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高气压下交流旋转滑动弧放电特性实验研究

张磊 于锦禄 赵兵兵 陈朝 蒋永健 胡长淮 程惠能 郭昊

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高气压下交流旋转滑动弧放电特性实验研究

张磊, 于锦禄, 赵兵兵, 陈朝, 蒋永健, 胡长淮, 程惠能, 郭昊

Experimental investigation of discharge characteristics of alternating current rotating gliding arc discharge under high air pressure

Zhang Lei, Yu Jin-Lu, Zhao Bing-Bing, Chen Zhao, Jiang Yong-Jian, Hu Chang-Huai, Cheng Hui-Neng, Guo Hao
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  • 本文针对恶劣条件下滑动弧等离子体放电稳定性问题, 搭建了高气压交流旋转滑动弧放电实验系统, 开展了高气压下交流旋转滑动弧放电特性实验, 并对其放电特性、电弧运动特性、光谱特性进行了分析. 研究结果表明: 随着介质气体压力的升高, 滑动弧放电的电压、电流、能量均呈现增大趋势, 当介质气体压力升高到0.52 MPa时, 滑动弧放电的能量从常压下的84.74 J增大到147.13 J; 且随着介质气体压力的升高, 电弧的击穿频率并不是单调变化, 而是在0.2 MPa时达到最大为26.55 kHz; 高气压下电弧运动过程中会出现“弧道骤变”现象; 随着介质气体压力的升高, 滑动弧放电的整体光谱发射强度呈现变强趋势; 通过两谱线法对滑动弧放电的电子激发温度进行了计算, 常压下滑动弧放电的电子激发温度为0.8153 eV, 随着介质气体压力的升高, 电子激发温度呈现升高趋势, 当介质气体压力达到0.4 MPa时, 滑动弧放电的电子激发温度升高至5.3165 eV.
    In order to study the stability of gliding arc plasma discharge under mal-conditions, an experimental system for studying the high air pressure alternating current rotating gliding arc discharge is built. The discharge characteristics, arc motion characteristics and spectral characteristics of rotating gliding arc discharge are analyzed under high pressure experimentally. Experimental results show that the voltage, current and energy increase in the gliding arc discharge with the increase of air pressure. As the air pressure rises to 0.52 MPa, the discharge energy increases from 84.74 to 147.13 J. With the increase of gas pressure, the breakdown frequency of the arc does not change monotonically, but reaches a maximum value of 26.55 kHz at 0.2 MPa, while the emission spectral intensity increases. The “arc channel mutation” occurs in the process of arc motion under high pressure. The electron excitation temperature in the process of gliding arc discharge is calculated by the two-line method, and the electron excitation temperature of gliding arc discharge is 0.8153 eV at an atmosphere pressure. The electron excitation temperature rises with the increase of air pressure. The excitation temperature increases to 5.3165 eV at an air pressure of 0.4 MPa.
      通信作者: 于锦禄, yujinlu1@163.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 91741112, 51776223)资助的课题
      Corresponding author: Yu Jin-Lu, yujinlu1@163.com
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 91741112, 51776223)
    [1]

    Lesueur H, Czernichowski A, Chapelle J F. R. Patent 2639172[1988]

    [2]

    杜长明 2015 非热电弧等离子体技术与应用 (北京: 化学工业出版社) 第15页

    Du C M 2015 Non-Thermal Arc Plasma Technology and Application (Beijing: Chemical Industry Press) p15 (in Chinese)

    [3]

    张浩, 朱风森, 李晓东, 杜长明, 薄拯, 岑可法 2015 高电压技术 41 2930Google Scholar

    Zhang H, Zhu F S, Li X D, Du C M, Bao Z, Cen K F 2015 High Voltage Eng. 41 2930Google Scholar

    [4]

    雷健平, 何立明, 陈一, 陈高成, 赵兵兵, 赵志宇, 张华磊, 邓俊, 费力 2020 物理学报 19 195203Google Scholar

    Lei J P, He L M, Chen Y, Chen G C, Zhao B B, Zhao Z Y, Zhang H L, Deng J, Fei L 2020 Acta Phys. Sin. 19 195203Google Scholar

    [5]

    Fridman A, Chirokov A, Gutsol A 2005 J. Phys. D:Appl. Phys. 38 1Google Scholar

    [6]

    Kim H S, Lee D H, Fridman A, Cho Y I 2014 Int. J. Heat Mass Transfer 77 1075Google Scholar

    [7]

    Kusano Y, Sorensen B F, Andersen T L, Toftegaard H L, Leipold F, Salewski M, Sun Z W, Zhu J J, Li Z S, Alden M 2013 J. Phys. D:Appl. Phys. 46 135203Google Scholar

    [8]

    杜长明, 李俊岭, 严建华 2008 高电压技术 34 512

    Du C M, Li J L, Yan J H 2008 High Voltage Eng. 34 512

    [9]

    于锦禄 2017 第三届全国青年燃烧学术会议 陕西西安 2017年4月14—17日 第1页

    Yu J L 2017 The Third National Young Scholar Meeting on Combustion Research Conference Shaanxi xian, China, April 14–17, 2017 p1 (in Chinese)

    [10]

    何立明, 陈一, 刘兴建, 吴勇, 刘鹏飞, 张一汉 2016 高电压技术 42 1921Google Scholar

    He L M, Chen Y, Liu X J, Wu Y, Liu P F, Zhang Y H 2016 High Voltage Eng. 42 1921Google Scholar

    [11]

    Sun Z W, Zhu J J, Li Z S, Aldén M, Leipold F, Salewski M, Kusano Y 2013 Opt. Express 21 6028Google Scholar

    [12]

    Du C M, Shi T H, Sun Y W, Zhuang X F 2008 J. Hazard. Mater. 154 1192Google Scholar

    [13]

    鲁娜, 孙丹凤, 王冰, 李杰, 吴彦 2018 高电压技术 44 1930Google Scholar

    Lu N, Sun D F, Wang B, Li J, Wu Y 2018 High Voltage Eng. 44 1930Google Scholar

    [14]

    Chen Z, Yu J L, Cheng W D, Jiang Y J, Jiang L Y, Tian Y, Zhang L 2021 J. Phys. D:Appl. Phys. 54 225203Google Scholar

    [15]

    Wu A J, Zhang H, Li X D, Lu S Y, Du C M, Yan J H 2015 IEEE Trans. Plasma Sci. 43 836Google Scholar

    [16]

    汪宇, 李晓东, 余量, 严建华 2011 物理学报 60 035203Google Scholar

    Wang Y, Li X D, Yu L, Yan J H 2011 Acta Phys. Sin. 60 035203Google Scholar

    [17]

    Kolev S, Bogaerts A 2018 Plasma Sources Sci. Technol. 27 102704

    [18]

    张磊, 于锦禄, 陈一, 胡长淮, 蒋永健, 田裕 2021 航空学报 42 124308Google Scholar

    Zhang L, Yu J L, Chen Y, Hu C H, Jiang Y J, Tian Y 2021 Acta Aeronaut. Astronaut. Sin. 42 124308Google Scholar

    [19]

    Liu X, Subash A A, Bao Y, Hurtig T, Li Z S, Ehn A, Larfeldt J, Lörstad D, Nilson T, Fureby C 2021 American Institute of Aeronautics and Astronautics 2021 Scitech Forum Reston VA, USA, January 11–21, 2021 p0653

    [20]

    何立明, 于锦禄, 曾昊 2019 等离子体点火与助燃技术 (北京: 航空工业出版社) 第71页

    He L M, Yu J L, Zeng H 2019 The Technology of Plasma Ignition and Assisted Combustion (Beijing: Aviation Industry Press) p71 (in Chinese)

    [21]

    柯以侃, 董慧茹 1998 分析化学手册(第三卷) (北京: 化学工业出版社) 第36页

    Ke Y K, Dong H R 1998 Handbook of Analytical Chemistry (Vol. 3) (Beijing: Chemical Industry Press) p36 (in Chinese)

    [22]

    孙殿平 2019 物理实验 39 4Google Scholar

    Sun D P 2019 Physics Experimentation 39 4Google Scholar

    [23]

    Park H, Choe W 2010 Curr. Appl. Phys. 10 1456Google Scholar

    [24]

    宋飞龙, 金迪, 贾敏, 宋志杰 2018 光谱学与光谱分析 38 1675

    Song F L, Jin D, Jia M, Song Z J 2018 Spectrosc. Spectral. Anal. 38 1675

  • 图 1  实验系统示意图

    Fig. 1.  Schematic diagram of experimental system.

    图 2  光纤探头测点位置分布示意图

    Fig. 2.  Distribution diagram of measuring points of optical fiber probe.

    图 3  三维旋转滑动弧激励器结构示意图

    Fig. 3.  Structure diagram of 3D rotary sliding arc actuator.

    图 4  两种不同状态下电弧放电的照片 (a) 放电状态一; (b) 放电状态二

    Fig. 4.  Photos of arc discharge in two different states: (a) Discharge state Ⅰ (b) discharge state Ⅱ.

    图 5  常压放电电压、电流波形图 (a) 0—40 ms; (b) 22.2—22.5 ms; (c) 24.7—25 ms

    Fig. 5.  Voltage and current waveforms of atmospheric discharge: (a) 0–40 ms; (b) 22.2–22.5 ms; (c) 24.7–25 ms.

    图 6  不同气体压力条件下电压电流波形图 (a) 0.1 MPa; (b) 0.2 MPa; (c) 0.3 MPa; (d) 0.4 MPa; (e) 0.5 MPa

    Fig. 6.  Voltage and current waveforms under different gas pressures: (a) 0.1 MPa; (b) 0.2 MPa; (c) 0.3 MPa; (d) 0.4 MPa; (e) 0.5 MPa.

    图 7  不同气压条件下电弧运动图 (a) 0.1 MPa; (b) 0.3 MPa; (c) 0.4 MPa; (d) 0.5 MPa

    Fig. 7.  Arc motion image under different air pressure: (a) 0.1 MPa; (b) 0.3 MPa; (c) 0.4 MPa; (d) 0.5 MPa.

    图 8  0.4 MPa条件下滑动弧运动图

    Fig. 8.  Motion diagram of sliding arc at 0.4 MPa.

    图 9  不同气压下击穿频率、放电模式

    Fig. 9.  Breakdown frequency and discharge mode under different air pressure.

    图 10  常压下滑动弧放电的瞬时功率和能量

    Fig. 10.  Instantaneous power and energy of gliding arc discharge at atmospheric pressure.

    图 11  不同气压下滑动弧放电能量

    Fig. 11.  Discharge energy of sliding arc under different pressure.

    图 12  大气压滑动弧放电发射光谱

    Fig. 12.  Emission spectra of atmospheric pressure sliding arc discharge.

    图 13  不同气体压力条件下滑动弧放电发射光谱

    Fig. 13.  Emission spectra of sliding arc discharge under different gas pressures.

    图 14  气体压力对活性粒子发射强度的影响

    Fig. 14.  Influence of gas pressure on emission intensity of active particles.

    图 15  气体压力对电子激发温度的影响

    Fig. 15.  Influence of gas pressure on electron excitation temperature.

    表 1  氮原子光谱数据

    Table 1.  Structural parameters of capillary of different kind of fluid.

    λ/nmE/cm–1A/s–1g
    391.9001190120.247.56 × 1073
    399.4997174212.031.22 × 1085
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  • [1]

    Lesueur H, Czernichowski A, Chapelle J F. R. Patent 2639172[1988]

    [2]

    杜长明 2015 非热电弧等离子体技术与应用 (北京: 化学工业出版社) 第15页

    Du C M 2015 Non-Thermal Arc Plasma Technology and Application (Beijing: Chemical Industry Press) p15 (in Chinese)

    [3]

    张浩, 朱风森, 李晓东, 杜长明, 薄拯, 岑可法 2015 高电压技术 41 2930Google Scholar

    Zhang H, Zhu F S, Li X D, Du C M, Bao Z, Cen K F 2015 High Voltage Eng. 41 2930Google Scholar

    [4]

    雷健平, 何立明, 陈一, 陈高成, 赵兵兵, 赵志宇, 张华磊, 邓俊, 费力 2020 物理学报 19 195203Google Scholar

    Lei J P, He L M, Chen Y, Chen G C, Zhao B B, Zhao Z Y, Zhang H L, Deng J, Fei L 2020 Acta Phys. Sin. 19 195203Google Scholar

    [5]

    Fridman A, Chirokov A, Gutsol A 2005 J. Phys. D:Appl. Phys. 38 1Google Scholar

    [6]

    Kim H S, Lee D H, Fridman A, Cho Y I 2014 Int. J. Heat Mass Transfer 77 1075Google Scholar

    [7]

    Kusano Y, Sorensen B F, Andersen T L, Toftegaard H L, Leipold F, Salewski M, Sun Z W, Zhu J J, Li Z S, Alden M 2013 J. Phys. D:Appl. Phys. 46 135203Google Scholar

    [8]

    杜长明, 李俊岭, 严建华 2008 高电压技术 34 512

    Du C M, Li J L, Yan J H 2008 High Voltage Eng. 34 512

    [9]

    于锦禄 2017 第三届全国青年燃烧学术会议 陕西西安 2017年4月14—17日 第1页

    Yu J L 2017 The Third National Young Scholar Meeting on Combustion Research Conference Shaanxi xian, China, April 14–17, 2017 p1 (in Chinese)

    [10]

    何立明, 陈一, 刘兴建, 吴勇, 刘鹏飞, 张一汉 2016 高电压技术 42 1921Google Scholar

    He L M, Chen Y, Liu X J, Wu Y, Liu P F, Zhang Y H 2016 High Voltage Eng. 42 1921Google Scholar

    [11]

    Sun Z W, Zhu J J, Li Z S, Aldén M, Leipold F, Salewski M, Kusano Y 2013 Opt. Express 21 6028Google Scholar

    [12]

    Du C M, Shi T H, Sun Y W, Zhuang X F 2008 J. Hazard. Mater. 154 1192Google Scholar

    [13]

    鲁娜, 孙丹凤, 王冰, 李杰, 吴彦 2018 高电压技术 44 1930Google Scholar

    Lu N, Sun D F, Wang B, Li J, Wu Y 2018 High Voltage Eng. 44 1930Google Scholar

    [14]

    Chen Z, Yu J L, Cheng W D, Jiang Y J, Jiang L Y, Tian Y, Zhang L 2021 J. Phys. D:Appl. Phys. 54 225203Google Scholar

    [15]

    Wu A J, Zhang H, Li X D, Lu S Y, Du C M, Yan J H 2015 IEEE Trans. Plasma Sci. 43 836Google Scholar

    [16]

    汪宇, 李晓东, 余量, 严建华 2011 物理学报 60 035203Google Scholar

    Wang Y, Li X D, Yu L, Yan J H 2011 Acta Phys. Sin. 60 035203Google Scholar

    [17]

    Kolev S, Bogaerts A 2018 Plasma Sources Sci. Technol. 27 102704

    [18]

    张磊, 于锦禄, 陈一, 胡长淮, 蒋永健, 田裕 2021 航空学报 42 124308Google Scholar

    Zhang L, Yu J L, Chen Y, Hu C H, Jiang Y J, Tian Y 2021 Acta Aeronaut. Astronaut. Sin. 42 124308Google Scholar

    [19]

    Liu X, Subash A A, Bao Y, Hurtig T, Li Z S, Ehn A, Larfeldt J, Lörstad D, Nilson T, Fureby C 2021 American Institute of Aeronautics and Astronautics 2021 Scitech Forum Reston VA, USA, January 11–21, 2021 p0653

    [20]

    何立明, 于锦禄, 曾昊 2019 等离子体点火与助燃技术 (北京: 航空工业出版社) 第71页

    He L M, Yu J L, Zeng H 2019 The Technology of Plasma Ignition and Assisted Combustion (Beijing: Aviation Industry Press) p71 (in Chinese)

    [21]

    柯以侃, 董慧茹 1998 分析化学手册(第三卷) (北京: 化学工业出版社) 第36页

    Ke Y K, Dong H R 1998 Handbook of Analytical Chemistry (Vol. 3) (Beijing: Chemical Industry Press) p36 (in Chinese)

    [22]

    孙殿平 2019 物理实验 39 4Google Scholar

    Sun D P 2019 Physics Experimentation 39 4Google Scholar

    [23]

    Park H, Choe W 2010 Curr. Appl. Phys. 10 1456Google Scholar

    [24]

    宋飞龙, 金迪, 贾敏, 宋志杰 2018 光谱学与光谱分析 38 1675

    Song F L, Jin D, Jia M, Song Z J 2018 Spectrosc. Spectral. Anal. 38 1675

  • [1] 朱海龙, 师玉军, 王嘉伟, 张志凌, 高一宁, 张丰博. 高气压氩气辉光放电条纹等离子体的形成和演化. 物理学报, 2022, 71(14): 145201. doi: 10.7498/aps.71.20212394
    [2] 杨初平, 耿屹楠, 王捷, 刘兴南, 时振刚. 高气压氦气平行极板击穿电压及场致发射的影响. 物理学报, 2021, 70(13): 135102. doi: 10.7498/aps.70.20210086
    [3] 雷健平, 何立明, 陈一, 陈高成, 赵兵兵, 赵志宇, 张华磊, 邓俊, 费力. 旋转滑动弧放电等离子体滑动放电模式的实验研究. 物理学报, 2020, 69(19): 195203. doi: 10.7498/aps.69.20200672
    [4] 魏小龙, 徐浩军, 李建海, 林敏, 宋慧敏. 高气压空气环状感性耦合等离子体实验研究和参数诊断. 物理学报, 2015, 64(17): 175201. doi: 10.7498/aps.64.175201
    [5] 王建龙, 丁芳, 朱晓东. 高气压均匀直流辉光放电等离子体的光学特性. 物理学报, 2015, 64(4): 045206. doi: 10.7498/aps.64.045206
    [6] 冯璟华, 蒙世坚, 甫跃成, 周林, 徐荣昆, 张建华, 李林波, 章法强. 含氢电极真空弧放电等离子体时空分布特性研究. 物理学报, 2014, 63(14): 145205. doi: 10.7498/aps.63.145205
    [7] 郑仕健, 丁芳, 谢新华, 汤中亮, 张一川, 李唤, 杨宽, 朱晓东. 高气压直流辉光CH4/H2等离子体的气相过程诊断. 物理学报, 2013, 62(16): 165204. doi: 10.7498/aps.62.165204
    [8] 朱国强, Jean-Pierre Boeuf, 李进贤. 压强与功率对高气压空气微波放电自组织结构影响的数值研究. 物理学报, 2012, 61(23): 235202. doi: 10.7498/aps.61.235202
    [9] 董丽芳, 刘为远, 杨玉杰, 王帅, 嵇亚飞. 大气压等离子体炬电子密度的光谱诊断. 物理学报, 2011, 60(4): 045202. doi: 10.7498/aps.60.045202
    [10] 汪宇, 李晓东, 余量, 严建华. 滑动弧低温等离子体放电特性的数值模拟研究. 物理学报, 2011, 60(3): 035203. doi: 10.7498/aps.60.035203
    [11] 倪明江, 余量, 李晓东, 屠昕, 汪宇, 严建华. 大气压直流滑动弧等离子体工作特性研究. 物理学报, 2011, 60(1): 015101. doi: 10.7498/aps.60.015101
    [12] 杨涓, 石峰, 杨铁链, 孟志强. 电子回旋共振离子推力器放电室等离子体数值模拟. 物理学报, 2010, 59(12): 8701-8706. doi: 10.7498/aps.59.8701
    [13] 刘莉莹, 张家良, 郭卿超, 王德真. 大气压等离子体辅助多晶硅薄膜化学气相沉积参数诊断. 物理学报, 2010, 59(4): 2653-2660. doi: 10.7498/aps.59.2653
    [14] 董丽芳, 冉俊霞, 毛志国. 大气压氩气微放电通道中电子激发温度的时间演化. 物理学报, 2005, 54(5): 2167-2171. doi: 10.7498/aps.54.2167
    [15] 陈莺飞, 彭 炜, 李 洁, 陈 珂, 朱小红, 王 萍, 曾 光, 郑东宁, 李 林. 高气压反射式高能电子衍射仪监控脉冲激光外延氧化物薄膜. 物理学报, 2003, 52(10): 2601-2606. doi: 10.7498/aps.52.2601
    [16] 邵其鋆, 何 煜, 郭文康, 须 平, 臧德鸿. 直流等离子体弧温度测量与模拟计算结果的比较. 物理学报, 1999, 48(9): 1691-1700. doi: 10.7498/aps.48.1691
    [17] 吴美萍, 周太明, 蔡祖泉. 高气压钠电弧的温度分布. 物理学报, 1990, 39(10): 1583-1590. doi: 10.7498/aps.39.1583
    [18] 楼祺洪. 高气压氯化氙准分子激光放电的稳定性. 物理学报, 1987, 36(5): 668-672. doi: 10.7498/aps.36.668
    [19] 楼祺洪. 高气压下XeCl激光脉冲雪崩放电中的延迟效应. 物理学报, 1985, 34(7): 960-963. doi: 10.7498/aps.34.960
    [20] 刘达伟. 高气压快放电XeCl准分子激光器的放电特性. 物理学报, 1984, 33(11): 1512-1519. doi: 10.7498/aps.33.1512
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-01
  • 修回日期:  2021-12-13
  • 上网日期:  2022-01-26
  • 刊出日期:  2022-04-05

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