基于Ansys的平板型介質(zhì)阻擋放電仿真與研究

周彬彬，付 豪，喻偉闖，劉俊夫，袁海林，廖紅華*

（1.湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施，445000；2.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北恩施445000）

基于Ansys的平板型介質(zhì)阻擋放電仿真與研究

周彬彬1，付 豪1，喻偉闖2，劉俊夫1，袁海林1，廖紅華1*

（1.湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施，445000；2.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北恩施445000）

針對微型原子化器中平板型介質(zhì)阻擋放電進(jìn)行了仿真與研究.主要對不同介質(zhì)阻擋材質(zhì)、不同介質(zhì)厚度、不同放電間隙、不同激勵(lì)電極形狀以及不同激勵(lì)電壓對放電特性的影響進(jìn)行了研究.仿真表明：介質(zhì)阻擋材質(zhì)介電常數(shù)越大，越容易獲得較大的放電密度；選用圓形激勵(lì)電極獲得的放電密度遠(yuǎn)大于選用方形激勵(lì)電極；相對而言，較薄的介質(zhì)阻擋材質(zhì)更容易獲得較大的放電密度；較小的放電間隙更利于提高放電的密度和放電的均勻度等.

Ansys；微型原子化器；平板型介質(zhì)阻擋放電；放電間隙；放電密度

介質(zhì)阻擋放電（Die1ectric Barrier Discharge，簡稱DBD）是一種可在大氣壓下維持的低溫等離子體［1］.與其他類型的等離子體相比，DBD具有良好的裂解能力和激發(fā)能力，可以在多種氣體下操作，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、操作溫度低、能夠自發(fā)產(chǎn)生等特點(diǎn)［2-3］.將DBD微等離子體應(yīng)用于氫化物原子化，發(fā)展DBD低溫微型原子化器，將十分有利于原子光譜的小型化［4-5］.

文中根據(jù)項(xiàng)目需要，針對低溫微型原子化器中平板型介質(zhì)阻擋放電進(jìn)行了仿真與研究，探討了不同介質(zhì)阻擋材質(zhì)、不同介質(zhì)厚度、不同放電間隙、不同激勵(lì)電極形狀以及不同激勵(lì)電壓對放電特性的影響［6-8］.為后續(xù)研究設(shè)計(jì)基于介質(zhì)阻擋放電的低溫微型原子化器奠定理論基礎(chǔ).

1 平板型介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)及等效電路模型

低溫微型原子化器平板型介質(zhì)阻擋放電等離子體由高壓激勵(lì)信號(hào)源、激勵(lì)電極（上電極、下電極）、放電腔體、放電介質(zhì)阻擋層、氣體入口與出口通道等組成，如圖1（a）所示.平板型DBD氣隙內(nèi)的放電是由許多在時(shí)間上和空間上隨機(jī)分布的微放電構(gòu)成［9-10］.微放電發(fā)生前后DBD的等效電路是不同的，放電前DBD等效電路如圖1（b）所示，微放電未發(fā)生，整個(gè)回路由阻擋介質(zhì)與氣隙分壓，DBD的等效電路由介質(zhì)等效電容Cd和氣隙等效電容Cg串聯(lián)構(gòu)成；氣隙擊穿后，微放電發(fā)生，氣隙內(nèi)的電離水平不同，導(dǎo)致Cg非線性變化，此時(shí)，DBD的等效電路由Cd和微放電等效電路串聯(lián)構(gòu)成，如圖1（c）所示.

圖1　平板型介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路模型Fig.1 The structura1 diagram and equiva1ent circuit mode1 of f1at-p1ate DBD

2 基于Ansys的DBD建模

Ansys軟件仿真時(shí)，采用步驟為：①啟動(dòng)So1idworks軟件并設(shè)置工作文件名和標(biāo)題；②繪制仿真模型，并進(jìn)行配合；③定義材料屬性；④保存模型；⑤對所建立的模型賦予屬性并劃分網(wǎng)格；⑥施加加載求解；⑦查看結(jié)果等步驟.

仿真分析時(shí)，選用的介質(zhì)材料分別為環(huán)氧樹脂、玻璃及聚四氟乙烯，它們的介電常數(shù)ε分別為3～4、4.1 及2.55F/m，形狀均為50 mm×50 mm的方形.當(dāng)研究不同電極形狀對DBD的影響時(shí)，激勵(lì)電極分別選用32 mm×32mm正方形，在32mm×32mm正方形上選用切邊角為5mm的凸八邊形，直徑為32mm的圓形銅電極.當(dāng)研究不同介質(zhì)厚度對DBD的影響時(shí)，選用的玻璃介質(zhì)的厚度分別設(shè)為1、2及3 mm.當(dāng)研究不同放電間隙對DBD的影響時(shí)，選用的玻璃介質(zhì)板板間放電間隙分別設(shè)為1、2及3mm.當(dāng)研究不同激勵(lì)電壓對DBD的影響時(shí)，選用的激勵(lì)電壓分別設(shè)為1、5、10、13、15、16、20和30kV.

對于網(wǎng)格劃分，需要對網(wǎng)格劃分精度進(jìn)行設(shè)置，網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小.一般來講，系統(tǒng)默認(rèn)為3.3mm×3.3mm，如圖2（a）所示；由于網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，仿真分析時(shí)，網(wǎng)格劃分的單元網(wǎng)格精度為2 mm×2mm，如圖2（b）所示.

為便于后續(xù)分析，給出了顏色能級(jí)與數(shù)值標(biāo)號(hào)圖對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示.顏色能級(jí)越高，對應(yīng)數(shù)值標(biāo)號(hào)越小，所反應(yīng)的DBD單位電流密度越大.

圖2　不同的網(wǎng)格劃分精度Fig.2 DBD with different meshing densities

3 仿真結(jié)果分析與討論

3.1 不同介質(zhì)材料對放電特性的影響

分別選用環(huán)氧樹脂、玻璃和聚四氟乙烯（PTFE）三種介質(zhì)材料來研究不同介質(zhì)材料對DBD的影響.形狀均為50 mm×50 mm的方形，厚度為1mm，板板間放電間隙為2 mm.當(dāng)上電極、下電極間施加10 kV電壓時(shí)，不同介質(zhì)材料的放電單位電流密度如圖4所示，圖4（a）、（b）、（c）分別為環(huán)氧樹脂、玻璃以及聚四氟乙烯.

圖3　顏色能級(jí)與數(shù)值標(biāo)號(hào)關(guān)系圖Fig.3 The re1ation graph of co1or energy 1eve1 and numerica1 1abe1

從圖4易知，圖（a）介質(zhì)阻擋表面A區(qū)域?yàn)榫G色，單位電流密度分布在0.010004～0.012505mA/mm2區(qū)間，激勵(lì)電極邊緣B區(qū)域?yàn)辄S色，單位電流密度分布在0.015006～0.017507 mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榈迳?，單位電流密度分布?.0025011～0.0050021mA/mm2區(qū)間；圖（b）介質(zhì)阻擋表面A區(qū)域?yàn)辄S色，單位電流密度分布在0.011 73～0.013 685 mA/mm2區(qū)間，激勵(lì)電極邊緣B區(qū)域?yàn)榫G色，單位電流密度分布在0.0078202～0.0097752mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.0039101～0.0058651 mA/mm2區(qū)間；圖（c）介質(zhì)阻擋表面A區(qū)域?yàn)榫G色，單位電流密度分布在0.0099621～0.012453 mA/mm2區(qū)間，激勵(lì)電極邊緣B區(qū)域?yàn)榫G色，單位電流密度分布在0.014943～0.017434 mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榈迳瑔挝浑娏髅芏确植荚?.0024905～0.0049811mA/mm2區(qū)間.對比分析圖4（a）、（b）、（c）可知選用玻璃介質(zhì)表面呈現(xiàn)黃色能級(jí)區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于選用環(huán)氧樹脂、四氟乙烯介質(zhì)表面所呈現(xiàn)的綠色能級(jí)區(qū)域，說明相對介電常數(shù)越大越易產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電.

圖4　不同介質(zhì)材料的放電單位電流密度Fig.4 The discharge unit current density with different die1ectric materia

3.2 不同電極形狀對放電特性的影響

激勵(lì)電極分別選用32mm×32mm正方形，在32mm×32mm正方形上選用切邊角為5mm的凸八邊形、直徑為32mm的圓形銅電極，介質(zhì)阻擋層材料選用玻璃，銅電極、玻璃厚度均設(shè)為1 mm，板板間放電間隙為2 mm.當(dāng)上電極、下電極間施加10 KV電壓時(shí)，不同激勵(lì)電極形狀放電單位電流密度如圖5所示，圖5（a）、（b）、（c）電極形狀分別為正方形、凸八邊形、圓形.

圖5　不同激勵(lì)電極形狀的放電單位電流密度Fig.5 The discharge unit current density with different exciting e1ectrode shapes

從圖5易知，圖（a）電極表面A區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.003 910 1～0.005 865 1 mA/mm2區(qū)間，激勵(lì)電極邊緣B區(qū)域?yàn)榈迳?，單位電流密度分布?.001955～0.0039101mA/mm2區(qū)間，介質(zhì)阻擋表面C區(qū)域?yàn)辄S色，單位電流密度分布在0.01173～0.013685mA/mm2區(qū)間；圖（b）介質(zhì)阻擋表面A區(qū)域?yàn)榍嗌瑔挝浑娏髅芏确植荚?.004 389 9～0.006 584 9mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域?yàn)榈迳?，單位電流密度分布?.002 195～0.0043899mA/mm2區(qū)間，介質(zhì)阻擋表面C區(qū)域?yàn)辄S綠色，單位電流密度分布在0.010975～0.01317 mA/mm2區(qū)間；圖（c）電極表面A區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.0047034～0.0070551 mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域?yàn)榈迳?，單位電流密度分布?.0023517～0.0047034mA/mm2區(qū)間，介質(zhì)阻擋表面C區(qū)域?yàn)辄S綠色，單位電流密度分布在0.011758～0.01411mA/mm2區(qū)間；對比分析圖5（a）、（b）、（c）可知，相同條件下，選用圓形激勵(lì)電極獲得的放電密度遠(yuǎn)大于選用方形激勵(lì)電極及凸八邊形.

3.3 不同介質(zhì)厚度對放電特性的影響

選用50mm×50mm的方形玻璃為介質(zhì)阻擋層，厚度分別設(shè)為1mm、2mm以及3 mm，板板間放電間隙為2mm.當(dāng)上電極、下電極間施加10 kV電壓時(shí)，不同厚度玻璃介質(zhì)的放電單位電流密度如圖6所示，圖6（a）、（b）、（c）介質(zhì)厚度分別為1、2和3mm.

從圖6易知，圖（a）介質(zhì)阻擋表面A區(qū)域?yàn)辄S色，單位電流密度分布在0.01173～0.013685mA/mm2區(qū)間，激勵(lì)電極邊緣B區(qū)域?yàn)榫G色，單位電流密度分布在0.0078202～0.0097752mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.0039101～0.0058651 mA/mm2區(qū)間；圖（b）介質(zhì)阻擋表面A區(qū)域?yàn)榍嗑G色，單位電流密度分布在0.005 934 3～0.007 912 4 mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.0039562～0.0059343mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.0039562～0.0059343 mA/mm2區(qū)間；圖（c）A區(qū)域單位電流密度分布在0.004 117 2～0.006 175 7 mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域分布在0.0020586～0.0041172mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.0041172～0.0061757 mA/mm2區(qū)間.對比分析圖6（a）、（b）、（c）可知，介質(zhì)阻擋層越薄，介質(zhì)阻擋層表面的放電單位電流密度越大.

圖6　不同介質(zhì)厚度的放電單位電流密度Fig.6 The discharge unit current density with different thickness of die1ectric materia1s

3.4 不同放電間隙對放電特性的影響

選用厚度為1mm，50mm×50mm的方形玻璃為介質(zhì)阻擋層，板板間放電間隙為1mm、2mm和3mm，當(dāng)上電極、下電極間施加10KV電壓時(shí)，不同放電間隙的放電單位電流密度如圖7所示，圖7（a）、（b）、（c）放電間距分別為1mm、2mm、3mm.

圖7　不同放電間隙的放電單位電流密度Fig.7 The discharge unit current density with different discharge gap

從圖7易知，圖（a）介質(zhì)表面A區(qū)域?yàn)辄S綠色，單位電流密度分布在0.010065～0.012078mA/mm2區(qū)間，另一部分B區(qū)域?yàn)辄S色，單位電流密度分布在0.012078～0.014091 mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌瑔挝浑娏髅芏确植荚?.0040261～0.0060391mA/mm2區(qū)間；圖（b）介質(zhì)阻擋表面A區(qū)域?yàn)辄S色，單位電流密度分布在0.011 73～0.013 685 mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域?yàn)榫G色，單位電流密度分布在0.007 820 2～0.009 775 2 mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.0039101～0.0058651mA/mm2區(qū)間；圖（c）A區(qū)域單位電流密度分布在0.010118～0.012141mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域單位電流密度分布在0.012141～0.014 165mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.004047～0.0060705 mA/mm2區(qū)間.對比分析圖7（a）、（b）、（c）可知，放電間隙為2mm的玻璃介質(zhì)的單位電流密度大于1 mm、3 mm時(shí)的放電密度，同時(shí)介質(zhì)表面放電更加均勻，即較小的放電間隙更利于提高放電的密度和放電的均勻度.

3.5 改變激勵(lì)電壓對放電特性的影響

選用厚度為1mm，50mm×50mm的方形玻璃為介質(zhì)阻擋層，板板間放電間隙為2 mm.當(dāng)上電極、下電極間分別施加1、5、10、13、15、16、20和30 kV時(shí)，不同激勵(lì)電壓的放電單位電流密度如圖8所示，如圖8（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）分別施加激勵(lì)電壓為1、5、10、13、15、16、20和30kV.

從圖8易知，圖（a）介質(zhì)表面A區(qū)域單位電流密度分布在0.0010062～0.0012075mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域單位電流密度分布在0.00 120 75～0.001 408 7 mA/mm2，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.00040249～0.00060373mA/mm2區(qū)間；圖（b）A區(qū)域單位電流密度分布在0.0050293～0.0060352mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域單位電流密度分布在0.0060352～0.0070411 mA/mm2，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.0020117～0.003 017 6 mA/mm2區(qū)間；圖（c）A區(qū)域單位電流密度分布在0.011 73～0.013 685 mA/ mm2區(qū)間，B區(qū)域單位電流密度分布在0.0097752～0.01173 mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.0039101～0.0058651mA/mm2區(qū)間；圖（d）A區(qū)域單位電流密度分布在0.015195～0.017728 mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域單位電流密度分布在0.012663～0.015 195 mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.005065 1～0.007 597 6 mA/mm2區(qū)間；圖（e）A區(qū)域單位電流密度分布在0.015 175～0.01821mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域位電流密度分布在0.018 21～0.021 245 mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.005 07～0.009 105 mA/mm2區(qū)間；圖（f）A區(qū)域單位電流密度分布在0.018 741～0.021864mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域單位電流密度分布在0.015617～0.018741mA/mm2區(qū)間，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.006247～0.0093704mA/mm2區(qū)間；圖（g）A區(qū)域單位電流密度分布在0.020127 ～0.024153mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域單位電流密度分布在0.024153～0.028178 mA/mm2，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.008051～0.012076mA/mm2區(qū)間；圖（h）A區(qū)域單位電流密度分布在0.030193～0.036232mA/mm2區(qū)間，B區(qū)域單位電流，密度分布在0.036232～0.042 271 mA/mm2，電極表面C區(qū)域?yàn)榍嗌?，單位電流密度分布?.012077～0.018 116 mA/mm2區(qū)間；對比分析圖8（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）可知，隨著所加電壓的增加，介質(zhì)阻擋層表面的放電單位電流密度將變大.

圖8　不同激勵(lì)電壓的放電單位電流密度Fig.8 The discharge unit current density with different exciting vo1tage

4 結(jié)論

文中利用Ansys軟件仿真分析了適合于微型原子化器的平板型介質(zhì)阻擋放電，通過分析不同介質(zhì)阻擋材質(zhì)、不同介質(zhì)厚度、不同放電間隙、不同激勵(lì)電極形狀以及不同激勵(lì)電壓對放電特性的影響，得出了介質(zhì)阻擋材質(zhì)介電常數(shù)越大，越容易獲得較大的放電單位電流密度；選用圓形電極獲得的放電單位電流密度遠(yuǎn)大于選用方形及凸八邊形激勵(lì)電極獲得的放電單位電流密度；相對而言，較薄的介質(zhì)阻擋材質(zhì)更容易獲得較大的放電單位電流密度；較小的放電間隙更利于提高放電單位電流密度以及放電的均勻度等.這對于后續(xù)研究設(shè)計(jì)基于介質(zhì)阻擋放電的微型原子化器奠定了一定基礎(chǔ).

［1］ KOGELSCHATZ U.Die1ectric-barrier discharges：Their history，discharge physics，and industria1 app1ications［J］.P1asma Chemistry and P1asma Processing，2003，23（1）：1-46.

［2］ KUNZE K，MICLEA M，MUSA G，et a1.Diode 1aser-aided diagnostics of a 1ow-pressure die1ectric barrier discharge app1ied in e1ement-se1ective detection of mo1ecu1ar species［J］.Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy，2002，57（1）：137-146.

［3］ KUNZE K，MICLEA M，F(xiàn)RANZKE J，et a1.The die1ectric barrier discharge as a detector for gas chromatography［J］.Spectrochimica Acta Part B-A-tomic Spectroscopy，2003，58（8）：1435-1443.

［4］ MICLEA M，KUNZE K，MUSA G，et a1.The die1ectric barrier discharge-a powerfu1 microchip p1asma for diode 1aser spectrometry［J］.Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy，2001，56（1）：37-43.

［5］ ZHU Z L，ZHANG S C，XUE J H，et a1.App1ication of atmospheric pressure die1ectric barrier discharge p1asma for the determination of Se，Sb and Sn with atomic absorption spectrometry［J］.Spectrochimica Acta Part B：Atomic Spectroscopy，2006，61（8）：916-921.

［6］ 羅毅，方志，邱毓昌，等.介質(zhì)阻擋放電影響因素分析［J］.高壓電器，2004，40（2）：81-83.

［7］ 李清泉，馬磊.影響介質(zhì)阻擋放電的因素［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（9）：10-12-16.

［8］ 蔡憶昔，劉志楠，趙衛(wèi)東，等.介質(zhì)阻擋放電特性及其影響因素［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，26（6）：476-479.

［9］ 左安友，袁作彬，翁祝林，等.等離子體對材料表面作用機(jī)理分析［J］.湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，26（2）：173-178.

［10］ 竹濤，李堅(jiān)，金毓峑，等.高頻介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器結(jié)構(gòu)研究［J］.高壓電器，2009，45（4）：16-20.

責(zé)任編輯：高 山

Simulation and StudY of Flat-Plate Dielectric-barrier Discharge Based on AnsYs

ZHOU Binbin1，F(xiàn)U Hao1，YU Weichuang2，LIU Junfu1，YUAN Hai1ing1，LIAO Honghua1*
（1.Schoo1 of Information and Engineering，Hubei University for Nationa1ities，Enshi 445000，China；2.Science and Techno1ogy Co11ege of Hubei University for Nationa1ities，Enshi 445000，China）

A f1at-p1ate type die1ectric barrier discharge of micro-atomizer was studied based on Ansys software in this paper.The effect of the discharge characteristics on different factors，such as the materia1 and thickness of die1ectric barrier，the discharge gap，the shape of exciting e1ectrodes and the exciting vo1tage were studied.The simu1ation resu1ts show that if the greater die1ectric constant of die1ectric barrier materia1 was chosen，and the 1arger discharge density wou1d be easy to obtain.To choose the round exciting e1ectrodes can get more discharge density than the square exciting e1ectrodes.Corresponding1y，to se1ect the thinner die1ectric barrier materia1 can obtain the more discharge density easi1y，and to design the sma1-1er discharge gap can be propitious to enhance the discharge density and improve the uniformity of discharge.

Ansys；micro-atomizer；f1at-p1ate type die1ectric barrier discharge；discharge gap；density of discharge

TM83

A

1008-8423（2016）02-0219-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.06.026

2016-05-03.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61263030/61463014）；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（200510517010）.

周彬彬（1988-），男，碩士生，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)，嵌入式系統(tǒng)等研究；*

廖紅華（1972-），男，博士，教授，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)、嵌入式系統(tǒng)及微型全分析系統(tǒng)等研究.