表面介质阻挡放电中类弥散和离散通道模式的形成和转换机制研究

Nanosecond-pulsed surface dielectric barrier discharge (SDBD) has great prospects in the application fields of aerospace and pollution treatment. There is a quite interesting phenomenon in nanosecond-pulsed SDBD that two typical plasma distribution modes: quasi-diffuse mode and separated-channel mode are observed. Focused on this unique discharge phenomenon, the formation mechanisms and transition conditions of the two modes in nanosecond-pulsed SDBD will be studied in this project. Besides measurements and calculations of several basic electrical parameters, the techniques of spatial-temporal measurement of charge and electric field, spectral diagnostics, photomultiplier measurement, intensified charge coupled device camera, Schlieren photography will be adopted to develop the discharge characteristics and spatial-temporal plasma distributions under the two typical modes. The influences of power supply parameters and configuration parameters of discharge actuators on the discharge distribution modes will be studied and discussed. The spatial-temporal charge and electric field distributuions and their corresponding spatial-temporal plasma distributions and electron density will be investigated and analysed. Based on experimental results, numerical calculations and simulations, the formation mechanisms of quasi-diffuse mode and separated-channel mode will be further discussed, and the judgment standards and transition conditions of the two distribution modes will be concluded. Then the controllability of nanosecond-pulsed SDBD plasma distribution will be attempted. This research will provide theoretical guidance and technical support for application and promotion of nanosecond-pulsed SDBD.

纳秒脉冲表面介质阻挡放电（SDBD）在航空航天和污染处理领域均有巨大的应用潜力。围绕纳秒脉冲SDBD出现类弥散和离散通道两种分布模式的独特现象，本项目针对两种分布模式的形成机制和转换条件展开研究工作，基于基础电特性测量和计算、电荷电场时空分布测量、光谱诊断、光电倍增管测量、增强电子耦合器件相机摄像、高精度光学流场显示等技术手段，研究两种模式下的放电特性及等离子体的时空分布，讨论电源激励参数和放电激励器的结构配置参数对放电分布模式的影响，综合分析表面电荷电场时空分布及对应等离子体时空分布和电子密度分布，并结合数值计算和仿真模拟，研究两种模式的形成机制，得到两种模式转换的判定标准和转换条件，并初步实现纳秒脉冲SDBD等离子体的可控性，为纳秒脉冲SDBD的应用和推广提供理论指导和技术支持。

纳秒脉冲表面介质阻挡放电（SDBD）在航空航天和污染处理领域均有巨大的应用潜力。围绕纳秒脉冲SDBD出现类弥散和离散通道两种分布模式的独特现象，本项目针对两种分布模式的形成机制和转换条件展开了相关研究工作。在不同阻挡介质材料、介质厚度、介质表面粗糙度、电极形状、电源种类、电压幅值、频率等，开展放电实验，对放电的电气特性、放电图像、高速摄影下放电通道发展特性及流场形貌进行了深入的研究。实验结果表明，常温常压下，高频高压电源激励 SDBD 较难实现均匀或类弥散放电模式，除了电压上升速度，放电发热量也是重要原因之一；脉冲电压激励下，相同条件下电压上升越快，越容易得到类弥散甚至均匀放电；介质表面粗糙度也是影响放电模式的重要因素，表面抛光的激励器放电时更容易发生单点放电，改变介质表面粗糙度可使电场分布发生畸变，阻碍放电通道的前向发展，从而避免形成电流较大的主放电通道，有利于类弥散放电模式的形成。在环状表面介质阻挡放电中，由于环状特殊结构的原因，放电通道的发展呈现了一种独特的特性，且不同参数下放电过程中的类弥散和离散通道特性更加显著。放电通道之间的相互作用对于放电模式的形成和转换有着至关重要的作用，尤其由于环状放电中曲率半径及放电方向引起的放电通道不平行的情况，放电通道的根部和通道前端的相互作用情况不同，因此可能会形成放电边缘类弥散、但放电通道前端呈现明显细丝通道的情况，也会产生放电电极边缘呈离散通道模式、但放电通道中部往前呈现类弥散的特别情况。由于曲率半径的存在，放电通道的前端和根部所受到周围通道的作用力是不同的，内向放电根部受影响小，容易离散，而前端受影响较大，容易弥散，而外向放电的根部受影响较大，容易相对均匀，而通道前端受影响较小，因此更容易形成独立的放电通道。因此两种典型放电模式的直接原因在于放电通道的相互作用：由通道发展初期的抑制作用、到通道发展完成后前端的扩散作用。