李卓凡1991—,男,硕士生,研究方向为高电压脉冲等离子体应用E-mail: lizhuofan@mail.iee.ac.cn
0 引言
非平衡等离子体具有大量的高能电子和活性自由基团,有很好的化学选择性[1-2]和化学活性,可以提高化学反应速率,加快化学反应进程,同时非平衡等离子体又适合在大气压环境中工作[3-4],因此其在环境治理、材料表面处理、点火和辅助燃烧等领域应用广泛,在甲烷直接转化制备氢气和乙炔领域也有广阔的应用前景[5-6]。滑动弧放电是一种常见的气体放电等离子体产生方式,可以在大气压下产生非平衡等离子体[7-8]。其基本原理是在一对或者多个电极上施加电压并通入气流,在电极最窄处发生气体击穿形成初始放电通道,放电通道在气流作用下沿着气流方向滑动,从而形成滑动弧放电[9]。
由于滑动弧放电电极结构简单,近年来许多国内外科研人员对这一等离子体技术进行了研究。Czernichowski将滑动弧等离子体应用于CH4和CO2反应制取合成气和H2S降解工艺中[10]。海彬等采用交流电源激励的滑动放电产生低温等离子体,并以正硅酸乙酯(TEOS)为反应前驱物在环氧树脂表面沉积类SiO2薄膜,研究了环氧树脂材料表面电荷积聚特性[11]。目前对滑动弧放电的研究大多采用交、直流源作为激励源。章程等采用交流电源激励针-针电极结构,研究了气流对滑动弧放电特性的影响,发现击穿电压随着气流体积流量的增大而增大,并影响放电稳定性,当气流体积流量大于3 L/min时,放电稳定性降低[12]。Zhu等使用高频交流电源激励水冷不锈钢电极[7,13-14],对高频交流滑动放电特性进行了研究,并通过光学诊断,研究了空气流量对滑动电弧动力学、基态OH分布和光谱特性的影响,另外在湍流气流下实现了一种持续扩散火花抑制的交流滑动放电,并通过湍流对流和等离子体柱之间的相互作用解释了扩散滑动放电形成的调节机制。倪明江等对大气压直流滑动放电等离子体的电参数特性、脉冲特性和发射光谱特性进行了研究[15],发现随着气流量或者外部阻抗的增大,滑动放电主要脉冲频率变高,电弧周期变小。Korolev等利用高压直流源激励刀形电极,在大气压下研究了气流对低电流滑动放电的影响[16-18]。在电流小于1 A时,放电形式为正常辉光放电,而不是电弧放电,并在辉光放电条件下,研究了气流量对阴极光斑变化的影响。
近年来,随着民用脉冲功率技术的发展,高功率脉冲滑动弧放电的研究引起国内外研究人员的广泛关注,与常规电源(交、直流)相比,脉冲电源激励的气体放电能够提供高功率密度、高约化电场来产生具有更高反应效率的活性粒子的大气压非平衡等离子体[19]。Zhang等将纳秒脉冲电压施加在针-针电极上[20-21],研究了其放电模式变化和电极间隙、脉冲重复频率(pulse repetitive frequency, PRF)、气流体积流量对滑动弧放电特性的影响,并对比了纳秒脉冲和交流滑动弧放电的特征,发现纳秒脉冲电源受负载影响较小,能够提供足够高的功率与能量激励持续的火花放电。牛宗涛等以微秒脉冲电源为激励源,在大气压下产生滑动弧放电,研究了气流和PRF对滑动弧放电特性的影响[9,22],发现不同气流下,PRF对滑动弧放电特性的影响与放电中粒子的记忆效应和气流的状态有关。上述文献中,大多数滑动弧放电的研究主要针对滑动弧放电的电特性进行研究,而对滑动弧放电等离子体通道运动状态进行研究很少。由于滑动弧放电受到流场等因素的影响,滑动周期可能会发生变化,若仅对单个滑动周期进行分析,存在偶然因素。Potočňáková等在正常和超重条件下研究了浮力和气流流动现象对滑动弧放电等离子体通道运动的影响,并指出滑动弧的演化细节在很大程度上是由不可预测的、不断变化的偏离稳定性所决定的,这些偏差往往是由局部流动湍流、热效应、电极局部粗糙度和自诱导电磁力引起的[23-24],因此单个滑动周期可能会发生变化,但在大多数情况下都有可能找到“平均”或典型的滑动。文中基于这一原则,对高速摄像机拍摄的滑动弧放电图像进行处理,测量滑动弧的最大高度和长度。受一系列内部、外部因素的影响,大气压下气体放电中存在复杂的非线性动力学行为。宁文君等借助氦气介质阻挡放电的1维流体模型仿真,研究了其在外施电压幅值变化时所诱导的放电非线性现象的演化过程及特征,随着电压幅值升高,放电经历了多种时域非线性现象,最终稳定在1倍对称周期演变过程[25]。李雪辰等采用交流电源激励两个裸电极,研究了不同耗散功率下氩气等离子体羽流的复杂动力学,发现除了70 kHz施加电压产生的一次振荡外,还存在二次振荡,该振荡是等离子体柱周期性运动的结果[26]。
滑动弧放电可以在大气压下产生周期性的非平衡等离子体,稳定的滑动弧放电有助于提高滑动弧放电在环境治理、点火和辅助燃烧等领域的实用价值。然而实验中发现当采用微秒脉冲电源激励刀形电极产生滑动弧放电时,滑动弧放电的周期总是不稳定的,受到流速和PRF的影响。而对于这些影响的研究缺显得不足,由此可能带来在实际应用过程中滑动弧放电等离子体出现性能不可靠等负面效应。文中采用自制的微秒脉冲电源激励刀形电极,使用高速摄像机拍摄滑动弧放电等离子体通道的演变过程,通过分析拍摄到的放电图像,研究了流速及PRF对滑动弧放电周期特性、滑动弧的高度以及滑动速度的影响。
1 实验装置及测量系统
实验在大气压下敞开的空气中进行,环境温度为20 ℃,实验装置如
微秒脉冲滑动弧放电过程中的电压、电流信号,分别由高压探头(Tek P6015)、电流线圈(Pearson 6595)测得,并通过电缆线传输到示波器(Tek 2024B)中,在示波器中实时显示电压电流波形。通过高速摄像机(Phantom v711)对放电图像进行拍摄,高速摄像机的全幅分辨率为1 280×800,最大拍摄速度可达680 000帧/s,最小曝光时间1 μs。实验中将高速摄像机通过以太网数据线缆与计算机相连,并利用控制软件PCC实现对高速摄像机控制与图像下载。高速摄像机的帧数与微秒脉冲电源的重复频率匹配,能够很好地捕捉到每个脉冲放电时的放电图像。
实验中保持电源输出电源为17 kV,典型的微
图1
实验装置示意图
Fig.1
Schematic view of the experimental set-up
图2
刀形电极结构示意图
Fig.2
Schematic view of the knife electrodes
图3
脉冲滑动弧放电典型的滑动周期
Fig.3
Discharge images of pulsed gliding discharge in a typical cycle
秒脉冲滑动弧放电的电压电流波形如
2 实验结果与分析
2.1 滑动弧放电的周期特性
通过计算机控制高速摄像机,对滑动弧放电发展过程进行拍摄,获得的图像为一组滑动弧放电图像。当PRF≤1 500 Hz时,设置高速摄像机拍摄速度为5 000 帧/s,曝光时间为200 μs,拍摄张数为1 200张;继续增大PRF,为保证拍摄图像清晰度,将拍摄速度增至10 000 帧/s,曝光时间为100 μs。改变气流流速时,设置拍摄速度为5 000帧/s,曝光时间为200 μs,拍摄张数为600张。高速摄像机拍摄的每一组滑动弧放电图像都包含不同数量的滑动周期,滑动弧放电的周期特性受到流速及PRF的影响。考虑到单位时间内产生滑动弧的数目会随着PRF的变化而变化,为了更加清晰反映PRF对滑动弧动态演变过程的影响,采用滑动周期内滑动弧的个数来反映滑动周期的长短;同组内各个滑动周期中滑动弧数量变化反映了该组内滑动周期的波动。在不同流速及PRF下,对各组滑动弧放电图像各个滑动周期内的滑动弧个数进行统计,统计结果如
式中：ρ为空气密度,取1.205 kg/m2;v为气流流速;D为出气碰嘴直径,本实验中D=0.006 5 m;μ为气体动力黏度系数,取1.81×10-5 N·s/m2。求得流速为5.0 m/s时,雷诺数Re为2172.33,气流进入从层流向湍流过渡的状态。实际上当雷诺数为2 000时,对应本实验的气流流速为4.6 m/s;当雷诺数为4 000时,对应本实验的气流流速为9.2 m/s。由此可知,当v<4.6 m/s时,气流处于层流状态;当4.6 m/s<v<9.2 m/s时,气流处于由层流向湍流过渡的状态;当v>9.2 m/s时,气流处于湍流状态。
图4
典型的微秒脉冲滑动弧放电波形
Fig.4
Typical waveforms in microsecond-pulse gliding discharges
表1
不同流速下滑动周期内滑动弧个数变化
Table
1 Number of gliding arcs in a gliding cycle at different flow rates
表2
不同PRF下滑动周期内滑动弧个数变化
Table
2 Number of gliding arcs in a gliding cycle at different PRFs
气流对滑动弧放电的扰动,减小了滑动周期的波动。滑动周期的波动性可以用标准差系数来表示,标准差系数指用数列标准差与其相应的平均值对比,相关计算式为
式中：Vσ为标准差系数;σ为滑动周期数列的标准差;X为滑动周期数列的平均值。标准差系数可以排除了各组数据平均值相差较大的影响,更好地反映各组数据的离散程度的相对指标。
不同流速和PRF下所得滑动周期的标准差系数的计算结果,如
2.2 滑动弧上升高度和平均发展速度
滑动弧在电极最窄处产生,在气流的作用下,沿着气流方向滑动,上升到最大高度后,会重新在电极最窄处燃弧。当流速>4.6 m/s时,气流开始由层流向湍流过渡,气流不稳定,流场出现脉动,会对滑动弧造成不同程度的拉伸,可能使得滑动弧放电提前重新燃弧,不利于对滑动弧放电高度的研究。根据
图5
不同流速下滑动周期的标准差系数
Fig.5
Standard deviation coefficient of the gliding cycle at different gas flows
图6
不同PRF下滑动周期的标准差系数
Fig.6
Standard deviation coefficient of the gliding cycle at different PRFs
图7
不同流速下滑动弧的高度与长度
Fig.7
Height and length of the gliding arc at different gas flows
式中：a和hmax分别为滑动周期内滑动弧的个数和上升的最大高度;f为该滑动周期内电源放电频率。
从
实验结果表明流速对微秒脉冲滑动弧放电的影响显著。通过改变流速可以改变电极间隙的气流运动状况,进而影响残留粒子(亚稳态粒子等)在电极间的扩散,残留粒子的记忆效应也会因此受到影响,记忆效应是指一些活性粒子在放电后长时间存活并影响随后的击穿的现象[27]。在流速<4.6 m/s时,气流处于层流状态,分层流动,各分层之间互不影响,气流比较稳定,脉冲放电后残留粒子随稳定的气流向上扩散到某一位置,增大了该位置处的电导率,减小其击穿电压,可能使得其击穿电压小于电极最窄处的击穿电压,在下一个脉冲来临时,在残留粒子的辅助下,该位置处更容易发生火花放电[14]。由于气流流场较稳定,滑动弧能够稳定地沿着气流发展,滑动周期比较稳定。随着流速增大,残留粒子沿气流方向扩散加快,滑动弧的上升速度会随着流速的增大而增大。气体流速一方面会随着出气喷嘴处流速的增大而增大,另一方面也会随着与出气喷嘴的距离增大而减小[28],故随着滑动弧上升的高度增大,滑动弧上升速度的增加速率逐渐下降。气流流速继续增大,流速为5.0~8.0 m/s时,气流由层流向随机、无序的湍流过渡,流场中会出现波状的过渡斑,由于一再出现的新的突然扰动的互相作用和衰减,使得气流不稳定,流场出现脉动,扰乱了残留粒子的扩散方向,使得残留粒子向周围扩散,电极间隙中残留粒子数减小,同时由于气体流速增大,残留粒子扩散速度加快,在下一个脉冲来临时,电极间隙内残留粒子较少,大多数活性粒子可能扩散到刀形电极间隙之外或者刀形电极间隙较宽处,记忆效应减弱,等离子体阻抗会随着弧长增大而增大。等离子体阻抗进一步增大,滑动弧等离子体将会发生重连[29],甚至在电极最窄处重新击穿,滑动弧所能上升的最大高度也因此受到限制。
图8
不同流速下滑动弧的平均速度
Fig.8
Average velocity of the gliding arc at different gas flows
图9
不同PRF下滑动弧的高度与长度
Fig.9
Height and length of the gliding arc at different PRFs
图10
不同PRF下滑动弧的平均速度
Fig.10
Average velocity of the gliding arc at different PRFs
并且处于该阶段的气流会对滑动弧造成不同程度的拉伸、扭曲,可能使得放电重新在电极最窄处产生,进而导致滑动周期不稳定。随着流速增大,滑动弧的等离子体阻抗增大[30],气流对滑动弧放电的对流冷却增强,耗散功率也会随之增大。当电源所提供的功率小于滑动弧的耗散功率时,电源所提供的功率不足以维持滑动弧放电的进一步发展,电弧可能重新在电极最窄处形成,进入下一个滑动周期,滑动弧的长度也因此受到了限制。
章程等采用针-针电极结构研究气流量对交流滑动弧放电的影响[12]。与本文不同,其电极结构为针-针电极,激励源为高频交流源,放电模式为类辉光放电。两者放电特性不同主要是因为激励方式不同。文献[21]中对比了纳秒脉冲电源与交流源激励的滑动弧放电特性的不同,指出两者放电特性不同主要是由3个因素造成的：电源的功耗和能量、电源与负载之间匹配以及两个脉冲之间的时间间隔。脉冲电源能够提供更高的放电功率和能量,脉冲滑动弧放电模式与电极间隙无关,为火花放电,电源受负载影响较小;随着电极间隙增大,交流电源的放电模式由火花放电逐渐向类辉光放电转变,电源放电特性受到负载影响;两个脉冲之间的时间间隔影响放电过程中热量的积累以及残留粒子的记忆效应。文献[12]中在气流体积流量<3 L/min时,由于两个脉冲之间的时间间隔较小,残留粒子的记忆效应明显,容易使得放电通道出现在上次放电的位置处,放电范围较小,负载变化较小,当气流>3 L/min时,残留粒子扩散加快,放电范围扩大,负载出现较大的变化,受负载影响,放电特性不稳定。文中微秒脉冲电源受负载影响较小,能够提供足够高的功率与能量激励持续的火花放电。
由
增大PRF,可以减小相邻两个脉冲放电之间的时间间隔,减小了残留粒子的扩散范围,增加单位时间内电极间残留粒子的数量,增强电极间隙内残留粒子的记忆效应。当流速为5.0 m/s时,气流处于层流向湍流过渡阶段,气体流速较大且流场不稳定,导致滑动周期的波动较大。随着PRF增大,相邻两个脉冲之间的时间间隔减小,残留粒子向周围扩散时间缩短,扩散范围减小,减弱了不稳定的气流场对残留粒子扩散的影响,放电区域内的残留粒子数增加,记忆效应增强,有利于维持滑动弧放电沿气流方向发展;此外PRF越高,越有益于残留粒子的积累。随着PRF增大,单位时间内的电极间隙中累积的残留粒子数增多,记忆效应增强,在气流的拖拽下,滑动弧能够到达更大的高度,有助于提高滑动弧放电的稳定性,因此随着PRF增大,滑动周期波动减小。同时,随着PRF增大,滑动弧平均速度也略微有所增大,说明除了流速之外还有其他因素影响(如放电产生的热量)滑动弧上升速度。
3 结论
1）当流速较小时(<4.0 m/s)时,气流处于层流状态,流场较稳定,残留粒子有助于维持滑动弧放电沿着气流方向发展,滑动周期比较稳定。当流速较大时(>4.0 m/s),气流场出现脉动、不稳定,且残留粒子扩散加快,残留粒子记忆效应减弱,滑动周期出现较大的波动。但滑动弧的平均速度随着流速的增大而增大。
2）随着PRF的增大,电极间隙内累积的残留粒子数增多,增强电极间隙内残留粒子的记忆效应,减弱了流场对滑动弧放电的干扰,减小了滑动周期的波动。在气流的拖拽下,滑动弧的最大高度也随PRF增大而增大,滑动弧的平均速度随着PRF增大而略有增大。
3）稳定的气流场以及较大的PRF有利于滑动弧放电沿气流方向发展,并减小滑动周期的波动。
参考文献
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