基于有限元法的氣體放電模擬綜述

車 瑞 孫 明

基于有限元法的氣體放電模擬綜述

車 瑞1孫 明2

（1. 上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306； 2. 上海海事大學(xué)靜電研究所，上海 201306）

本文綜述了利用多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL模擬平臺(tái)對(duì)氣體放電過(guò)程的研究，包括對(duì)不同電極結(jié)構(gòu)建立一維、二維和三維數(shù)值模型，通過(guò)有限元方法對(duì)多個(gè)耦合起來(lái)的物理方程組進(jìn)行離散求解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體放電的仿真模擬。實(shí)驗(yàn)法作為輔助COMSOL數(shù)值模擬的一種重要手段，用于驗(yàn)證模擬結(jié)果，主要有示波器檢測(cè)法和發(fā)射光譜法。得出在不同的放電形式下，介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、放電間隙、氣速、氣體成分和脈沖參數(shù)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、電子密度、粒子密度和電子溫度等的影響。最后，對(duì)基于有限元法的氣體放電研究存在的不足進(jìn)行討論。

氣體放電；電極結(jié)構(gòu)；有限元方法；仿真

0 引言

氣體放電技術(shù)可以產(chǎn)生放電等離子體、電場(chǎng)、紫外光、離子風(fēng)等，廣泛應(yīng)用于航天、材料、環(huán)保、醫(yī)療、生物、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[1-5]。因此，對(duì)于氣體放電機(jī)理及放電等離子體特性的研究不但具有理論價(jià)值，而且具有實(shí)際意義。由于放電過(guò)程涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，僅靠實(shí)驗(yàn)手段來(lái)檢測(cè)等離子體內(nèi)部參數(shù)的變化過(guò)程存在一定的難度。數(shù)值模擬技術(shù)主要利用數(shù)學(xué)模型對(duì)大氣壓氣體放電的時(shí)空演變過(guò)程進(jìn)行模擬仿真并計(jì)算相關(guān)的參考量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體放電規(guī)律的準(zhǔn)確分析，進(jìn)一步幫助人們了解氣體放電的微觀過(guò)程。通過(guò)比較數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可更全面地認(rèn)識(shí)氣體放電過(guò)程。

COMSOL Multiphysics是功能強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合分析軟件，利用有限元方法，在一維、二維和三維計(jì)算對(duì)象上對(duì)任意多個(gè)耦合起來(lái)的物理方程組進(jìn)行計(jì)算，被應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如光通信領(lǐng)域[6]、流動(dòng)控制[7-12]、污染物降解[13]等。在一些高壓線路中，為了更好地預(yù)防高壓設(shè)備缺陷形成的尖端放電，必須要采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，但是實(shí)際數(shù)據(jù)的采集有一定的難度，此時(shí)通過(guò)COMSOL模擬高壓線路發(fā)生的一些情況，可更加便捷地收集數(shù)據(jù)，理清尖端放電的放電機(jī)理，保障直流電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[14-19]。在工業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面，COMSOL可進(jìn)行巖石破碎、油田解堵、震源模擬[20-21]、重油高效加氫并增產(chǎn)高附加值低碳烯烴[22]、車載存儲(chǔ)和氫分配[23-25]、電磁脈沖焊接[26]、鋰離子電池研發(fā)[27-29]、雙分裂導(dǎo)線粘連振蕩特性分析[30]、無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的輕量化磁耦合[31]等模擬。由于材料加工、復(fù)合材料改性需要考慮多種因素，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)耗力，還可能對(duì)環(huán)境造成影響，而利用COMSOL強(qiáng)大的功能，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，可分析不同因素的影響，達(dá)到研究目的[32-34]。

本文綜述近年來(lái)采用數(shù)值模擬平臺(tái)COMSOL對(duì)氣體放電過(guò)程所進(jìn)行的模擬研究。首先總結(jié)模擬可應(yīng)用的氣體放電形式，特別對(duì)新型沿面介質(zhì)阻擋放電進(jìn)行探討，其次是模擬過(guò)程中的理論依據(jù)及模型建立，并對(duì)研究成果進(jìn)行總結(jié)，最后闡述研究的實(shí)驗(yàn)手段，并對(duì)尚需解決的問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 氣體放電的COMSOL模擬研究

1.1 模擬應(yīng)用的放電形式

COMSOL被應(yīng)用于對(duì)介質(zhì)阻擋放電[35-38]、電暈放電[14-18]、脈沖放電[39]、火花放電[2]和電弧放 電[40-41]、輝光放電[42-44]等不同氣體放電形式的研究。介質(zhì)阻擋放電是一種相對(duì)溫和的放電形式，又被稱為無(wú)聲放電（silent discharge）。相比傳統(tǒng)的介質(zhì)阻擋放電，新型沿面介質(zhì)阻擋放電更容易產(chǎn)生大面積等離子。劉欣妮等考慮電極的幾何結(jié)構(gòu)是影響大氣壓空氣沿面放電的關(guān)鍵因素，利用COMSOL仿真軟件計(jì)算改變孔徑對(duì)地電極層電場(chǎng)的影響，為沿面介質(zhì)阻擋放電理論研究提供參考，并為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)[7]。大連理工大學(xué)的王濤針對(duì)大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電激勵(lì)器數(shù)值模擬進(jìn)行研究，采用空氣作為工作氣體，建立一個(gè)等離子體沿面介質(zhì)阻擋放電的二維模型，對(duì)裸露電極施加納秒交流脈沖來(lái)探究在不同外加電壓幅值、介質(zhì)板厚度和介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)條件下的等離子體放電時(shí)空演化；此外，還對(duì)裸露電極施加交流高電壓，對(duì)介質(zhì)阻擋放電激勵(lì)器的放電特性進(jìn)行更深入的研究[8]。李清泉等為更好地研究沿面介質(zhì)阻擋放電的放電機(jī)理及其演化規(guī)律，著重分析正面電極附近的放電中粒子濃度的變化過(guò)程與放電空間的電場(chǎng)分布，以及放電起始階段電荷的運(yùn)動(dòng)情況等，主要利用COMSOL軟件中的等離子體模塊，運(yùn)用流體擴(kuò)散方程對(duì)大氣壓下的空氣放電進(jìn)行二維數(shù)值模擬[9]。

1.2 理論依據(jù)及模型建立

利用COMSOL可對(duì)不同電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行氣體放電模擬仿真，如平板型電極[8-9, 11, 35, 39, 45-46]、線-筒型電極[37]、同軸型圓筒電極[5]、針-板電極[14, 17, 20, 22]、棒-板電極[15, 18]、棒-棒電極[21]和針-柱電極[43]等，如圖1～圖5所示[5, 14-15, 35, 37]，并以此為依據(jù)建立一 維[5, 37, 39, 45-46]、二維[1, 4, 8-9, 11, 14-17, 21-22, 35, 38]或者三 維[3, 26, 47]的放電等離子體流體力學(xué)模型。

圖1 平板型電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 線-筒型電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 同軸型圓筒電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 針-板電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 棒-板電極結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)氣體放電過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)的電子、離子及中性粒子數(shù)，由連續(xù)性方程[35]、動(dòng)量方程[35]、泊松方程[5]等進(jìn)行耦合計(jì)算，能夠更加準(zhǔn)確地得到等離子體相關(guān)參數(shù)的演化規(guī)律。連續(xù)性方程如式（1）～式（3）所示，動(dòng)量方程如式（4）～式（6）所示，泊松方程如式（7）～式（8）所示。

式中：e、i、n分別為電子、離子和激發(fā)態(tài)中性粒子的空間密度；e、i、n分別為電子、離子和激發(fā)態(tài)中性粒子的源項(xiàng)；e、i、n分別為電子、離子和中性粒子的輸運(yùn)通量。

式中：i、e分別為離子、電子遷移率；為電場(chǎng)強(qiáng)度；i、e、n分別為離子、電子和中性粒子擴(kuò)散系數(shù)。

式中：為第種粒子；q為粒子電荷；n為粒子密度；0、r分別為真空、氣體介電常數(shù)；e為電子電荷；為電位。

華南理工大學(xué)的黃之明首先利用COMSOL建立平板電極介質(zhì)阻擋放電的二維軸對(duì)稱流體模型，對(duì)比分析兩種主流算法（有限元法和有限體積法）在不同網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上的計(jì)算性能及對(duì)仿真結(jié)構(gòu)的影 響[36]。重慶大學(xué)的白楓基于流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)空氣進(jìn)行二維數(shù)值建模，利用COMSOL對(duì)棒-板負(fù)電暈放電模型進(jìn)行求解，研究電暈放電的放電機(jī)制[15]。S. Hore等建立二維模型研究空隙的形狀和位置對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的電場(chǎng)分布和局部放電的影響[19]。V. B. Rathod等利用二維數(shù)值模型對(duì)變壓器油箱模型中局部放電聲波的傳播、檢測(cè)和定位等進(jìn)行有限元數(shù)值模擬[48]。You Qi等建立二維漂移-擴(kuò)散等離子體模型模擬均勻電場(chǎng)中高溫高壓氦氣的擊穿電壓[49]。Jinsheng Xiao等通過(guò)建立質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒耦合的二維對(duì)稱幾何模型分析活性炭對(duì)氫氣的吸附過(guò)程[23-25]。Long Cai等通過(guò)建立二維數(shù)值模型對(duì)恒流脈沖放電過(guò)程中鋰離子電池的熱行為進(jìn)行研究[27]。Behi Hamidreza等利用COMSOL開(kāi)發(fā)了三維熱模型，模擬電池的熱行為，以預(yù)測(cè)實(shí)際電池模塊中電池的瞬態(tài)溫升[28-29]。

2 研究結(jié)論概述

2.1 介質(zhì)阻擋放電電氣特性的研究

對(duì)大氣壓沿面放電模式轉(zhuǎn)換（絲狀放電轉(zhuǎn)換為彌散放電）的研究發(fā)現(xiàn)，不同放電模式下，電子密度不同。在絲狀放電通道中，電子密度大于彌散放電的電子密度。在不同的放電條件下，介電常 數(shù)[35, 50]、介質(zhì)厚度[35]及放電間隙[1]、氣速[11]、電極結(jié)構(gòu)[7, 9, 11-12, 38]、電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[35]及氣體成分[5,46]等因素的改變，不僅會(huì)影響電場(chǎng)強(qiáng)度，也會(huì)影響等離子體的放電時(shí)空演化，同時(shí)，電子密度、電子溫度及粒子密度在放電過(guò)程中也發(fā)生相應(yīng)的變化。華南理工大學(xué)的黃之明根據(jù)二維電勢(shì)的分布得出結(jié)論：徑向電場(chǎng)對(duì)放電柱周圍區(qū)域的放電現(xiàn)象有抑制作用；得到柱狀放電熄滅后的動(dòng)態(tài)特性和間隙中電場(chǎng)的變化規(guī)律，電壓及放電電流如圖6所示，此外還得到摻入N2雜質(zhì)對(duì)柱狀放電的影響規(guī)律[36]。

孫巖洲等研究同軸線-筒電極在大氣壓下空氣中的電氣參數(shù)和放電機(jī)理，得到放電過(guò)程中氣隙的電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖形，以及電子密度與電極距離之間的關(guān)系，最后表明線-筒結(jié)構(gòu)電極在空氣中能阻擋強(qiáng)烈的工頻放電現(xiàn)象[37]。

圖6 電壓及放電電流

R. Abidat等對(duì)氣體的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行研究，獲得了流速分布和剖面，得出氣體流速在上電極處最大的結(jié)論，對(duì)不同的平板型電極結(jié)構(gòu)而言，入口結(jié)構(gòu)和上部電極的數(shù)量會(huì)影響沿主流方向形成的速度分布[11]。此外還對(duì)含氮?dú)夤ぷ鳉怏w的大氣壓介質(zhì)阻擋放電的相關(guān)特性進(jìn)行了研究，得出放電間隙寬度和絕緣層的介電常數(shù)對(duì)放電的影響規(guī)律，同時(shí)通過(guò)李薩如圖形可知，電流特性中不同峰值的存在可導(dǎo)致放電的不均勻性[45]。

Y. YISAEV等研究由介電常數(shù)不均勻引起的臭氧發(fā)生器電極間隙靜電場(chǎng)分布得出，在阻擋放電中，放電對(duì)水滴的最強(qiáng)烈影響發(fā)生在玻璃-空氣邊界附近[50]。

2.2 電暈放電的影響因素研究

在超高壓和特高壓技術(shù)中，電暈放電問(wèn)題日益突出，對(duì)高壓電氣設(shè)備產(chǎn)生了持續(xù)性破壞，對(duì)環(huán)境造成了很多不利影響，因此對(duì)電暈放電的研究變得越來(lái)越重要。在相關(guān)研究中，間隙距離[14]、環(huán)境變化（潮濕、干燥）[16, 18]、外加電動(dòng)勢(shì)[4]等外在因素對(duì)電暈放電的電子密度、粒子密度、電動(dòng)勢(shì)、電場(chǎng)強(qiáng)度存在影響，分析這些外在因素的影響規(guī)律，可以更好地理清電暈放電的放電機(jī)理，為今后的電暈放電研究提供參考。牛海清等為了研究SF6氣體正極性電暈放電特性，利用有限元仿真軟件COMSOL的流體力學(xué)-化學(xué)混合數(shù)學(xué)模型，考慮SF6電暈放電過(guò)程中的10種粒子，建立二維軸對(duì)稱仿真模型，對(duì)針-板間隙SF6氣體在不同外加電動(dòng)勢(shì)、間隙距離、初始粒子數(shù)密度條件下的正極性直流電暈放電過(guò)程進(jìn)行仿真。研究結(jié)果表明，電暈放電過(guò)程可分為電流上升、電流下降及電流趨于穩(wěn)定三個(gè)階段，揭示了產(chǎn)生這些放電現(xiàn)象的內(nèi)在粒子演化物理機(jī)制[14]。

曾晗等利用COMSOL有限元仿真軟件中的等離子體模塊，以及流體力學(xué)的擴(kuò)散方程對(duì)潮濕環(huán)境下絕緣子表面的電暈放電進(jìn)行二維數(shù)值模擬，主要觀測(cè)在潮濕和干燥條件下的電子密度、電動(dòng)勢(shì)與電場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，以及在這兩種情況下出現(xiàn)電子溫度差異的原因，結(jié)果表明，在潮濕環(huán)境下，絕緣子正負(fù)兩極的OH-和OH自由基濃度明顯提高，直接導(dǎo)致絕緣子金具的腐蝕更為嚴(yán)重[16]。干燥環(huán)境下的電子密度如圖7所示，=35ns時(shí)的離子分布對(duì)數(shù)表示如圖8所示。

圖7 干燥環(huán)境下的電子密度

圖8 t=35ns時(shí)離子分布對(duì)數(shù)表示

華南理工大學(xué)的徐樂(lè)平建立二維軸對(duì)稱放電模型，對(duì)正負(fù)電暈放電機(jī)理、識(shí)別電暈放電特性進(jìn)行研究，針對(duì)正極性電暈放電則是從發(fā)展形貌、放電電流、間隙內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度和粒子密度分布這幾個(gè)方面進(jìn)行觀測(cè)，得出在正極性電暈放電過(guò)程中，正離子轟擊陰極產(chǎn)生的二次電子是正電暈二次脈沖重現(xiàn)的必要條件，在起始流光和輝光電暈放電過(guò)程中，電流急速上升階段是由于電子崩形成所致，電流急速下降階段是由于針尖區(qū)域電子數(shù)量減小所致。此外，得出流注擊穿放電可分為4個(gè)放電階段，最后在特里切爾脈沖放電過(guò)程中得到其急速上升、急速下降和放電休克階段的相關(guān)結(jié)果[17]，分別如圖9～圖11所示。Panich Intra等得出隨著電暈電壓和離子驅(qū)動(dòng)電壓的增大，充電器充電區(qū)的正負(fù)充電電流均增大[4]。

圖9 起始流光形貌

圖10 流注放電電流

圖11 特里切爾電暈脈沖電流

2.3 脈沖放電的電氣特性研究

脈沖放電研究主要是針對(duì)不同的脈沖參數(shù)[39]（脈沖寬度、脈沖升降沿[22]、電壓幅值和頻率）、電極間距和電導(dǎo)率[20]、電極特性[21]等因素對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、電子密度、電子溫度和粒子密度等電氣特性產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。值得注意的是，當(dāng)放電環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，影響因素也要相應(yīng)補(bǔ)充。例如，研究水中脈沖放電（水中脈沖放電通常是指通過(guò)快速上升且脈寬極短的高電壓脈沖發(fā)生裝置在水中產(chǎn)生高濃度等離子體通道的過(guò)程[20]）時(shí)，需要將水的影響考慮在內(nèi)，氫離子和氫氧根離子密度等隨時(shí)間和空間的分布也是研究?jī)?nèi)容必不可少的一部分。錢(qián)楊等建立軸對(duì)稱模型，模擬針-板電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度、電子密度、氫離子密度及氫氧根離子密度等隨時(shí)間和空間的分布，并研究脈沖電壓幅值、電極間距、電導(dǎo)率對(duì)這些物理量及流注形貌的影響。此外，他們還研究了電壓幅值、電極間距和電導(dǎo)率對(duì)放電形貌及等離子體通道物理特性的影響，通過(guò)模擬水中脈沖放電形成等離子體通道的過(guò)程來(lái)探討水中高壓脈沖生成高密度等離子體通道的微觀機(jī)理[20]。

聶云良等研究水中大功率脈沖放電電極的燒蝕特性，得出劇烈放電階段水間隙的溫度分布變化特性，以及電極表面的溫度分布特性和燒蝕特性。電極間隙中心軸溫度變化如圖12所示[21]。

圖12 電極間隙中心軸溫度變化

山東大學(xué)的王超主要通過(guò)建立等離子體數(shù)值模型達(dá)到正負(fù)脈沖放電計(jì)算的目的，此外還利用流體模型對(duì)大氣壓甲烷針-板放電等離子體進(jìn)行數(shù)值模擬，得出電子溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度（見(jiàn)圖13和圖14）及粒子密度的空間與軸向分布，總結(jié)反應(yīng)產(chǎn)額并提煉生成各種帶電和中性粒子的關(guān)鍵路徑，此外還得出大氣壓甲烷針-板放電和大氣壓輝光放電類似的放電通道[22]。

圖13 電子溫度空間分布

圖14 電場(chǎng)強(qiáng)度空間分布

3 驗(yàn)證手段

實(shí)驗(yàn)法一直是研究氣體放電的重要方法，用于對(duì)COMSOL仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證[51]。隨著先進(jìn)測(cè)量設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用，眾多研究人員除了使用示波器監(jiān)測(cè)法[1, 3, 10, 15, 20-21, 26, 34, 36, 52]檢測(cè)到氣體放電過(guò)程中的基本電氣參數(shù)（電壓、電流、放電功率等）外，為了更深入地研究氣體放電的發(fā)生機(jī)理并確定相關(guān)參數(shù)，一種比較常見(jiàn)的等離子體診斷方法——發(fā)射光譜法[15, 35, 38]被用于等離子體相關(guān)特性的測(cè)量中，該方法為非接觸測(cè)量，不會(huì)對(duì)等離子體形成干擾，可更加精確地對(duì)等離子體進(jìn)行診斷。

大連理工大學(xué)的張穎利用發(fā)射光譜技術(shù)和示波器監(jiān)測(cè)方法，研究不同的放電參數(shù)對(duì)發(fā)射光譜、電子激發(fā)溫度的影響及其空間分布規(guī)律；利用時(shí)空分辨光譜測(cè)量的方法比較在絲狀放電和彌散放電兩種放電模式下的發(fā)射光譜及其轉(zhuǎn)動(dòng)溫度；利用數(shù)字圖像處理技術(shù)中的灰度頻率分布曲線對(duì)放電均勻性進(jìn)行判定，并針對(duì)激勵(lì)頻率、氣體成分、氣速、介質(zhì)材料和厚度等參數(shù)對(duì)沿面放電均勻性的影響進(jìn)行研究[35]。針對(duì)其他沿面放電特性的研究，何聰和鄭忠波等也做出了一定的貢獻(xiàn)[53-54]。安徽理工大學(xué)的徐俊生利用示波器測(cè)量法測(cè)出放電電壓和電荷，得出李薩如圖形，計(jì)算相關(guān)功率[5]。劉欣妮等利用增強(qiáng)型電荷耦合器件（intensified charge coupled device, ICCD）高速相機(jī)和示波器檢測(cè)法檢測(cè)到電極層圓孔直徑改變對(duì)放電特性的影響[7]。重慶大學(xué)的羅書(shū)豪利用數(shù)字示波器對(duì)放電時(shí)的電壓、電流波形進(jìn)行記錄，并以發(fā)射光譜為主要手段，開(kāi)展了電特性方面的研究[38]。R. Abidat等利用示波器檢測(cè)法檢測(cè)電壓電流圖形和電荷與電壓圖形，得出李薩如圖形，進(jìn)而得到放電功率[45]。

4 需要解決的若干問(wèn)題探討

在研究氣體放電特性時(shí)，利用COMSOL建立的反應(yīng)器流體模型有的以單原子氣體為放電氣氛，沒(méi)有考慮耦合流場(chǎng)，而在實(shí)際操作時(shí)，反應(yīng)器中存在不同流量的氣體，需要進(jìn)一步研究摻雜其他氣體時(shí)的放電動(dòng)態(tài)特性，更好地完善其物理化學(xué)方程、控制方程和邊界條件等模型參數(shù)。為了更接近實(shí)際情況，所建模型可在這些方面進(jìn)行優(yōu)化。在計(jì)算模型的有關(guān)參量時(shí)，僅考慮了使用有限體積法，雖然有限體積法具有穩(wěn)定、收斂性好的特點(diǎn)，但也存在局限性，其在使用中心差分格式進(jìn)行近似計(jì)算時(shí)，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，進(jìn)而影響結(jié)果，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化有限體積法。

此外，研究中往往僅建立單一維度模型來(lái)模擬放電特性，準(zhǔn)確性不足，應(yīng)盡量使用多樣化的建模標(biāo)準(zhǔn)，例如在建立一維模型后，若同時(shí)建立二維、三維模型，可提高仿真計(jì)算的精度，更好地解釋氣體放電的放電機(jī)理及相關(guān)特性。在研究氣體放電機(jī)理時(shí)，電極結(jié)構(gòu)模型只采用平板型結(jié)構(gòu)、圓筒型結(jié)構(gòu)或針-板極結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)氣體放電特性，過(guò)于單一化，缺乏說(shuō)服力；且有的研究結(jié)果僅僅基于計(jì)算機(jī)仿真模擬得到，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，缺乏準(zhǔn)確性。因此，可采用不同的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行COMSOL數(shù)值模擬，再配合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以得出更加準(zhǔn)確的結(jié)論。

在對(duì)空氣中電暈的數(shù)值模擬中，實(shí)際的動(dòng)力學(xué)模型非常復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算量，將其理想化，因此需要對(duì)空氣放電的物理化學(xué)模型做進(jìn)一步精細(xì)化研究。另外，正離子碰撞陰極所產(chǎn)生的二次電子在二次電暈脈沖形成的過(guò)程中起著重要作用，因此需要找到一種能有效抑制二次電子形成的填涂材料，將其涂在絕緣件表面以阻斷二次電暈脈沖的形成，有效防止放電由電暈向流注發(fā)展，從根本上解決尖端放電給設(shè)備帶來(lái)的安全隱患[17]。

5 結(jié)論

利用COMSOL建立模型對(duì)不同放電形式進(jìn)行仿真仍然是研究氣體放電機(jī)理的重要手段。本文通過(guò)對(duì)模擬應(yīng)用的氣體放電形式、理論依據(jù)及模型建立，研究的結(jié)論，驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)手段，以及需要解決的若干問(wèn)題五個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)綜述，總結(jié)了介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、放電間隙、氣速、氣體成分和脈沖參數(shù)等在不同的放電形式下對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、電子密度、粒子密度和電子溫度等參數(shù)的影響。利用COMSOL自帶的等離子體模塊建立二維軸對(duì)稱數(shù)值模型對(duì)氣體放電形式進(jìn)行仿真模擬是主要的研究方式，在不同的領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

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A review of gas discharge simulation based on finite element method

CHE Rui1SUN Ming2

(1. Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306;2. Institute of Electrostatics, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306)

Research on gas discharge processes using multi-physical coupling analysis software COMSOL is reviewed in this paper. The establishments of one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional numerical models of different electrode structures, finding the solution of the coupled physical equations and simulation of different gas discharge processes by a finite element method are included. As an important means to assist COMSOL numerical simulation, experimental method is used to verify the simulation results, mainly including oscilloscope detection method and emission spectrum method. The research results show that parameters，such as electric field strength, electron density, particle density, and electron temperature, are affected by dielectric constants, dielectric thickness, discharge gap, aerial speed, gas componentsand pulse parameters in different discharge forms. Finally, the insufficiency in the research of gas discharge based on finite element method is discussed.

gas discharge; electrode structure; finite element method; simulation

2021-08-25

2021-12-19

車 瑞（1998—），女，安徽省滁州市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)機(jī)理及實(shí)際應(yīng)用。