針-板空氣間隙流注放電起始過程的三維PIC/MCC仿真研究?

李晗蔚 孫安邦 張幸 姚聰偉 常正實(shí) 張冠軍

(西安交通大學(xué),電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

1 引 言

流注放電(streamer discharge)多呈現(xiàn)出明亮、絲狀通道結(jié)構(gòu),通常在施加電場大于介質(zhì)本身擊穿電場的區(qū)域形成,且在其頭部存在強(qiáng)烈的電場增強(qiáng)效應(yīng),具有向低于擊穿電場的未電離區(qū)域傳播的特性[1?3].作為高電壓領(lǐng)域氣體放電的一種常見初始形式,流注放電在自然界中大氣放電、特高壓輸電線路長空間間隙放電以及工業(yè)應(yīng)用中都扮演著非常重要的角色.

流注放電理論于20世紀(jì)40年代初由Raether,Loeb和Meek提出[4,5],長期以來,為了解流注放電的物理機(jī)理,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真研究.在實(shí)驗(yàn)研究方面,最具有代表性的為荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)應(yīng)用物理系,采用棱鏡法等對流注光電特性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,包括其三維結(jié)構(gòu)、傳播速度、流注尺寸等[6,7].然而,由于流注放電的產(chǎn)生與發(fā)展過程非常快,在大氣壓下一般為納秒量級,且實(shí)驗(yàn)主要集中在毫米至厘米尺度放電間隙內(nèi)進(jìn)行,因此實(shí)驗(yàn)手段的精確測量具有較大難度,當(dāng)前流注物理特性的研究仍主要以數(shù)值仿真為主.

流注放電的數(shù)值仿真模型主要分為三類[8]:流體模型、粒子模型和流體粒子混合模型.流體模型從宏觀角度描述等離子體的放電過程,計(jì)算效率較高.如,Kulikovsky[9]首次將光電離加入到流注放電的二維軸對稱漂移-擴(kuò)散近似流體模型中,研究了兩平板電極空氣間隙的流注放電特性,得到流注傳播行為主要受頭部電荷層寬度影響的結(jié)論;Luque和Ebert[10]引入自適應(yīng)可變網(wǎng)格技術(shù),采用三維流體模型研究了空氣中多個(gè)流注在壓強(qiáng)、氮氧混合比等因素影響下的運(yùn)動行為,發(fā)現(xiàn)相鄰流注互相作用的機(jī)制主要是電荷的排斥和非局域光電離造成的相互吸引.但是,流體模型的使用范圍具有很大局限性,也很難描述放電過程的隨機(jī)行為(比如分叉等).基于第一性原理建立的粒子模型從微觀角度直接跟蹤放電過程中帶電粒子的運(yùn)動過程,進(jìn)而統(tǒng)計(jì)得到其宏觀參數(shù)的變化.如,西安交通大學(xué)李永東教授課題組采用粒子模型研究了大氣中光電離對流注形成和傳播的影響,獲得了逃逸電子產(chǎn)生過程的物理圖像以及流注的分叉結(jié)構(gòu)[11];我們與Teunissen博士和Ebert教授合作,開發(fā)了一套流注放電三維粒子仿真模型,研究了均勻電場下自然界中光電離、背景電離(自由電子在強(qiáng)電場作用下從O?2解吸附)對流注形成的影響[12?14];粒子模型的主要缺點(diǎn)在于計(jì)算量相對較大.結(jié)合粒子和流體模型各自的優(yōu)點(diǎn),流體-粒子混合模型在電場梯度較小區(qū)域應(yīng)用流體模型,在流注外圍及其他電場梯度大的區(qū)域應(yīng)用粒子模型[15],然而,由于存在粒子流體的過渡區(qū)域,常規(guī)的并行計(jì)算以及可變網(wǎng)格等新技術(shù)較難實(shí)現(xiàn),總體計(jì)算量依然比較大.

縱觀空氣中流注放電的數(shù)值研究現(xiàn)狀,宏觀流體模型仍是流注數(shù)值仿真的常用手段,且大多局限于二維仿真,僅適用于對單個(gè)流注的傳播特性進(jìn)行研究.本文側(cè)重于對針-板電極結(jié)構(gòu)中流注放電開展三維粒子模擬研究,研究價(jià)值在于:首先,針-板電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻電場,電場在間隙中呈不均勻發(fā)散狀,影響流注演化特性與分叉結(jié)構(gòu);第二,針型電極附近產(chǎn)生高強(qiáng)度電場區(qū)域,具有較高的電子數(shù)密度,流注放電易于從針電極處產(chǎn)生;第三,實(shí)際放電大多是在不均勻電場結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生,而現(xiàn)有數(shù)值研究大多局限于二維仿真或均勻電場的仿真,亟需對以針-板電極結(jié)構(gòu)類的非均勻電場下流注放電過程開展三維流注放電研究,反映真實(shí)放電形貌和結(jié)構(gòu)特征.

2 仿真物理模型介紹

2.1 三維PIC/MCC數(shù)值模型

本文采用我們與Ebert教授課題組合作開發(fā)的三維PIC/MCC模型對針-板電極放電起始過程開展數(shù)值研究.該模型前期已用于研究均勻電場空氣中背景電離對流注形成的影響[12?14].PIC/MCC數(shù)值模擬的流程如圖1所示.

為了減少計(jì)算時(shí)間,本模型中采用的模擬環(huán)境和基本假設(shè)如下:

1)模擬氣體為干燥空氣,主要為氮氧混合氣體組成;

2)由于離子的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于電子,在所關(guān)注的較短的放電時(shí)間內(nèi) (大氣壓下ns時(shí)間尺度),離子假設(shè)為靜止;

3)整個(gè)模擬過程處于弱電離狀態(tài),只考慮電子-中性粒子之間的碰撞,忽略電子-電子碰撞以及電子-離子之間的庫侖碰撞,中性氣體假設(shè)為背景,參與電子之間的碰撞行為,而本身的密度不做改變;電子與中性氣體的碰撞界面由Lxcat數(shù)據(jù)庫獲得[16];

4)忽略電荷運(yùn)動產(chǎn)生的自洽磁場,通過求解Poisson方程更新模擬區(qū)域的電場變化.

圖1 PIC/MCC模擬流程圖Fig.1.Flow chart of PIC/MCC simulation.

2.2 電子運(yùn)動與碰撞

2.2.1 電子運(yùn)動

電子的運(yùn)動遵循牛頓-洛倫茲定律,不考慮磁場作用,運(yùn)動方程為:

式中,me為電子質(zhì)量,q為電子電荷,v和x分別為電子速度及其位置矢量,E為電場.

采用Verlet算法描述電子運(yùn)動,具體計(jì)算方法為:

式中,vk,xk為電子運(yùn)動k個(gè)時(shí)間步長后的速度和位置;ai為k個(gè)時(shí)間步長后的電子加速度.

2.2.2 粒子碰撞

模型中,考慮粒子之間的彈性碰撞和非彈性碰撞(例如電子激發(fā)、電離、吸附等),主要反應(yīng)方程如下:

彈性碰撞

電離碰撞

激發(fā)碰撞

電子吸附

電子在不同碰撞截面積σi與背景氣體分子發(fā)生碰撞時(shí),其碰撞頻率可以表示為

式中:N為背景氣體分子密度;v為電子相對速度.

在Δt時(shí)間內(nèi),電子與中性氣體碰撞概率可表示為

2.3 光電離(photoionization)

流注從正極性針型電極起始和發(fā)展過程中,其傳播方向和外加電場方向相同,與電子漂移方向相反,這意味著外部電子需要從其流注前方反向運(yùn)動到流注通道內(nèi)部.在空氣中,光電離是產(chǎn)生外部自由電子的主要機(jī)制:空氣中的N2受激發(fā)之后,處于激發(fā)態(tài)的N2分子退激發(fā)為基態(tài)N2分子時(shí)釋放出的光子與O2分子發(fā)生碰撞電離,從而釋放出自由電子[8].雖然光電離機(jī)制被廣泛采納并且應(yīng)用已久,然而其內(nèi)部具體的物理過程還不甚清楚.本模型采用Zheleznyak等提出的光電離模型,計(jì)算流注放電過程中的光電離過程:

定義湮滅因子ηq:

式中:p為壓力;pq為湮滅壓力,pq=30 mbar.

當(dāng)p=pq時(shí),一半激發(fā)態(tài)的分子會由于與其他分子的碰撞而退激發(fā),并不會對外釋放出光電子.在整個(gè)模型中,平均每單位光電離會產(chǎn)生η個(gè)光電子,定義η=ηE·ηq,ηE是一個(gè)與電場強(qiáng)度有關(guān)的因子[18].

2.4 粒子數(shù)值模擬加速技術(shù)

三維粒子模型的計(jì)算量極大,因此采取并行計(jì)算的方法,加速電勢及電場的計(jì)算速度.同時(shí),也為了在計(jì)算過程中保持計(jì)算準(zhǔn)確度,使用了自適應(yīng)可變網(wǎng)格(adaptive mesh re fi nement,AMR)、粒子可變權(quán)重和并行計(jì)算技術(shù).

2.4.1 自適應(yīng)可變網(wǎng)格

根據(jù)電子的密度梯度和電場大小對計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格大小進(jìn)行調(diào)整.當(dāng)區(qū)域內(nèi)電子數(shù)密度超過設(shè)定閾值時(shí),區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格將自動加密處理,新網(wǎng)格大小為原網(wǎng)格的一半;電子數(shù)密度低于閾值時(shí),網(wǎng)格將自動粗化處理.圖2是多重自適應(yīng)網(wǎng)格示意圖.在電場強(qiáng)度高、粒子數(shù)密度梯度較大的區(qū)域內(nèi),網(wǎng)格劃分的較細(xì);在電場較低、粒子數(shù)密度梯度較低的區(qū)域內(nèi),網(wǎng)格劃分的相對較粗.

圖2 多重自適應(yīng)網(wǎng)格Fig.2.Multi-scope adaptive grid.

不同尺寸網(wǎng)格數(shù)量、最大和最小網(wǎng)格尺寸決定著模擬的計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間.本文計(jì)算中,允許網(wǎng)格細(xì)化次數(shù)為5,在經(jīng)過5次細(xì)化后,達(dá)到最小網(wǎng)格,不再繼續(xù)進(jìn)行細(xì)化.網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化時(shí)的最小電子數(shù)密度為1×1011m3;每隔2.0×10?11s判斷網(wǎng)格是否需要細(xì)化.

2.4.2 粒子可變權(quán)重

放電過程中,計(jì)算域內(nèi)粒子數(shù)目多,隨放電的發(fā)展,粒子數(shù)目也急劇增長.為了控制模擬速度并減小計(jì)算量,對計(jì)算粒子權(quán)重進(jìn)行可變調(diào)節(jié),如圖3所示,每個(gè)計(jì)算粒子可以分解為兩個(gè)計(jì)算粒子,或與其他計(jì)算粒子合并成為一個(gè)計(jì)算粒子.

圖3 計(jì)算粒子的分裂與合并Fig.3.The splitting and merging of calculated particles.

詳細(xì)的權(quán)重調(diào)整方法以及權(quán)重變化后粒子的速度和位置分布處理等,可參見文獻(xiàn)[19,20].

3 結(jié)果與討論

本文主要探討電壓幅值、氣體組分和電極尖端形狀尺寸三個(gè)參數(shù)對流注放電的影響,著重關(guān)注放電過程中形成的初始電離云、流注分叉結(jié)構(gòu)和電場強(qiáng)度差異等.

3.1 仿真初始條件

3.1.1 計(jì)算域和電極

本模型中,計(jì)算域?yàn)閳D4(a)所示的(5×5×5)mm3立方體區(qū)域,電極尖端正對平面為地電極.

圖4 計(jì)算域示意圖及電極尖端放大圖Fig.4.The schematic of the computational domain and the enlarged electrode tip.

計(jì)算域的選擇主要出于以下考慮:

1)在立方體計(jì)算域中,電極尖端處于立方體正中心處,與各平面距離相同,流注向空間各方向發(fā)展概率均等;若采用長方體區(qū)域,電極尖端與各平面距離不等,導(dǎo)致空間中電場強(qiáng)度分布存在較大差別,可能也會影響流注的發(fā)展趨勢;

2)在一個(gè)相對較小的區(qū)域內(nèi),較低電壓即可實(shí)現(xiàn)流注放電.

針型電極由球體、圓柱與圓錐模擬而成,如圖4(b)所示,以在電極表面放置點(diǎn)電荷的形式描述外施加電壓.

3.1.2 初始參數(shù)設(shè)置

模型中,模擬區(qū)域內(nèi)背景電離密度為1012m?3,等離子體在整個(gè)計(jì)算域空間內(nèi)隨機(jī)分布.為加快流注放電仿真速度,在電極尖端正上方0.05 mm處人為放置一定數(shù)量的電子和正離子(宏觀為中性),帶電粒子數(shù)密度呈高斯分布,半徑為50μm,包含3×106個(gè)電子并呈現(xiàn)為高斯分布.

模擬中,氣體壓強(qiáng)為1 bar,溫度293 K,使用N2和O2的混合氣體模擬空氣,比例為N2:O2=80%:20%.

3.2 電壓幅值對流注放電的影響

選擇電壓參數(shù)分別為:3.0,3.5,4.0和4.5 kV,分別在此四個(gè)電壓幅值下進(jìn)行模擬.

3.2.1 初始電離云

流注放電開始階段,在針尖附近觀察到形成球狀類似于電暈的初始電離云(inception cloud),這與之前實(shí)驗(yàn)中觀測到的現(xiàn)象是一致的[6].如圖5所示,電離云大小隨施加電壓的增大而增大.

圖5 不同電壓幅值下初始電離云圖像 (a)3.0 kV,1.0 ns;(b)3.5 kV,0.8 ns;(c)4.0 kV,0.6 ns;(d)4.5 kV,0.4 nsFig.5.Photos of inception clouds under different voltage amplitudes:(a)3.0 kV,1.0 ns;(b)3.5 kV,0.8 ns;(c)4.0 kV,0.6 ns;(d)4.5 kV,0.4 ns.

假定初始電離云是一個(gè)半徑為R的球體,其表面近似等電位U0,電極間隙的擊穿場強(qiáng)Ec,則其最大半徑可近似估算為R0=V0/Ec.因此,電壓越高,初始電離云半徑越大,當(dāng)電離云發(fā)展到最大半徑R0位置時(shí),單個(gè)流注通道開始出現(xiàn)并向前發(fā)展,在此類低場強(qiáng)區(qū)域,流注的傳播主要依靠頭部空間電荷產(chǎn)生的較強(qiáng)自洽電場(可達(dá)到3Ec—5Ec)的作用.

圖6給出了不同電壓下產(chǎn)生初始電離云時(shí)的電場強(qiáng)度分布.所有圖像均是x-z軸平面,在y軸方向取計(jì)算區(qū)域的中心位置截?cái)嗳〉玫?即y=2.5 mm處.后文中所有電場強(qiáng)度圖像均是按照此方法得到.

可以發(fā)現(xiàn):各電壓條件下,針型電極表面存在一個(gè)較薄的高場強(qiáng)區(qū)域,即為上述所描述的電場增強(qiáng)效應(yīng);在人為放置種子電子的影響下,電壓較低(3.0 kV及3.5 kV)時(shí),種子電子處整體電場強(qiáng)度較高,而當(dāng)電壓升高時(shí)(4.0 kV及4.5 kV),僅其頭部成為高電場強(qiáng)度區(qū)域.因此,高斯種子電子的放置會改變電極尖端附近的電場強(qiáng)度分布.

圖6 初始電離云電場強(qiáng)度截面圖 (a)3.0 kV,1.0 ns;(b)3.5 kV,0.8 ns;(c)4.0 kV,0.6 ns;(d)4.5 kV,0.4 nsFig.6.Cross Section view of inception clouds’electrical field strength:(a)3.0 kV,1.0 ns;(b)3.5 kV,0.8 ns;(c)4.0 kV,0.6 ns;(d)4.5 kV,0.4 ns.

3.2.2 流注形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖7 不同電壓幅值下流注放電電子數(shù)密度演化過程 (a)3.0 kV;(b)3.5 kV;(c)4.0 kV;(d)4.5 kVFig.7.Electron density evolution of streamer discharge under different voltage amplitudes:(a)3.0 kV;(b)3.5 kV;(c)4.0 kV;(d)4.5 kV.

圖7是流注放電中電子數(shù)密度隨時(shí)間演化過程的模擬結(jié)果,為了便于比較,所有流注圖像的觀測角度均相同.因不同電壓下的流注放電持續(xù)時(shí)間不同,圖中進(jìn)行比較的時(shí)間選取略有不同.

常用者為頭孢哌酮、頭孢哌酮舒巴坦、頭孢克肟，菌素對腸桿菌科細(xì)菌等革蘭陰性桿菌具有強(qiáng)大抗菌作用，頭孢他啶和頭孢哌酮除腸桿菌科細(xì)菌外對銅綠假單胞菌亦具高度抗菌活性。

可以看出,在流注的發(fā)展過程中,易產(chǎn)生分叉形成類似樹枝狀結(jié)構(gòu).不同電壓幅值作用下,流注發(fā)展形態(tài)有很大差別.電壓越高,流注分叉時(shí)間越早,其分支結(jié)構(gòu)越多.

電壓為3.0 kV時(shí),流注形態(tài)與其他電壓下流注形態(tài)有較大差別.第一,如3.2.1節(jié)所述,幾乎未形成初始電離云;第二,其他電壓工況下流注分叉,形成多流注通道;而此工況下形成單流注通道,直到5.4 ns時(shí)流注開始分叉、產(chǎn)生多流注通道的跡象.此外,在此電壓工況下,流注通道內(nèi)電子密度比其他更高電壓下略高,可能是由于流注發(fā)展過程中通道相對集中所導(dǎo)致的.隨放電發(fā)展,現(xiàn)有流注通道將會形成更多的流注通道.

3.3 氣體組分對流注放電的影響

根據(jù)文獻(xiàn),N2-O2氣體混合物中,N2與O2的比例直接影響流注放電的結(jié)構(gòu)特征.本節(jié)在外加4.0 kV電壓下,確定另外兩種工況下N2和O2的比例為:0:100和99.9:0.1.前一種情況等效為純凈O2,后一種情況等效為N2中摻雜少量O2.

Nijdam等[21]在實(shí)驗(yàn)中觀察了不同O2濃度下流注放電的發(fā)展過程,發(fā)現(xiàn)在100%O2中幾乎看不到初始電離云的存在;N2體積分?jǐn)?shù)越大,流注分叉越多,且分支越細(xì).

3.3.1 初始電離云

在本文的仿真條件下,流注放電在不同氣體組分下形成的初始電離云形貌如圖8所示:初始電離云都具有較高的電子數(shù)密度,隨著O2濃度提高,電離云半徑增大,且單獨(dú)流注通道形成時(shí)間提早.根據(jù)流注理論,光電離是空氣中產(chǎn)生二次電子崩的主要原因,而二次電子崩是流注向前發(fā)展的重要因素;在本模型中同時(shí)考慮了電子的吸附與解吸附過程.因此,O2所占體積越高,光電離和電子解吸附過程越容易提供自由電子,利于正流注的向前發(fā)展.

圖8 不同氣體組分影響下的初始電離云圖像 (a)0.1%O2,0.8 ns;(b)20%O2,0.6 ns;(c)100%O2,0.4 nsFig.8.Comparison of inception clouds with different gas components:(a)0.1%O2,0.8 ns;(b)20%O2,0.6 ns;(c)100%O2,0.4 ns.

3.3.2 流注形態(tài)結(jié)構(gòu)

三個(gè)工況下流注的發(fā)展形態(tài)如圖9所示.

圖9 不同氣體組分流注發(fā)展圖像 (a)0.1%O2;(b)20%O2;(c)100%O2Fig.9.Photos of the development of streamer discharge with different gas components:(a)0.1%O2;(b)20%O2;(c)100%O2.

圖10 不同氣體組分流注放電電場強(qiáng)度截面圖 (a)0.1%O2;(b)20%O2;(c)100%O2Fig.10.Sectional views of electrical field strength of streamer discharge with different gas components:(a)0.1%O2;(b)20%O2;(c)100%O2.

可以看出,在0.1%O2濃度工況中,流注的電子數(shù)密度明顯大于高O2濃度工況下流注的電子數(shù)密度;在3.2 ns內(nèi),形成的分支較少,前期近似為單流注向板電極發(fā)展,在2.2 ns時(shí)可見明顯流注分支結(jié)構(gòu);流注表面整體較粗糙,類似于存在許多細(xì)小凸起.隨O2濃度的增高,20%O2工況下,流注分叉數(shù)目,尤其是向兩側(cè)分叉數(shù)目逐漸變多;100%O2工況下,除形成向上的主流注通道外,還向四周形成了細(xì)小的流注放電通道.

圖10給出了三種工況下流注發(fā)展時(shí)的場強(qiáng)變化圖.流注放電初期,尖端電極表面存在高場強(qiáng)區(qū)域薄層;隨著流注發(fā)展,薄層消失;此后,流注頭部電場強(qiáng)度較高.初期流注可能向空間各個(gè)方向發(fā)展,后期由于流注通道之間的相互抑制,部分流注由于電場強(qiáng)度過低或少量自由電子注入而熄滅,最終產(chǎn)生隨機(jī)形態(tài)的分叉結(jié)構(gòu).

在0.1%O2工況時(shí),流注頭部始終存在大片高場強(qiáng)區(qū)域,如圖10(a)所示,由于光電離項(xiàng)的影響,該工況下流注發(fā)展較慢,流注通道沒有完全形成;隨著流注繼續(xù)向前發(fā)展,會在通道內(nèi)部產(chǎn)生大量電荷,電場強(qiáng)度相應(yīng)降低.

3.4 電極形狀尺寸對流注放電的影響

上文模擬設(shè)置中,電極尖端球體半徑為50μm,本節(jié)考慮了另外兩種工況為尖端球體半徑5μm和250μm,如圖11所示.

圖11 不同尺寸電極尖端示意圖 (a)5μm;(b)250μmFig.11. Photos of different electrode tip sizes:(a)5μm;(b)250μm.

3.4.1 初始電離云

三種工況下,初始電離云圖像及其電場強(qiáng)度截面圖分別如圖12和圖13所示.

圖12 不同電極尖端尺寸工況下初始電離云圖像 (a)5μm,0.4 ns;(b)50μm,0.6 ns;(c)250μm,1.2 nsFig.12.Photos of inception clouds with different electrode tip sizes:(a)5μm,0.4 ns;(b)50μm,0.6 ns;(c)250μm,1.2 ns.

圖13 不同電極尖端尺寸形成的初始電離云電場強(qiáng)度截面圖 (a)5μm,0.4 ns;(b)50μm,0.6 ns;(c)250μm,1.2 nsFig.13.Sectional views of electrical field strength of inception clouds with different electrode tip sizes:(a)5 μm,0.4 ns;(b)50μm,0.6 ns;(c)250μm,1.2 ns.

可見,尖端半徑為250μm的工況下,幾乎沒有形成初始電離云,且電極尖端處電場強(qiáng)度較低.在5μm和50μm電極尺寸尖端均有密度較高的電場強(qiáng)度區(qū)域.在尖端半徑較大時(shí),低電場強(qiáng)度會導(dǎo)致碰撞電離減少,放電不足以形成高電子數(shù)密度聚集的初始電離云.

3.4.2 流注形態(tài)結(jié)構(gòu)

尖端電極尺寸影響下流注的發(fā)展形貌如圖14所示.

圖14 不同電極尖端流注放電發(fā)展圖 (a)5μm;(b)50μm;(c)250μmFig.14.Photos of streamer discharge with different electrode tip sizes:(a)5 μm;(b)50 μm;(c)250 μm.

對于電極尖端半徑為5μm的工況,與原先50μm時(shí)流注形態(tài)對比,流注后期發(fā)展無明顯區(qū)別.這是由于流注分叉且獨(dú)立通道形成后,空間電荷產(chǎn)生的自洽電場成為影響流注發(fā)展的主要因素,因此后期流注發(fā)展與電極尖端形狀尺寸關(guān)系不大.尖端半徑為250μm的工況下,流注放電形態(tài)與前兩種工況出現(xiàn)了明顯區(qū)別,未形成明顯的初始電離云,且隨放電時(shí)間發(fā)展,基本呈現(xiàn)單流注形式,并在5 ns左右產(chǎn)生分叉.可以看出,針型電極尺寸可顯著影響流注發(fā)展過程分叉的時(shí)間和結(jié)構(gòu).圖15給出了5 ns后,250μm半徑流注發(fā)展的圖像.

綜合圖15和圖14(c)可知,由于電極尺寸較大,電極上方始終存在一片高電子數(shù)密度區(qū)域;然而隨時(shí)間發(fā)展,流注后期仍會產(chǎn)生分叉結(jié)構(gòu),與其他工況下的流注發(fā)展無異.這同樣是由于后期流注的發(fā)展主要取決于空間電荷的自洽電場,與電極附近的電場強(qiáng)度高低關(guān)系不大.

圖15 尖端球體半徑為250μm的電極5—8 ns流注圖像Fig.15.Photos of streamer discharge from 5 ns to 8 ns with 250μm radius of electrode tip.

4 結(jié) 論

本文針對針-板電極結(jié)構(gòu)空氣中流注放電現(xiàn)象,采用三維粒子仿真模型,確定計(jì)算域和相關(guān)計(jì)算參數(shù),調(diào)整電壓幅值、氣體組分和電極尖端形狀尺寸參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)仿真,分析各不同工況下的初始電離云及后續(xù)流注發(fā)展形態(tài)結(jié)構(gòu),得出以下結(jié)論.

1)放電初始階段,電極尖端附近形成近似為球體的初始電離云,具有很高的電子數(shù)密度.不同工況下的初始電離云半徑不同,其發(fā)展為多個(gè)單獨(dú)流注通道的時(shí)間也不同.后期流注的形態(tài)發(fā)展方向具有很大的隨機(jī)性.

2)隨電壓幅值增大,電離云的半徑越大,電壓工況為4.0 kV和4.5 kV時(shí)流注半徑無明顯差異;流注放電所形成的樹枝狀分叉結(jié)構(gòu)也隨著電壓的增高變多.

3)N2-O2氣體混合物的比例顯著影響流注放電形貌.隨N2-O2混合物中O2濃度的增大,初始電離云的半徑逐步增大,分叉結(jié)構(gòu)和數(shù)目明顯變化.

4)改變電極尖端形狀尺寸對放電初期影響較大,而在放電后期,電極尖端的改變對流注發(fā)展無明顯影響,這主要是因?yàn)榱髯⒑笃诎l(fā)展過程中自洽電場起主導(dǎo)作用.

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