线筒结构电极介质阻挡放电的数值仿真_孙岩洲

晕和沿面放电[3]。国内外研究者对介质阻挡放电进 行了深入研究，发现了多种模式，如丝状、斑图、扩 散以及辉光等 ，但 [4-6] 较多集中在体相放电的范围。 近年来也有研究者对一些特殊电极结构进行了分 析，大连理工大学的杨德正认为多针电晕可提高放 电的稳定性[7]；大连海事大学的俞哲等认为针电极 有助于微流注转变为微辉光[8]；中国科技大学的何 贤俊等研究了电晕与介质阻挡结合对放电的影 响[9]；南京工业大学的方志等认为管板电极放电较 为稳定[10]；数值模拟方面，西安交通大学的邵先军等 对一维自洽耦合流体进行研究[11]，山东大学的李清 泉等对有限元二维模型的介质阻挡放电进行了研 究[12]；但这些研究主要集中在电气参数及光学现象 上，而对小曲率半径电极的介质阻挡放电在微观参 数、放电发展机理以及建模数值计算方面还有待深
0引言 介 质 阻 挡 放 电（Dielectric Barrier Discharge，
DBD）是一种非平衡态气体放电，是不稳定和非均 匀的放电，是产生非平衡态低温等离子体的一种非 常有效的方法。因此，介质阻挡放电有着广泛的工 业应用[1-2]。
根据放电结构，介质阻挡放电可以分为体相放 电和表相放电两种。体相放电常采用板对板电极 或同轴管状电极从而形成贯穿气体间隙的放电，表 相放电则为小曲率半径电极及介质表面出现的电
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介质电场不同步改变的现象。随着时间的变化，如 此反复。
1 mmHg）、m/s。 计算出的电子的漂移速度 ve 见图 5。由图 5 可
知，电子的漂移速度随着 r 的增大而逐渐变小，并在 一定距离处开始趋于平稳。
图 3 Vp=21 kV 时的电场分布图 Fig.3 The electric field distribution when
绝缘材料 2015，48(7)
孙岩洲等：线筒结构电极介质阻挡放电的数值仿真
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线筒结构电极介质阻挡放电的数值仿真
孙岩洲，巩银苗，孙念念
（河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000）
摘要：为了研究同轴线筒电极在大气压下空气中的电气参数和放电机理，利用有限元软件 Comsol 的等离子体 模块，建立了大气压空气中一维线筒电极放电的等离子体模型，并对放电过程进行求解，得到放电过程中气隙 的电场强度及电子密度随时间变化的图形，放电过程中电子密度高达 1014 m-3，此时对应的放电电流为毫安 级。在大气压空气中对线筒电极也进行了放电实验，在不同的外加电压下，测出线筒电极的放电电流分别约 为 1 mA 和 5 mA，仿真结果与实验数据相吻合。 关键词：介质阻挡放电；线筒电极；数值模拟；电场强度；电流 中图分类号：TM213 文献标志码：A 文章编号：1009-9239（2015）07-0029-05
Fig.1
图 1 线筒电极结构示意图 The schematic diagram of line-cylinder
electrode structure
根据图 1，在软件 Comsol 的等离子体模块中建 立简单直观的一维等离子体模型，如图 2 所示。模 型中，横轴表示内电极中心到外电极之间的距离 r， 单位为 mm，零点即为内电极的中心。空气的相对 介电常数为 1，空气坐标 r 的范围为 0.5~16 mm；介 质为石英玻璃，其相对介电常数为 4.2，介质坐标 r 的范围为 16~17.5 mm；空气和介质的分界面位于坐 标 r=16 mm 处。放电空间温度为 313.5 K，气压为 0.1 MPa。模型建立后要根据计算要求来剖分网格， 目的主要是在保证计算精度的前提下，能够提高收 敛性，缩短计算时间。
程求解器公开软件 BOLSIG+[14]，求出不同场强条件 下空气中的电子分别与氧气、氮气的电子撞击截面 的能量损失，各粒子的化学反应见文献[15]。
1 等离子体模型的建立 图 1 为线筒电极结构示意图，图中内电极（即细
线电极）接高压端，细线电极半径为 0.5 mm；外电极 直接接地，外径为 17.5 mm。
图 3 为内电极上施加正弦交流电压 Vrf=21sin (2πft)kV 时的电场分布，起始电压为正，外电极接 地。放电开始后，由于内电极起始电压为正半周期 的电压上升阶段，在此阶段气隙中的自由电子在外 部电场的作用下由外电极向内电极做加速运动，在 加速途中与重粒子碰撞，发生碰撞电离，形成了大 量的电子崩。相比正离子来说，电子的质量很小且 运动极快，所以电子在飞速向内电极运动时，电离 产生的正离子基本上没有移动。由于阻挡介质的 存在，空间电荷并没有消失，而是在阻挡介质内表 面积聚，积聚的电荷产生一个与外加电场相反的电 场[16]，随着介质上积聚电荷的增加，反向电场作用会 越来越强，气隙中总的电场强度就会下降[17]，当气隙 场强下降到小于气体的击穿场强时，放电中断 。 [18] 对于介质上的电场强度，由于在正半周期的电压上 升阶段，电场强度由内电极指向外电极，在介质表 面积聚的正离子加强了这一现象，使得介质上的电 场强度比气隙的电场强度大得多，如图 3 所示。
Numerical Simulation of Dielectric Barrier Discharge for Line-cylinder Structure Electrodes
Sun Yanzhou, Gong Yinmiao, Sun Niannian (School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China) Abstract: In order to study the discharge mechanism and electrical parameters of line-cylinder electrodes in air at atmospheric pressure, we used the finite element software Comsol to establish a one-dimensional plasma discharge model of line-cylinder electrode, and the discharge process was solved. The variation figures of electric field intensity and electron density of gas gap during discharge process with time were obtained, the electron density can increase to 1014 m-3, and the corresponding discharge current is mA level. The discharge experiment of line-cylinder electrode was conducted in air at atmospheric pressure. The measured discharge current is about 1 mA and 5 mA respectively under different applied voltages, and the experimental results are match well with the simulation data. Key words: dielectric barrier discharge; line-cylinder electrode; numerical simulation; electric field intensity; current
————————————— 收稿日期：2014-10-13 修回日期：2014-11-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目（U1204506） 作者简介：孙岩洲（1972-），男（汉族），河南洛阳人，教授，博士，主 要从事高电压技术及气体放电等研究；巩银苗（1987-），女（汉族）， 江苏丰县人，硕士生，主要从事气体放电等离子体研究。
图 3 显示的是电压上升阶段（左侧坐标轴的 0~ 5 ms）、电压下降阶段（5~10 ms），直到 20 ms 的一个 完整的工频电压周期内气隙中的电场分布。如图 3 所示，由于电压的上升与下降交替变化，介质的内 表面积累了大量的空间电荷，故出现了气隙电场与
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模型中反应气体是大气压下的空气，成分主要 考虑氮气和氧气，参加反应的粒子只考虑氮气与氧 气的一些正、负离子和电子。根据玻尔兹曼运输方
图 2 线筒电极的 Comsol 模型 Fig.2 The Comsol model of line-cylinder electrode
2 模拟结果与实验对比 2.1 气隙场强分析
பைடு நூலகம்
图 4 不同电压下的电场对比 Fig.4 The comparison of electric field at different
voltages
由电场强度通过公式(1)[19]可求得上述五点处
的电子漂移速度，由 E/P 的值可以计算出 ve。
ve
=
ìïï(2E.2/P×<10430×) [200E1/P -(E1/P)2] íîïï(2E.6/P×≥1054×0)[E1/P + 17.21]
Vp=21 kV
当外加正弦电压峰值为 14 kV 和 21 kV 时，分别 选取距离 r 为 2 mm、6 mm、10 mm、14 mm、15.5 mm 处的电场强度值作图，如图 4 所示。由图 4 可见，在 气隙中，随着电压的增大，电场强度也随之增大；随 着 r 值的变大，电场强度逐渐变小，当达到一定距离 时，此电场强度趋于平稳。
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（1）
式 (1) 中 ，E、P、ve 单 位 分 别 为 V/m、133 Pa（即 为
图 6 Vp=14 kV 时的电子密度图 Fig.6 The electron density when Vp=14 kV
由图 6 可以看出，电子密度随着 r 的增大而变 小。放电开始时，外加电压为正半周期，电子在外 加电场的作用下向线电极附近运动。线电极附近 由于电场强度较大，电子运动极其剧烈，电子运动 相对来说更为迅速，说明此时的电子主要受电场的 控制，以漂移运动为主。随着电压进入负半周期， 电子由于反向电场的作用，又迅速向外电极方向运 动，又回到接近初始状态。如此反复，电子浓度增 大的区域开始出现浓度梯度，电子除了受电场控制 以外，电子的扩散运动也开始出现，电子在扩散和
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入研究。 线筒电极具有小曲率半径特性，前期研究发现
线筒电极放电具有类辉光和弥散特性[13]。为了深入 研 究 线 筒 电 极 的 介 质 阻 挡 放 电 特 性 ，本 研 究 基 于 Comsol 软件的等离子体放电模块，对大气压下线筒 电极在空气中的放电进行一维数值模拟，研究放电 过程中电场分布以及电子密度分布，由电子密度间 接求出放电电流；然后根据仿真模型，搭建实验平 台 ，在 大 气 压 空 气 中 对 线 筒 结 构 电 极 进 行 放 电 实 验，得到电压-电流波形。最后将仿真数据与实验 数 据 进 行 对 比 ，得 出 线 筒 结 构 电 极 的 放 电 参 数 特性。
图 5 不同电压下电子漂移速度对比 Fig.5 The comparison of electron drift velocity
atdifferent voltages
2.2 电子密度分析 图 6 为放电时气隙中电子密度的三维分布图，
X 轴代表到内电极的距离 r，单位为 mm；Y 轴代表时 间 t，图中为一个工频周期 20 ms；Z 轴代表电子密度 ne，单位为 1/m3。