空气-液滴两相放电的时间分辨影像研究

论文摘要

气液两相放电因其在污水处理,纳米材料合成,材料加工,灭菌和生物医学等领域的重要应用,而成为等离子体科学技术领域中一个日益重要的课题。近年来,关于气液两相放电的研究着重于两个方向。一种是水中放电,也包括在水中预置气泡放电。另一种是空气中的液体放电。比如空气中以液体作为电极放电,空气中的雾或气溶胶放电。云中的雷电现象是大自然中最常见的气液两相放电现象,它是云中微小液滴参与的剧烈放电过程。然而迄今为止,微小液滴在放电过程中扮演怎样的角色、对放电物理过程的影响机制以及等离子体对微小液滴的冲击效应尚不清晰。因此,以实验的方式探究微小液滴对放电过程的影响是很有必要的。本文首先探究直径0.3mm的单个液滴在单次纳秒脉冲电压下放电的时间分辨影像,探究放电的发展过程。通过改变电极-液滴位置关系、液滴尺寸、液滴-电极距离、击穿电压,进一步探究微米液滴-空气交界面在不同的放电条件下,如何影响放电过程。其次,使用内部预置空气的1mm直径液滴,探究气-液-气多相同时存在时的击穿机制,以及在有小尺寸液相边界时,气液两相放电的特征,得到了以下结论:（1）当0.3mm-0.6mm直径的实心液滴处于电极之间且电极不接触液滴时,放电的早期阶段的空气等离子体区域仅限于一条宽0.05mm（与电极头部同宽）,连接电极和液滴的带状放电通道。如果改变电极位置,带状放电通道的位置也随之改变,但一定是“沿面”放电（液滴表面）。随后空气等离子体区域会扩散到长轴1.5-1.8mm的椭球区域,光持续时间长达几十微秒（纳秒脉冲电压的脉宽是100ns左右）。时间分辨影像中,不同区域光持续时间是不同的。影像显示液滴附近的光持续时间总是比电极附近的光持续时间长。伴随放电,液滴会被挤压,电极-液滴之间的距离对液滴形变的速率影响很大。（2）影像显示放电总是沿着液滴表面发展,液滴似乎具有“吸引”电离波的作用。这说明放电过程中具有明显的电荷沉积作用,而电荷沉积可能导致了放电持续时间的延长,同时导致了放电区域的增大。当处于阈值电压附近击穿时,有液滴放电的击穿时延要显著地短于无液滴放电的击穿时延。液滴直径（一定范围内）越大,击穿时延会越短（击穿时延的差值处于10-8s量级）,但是光的持续时间也会越短（持续时间的差值处于10-5s量级）。当处于过电压击穿时,击穿时延没有显著差异,但是有液滴时光持续时间要比无液滴时光持续时间长几十微秒。如果是同样的液滴尺寸,充电电压越大,光持续时间越长,差值处于微秒量级。（3）当电极插入实心液滴时,实心液滴极小概率会出现膨胀现象（小于5%）同时极大概率出现飞溅的现象。液滴飞溅可能是外加电场引起的双电层效应,引起液体和金属电极交界面上相互作用力减少。此外,电极的热效应会减小水分子间的相互作用力。使得这部分液滴（一个像素点大小）在等离子体的冲击下直接飞溅出来。液滴膨胀的概率低于5%,其放电电流波形更像是两个回路放电电流叠加的结果。（4）探究内部预置空气的液滴放电,其放电的时间分辨影像表明:必须至少保证一个电极接触液滴内部的空气,液滴内部的空气才有可能被电离。如果电极不直接接触液滴内部的空气,即使水膜厚度小于0.1mm,液滴内的空气也无法被电离。液滴外的放电发射光会持续几十微秒;液滴内部的放电发射光的持续时间低于10μs。造成区别的原因可能很复杂,有可能是空气等离子体在冲击液滴内表面时消耗了大量的动能和热能,液滴吸收了粒子的热能同时液滴受到冲击而膨胀获得动能和势能。这一过程会削弱原本气体放电过程中的碰撞电离过程,从而缩短整个放电过程的持续时间。（5）只要液滴内的空气被电离,液滴一定会出现“膨胀”或者等离子体冲破液滴表面形成如子弹射穿的现象。这是液滴内部空气等离子体冲击的结果,液滴膨胀比等离子体直接冲破液滴表面慢的多。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 大气压放电等离子体概述
•   1.2 气液两相放电等离子体研究现状
•   1.3 大气环境下微米液滴放电物理过程的研究意义
•   1.4 大气环境下微米液滴放电物理过程的诊断方法
•   1.5 本文的主要内容和创新点
• 2 实验装置和诊断方法
•   2.1 实验装置
•   2.2 实验中对液滴放电所采用的纳秒脉冲电压
•   2.3 实验中高速摄像机的参数设置
• 3 实心单液滴放电的时间分辨影像研究
•   3.1 电极不接触液滴,空气中单液滴放电的时间分辨影像
•   3.2 放电的发展过程分析
•   3.3 电极插入液滴时放电的时间分辨影像研究
•   3.4 液滴对放电过程的影响
•   3.5 本章小节
• 4 预置空气的单液滴放电时间分辨影像研究
•   4.1 实验装置
•   4.2 电极都不插入液滴时的击穿模式
•   4.3 电极都插入液滴时的击穿模式
•   4.4 本章小节
• 5 总结和展望
•   5.1 论文的主要结论
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士期间发表的论文和参加的项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李从云

导师: 卢新培

关键词: 脉冲放电,气液两相放电,微米液滴,内置空气的液滴,时间分辨图像,沿面放电

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O461

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.005065

总页数: 120

文件大小: 6891k