短空气间隙放电流注分叉特性研究

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气体中的流注放电现象作为产生非热等离子体的途径被工业界应用于废气处理,内燃机点火等领域。在很多情况下,流注放电通道会分裂成几条而形成流注分叉现象。研究和理解厘米级短间隙中的流注分叉现象对于提高流注放电在工业应用中的效率有极大的帮助。但是,由于观测条件、计算手段等因素的限制,目前对于短间隙放电流注分叉现象的研究还不够深入,流注分叉产生的具体机制与过程仍不清晰,影响流注分叉特性的因素及各种因素在分叉过程中所起到的作用也没有得到足够的探索。因此,有必要对流注分叉理论和短间隙中流注分叉特性的影响因素进行更深入的研究。  本文首先对流注分叉机制进行了介绍,分析了流注头部净电荷层在发展过程中产生拉普拉斯不稳定性的原因,在此基础上描述了流注分叉的过程。同时,提出了拉普拉斯不稳定性系数λ,即净电荷层厚度与流注头部曲率半径之比作为衡量净电荷层不稳定性的参数。拉普拉斯不稳定性系数越小,净电荷层越接近于平面状态从而越不稳定,使流注更容易产生分叉。  另外,本文对短间隙中的流注分叉现象进行了实验研究,通过搭建短空气棒-板间隙放电实验平台进行了单次和重频放电实验。在单次放电实验中,研究了外加电压,电极结构(包括棒电极形状与间隙距离)对流注分叉特性的影响,结果表明:在外加电压幅值从45kV增加到60kV的过程中,流注分叉的数量和流注分叉通道的光学直径都会逐渐增加。在间隙距离从6cm减小到3.5cm的过程中,流注分叉的数量和流注分叉通道的光学直径也会逐渐增加。在间隙距离相同时,半球形棒电极相比于锥形棒电极能够产生更多的流注分叉。在重频放电实验中,研究了脉冲重复频率对流注分叉特性的影响,结果表明:随着脉冲重复频率从1Hz增加到300Hz,放电会越来越剧烈,传导电流也随之增加。当脉冲重复频率为7Hz时,分叉的数量相比于频率为1Hz时有所减少,但是两者之间的差别不大,在这两种放电频率下,流注分叉通道一般不会按照上一次放电的通道发展。
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