针-板空气间隙流注演化机制的三维数值仿真和实验研究

Streamer usually presents at the initial stage of atmospheric pressure air discharges, which occurs in nature as a precursor to lightning and has much potential in industrial applications. Multi-dimensional and non-linear characteristics of the streamer bring lots of difficulties to its experimental measurement and conventional two-dimensional models cannot reflect its real structures, thus, make its fundamental property and influence mechanisms are far from conclusive. This project emphasizes on three-dimensional numerical study and combines experimental method to investigate the whole process from discharge ignition to breakdown of the air gap, discharge structures and spatial-temporal distribution of active species, in needle-plane electrode air gaps; we adjust electric parameters and gas properties, the inner connection between microscopic streamer characteristics and macroscopic parameters is obtained by comparing the differences of electric current/potential, size of channel, propagation velocity, branch structures, electron temperature/density and extra key parameters of streamers; we include multiple source mechanism of free electrons in the model, key factors of streamer discharge under various environments are obtained through experimental verification. The project aims to further understand the basic physical parameters, discharge mechanisms and influence rule of external factors on streamer in air, improve the basic theory of streamer discharge and provide scientific evidences for its controllable regulation.

流注是大气压下气体放电的一种常见初始形态，认识其基本特性和放电机制在雷电防护及工业潜在应用等方面有着重要的学术价值。流注时空多尺度及非线性的特点使得其实验测量十分困难且常规二维数值仿真难以反映其真实结构特性，其物性参数特征和放电机制等基础科学问题尚不十分清楚。本课题着重采用三维数值仿真并辅以实验观测的手段研究流注在针-板电极结构空气间隙中的起始及传播过程、真实空间结构及活性物种组分的时空分布规律；调节电气参数及气体属性，比较放电过程中电流及电压波形、通道尺寸、传播速度、分叉结构、电子温度/密度等关键特征参数的变化，获得流注微观特性与外部宏观参量的内在联系；仿真测试多种自由电子获取方式，结合实验验证得到不同环境下流注放电的主导机制。通过本项目的研究可系统得到空气中流注基本物性参数，完善对流注基础理论和放电机制的理解并为其可控调节提供科学依据。

流注放电是自然界中雷电形成的关键因素，其与特高压输变电工程的外绝缘设计关系密切，且在工业领域应用广泛。然而，流注放电是典型的多尺度、非线性的科学问题，对其放电机制的认识还很不完全。本项目系统地研究了N2/O2混合气体中流注放电动态特性，主要成果有：.1）构建了流注放电特性三维粒子仿真程序，可以实现对不同宏观电气参数和气体参数对流注影响的仿真，研究进一步明确了流注发展的规律和空间流注之间的相互影响规律。.2）自行研发了二维和三维流体仿真代码，与实验和三维粒子仿真得到的流注发展动态进行对比验证，明确了流体-粒子仿真代码差异性来源。.3）研究了空气氛围中绝缘介质与流注的相互作用，分析影响介质-流注相互作用的基本因素。.4）搭建了氮氧混合气体中流注放电特性实验与测量平台，进行仿真-实验对比，并揭示了空气中负极性针板电极放电模式转换规律。.5）研究了前驱放电对后续流注放电的影响规律，揭示放电余晖中流注放电发展的一般性规律，明确了空气、氮气中在不同时间间隔、负电晕脉宽、气压等影响因素下负电晕对流注的影响。. 本项目系统得到空气中流注基本物理特性参数，完善了对流注基础理论和放电机制的理解，揭示了空气中流注-流注、流注-介质、余晖-流注相互作用的基本规律，并为其可控调节提供科学依据，对于特高压输变电工程的外绝缘设计和流注放电的工业应用具有重要的意义。