空氣放電中負電暈放電的流體動力學模型

1改進的負電暈放電數值模型電頭暈放電是一項非平衡性低溫電壓機的放電過程，通常發生在曲線半徑較大的前端電極附近。由于目前缺乏有效的關于大氣壓下空氣放電等離子體診斷手段本文在電暈放電的二維流體動力學模型基礎上增加考慮電子平均能量方程,簡化了重粒子輸運方程,并考慮了光電離、二次電子發射、粒子間化學反應等重要過程,提出了改進的負電暈放電數值模型。基于該改進模型對棒-板間距3.3mm,施加電壓-5.0kV情況下進行計算,并且在實驗室內開展對應實驗對計算模型進行驗證。基于該模型計算得到負電暈放電的單次放電脈沖電流波形,在一個放電脈沖周期內,選取6個典型時間點對負電暈放電脈沖過程中的電子溫度分布、電子密度分布、電子產生和消散特性等微觀特性進行詳細討論。2空氣放電物理過程的求解在流體動力學模型中考慮碰撞反應,并在混合數值模型中加入光電離項和二次電子發射過程來分析空氣放電的物理過程,其實質就是將電子連續性方程、重粒子多組分擴散輸運方程、電子平均能量方程和泊松方程化為適當的偏微分方程組,再將偏微分方程組歸一化后以離散的數值差分形式求解。2.1電子平均能量測試在Georghiou式中,n為了能夠更準確的描述空氣放電中電子能量產生與損失機制,電子能量和電子溫度被考慮到模型中,完整電子平均能量式中,ε為電子平均能量;e為元電荷(1.602×10式中,ε是電子平均能量;f(ε)是電子能量分布函數(EEDF),本文采用的EEDF為課題組利用ComsolMultiphysics軟件建立一維模型,對Boltzmann方程求解得到μ簡化后的描述重粒子在放電過程中隨時間演的方程化程為式中,最后,泊松方程為式中,E是電場強度;ε是真空介電常數。2.2激發態氮氣分子釋放光子過程空氣放電的本質是帶電粒子與中性空氣分子(原子)、分子(原子)團簇等基本粒子之間,以及這些粒子與電極表面相互碰撞作用的結果(1)電子碰撞電離過程(2)電荷在粒子間的轉移(3)正負粒子的復合以及中性粒子間的反應(4)電子的附著反應k由于在電極表面發生的表面中和反應,正離子和負離子在電極表面通過以下反應恢復中性通常光電離制造的電子數量遠小于碰撞電離,但是產生的這些光電子在電離較弱的區域作為“種子電子”引發新的電子崩式(29)是激發態氮氣分子釋放光子的過程,hv表示釋放光子,式(30)表示氧氣分子的光電離過程,h是普朗克常數;v是光波的頻率。本文采用Eddington近似方法式中,r光子輻射和吸收之間的距離;r2.3有限元求解條件圖1為負電暈放電外電路及計算區域示意。棒電極的曲率半徑為0.4mm,板電極半徑為5.0cm,棒-板間距3.3mm。外電路是由DC源,電容C和保護電阻R組成。在模型中,直流電壓設為-5.0kV,電容C設為1.0pF,并且保護電阻R為5.0kΩ。環境條件設置為T=300K和p=1.0atm。通過基于有限元方法的ComsolMultiphysics軟件的等離子體模塊來求解實現的,有限元求解過程中對求解區域進行合理的網格劃分是正確求解的關鍵,尤其是在那些物理量梯度較大的區域。現有的文獻表明,棒-板電極氣體放電過程是沿著軸線向著板極發展的電壓在棒極端為-5.0kV,板極接地故為零電勢,開放邊界的電壓邊界條件為電子通量在電極上的邊界為電子平均能量方程在電極表面處滿足的電子平均能量通量邊界條件為一般認為,正負離子和中性粒子在電極表面都衰變成穩定的中性粒子并返回到放電區域,該物理過程可作為離子邊界條件正負離子和中性粒子連續性方程在開放邊界的邊界條件式中,n為電極表面法向矢量;γ當電子通量朝向電極時α式中,T為背景氣體溫度(300K);μ在棒尖端,假設空氣放電前存在的粒子(種子電子和正離子)是最大值為10式中,3實驗設施3.1外施電壓和電暈電流傳感器為了驗證數值模型的有效性,本文搭建了如圖2所示的棒-板電極負電暈放電的電暈電流測量系統。棒-板電極電暈放電模型(如圖3所示)完全按照圖1a所示計算模型1:1制作和安裝,整個棒-板電極固定在由不銹鋼和鋼化玻璃制作的容器內,容器內充滿標準氣壓的干燥空氣。外施電壓由MatsusadaAU-60N1.6-L直流電源提供,該電源擁有正負兩個模塊,可在-60～60kV之間精確調節輸出電壓(誤差0.05kV)。電暈電流傳感器主要由快恢復二極管和放電管構成的保護電路保護,利用75Ω精密無感電阻來采集放電電流信號。電暈放電電流波形記錄由力科WavePro7200數字示波器采集記錄,最大帶寬2GHz,最大采樣頻率可達20GS/s。此外,整個試驗均在重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點試驗室的局部放電測量室進行,該室墻壁及地板均由鐵皮包裹并良好接地,可以有效降低外來電磁干擾。3.2填充空氣過流連接(1)安裝并根據棒-板間距固定棒-板電極位置,同時打開③和⑦,對容器灌輸干燥空氣,待殘余氣體排除干凈后關閉⑦,繼續對容器填充干燥空氣,直到氣壓計顯示壓強為1.atm時關閉③。(2)按圖2所示連接各設備,并利用萬用表檢查接線情況。(3)撤離接地棒,采用逐步升壓方式從1kV開始以步長0.5kV升高至電壓U,保持1min后,記錄該電壓值,采用示波器記錄該電壓下電暈放電電流波形,記錄完畢后降壓至0。(4)掛靠接地棒,移除實驗裝置,人員撤離。4結果與討論4.1負電頭暈釋放電脈沖波形圖4所示為負電暈放電單次放電脈沖波形。電暈放電電流波形由一個快速的上升沿和緩慢的下降過程,放電電流的波形特性與Zentner4.2等離子體放電過程中電子溫度的測量電子溫度是空氣放電中能量傳遞最主要的媒介,電子溫度是表征等離子體性質的一個重要參數,由于等離子體放電過程非常復雜,脈沖持續時間也非常短暫,要實時準確測量其電子溫度非常困難4.3分布電子密度的特征電子和空氣中中性分子的碰撞電離是空氣放電過程中最為主要的電離過程,電子是外加電場與重粒子之間傳遞能量的主要載體4.4氣體放電過程碰撞反應速率在一定程度上反映了該反應在氣體放電過程中的強弱。現有文獻往往采用的是簡化的化學反應模型且氣體放電過程中的粒子成分也做了相應的簡化5單次脈沖放電時間點的電子特性本文詳細介紹了一種基于流體動力學模型改進的棒-板電極負電暈放電數值模型,利用該模型對棒-板間距3.3mm、施加電壓-5.0kV進行計算,得到的單次放電脈沖波形和實驗結果吻合較好。基于該模型,文中主要討論了單次脈沖持續過程中的6個典型時間點的電子特性。主要結論如下:(1)在脈沖起始階段,電子溫度主要集中在棒極附近,隨著放電時間的發展,電子溫度的最大值出現在場致電離區且隨著場致電