大氣壓介質(zhì)阻擋放電中的時空非線性行為模擬研究.pdf

1、近年來，大氣壓介質(zhì)阻擋放電(DBDs)受到了廣泛關注，其不需要真空設備、低溫、放電溫和、活性粒子密度高等特點使得大氣壓介質(zhì)阻擋放電在生物、醫(yī)學、工業(yè)等各個領域具有廣闊應用前景。作為空間擴展的耗散型動力學系統(tǒng)，大氣壓介質(zhì)阻擋放電中存在復雜多變的時空非線性行為。在時間上，隨著放電條件的變化可表現(xiàn)為倍周期分岔、準周期放電、混沌等;在空間上，可表現(xiàn)為絲狀放電、自組織斑圖、空間混沌等。研究非線性行為不僅可以控制大氣壓DBD的穩(wěn)定性和均勻性，而且有

2、利于發(fā)現(xiàn)和利用非線性行為的潛在應用價值（如:材料局域生長、高級信息處理等方面）。目前，雖然大氣壓DBD的相關實驗和數(shù)值模擬研究發(fā)展較快，但對于其中復雜的時空非線性行為及形成機制，人們還知之尚少。本文采用一維或二維流體模型對幾種大氣壓介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)中的復雜時空非線性行為進行了深入的模擬研究。
　　射頻電壓驅(qū)動的大氣壓放電具有擊穿電壓低且產(chǎn)生的帶電粒子密度高的特點，因此在應用中更具優(yōu)勢。本文第二章采用一維流體模型對射頻大氣壓DBD中

3、的非線性行為進行了模擬研究。結(jié)果表明，當射頻放電系統(tǒng)處在具有較大微分負阻的γ模式時，放電行為變得非常復雜，可以觀察到倍周期分岔道路中的各種周期態(tài)以及混沌放電。射頻大氣壓γ模式放電的電離主要發(fā)生在陰極鞘層區(qū)附近，因此鞘層會對非線性行為產(chǎn)生重要影響。模擬結(jié)果顯示，放電參數(shù)的變化會導致鞘層電場分岔，從而引起了鞘層厚度規(guī)律（周期態(tài)）或者不規(guī)律（混沌）的震蕩，最終導致了電流的倍周期分岔和混沌行為。與千赫茲頻率正弦電壓驅(qū)動的DBD相比，射頻大氣壓D

4、BD中的這些復雜非線性放電行為的分岔電流的起伏較小。
　　與正弦DBD相比，脈沖電壓驅(qū)動下DBD不僅容易形成穩(wěn)定均勻的等離子體，而且能量傳輸效率高。本文第三章采用一維流體模型，在模擬研究脈沖DBD中單周期放電特性的基礎上對其復雜的時間非線性行為進行了研究。研究表明，脈沖電壓的頻率、脈寬、上升沿和下降時間等參數(shù)會通過改變介質(zhì)表面積累電荷密度對放電行為產(chǎn)生影響。在一定參數(shù)條件下，增加脈沖電壓的下降沿時間或脈沖電壓的頻率，脈沖DBD系統(tǒng)

5、都可以通過一個清晰的倍周期分岔級聯(lián)進入到混沌態(tài)，也可以由混沌態(tài)回歸到周期態(tài)。當保持其他參數(shù)不變，改變外加電壓脈寬時，放電都處在周期2態(tài)，但是不同脈寬下的周期2放電電流波形不相同，隨著占空比的增加，周期2放電的負放電逐漸增強，正放電逐漸減弱。
　　為了深入研究大氣壓DBD中的復雜非線性行為，本文第四章采用二維流體模型對正弦電壓驅(qū)動的大氣壓DBD中的倍周期分岔、混沌及逆分岔過程發(fā)生時的徑向空間結(jié)構進行了模擬研究。模擬結(jié)果顯示，這些非線

6、性行為都具有不均勻的徑向結(jié)構。在同一種倍周期放電中，一個周期內(nèi)的幾次放電的徑向結(jié)構也不相同。在混沌放電中，不同的徑向結(jié)構的放電隨機出現(xiàn)。由正分岔和逆分岔形成的同種周期態(tài)放電也具有不同空間演化特性。通過對放電的電壓電流特性進行研究發(fā)現(xiàn)，這種不均勻的徑向結(jié)構與各徑向位置的等離子體電阻密切相關。
　　對于空間擴展的耗散型動力學系統(tǒng)，除了可以通過常見的倍周期分岔道路進入到混沌外，它還可通過其他路徑進入混沌。第五章模擬研究了大氣壓DBD中另

7、一條通向混沌的道路，即準周期道路。通過研究放電系統(tǒng)在相空間軌跡可以發(fā)現(xiàn):隨著電壓驅(qū)動頻率的增加，放電首先從單周期態(tài)分岔進入準周期態(tài)，然后準周期態(tài)和各種周期態(tài)交替出現(xiàn)，當頻率增加到一定程度時，放電會經(jīng)過奇異非混沌吸引子，緩慢地進入到混沌。繼續(xù)增加頻率，放電系統(tǒng)的最大Lyapunov指數(shù)緩慢增加，混沌行為逐漸加劇。并且當繼續(xù)保持頻率增加時，各種周期窗口、倍周期分岔以及逆倍周期分岔到混沌過程也出現(xiàn)在放電系統(tǒng)中。
　　自組織斑圖是大氣壓D

8、BD中一種重要的空間非線性現(xiàn)象，其自身的復雜多變及其宏觀上表現(xiàn)出的對稱性和規(guī)律性，一直吸引人們?nèi)ヌ剿骱脱芯?。本文第六章對大氣壓DBD中的一維自組織斑圖的形成及演化過程進行了模擬研究。模擬發(fā)現(xiàn)在不同電壓幅值下，放電呈現(xiàn)出不同的斑圖結(jié)構，如:5通道斑圖、3通道斑圖、4通道斑圖、和3條寬放電通道的斑圖。這些斑圖不僅結(jié)構不同，而且放電通道內(nèi)的放電模式也會不同。即使是同一種斑圖，正負半周期的放電演化過程也可能不相同。當電壓峰值超過一定值后，斑圖放

9、電可以演化到空間混沌。當混沌發(fā)生時，放電空間會隨機地在某處出現(xiàn)放電通道。
　　第七章采用二維流體模型對單介質(zhì)電極下混合氣體放電的空間非線性行為進行了模擬研究。研究表明在模擬條件下，放電空間中出現(xiàn)了一條或者多條放電通道，經(jīng)過時間平均后，放電通道總體表現(xiàn)為在裸電極一側(cè)向內(nèi)收縮，在有介質(zhì)一側(cè)向周圍擴展。并且在放電過程中單介質(zhì)DBD的正負放電具有不對稱的結(jié)構，表現(xiàn)在電離波的時空演化過程上。通過研究相應參數(shù)對放電通道的影響可以發(fā)現(xiàn):隨著電壓