大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體特性研究.pdf

1、沿面介質(zhì)阻擋放電（Surface Dielectric Barrier Discharge，SDBD）等離子體產(chǎn)生技術(shù)由于放電空間受限制較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可以在介質(zhì)表面產(chǎn)生面積大且較為均勻的等離子體層，避免了電弧的產(chǎn)生，并具有較高的功率密度，還會(huì)產(chǎn)生種類繁多的活性粒子，例如臭氧(O3)、氧原子(O)、雙氧水(H2O2)、羥基(OH)等以及它們的激發(fā)態(tài)粒子，在空氣動(dòng)力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，是近年來(lái)的研

2、究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)沿面介質(zhì)阻擋放電及其應(yīng)用的研究尚處于探索階段，對(duì)其放電特性的影響因素缺乏規(guī)律性認(rèn)識(shí)。因此開(kāi)展不同參數(shù)下沿面介質(zhì)阻擋放電特性的研究，對(duì)于推動(dòng)其應(yīng)用具有重要的理論意義和工程價(jià)值。
　　本文搭建了大氣壓空氣沿面介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生裝置和光電特性檢測(cè)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)放電電壓和電流波形等電學(xué)參數(shù)測(cè)量，以及發(fā)光圖像和發(fā)射光譜等光學(xué)特性診斷。并基于放電的物理過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別建立了正弦波交流電源與納秒脈沖電源作用下等離子體激勵(lì)

3、器集總參數(shù)等效電路模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和電路仿真，對(duì)大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電進(jìn)行研究，主要包含以下內(nèi)容:
　　系統(tǒng)地研究了納秒脈沖電源作用下沿面介質(zhì)阻擋放電的基本特性，并進(jìn)一步分析了不同納秒脈沖電源重復(fù)頻率作用下，激勵(lì)器電極對(duì)稱性、背面電極封裝以及對(duì)稱電極電源接線方式（HV-GND和GND-HV）對(duì)沿面介質(zhì)阻擋放電伏安特性、沉積能量、傳輸電荷、N2（C3Πu→B3Πg）及N2+(B2∑u+→X2∑g+，0-0，391.4nm)譜線強(qiáng)度、N

4、2(C3Πu)振動(dòng)溫度與轉(zhuǎn)動(dòng)溫度的影響。得到了如下結(jié)果:隨著脈沖重復(fù)頻率增加，沉積能量與傳輸電荷減小，對(duì)應(yīng)的發(fā)射譜線強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的上升，N2(C3Πu)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度增加，振動(dòng)溫度下降。與非對(duì)稱激勵(lì)器相比，對(duì)稱激勵(lì)器結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的放電起始時(shí)刻早，具有較高的電流值、沉積能量、傳輸電荷、N2(C3Πu)振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和發(fā)射光譜強(qiáng)度。背面電極封裝后發(fā)射光譜強(qiáng)度增強(qiáng)，N2(C3Πu)振動(dòng)溫度與轉(zhuǎn)動(dòng)溫度增加，封裝有利于提高能量利用效率。由于極性效應(yīng)，H

5、V-GND對(duì)應(yīng)的放電起始時(shí)刻晚于GND-HV形式，但是具有較高的電流峰值、沉積能量、傳輸電荷、N2(C3Πu)振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。
　　對(duì)比研究了正弦波電源作用下沿面介質(zhì)阻擋放電伏安特性、放電功率和傳輸電荷、N2（C3Πu→B3Πg）及N2+（B2∑u+→X2∑g+，0-0，391.4nm）譜線強(qiáng)度、N2(C3Πu)振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度等參數(shù)的特點(diǎn)，并給出了隨著電源頻率的變化，激勵(lì)器電極對(duì)稱性、背面電極封裝以及對(duì)稱電極的電源接線方式

6、(HV-GND和GND-HV)對(duì)上述等離子體參量的影響。得到的主要結(jié)論包括:與納秒脈沖電源作用下SDBD等離子體特性相比，正弦波作用下SDBD對(duì)應(yīng)的N2(C3Πu)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度較高，但N2(C3Πu)振動(dòng)溫度低，放電電流幅值遠(yuǎn)低于同等條件下納秒脈沖放電電流。兩種電源作用下發(fā)射光譜組成相同。頻率的增加有利于放電的加強(qiáng)，正弦波電源作用下激勵(lì)器電極對(duì)稱性、背面電極封裝對(duì)放電參數(shù)的影響與納秒脈沖電源規(guī)律一致，但由于正弦波為交流電源，因此HV-GND

7、和GND-HV兩種電源對(duì)應(yīng)的SDBD放電等離子體參數(shù)變化不大。
　　在正弦波電源作用下沿面介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，研究了引入氬氣氣流之后伏安特性、放電圖像、發(fā)射光譜特性、N2(C3Πu)振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度的變化以及氮分子的激發(fā)和電離過(guò)程。進(jìn)一步分析了加入氬氣之后N2（C3Πu→B3Πg，0-0，337.1nm）、 N2+（B2∑u+→X2∑g+，0-0，391.4nm）以及ArI(2P1→1S2，750.39nm)發(fā)射譜線強(qiáng)

8、度、N2(C3Πu)振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度等參數(shù)空間分布特點(diǎn)。深入探討了改變氬氣流量、管距、電源電壓幅值以及頻率對(duì)放電等離子體特性參數(shù)的影響。結(jié)果表明，氬氣引入之后，放電強(qiáng)度和均勻性明顯增加，產(chǎn)生了穩(wěn)定的大面積放電等離子體，N2(C3Πu)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度升高，有利于增加動(dòng)量傳遞效率，提高氣流誘導(dǎo)速度?？臻g測(cè)量結(jié)果表明:譜線強(qiáng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度在中心處最強(qiáng)，且隨著到極板邊緣距離的減少而減弱;N2(C3Πu)振動(dòng)溫度的變化與轉(zhuǎn)動(dòng)溫度相反。另外，隨著氬氣流量

9、增加，放電強(qiáng)度先增加后減弱，N2(C3Πu)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度升高，加入氬氣之后N2(C3Πu)振動(dòng)溫度先下降，之后隨流量增加先增加后減小并趨于穩(wěn)定，電子激發(fā)溫度受流量影響較小;隨著管距的增加，放電減弱，發(fā)射光譜強(qiáng)度、放電功率、電子激發(fā)溫度以及N2(C3Πu)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度出現(xiàn)了大幅下降，但N2(C3Πu)振動(dòng)溫度增加;增加電源電壓幅值和頻率，譜線強(qiáng)度增加，N2(C3Πu)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度、放電功率以及電子激發(fā)溫度增加，但對(duì)N2(C3Πu)振動(dòng)溫度的影響比較小

10、。
　　以非對(duì)稱結(jié)構(gòu)沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器為研究對(duì)象，基于放電的物理過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別建立了正弦波電源與納秒脈沖電源作用下等離子體激勵(lì)器集總參數(shù)等效電路模型，通過(guò)拍攝高速放電圖像，估測(cè)了等離子體幾何尺寸，借助matlab/simulink軟件，聯(lián)立波爾茲曼方程求解器，求解基爾霍夫電壓方程、電子連續(xù)性方程，估算兩種電源分別作用下電流、平均電子密度和電子溫度、氣隙電壓、介質(zhì)表面電壓等等離子體特性參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。得出的結(jié)

11、論主要包括:使用可變電阻表示等離子體放電的過(guò)程，減少了開(kāi)關(guān)函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)電子密度和電阻推算，有利于對(duì)電路進(jìn)行阻抗匹配，提高電源效率。正弦波交流源作用下的仿真發(fā)現(xiàn)，給定電源條件下，平均電子密度和電子溫度最高可達(dá)1.01×1016m-3和6.1eV，電阻的最小值為0.5MΩ，容抗為8.99GΩ。電阻、容抗隨著電流密度的增大非線性減小，電子溫度略有增加。單極性納秒脈沖電源作用下，存在反向放電，電子溫度與電子密度分別為2.7×1018m-3和8.