空氣中流注放電等離子體化學(xué)模型研究及其影響因素分析.pdf

1、隨著超/特高壓輸電的發(fā)展，長(zhǎng)空氣間隙和電暈放電特性和機(jī)理引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，而流注作為該放電過(guò)程中的一個(gè)重要階段由于其發(fā)展時(shí)間非常短且是一個(gè)多尺度多場(chǎng)耦合的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和理論分析都較為困難。盡管目前對(duì)流注放電的研究取得一定的進(jìn)展，但這對(duì)流注放電的認(rèn)識(shí)還是遠(yuǎn)不夠的，如在流注放電過(guò)程中各類帶電粒子隨時(shí)間演化過(guò)程和電極對(duì)粒子分布的影響、電子平均能量分布以及氣體壓強(qiáng)、氣體組分和初始電子密度等對(duì)流注放電過(guò)程中空間電荷密度、電場(chǎng)強(qiáng)

2、度和電子平均能量的影響。研究流注放電過(guò)程中各類粒子隨時(shí)間演化規(guī)律對(duì)從微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律角度揭示流注放電的微觀物理機(jī)制具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)局域場(chǎng)近似原理電荷密度的分布直接決定空間電場(chǎng)的分布，在氣體密度一定的情況下電場(chǎng)的高低決定電子平均能量的高低，而電子是流注放電過(guò)程中主要的傳遞能量載體，電子從電場(chǎng)中獲得能量并通過(guò)粒子間的碰撞過(guò)程把能量傳遞給其他粒子，電子平均能量的高低直接決定電子傳遞能量的快慢，放電過(guò)程中微觀粒子間的能量傳遞的快慢在宏觀

3、表現(xiàn)為放電發(fā)展的快慢。因此，深入研究流注放電中各類粒子隨時(shí)間演化規(guī)律、空間電荷密度、電場(chǎng)強(qiáng)度和電子平均能量等以及影響這些物理量變化的因素對(duì)揭示氣體放電微觀機(jī)理具有重要的物理意義。
　　本文首次在傳統(tǒng)的流注放電流體力學(xué)模型的中添加了電子平均能量傳輸方程，分析流注放電過(guò)程中的電子平均能量分布規(guī)律以及影響因素，并采用低溫非平衡等離子體化學(xué)粒子反應(yīng)模型研究各類粒子隨時(shí)間演化規(guī)律。由于 Steinle、Nikonov、Morrow和Kang

4、等人提供的傳統(tǒng)流注放電簡(jiǎn)化電離參數(shù)不適用于本文采用的具體粒子反應(yīng)方程式，故文中首先基于玻爾茲曼方程的兩項(xiàng)近似方法求解大氣壓下空氣中流注放電過(guò)程中電子的輸運(yùn)參數(shù)和電離系數(shù)。其次，為抑制電子連續(xù)性方程求解中出現(xiàn)負(fù)密度和提高求解電子連續(xù)性方程時(shí)的有限元網(wǎng)格分辨率，文中對(duì)電子的連續(xù)性方程進(jìn)行指數(shù)化處理。最后，詳細(xì)分析空氣中0.5cm間隙流注放電放電過(guò)程中的電子平均能量分布規(guī)律、粒子隨時(shí)間的演化規(guī)律，流注通道半徑以及影響電子平均能量大小、電場(chǎng)強(qiáng)度

5、大小和電荷密度大小的因素。本論文取得的主要研究成果有：
　?、傺芯堪l(fā)現(xiàn)電子平均能量在流注頭部達(dá)到最大值，且流注頭部是能量傳遞的主要區(qū)域。在流注通道電子平均能量近似為常數(shù)，且和流注頭部前方遠(yuǎn)離流注頭部區(qū)域的電子平均能量基本上相等；
　　②研究發(fā)現(xiàn)電子參與的碰撞電離反應(yīng)、離子 N2+參加的電荷轉(zhuǎn)移或中和反應(yīng)都主要發(fā)生在流注頭部區(qū)域；研究還發(fā)現(xiàn)在所有的反應(yīng)中電子和氮?dú)夥肿优鲎搽婋x速率R(電子和氮?dú)夥肿优鲎搽婋x)最大，但產(chǎn)生的離子N

6、2+密度在所有的離子中并不是最大的，而密度僅為氮?dú)馑姆种坏难醴肿赢a(chǎn)生的離子O2+密度是最大；
　?、畚闹惺状谓沂倦姌O表面附近電子和各類離子密度的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電子和各類離子密度在流注起始的針電極表面附近約0.01mm厚度內(nèi)迅速降低，形成一個(gè)低密度薄層。由于離子在固體界面的分布規(guī)律是離子與界面碰撞衰變的結(jié)果，這對(duì)研究流注在沿面發(fā)展問(wèn)題具有一定的參考價(jià)值；
　?、芡ㄟ^(guò)分析壓強(qiáng)、初始電子密度和氮氧混合氣體組分對(duì)流注放電的影響發(fā)現(xiàn)