基于深度學(xué)習(xí)的火花放電等離子體反應(yīng)器電壓波形優(yōu)化設(shè)計(jì)

尹 博, 朱益飛

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安,710049;2.空軍工程大學(xué)航空動(dòng)力系統(tǒng)與等離子體技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710038)

近些年來,國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者針對(duì)非平衡等離子體在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用開展了較多研究,大多數(shù)非平衡放電的應(yīng)用依賴于高能電子驅(qū)動(dòng)的化學(xué)性質(zhì)。對(duì)于火花放電來說,其優(yōu)勢(shì)是高能量沉積和高化學(xué)活性,被廣泛應(yīng)用于點(diǎn)火助燃[1-2]、流動(dòng)控制[3-5]、表面處理[6-7]、能源轉(zhuǎn)化[8-9]、高壓開關(guān)設(shè)計(jì)[10]等。等離子體點(diǎn)火助燃近年來受到了國(guó)際眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注,其可以改善點(diǎn)火燃燒的一些關(guān)鍵領(lǐng)域,例如:可靠點(diǎn)火[11]、穩(wěn)定燃燒[12]、熄滅[13]等。納秒重頻脈沖(NRP)火花放電與熱等離子體不同,它不僅僅依靠局部高溫維持燃燒,由放電產(chǎn)生的高能電子與中性分子碰撞而發(fā)生離解、激發(fā)和電離等反應(yīng),產(chǎn)生大量的活性粒子與燃料相互作用,促進(jìn)燃料的裂解以增強(qiáng)點(diǎn)火和充分燃燒。傳統(tǒng)的等離子體點(diǎn)火助燃反應(yīng)器是基于重復(fù)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的,但隨著飛行高度升高,氣壓降低和燃燒室流速增大,單純的熱效應(yīng)會(huì)無法適應(yīng)逐漸惡劣的環(huán)境,能量沉積、釋放慢,加熱速度低于流動(dòng)速度會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火失敗,嚴(yán)重限制了燃燒室的安全工作邊界。為了維持火花放電,要更合理更高效地控制等離子體放電反應(yīng),產(chǎn)生所需的活性物質(zhì)和能量,以納秒為時(shí)間尺度調(diào)節(jié)電源電壓波形實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)和能量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。電源電壓波形和頻率是影響火花放電的關(guān)鍵參數(shù),基于等離子體中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程和活性組分密度設(shè)計(jì),機(jī)器學(xué)習(xí)的反向求導(dǎo)非常適合求解此逆問題,其計(jì)算代價(jià)和效率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)參。

近年來,機(jī)器學(xué)習(xí)已成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域,如計(jì)算機(jī)視覺[14]、語音識(shí)別[15]、自然語言處理[16]、自動(dòng)駕駛[17]等。有專家學(xué)者在等離子體領(lǐng)域也開展了一些探索性研究。Kawaguchi等使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解電子速度分布函數(shù)的玻爾茲曼方程[18]。Zhong L L等利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)模型求解熱等離子體模型中的偏微分方程[19]。Mathews等證明了受偏微分方程約束的物理信息深度學(xué)習(xí)模型可以從壓力信息數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)與流體理論一致的湍流場(chǎng)[20]。Aguilar等利用傳統(tǒng)粒子模擬方法計(jì)算的相空間信息和電場(chǎng)訓(xùn)練全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),提出了一種基于粒子相空間信息的網(wǎng)格預(yù)測(cè)電場(chǎng)的新方法[21]。上述工作表明深度學(xué)習(xí)在等離子體領(lǐng)域已經(jīng)開始慢慢嶄露頭角,但在等離子體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域還鮮有研究。

本文在等離子體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上,耦合深度學(xué)習(xí)模型,基于火花放電實(shí)驗(yàn),利用二維流體模型計(jì)算分析放電過程,并與實(shí)驗(yàn)所測(cè)電流和光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證;基于二維模型計(jì)算的電場(chǎng),利用零維反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)一步對(duì)點(diǎn)火助燃重要組分進(jìn)行敏感性分析;最后利用深度學(xué)習(xí)模型基于組分密度逆向設(shè)計(jì)等離子體反應(yīng)器的電源電壓波形,為點(diǎn)火助燃提供所需的活性物質(zhì)并降低能耗,此項(xiàng)工作為控制等離子體放電提供了新的思路和想法。

1 模型描述

本節(jié)簡(jiǎn)單介紹3個(gè)模型:零維等離子體動(dòng)力學(xué)求解器-ZDPlaskin、二維并行流柱等離子體耦合求解器模型-PASSKEy和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型-DeePlaskin。ZDPlaskin用來求解非平衡等離子體放電體系中組分密度隨時(shí)間的演化[22]; PASSKEy用來求解非平衡等離子體中電場(chǎng)、組分密度和流體動(dòng)力學(xué)的時(shí)空演化[23],且已在SDBD和針板放電中與實(shí)驗(yàn)(E-FISH)測(cè)量的電場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[24];DeePlaskin耦合了全局等離子體模型和深度學(xué)習(xí)用來逆向求解非平衡等離子體中的一些關(guān)鍵參數(shù),該模型已經(jīng)與毛細(xì)管放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證[25]。

1.1 等離子體化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

ZDPlaskin是一個(gè)免費(fèi)的Fortran程序用來計(jì)算組分密度和氣體溫度隨時(shí)間的演化,它集成了BOLSIG+求解器[26]和QTPlaskin后處理程序,前者用來求解電子反應(yīng)速率系數(shù)和電子能量分布函數(shù),后者用來讀取和查看輸出結(jié)果。在ZDPlaskin模型中認(rèn)為火花放電通道導(dǎo)通后放電區(qū)域呈均勻分布,即可通過零維模型描述整個(gè)放電區(qū)域的所有組分密度隨時(shí)間的演化,且兩電極之間的電場(chǎng)也可以表述為電壓與電極間距比。對(duì)于組分密度的求解,ZDPlaskin的求解機(jī)理可以用式(1)描述:

(1)

式中:[Ni]是組分?jǐn)?shù)密度;Qij是反應(yīng)源項(xiàng)。式(1)是反應(yīng)體系中組分i數(shù)密度。ZDPlaskin運(yùn)用VODE求解器積分方程,將反應(yīng)動(dòng)力學(xué)化為求解常微分方程組。如果反應(yīng)是電子碰撞反應(yīng),則反應(yīng)速率系數(shù)通過耦合的BOLSIG+計(jì)算電子碰撞截面得到。

1.2 二維火花模型

PASSKEy通過求解電場(chǎng)的泊松方程、漂移-擴(kuò)散反應(yīng)方程和光電離的Helmholtz方程來計(jì)算等離子體中電場(chǎng)、組分密度和流體動(dòng)力學(xué)的時(shí)空演化。在PASSKEy中泊松方程對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行電場(chǎng)求解,如式(2)、(3)所示。

?(ε0εr?Φ)=-ρ-ρcδs

(2)

(3)

式中:ε0和εr分別為介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù);Φ為電勢(shì);E為電場(chǎng);ρc為介質(zhì)表面電荷;δs為Kroneckerδ函數(shù);qi、ni分別為組分i的數(shù)密度和電荷;Nch為帶電組分?jǐn)?shù)目。

基于局域場(chǎng)近似的漂移-擴(kuò)散方程如式(4)、(5)所示:

(4)

(5)

式中:Γi為通量;Si和Sph分別為反應(yīng)源項(xiàng)和光電離源項(xiàng);μi為遷移率;Di為擴(kuò)散系數(shù)?；诰钟蚰芰拷瓢央娮虞斶\(yùn)系數(shù)和反應(yīng)速率系數(shù)表示為平均電子能量的函數(shù)。

光電離源項(xiàng)根據(jù)三指數(shù)Helmholtz光電離模型計(jì)算N2∶O2混合物放電[27],并基于測(cè)量的光電離函數(shù)給定了擬合參數(shù)。

1.3 DeePlaskin模型

DeePlaskin耦合了全局等離子體模型和深度學(xué)習(xí)模型來逆向求解非平衡等離子體中的一些關(guān)鍵參數(shù),整體框架如圖1所示,求解過程可以分為3步。

圖1 DeePlaskin框架

1)全局等離子體模型產(chǎn)生大量組分密度隨時(shí)間演化數(shù)據(jù)供深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,當(dāng)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后,初始化所有組分密度并設(shè)置預(yù)定義的組分密度,根據(jù)預(yù)定義的組分密度,利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來逆向求解出電場(chǎng)。

2)把深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)的電場(chǎng)輸入全局等離子體模型中計(jì)算各組分密度,驗(yàn)證組分密度是否在設(shè)定的允許誤差范圍內(nèi),若滿足誤差要求則輸出預(yù)估電場(chǎng)和組分密度。

3)若電場(chǎng)不滿足誤差要求則進(jìn)行迭代校正,把校正過后的電場(chǎng)輸入全局等離子體模型中重新計(jì)算組分密度至滿足所允許的誤差要求,最后輸出電場(chǎng)和各組分密度。

2 模型的建立與驗(yàn)證

2.1 二維模型

本文中的火花放電模型參考了文獻(xiàn)[28],文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)氣壓為100 Torr(1 Torr=133.322 4 Pa),溫度為300 K,電壓是峰值為10 kV頻率為10 kHz的納秒脈沖電壓,對(duì)空氣(N2∶O2)進(jìn)行放電。放電結(jié)構(gòu)由2個(gè)直徑7.5 mm的球金屬電極組成,兩電極間距為10 mm,具體結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。把實(shí)驗(yàn)所測(cè)電壓作為二維模型的輸入電壓,初始背景電子密度為ne0=105m-3。需要考慮的邊界條件是求解輸運(yùn)方程的邊界條件和求解Poisson方程的邊界條件,輸運(yùn)方程的邊界條件如表1所示,Poisson方程的邊界條件有2個(gè):Dirichlet 和 Neumann 邊界條件,前者是金屬邊界V=V(t),后者是?V= 0,其中 Dirichlet 邊界條件涉及到對(duì)金屬幾何形狀的精確表述,而 Cartesian 網(wǎng)格在曲面電極形成的是鋸齒狀網(wǎng)格。仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)光半徑如圖2(b)所示結(jié)果基本吻合,其次對(duì)比了計(jì)算電流和實(shí)驗(yàn)所測(cè)電流,如圖2(c)所示總體吻合良好。

(a)實(shí)驗(yàn)放電腔和幾何示意[28]

表1 輸運(yùn)方程的邊界條件

電子密度的時(shí)空演化結(jié)果如圖3所示,106 ns附近放電通道形成,流柱貫通兩電極,此時(shí)電場(chǎng)分布基本均勻,但是在通道形成后一段時(shí)間,電子密度和電場(chǎng)快速減小,放電通道收縮,火花有熄滅的趨勢(shì)。

圖3 電子密度隨時(shí)空的演化

2.2 零維模型

由于二維計(jì)算代價(jià)較大且忽略了一些重要反應(yīng)信息,為了進(jìn)一步觀察電子和其他粒子隨時(shí)間的演化以及火花的發(fā)展趨勢(shì),使用零維模型進(jìn)行計(jì)算。如圖4所示,在圖4(a)二維模型通道導(dǎo)通時(shí)刻選取計(jì)算域中間點(diǎn),電場(chǎng)隨時(shí)間的演化結(jié)果如圖4(b)紅線所示,選取圖4(b)中的3個(gè)時(shí)刻t1、t2、t3對(duì)應(yīng)的電子密度分別為1×1013cm-3、5×1012cm-3、1×1012cm-3,以這3個(gè)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的頻率作為放電頻率,使電子密度在數(shù)十納秒內(nèi)增長(zhǎng)至1×1015cm-3,用以維持火花放電。

(a)PASSKEy計(jì)算電場(chǎng)二維

(6)

零維反應(yīng)動(dòng)力學(xué)求解結(jié)果如圖4(b)所示,圖中列出了第一次火花放電后殘余粒子對(duì)第二次放電起決定性作用的粒子:

2.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型耦合深度學(xué)習(xí)模型

供給深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練的海量數(shù)據(jù)來源于ZDPlaskin求解常微分方程組,產(chǎn)生數(shù)據(jù)時(shí)工況一定(T=300 K,p=100 Torr),主要是以覆蓋盡可能多的電場(chǎng)波形為主,如式(7)所示:

(7)

式中:E/N(t0)=0.5;Ap=5.0+2.5M;tc=10K;

式(7)共產(chǎn)生1 000個(gè)文件,每個(gè)文件包含10 000個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的約化電場(chǎng)E/N和粒子數(shù)密度,數(shù)據(jù)分為2個(gè)部分:80%用來學(xué)習(xí),20%用來驗(yàn)證,測(cè)試數(shù)據(jù)是以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)應(yīng)的常微分方程組見式(8):

n(t+dt)=f(E/N(t),n(t),dt)

(8)

式中:n(t)為t時(shí)刻的各組分密度;E/N(t)為t時(shí)刻的電場(chǎng);dt為時(shí)間步長(zhǎng);n(t+dt)為t的下一時(shí)刻的各組分密度,在給定電場(chǎng)和初始值后會(huì)根據(jù)時(shí)間步長(zhǎng)求解下一時(shí)刻的組分密度。

式(8)是強(qiáng)剛性的常微分方程,不同組分密度之間相差10幾個(gè)數(shù)量級(jí),組分之間存在耦合關(guān)系,且是高度非線性的。深度學(xué)習(xí)模型逆向求解電場(chǎng)如式(9)所示,通過t+dt時(shí)刻的組分密度對(duì)數(shù)來逆向求解t時(shí)刻的電場(chǎng)E/N。

E/N(t)=f(log(n(t+dt)),dt)

(9)

深度學(xué)習(xí)模型如圖5(a)所示,1個(gè)4層的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN),輸入向量為65維,全連接層分別為400、256、256層,輸出向量為63維,激活函數(shù)為ReLU,損失函數(shù)為平均絕對(duì)誤差(MAE),選用了學(xué)習(xí)率為0.001的Adam優(yōu)化器,為防止過擬合加了L2正則化,總共訓(xùn)練200個(gè)周期,訓(xùn)練和驗(yàn)證誤差如圖5(b)所示,可以看到誤差在10-4數(shù)量級(jí)。

(a)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

利用訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來重構(gòu)電場(chǎng),結(jié)果如圖6(a)所示。電子密度自定義從1012cm-3增長(zhǎng)到1015cm-3(藍(lán)線),重構(gòu)出的約化電場(chǎng)經(jīng)過平滑處理后如圖中紅色曲線所示。通過電場(chǎng)計(jì)算出的電子密度(藍(lán)色圈)與原波形完全吻合,再根據(jù)此計(jì)算出的電場(chǎng)算出電壓(綠線),把電壓作為二維模型的輸入計(jì)算整個(gè)放電過程,如圖6(b)所示在50 ns放電過程中電子密度與基準(zhǔn)基本重合。

(a)DeePlaskin重構(gòu)電場(chǎng)

3 結(jié)果與討論

等離子體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放電效果的預(yù)測(cè),確定影響點(diǎn)火助燃過程最顯著的活性物質(zhì),而從應(yīng)用的角度出發(fā),則應(yīng)當(dāng)以所需活性物質(zhì)為優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等離子體點(diǎn)火助燃反應(yīng)器的優(yōu)化調(diào)控,為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,實(shí)現(xiàn)針對(duì)電子密度隨時(shí)間演化的電壓波形重構(gòu),從而優(yōu)化等離子體反應(yīng)器的電源電壓,使其點(diǎn)火助燃過程中既放電能耗低又能產(chǎn)生足夠多的目標(biāo)組分。

3.1 針對(duì)頻率調(diào)節(jié)火花放電

在等離子體點(diǎn)火助燃中維持火花放電產(chǎn)生可靠連續(xù)的熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng),即電子密度需要在每個(gè)周期內(nèi)維持在一定范圍(1012～1018cm-3)。圖7為球球放電在第1個(gè)放電周期內(nèi)電子密度隨時(shí)間演化曲線,電子密度從1015cm-3持續(xù)下降,在其中分別選取t1=1 146 ns、t2=1 718 ns、t3=3 934 ns作為放電第2個(gè)周期的初始時(shí)刻,即所對(duì)應(yīng)的放電頻率為f1=872.6 kHz,f2=582.1 kHz和f3=254.2 kHz。使其3個(gè)放電頻率內(nèi)電子密度都以高斯函數(shù)增長(zhǎng)至1015cm-3以維持第2個(gè)周期內(nèi)的火花放電,通過Deeplaskin模型基于電子密度反向求解電場(chǎng),從而進(jìn)一步推算出所對(duì)應(yīng)的電壓,結(jié)果如圖7(b)、(c)、(d)所示。從圖中可以分別看到3個(gè)頻率下放電所對(duì)應(yīng)的電壓波形基本相似,電壓峰值有所不同,其分別為5.81 kV、5.47 kV和5.2 kV,相較于頻率f1,頻率f2和f3的初始電子密度分別增加了5倍和10倍,所對(duì)應(yīng)的電壓幅值分別減少了5.96%和9.18%,電壓幅值的增長(zhǎng)率與電子密度的增長(zhǎng)率成負(fù)線性關(guān)系。另外可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始電子密度增大時(shí),氣體放電所需的擊穿電壓越小,但當(dāng)電壓降低時(shí),兩電極間氣體擊穿時(shí)間將會(huì)增大,這是因?yàn)樵诘?個(gè)周期放電時(shí)上一次放電產(chǎn)生的殘余電子會(huì)加強(qiáng)電子崩的傳播,使其快速流向電極形成放電通道。在等離子體反應(yīng)器中針對(duì)不同頻率放電,我們需要調(diào)節(jié)電源電壓幅值以及考慮所需擊穿時(shí)間。

(a)E/N and Density

3.2 針對(duì)電子密度增長(zhǎng)方式調(diào)節(jié)火花放電

以電子密度為優(yōu)化目標(biāo),逆向調(diào)節(jié)火花放電助燃反應(yīng)器的電源電壓波形。為了調(diào)節(jié)火花放電使其持續(xù)穩(wěn)定,使電子密度在第2個(gè)周期50 ns內(nèi)從初始密度1012增長(zhǎng)至1015cm-3,我們?cè)O(shè)計(jì)了4種不同的電子密度增長(zhǎng)方式,如圖8(a)所示。這4種電子密度曲線代表了4類增長(zhǎng)方式:線性增長(zhǎng)、先慢后快、先快后慢、分段增長(zhǎng)。

(a)Mode of ne growth

第1種增長(zhǎng)方式為高斯函數(shù),見式(10):

(10)

式中:a為高斯曲線的峰值(a=1015);b為尖峰中心坐標(biāo)(b=50);c為標(biāo)準(zhǔn)方差,表征的是bell鐘狀的寬度(c=0.1)。

第2種是相較于y的對(duì)數(shù)以階梯式增長(zhǎng)所示。

第3種是相較于y的對(duì)數(shù)以直線增長(zhǎng),見式(11):

log(y)=0.06x+12

(11)

第4種是相較于y的對(duì)數(shù)以二次函數(shù)形式增長(zhǎng),見式(12):

(12)

以上4種電子密度曲線都是在0～50 ns內(nèi)電子密度從1012增長(zhǎng)至1015cm-3。

在圖8(b)中是4種增長(zhǎng)方式所對(duì)應(yīng)的能量消耗,使用深度學(xué)習(xí)重構(gòu)出電場(chǎng)將其代入零維模型計(jì)算出功率密度,功率密度在時(shí)間積分下的單個(gè)分子所消耗的能量,對(duì)應(yīng)的能耗值分別為0.295、0.157、0.205和0.152 eV/mol,可以看到第2、4種增長(zhǎng)形式對(duì)比其他兩種能量消耗明顯較小,比第1種增長(zhǎng)方式能耗幾乎小了1倍。初步分析是因?yàn)殡娮颖纻鞑ルA段電子密度是以指數(shù)形式增長(zhǎng),前期電子密度本身就低,若想提高前期電子密度需要額外能量輸入,因此前快后慢的電子密度增長(zhǎng)方式需要消耗更多的能量。在等離子體點(diǎn)火助燃中,不能只考慮能耗的影響,也應(yīng)該考慮等離子體化學(xué)效應(yīng)促進(jìn)助燃,等離子體放電產(chǎn)生的高能電子、離子和激發(fā)態(tài)的粒子可以有效地將大分子碳?xì)淙剂狭呀庵卣麨樾》肿?既改變了燃料分子的化學(xué)活性,又改變了燃料的輸運(yùn)特性,從而在很大程度上改變了燃燒的特性。比如O原子和O(1D)都可以改變?nèi)紵瘜W(xué)的反應(yīng)路徑加快燃燒。在不同的電壓波形下,這些重要粒子密度隨時(shí)間演化是有所區(qū)別的,如圖8(c)、(d)所示,從圖中可以明顯看出第1、2種電壓波形所產(chǎn)生的O原子和O(1D)粒子數(shù)較多,更有利于助燃。因此綜合考慮能耗和所產(chǎn)生的粒子數(shù)密度的影響,第2種分段式增長(zhǎng)的電子密度所對(duì)應(yīng)的電壓波形更適合火花放電點(diǎn)火助燃。

4 結(jié)語

1)本文所建立的等離子體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和二維流體模型,較完整地描述了1 μs內(nèi)球球放電等離體子的物理化學(xué)過程,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所測(cè)電流和光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,此模型較好地展示了氣體放電中各粒子隨時(shí)空演化的過程。

2)等離子體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放電效果的預(yù)測(cè),確定影響點(diǎn)火助燃過程最顯著的活性物質(zhì),而從應(yīng)用的角度出發(fā),則應(yīng)當(dāng)以所需活性物質(zhì)為優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等離子體點(diǎn)火助燃反應(yīng)器的優(yōu)化調(diào)控,為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,實(shí)現(xiàn)針對(duì)電子密度隨時(shí)間演化的電壓波形重構(gòu),從而優(yōu)化等離子體反應(yīng)器的電源電壓。

3)本文計(jì)算分析了放電頻率和電子密度增長(zhǎng)方式對(duì)火花放電的影響。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算得到電壓幅值的增長(zhǎng)率與初始電子密度的增長(zhǎng)率成負(fù)線性關(guān)系;電子密度增長(zhǎng)方式中先慢后快和分段增長(zhǎng)比線性增長(zhǎng)和先快后慢更節(jié)省放電能量;而電子密度分段增長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的電壓下放電所產(chǎn)生的O原子和O(1D)粒子數(shù)較多,更有利于助燃。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,從能耗和所產(chǎn)生的活性粒子密度來看,分段增長(zhǎng)的電子密度所對(duì)應(yīng)的放電電壓波形更適合火花放電點(diǎn)火助燃。