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，長空氣間隙和電暈放電特性和機(jī)理引起人們越來越多的關(guān)注，而流注作為該放電過程中的一個重要階段由于其發(fā)展時間非常短且是一個多尺度多場耦合的非線性動力學(xué)過程，實驗檢測和理論分析都較為困難。盡管目前對流注放電的研究取得一定的進(jìn)展，但這對流注放電的認(rèn)識還是遠(yuǎn)不夠的，如在流注放電過程中各類帶電粒子隨時間演化過程和電極對粒子分布的影響、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流注放電過程中空間電荷密度、電場強(qiáng)

2、度和電子平均能量的影響。研究流注放電過程中各類粒子隨時間演化規(guī)律對從微觀粒子運動規(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)局域場近似原理電荷密度的分布直接決定空間電場的分布，在氣體密度一定的情況下電場的高低決定電子平均能量的高低，而電子是流注放電過程中主要的傳遞能量載體，電子從電場中獲得能量并通過粒子間的碰撞過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間演化規(guī)律、空間電荷密度、電場強(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近似方法求解大氣壓下空氣中流注放電過程中電子的輸運參數(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)性方程時的有限元網(wǎng)格分辨率，文中對電子的連續(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程中的電子平均能量分布規(guī)律、粒子隨時間的演化規(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：
　　①研究發(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；
　?、谘芯堪l(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)中電子和氮氣分子碰撞電離速率R(電子和氮氣分子碰撞電離)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，而密度僅為氮氣四分之一的氧分子產(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，這對研究流注在沿面發(fā)展問題具有一定的參考價值；
　?、芡ㄟ^分析壓強(qiáng)、初始電子密度和氮氧混合氣體組分對流注放電的影響發(fā)現(xiàn)