空气放电中负电晕放电的流体动力学模型

空气放电中负电晕放电的流体动力学模型

1改进的负电晕放电数值模型电头晕放电是一项非平衡性低温电压机的放电过程，通常发生在曲线半径较大的前端电极附近。由于目前缺乏有效的关于大气压下空气放电等离子体诊断手段本文在电晕放电的二维流体动力学模型基础上增加考虑电子平均能量方程,简化了重粒子输运方程,并考虑了光电离、二次电子发射、粒子间化学反应等重要过程,提出了改进的负电晕放电数值模型。基于该改进模型对棒-板间距3.3mm,施加电压-5.0kV情况下进行计算,并且在实验室内开展对应实验对计算模型进行验证。基于该模型计算得到负电晕放电的单次放电脉冲电流波形,在一个放电脉冲周期内,选取6个典型时间点对负电晕放电脉冲过程中的电子温度分布、电子密度分布、电子产生和消散特性等微观特性进行详细讨论。2空气放电物理过程的求解在流体动力学模型中考虑碰撞反应,并在混合数值模型中加入光电离项和二次电子发射过程来分析空气放电的物理过程,其实质就是将电子连续性方程、重粒子多组分扩散输运方程、电子平均能量方程和泊松方程化为适当的偏微分方程组,再将偏微分方程组归一化后以离散的数值差分形式求解。2.1电子平均能量测试在Georghiou式中,n为了能够更准确的描述空气放电中电子能量产生与损失机制,电子能量和电子温度被考虑到模型中,完整电子平均能量式中,ε为电子平均能量;e为元电荷(1.602×10式中,ε是电子平均能量;f(ε)是电子能量分布函数(EEDF),本文采用的EEDF为课题组利用ComsolMultiphysics软件建立一维模型,对Boltzmann方程求解得到μ简化后的描述重粒子在放电过程中随时间演的方程化程为式中,最后,泊松方程为式中,E是电场强度;ε是真空介电常数。2.2激发态氮气分子释放光子过程空气放电的本质是带电粒子与中性空气分子(原子)、分子(原子)团簇等基本粒子之间,以及这些粒子与电极表面相互碰撞作用的结果(1)电子碰撞电离过程(2)电荷在粒子间的转移(3)正负粒子的复合以及中性粒子间的反应(4)电子的附着反应k由于在电极表面发生的表面中和反应,正离子和负离子在电极表面通过以下反应恢复中性通常光电离制造的电子数量远小于碰撞电离,但是产生的这些光电子在电离较弱的区域作为“种子电子”引发新的电子崩式(29)是激发态氮气分子释放光子的过程,hv表示释放光子,式(30)表示氧气分子的光电离过程,h是普朗克常数;v是光波的频率。本文采用Eddington近似方法式中,r光子辐射和吸收之间的距离;r2.3有限元求解条件图1为负电晕放电外电路及计算区域示意。棒电极的曲率半径为0.4mm,板电极半径为5.0cm,棒-板间距3.3mm。外电路是由DC源,电容C和保护电阻R组成。在模型中,直流电压设为-5.0kV,电容C设为1.0pF,并且保护电阻R为5.0kΩ。环境条件设置为T=300K和p=1.0atm。通过基于有限元方法的ComsolMultiphysics软件的等离子体模块来求解实现的,有限元求解过程中对求解区域进行合理的网格划分是正确求解的关键,尤其是在那些物理量梯度较大的区域。现有的文献表明,棒-板电极气体放电过程是沿着轴线向着板极发展的电压在棒极端为-5.0kV,板极接地故为零电势,开放边界的电压边界条件为电子通量在电极上的边界为电子平均能量方程在电极表面处满足的电子平均能量通量边界条件为一般认为,正负离子和中性粒子在电极表面都衰变成稳定的中性粒子并返回到放电区域,该物理过程可作为离子边界条件正负离子和中性粒子连续性方程在开放边界的边界条件式中,n为电极表面法向矢量;γ当电子通量朝向电极时α式中,T为背景气体温度(300K);μ在棒尖端,假设空气放电前存在的粒子(种子电子和正离子)是最大值为10式中,3实验设施3.1外施电压和电晕电流传感器为了验证数值模型的有效性,本文搭建了如图2所示的棒-板电极负电晕放电的电晕电流测量系统。棒-板电极电晕放电模型(如图3所示)完全按照图1a所示计算模型1:1制作和安装,整个棒-板电极固定在由不锈钢和钢化玻璃制作的容器内,容器内充满标准气压的干燥空气。外施电压由MatsusadaAU-60N1.6-L直流电源提供,该电源拥有正负两个模块,可在-60～60kV之间精确调节输出电压(误差0.05kV)。电晕电流传感器主要由快恢复二极管和放电管构成的保护电路保护,利用75Ω精密无感电阻来采集放电电流信号。电晕放电电流波形记录由力科WavePro7200数字示波器采集记录,最大带宽2GHz,最大采样频率可达20GS/s。此外,整个试验均在重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点试验室的局部放电测量室进行,该室墙壁及地板均由铁皮包裹并良好接地,可以有效降低外来电磁干扰。3.2填充空气过流连接(1)安装并根据棒-板间距固定棒-板电极位置,同时打开③和⑦,对容器灌输干燥空气,待残余气体排除干净后关闭⑦,继续对容器填充干燥空气,直到气压计显示压强为1.atm时关闭③。(2)按图2所示连接各设备,并利用万用表检查接线情况。(3)撤离接地棒,采用逐步升压方式从1kV开始以步长0.5kV升高至电压U,保持1min后,记录该电压值,采用示波器记录该电压下电晕放电电流波形,记录完毕后降压至0。(4)挂靠接地棒,移除实验装置,人员撤离。4结果与讨论4.1负电头晕释放电脉冲波形图4所示为负电晕放电单次放电脉冲波形。电晕放电电流波形由一个快速的上升沿和缓慢的下降过程,放电电流的波形特性与Zentner4.2等离子体放电过程中电子温度的测量电子温度是空气放电中能量传递最主要的媒介,电子温度是表征等离子体性质的一个重要参数,由于等离子体放电过程非常复杂,脉冲持续时间也非常短暂,要实时准确测量其电子温度非常困难4.3分布电子密度的特征电子和空气中中性分子的碰撞电离是空气放电过程中最为主要的电离过程,电子是外加电场与重粒子之间传递能量的主要载体4.4气体放电过程碰撞反应速率在一定程度上反映了该反应在气体放电过程中的强弱。现有文献往往采用的是简化的化学反应模型且气体放电过程中的粒子成分也做了相应的简化5单次脉冲放电时间点的电子特性本文详细介绍了一种基于流体动力学模型改进的棒-板电极负电晕放电数值模型,利用该模型对棒-板间距3.3mm、施加电压-5.0kV进行计算,得到的单次放电脉冲波形和实验结果吻合较好。基于该模型,文中主要讨论了单次脉冲持续过程中的6个典型时间点的电子特性。主要结论如下:(1)在脉冲起始阶段,电子温度主要集中在棒极附近,随着放电时间的发展,电子温度的最大值出现在场致电离区且随着场致电