型,结果表明两相体的击穿特性存在粒径效应。提出影响两相体放电过程的三个因素:颗粒畸变电场、颗粒捕获电子和阻碍电子崩发展、电子发射以及吸收和发射光子。基于现有的气体放电理论模型,建立了有碰撞的颗粒荷电模型,结合计算颗粒畸变电场的能量偶极子模型,得到计算短间隙两相体击穿电压的表达式。计算表明,当颗粒粒径较大时,两相体击穿电压低于单一气体;当颗粒粒径较小时(微米级),两相体击穿电压高于单一气体。颗粒粒径对于放电形式也存在影响:当颗粒粒径较大时,电子崩会中断于颗粒表面,放电仅发生在颗粒与极板之间,如果颗粒体积分数较小则由于光辐射作用发生电子崩的跳跃;当颗粒粒径较小时,电子崩则可通过颗粒形成表面放电。 针对两相体DBD,建立了能同时考虑多电子崩扩散和静电排斥作用的粒子模拟简化模型,结果表明颗粒影响放电发展的作用存在竞争效应。等离子体粒子模拟方法的特点在于通过跟踪大量单个微观粒子的运动,再进行统计平均,来反映宏观物质的物理特性,避免了求解流体方程的复杂性,但计算量仍然很大。通过在粒子模拟方法中引入近似模型,极大地减少了两相体放电模拟的计算量。两相体DBD的计算结果表明,在单一气隙中,壁电荷与空间残留电荷均会加速电子崩向流注的转变;而在两相体中,壁电荷由于颗粒畸变电场的影响使壁电荷量增大,壁电荷的加速作用增强;空间残留电荷则由于颗粒的荷电效应导致其消耗电子的作用大于其增强电场的作用,空间残留电荷的加速作用减弱,有利于电子崩的融合。另外,两相体中颗粒强场区的电子崩发展速度会快于颗粒间气隙中的电子崩;由于颗粒强场区中电子崩的快速发展、以及颗粒的极化与荷电作用,导致颗粒间气隙的电场大幅度削弱,电子崩难以发展。无论在单一气隙或两相体中,多个电子崩的并行发展会加速电子崩向流注的转变,而多个流注的并行发展则会加快流注的发展速度。 针对两相体DBD进行了实验研究,发现两相体中颗粒的粒径与体积分数对放电形式具有影响,表面放电有抑制丝状放电的作用。在两相体中,电压-电荷的李萨茹图由单一气体中的平行四边形变为梭子形,放电形式相对单一气隙发生变化,在不同处会同时存在表面放电与丝状放电两种形式。两相体中表面放电要先于丝状放电发生,且表面放电与丝状放电不会在同一处发生,表面放电对于丝状放电具有抑制作用。这意味着颗粒强场区的放电削弱了颗粒间气隙的放电,实验结果与粒子模拟的结论相吻合,也否定了Nomura等提出的表面放电和丝状放电可能同时同地发生的推测,为Murphy、Rajanikanth等研究组得到的实验结果提供了解释。同时,随着颗粒体积分数的增大与粒径的减小,表面放电抑制丝状放电的作用增强。而且随着颗粒粒径的减小,放电功率减小,可能是表面放电的触发电压提高导致。另外,当颗粒粒径较大时,放电仅存在于极板和颗粒之间而无法贯通两个极板;当颗粒粒径减小时,放电通道则可通过颗粒形成表面放电,这也进一步证明了颗粒粒径影响放电形式的推断。


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