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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)
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  • 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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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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