直流与锯齿波激励的均匀大气压放电数值模拟

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近年来,低温等离子体在工业领域上的应用日益显著,因此通过气体放电在大气压下产生均匀的低温等离子体已经成为气体放电和等离子体领域的研究热点之一。其中,直流放电是产生低温等离子体的一种最简单的方式,而由绝缘介质插入放电空间产生的介质阻挡放电,被认为是一种产生等离子体的传统方法,在工业中被广泛应用。因此,本文利用数值模拟的方法对直流激励和锯齿波激励下的大气压均匀放电进行了研究。  本文主要是采用一维流体模型的方法,通过解电子、离子的输运方程,动量方程和电流平衡方程,得到了放电电流、放电电压的波形,以及电子密度、离子密度和电场的空间分布。分别研究了直流激励和锯齿波激励下均匀放电的放电特性和放电模式的转换。通过模拟得到的主要结论有:  (1)对于直流放电,当外加电压加在电极两端后,气体间隙开始放电,当加压一段时间后,放电电流逐渐平稳,放电达到稳定状态。研究结果表明随着气体间隙宽度的增大,放电到达稳定状态的时间变长,放电电流的稳态值减小。通过比较不同时刻的电子密度、离子密度和电场的空间分布,发现在直流放电过程中放电由开始的汤森放电模式转换到辉光放电模式。改变不同气体间隙宽度、限流电阻和二次电子发射系数的值,得到不同参数下的V-I特性曲线。发现小气体间隙(2mm)下放电的V?I曲线斜率为负,即该情况下放电为正常辉光放电模式,而大间隙(4mm和10mm)下放电的V-I曲线斜率为正,即为反常辉光放电模式。而对于不同的限流电阻,小电阻的情况下(100kΩ)放电为反常辉光放电,而对于较大电阻(200kΩ和300kΩ)放电为正常辉光放电模式。但是,改变二次电子发射系数的值,发现在放电过程中V-I曲线斜率均为正,即二次电子发射系数值的变化未影响放电模式的改变。  (2)锯齿波激励下数值模拟结果表明,在频率较低时放电为阶梯放电,并且随着频率的增加,平台的宽度逐渐减小。当频率增加到一定值,在放电平台上会出现几个小脉冲叠加的情况。继续增大频率,会得到每半个外加电压周期有两个放电脉冲和一个放电脉冲的情况。通过模拟阶梯放电、脉冲放电所对应的不同时刻下电子密度、离子密度和电场的空间分布可知,阶梯放电属于汤森放电模式,而脉冲放电为辉光放电模式,即随着频率的增加放电同样存在放电模式的转换。而且通过分别分析阶梯放电和脉冲放电的V-I曲线再次证实了这个结论。
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