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介质阻挡放电(DBD)能够在常温常压下产生大面积、高能量密度的低温非平衡等离子体,易于实现大规模连续化工业运行,近年来成为国内外研究的热点之一。目前,这种放电已被广泛用于臭氧发生器、紫外准分子灯和材料表面改性处理等工业领域。在实际应用中,根据不同的生产条件和生产目的,DBD反应器工作在不同条件下,因此研究不同条件下DBD的放电特性对优化其反应器设计、提高其放电效率以及实现DBD等离子体的大规模工业应用具有重要意义。研究DBD放电机理和特性的手段主要有实验和仿真两种,研究人员通过建立相应的反应装置和仿真模型来研究DBD的机理和特性,进而将实验和仿真研究结果推广到大规模工业应用中。因此采用实验和仿真的方法系统地研究各种因素对DBD放电特性和电气参数的影响可以为深入理解放电机理和实际应用中DBD反应器的优化设计提供参考。
首先,在介绍DBD微放电过程及形成机理的基础上,研究了其电气参数和反应器参数的测量方法;进而在实验室建立产生DBD的实验装置及测量系统,通过放电电气特性测量和发光图像拍摄等手段,对气压强度、电源频率、外加电压幅值、气隙距离、阻挡介质的厚度和介电常数等因素对空气中DBD电气特性和发光特性的影响进行系统研究,并在对实验结果分析的基础上,为实际应用中反应器的优化设计提供了建议;然后,针对以往研究中采用可变电阻、齐纳二极管和可控挂开关控制的变阻器来等效DBD的微放电过程存在一定误差的缺点,建立了一种更能反映放电真实情况的基于电压控制电流源(CCS)的DBD等效电气模型,进一步利用MATLAB建立了DBD的动态仿真模型,并用所建立的模型定性研究了电源频率、外加电压幅值、气隙距离、阻挡介质厚度和介电常数等因素对大气压空气中DBD的放电特性的影响;最后,利用仿真模型和实验装置定量研究了不同条件下DBD的放电特性,并将仿真结果与相应的实验结果进行了比较,验证了仿真模型的准确性,并结合气体放电的理论和对电压电流特性及Lissajous图形的分析,对仿真和实验结果的变化规律在理论上给出定性的分析。
本文研究表明,不同气压下空气DBD表现出不同的放电特性;电源频率的增加对放电功率起促进作用,对传输电荷无影响,放电功率和传输电荷随外加电压幅值和阻挡介质介电常数的增加而增加,随气隙距离和介质厚度的增加而减小。由不同条件下仿真计算与实验测量所得的Lissajous图形计算出的电气参数和反应器参数的比较表明,二者是吻合的,且变化规律均与定性理论分析一致,表明本文所建立的动态仿真模型能反映DBD的真实情况,该模型可以用来辅助研究DBD的放电特性及电气参数,从而为优化DBD等离子反应器设计提供参考。