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1、2011年第56卷第35期：2947~2951《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESSwww.scichina.comcsb.scichina.com线板放电电流体的实验研究与数值模拟李庆,杨振亚,王巧艳,刘志强,何寿杰河北大学静电研究所,保定071002E-mail:liqing@hbu.cn2011-09-13收稿,2011-10-28接受国家自然科学基金(10875036,51077035)、河北省自然科学基金(A2010000182)、河北省科技支撑计划(09276712D)和河北大学博士基金(2009-178)资助项目摘要为了分析不同极配形式下放电场中离子风的运动状态
2、,采用实验分析和数值模拟的方法,并结合相关电流体理论进行分析,确立了离子风起始电压的概念;得出了极板处离子风速、电晕线处离子风速和放电电压之间的关系;建立了线板式放电仿真模型,并采用动力风代替离子风的方法对放电通道内的离子风进行了数值模拟,阐述了离子风速模拟值与实测风速值、理论风速值产生误差的原因.模拟结果显示,电晕放电过程中离子风在放电通道内呈双螺旋结构分布.上述结论将对放电空间物质间相互作用的研究提供必要的理论指导.关键词离子风离子风起始电压伏安特性数值模拟双螺旋结构离子风也称电风,是电晕放电过程中特有的现象.研究表明,离子风是影响放电空间物质相互作用的一个重要因素[1].因此,对离子
3、风形成机理及其在放电区域的分布状况研究是当今空间放电研究的一结构,网-板电极间距为1cm.在实验测量过程中,风速仪的探头放置于网状电极和平板电极之间.该电极结构的设计既能保护风速仪,又能更加真实地反映平板电极对离子风的反作用效果.实验中调整放电极与网-板接地电极的距离.对放电极施加不同的放电电压,并利用Testo405-v1风速仪及微安表测量各种情况下电晕放电时的伏安特性及极板处的离子风速.实验在常温常压下进行,环境温度为20~25℃.大热点[2~4].离子风的测量方法繁琐复杂,离子风在放电通道中的分布状况使用普通实验仪器难以捕捉.我们曾通过实验总结出线板间距为15cm时,放电极附近离子风
4、速与放电电压的关系[5].为了进一步讨论不同极配方式下离子风速的大小,本文通过实验与数值模拟相结合的方法分析研究了不同线板间距下接地极板附近和电晕线处离子风速与放电电压之间的关系,得出了不同线板间距下离子风速和放电电压之间的普遍规律,并模拟了电晕放电过程中离子风在放电通道内的分布状态.研究结果为离子风的深入研究提供了必要的实验和理论基础.1.2线板放电的伏安特性调整线板间距,测量电晕放电的伏安特性,图1所示为线板间距为10,15和20cm时的伏安特性.在不同线板间距下该装置电晕放电伏安特性的变化规律基本相似且非常稳定.随着放电电压的升高,放电板极电流呈上升趋势.因为在初始阶段放电电压小于起
5、晕电压时,游离于空气中的微量离子在弱电场力作用下运动至接地极板处的数量很少,产生的电流比较微小,所以在初始阶段,电流上升幅度较为平缓.这时放电电流维持在0.9~1.0μA之间,该阶段微量离子在向接地极板方向运动的过程中,由1实验1.1实验装置及方法实验装置原理图见文献[5].为了避免放电过程中产生的离子损坏风速仪,接地极板改为双层网-板英文引用格式:LiQ,YangZY,WangQY,etal.Experimentalresearchandnumericalsimulationofelectro-hydrodynamicinwire-platedischargechannel(inChin
6、ese).ChineseSciBull(ChineseVer),2011,56:2947–2951,doi:10.1360/972011-951论文表1理论起始电压与离子风起始电压的比较线板间距d(cm)理论起始电压(kV)离子风起始电压(kV)10152012.2113.7116.8212.3714.8117.41始电压的概念,离子风起始电压的起始值要符合以下三个条件:第一,电晕放电已经产生;第二,电晕放电产生的离子在电场作用下能加速运动至接地极板;第三,离子运动过程中和放电空间中的各种粒子相互作用可以引起气流扰动.在放电电压刚达到理论起晕电压时,电晕区的范围极小[10,11],产生的自
7、由电子数量小、能量低,离子向极板方向运动的过程中与空气分子摩擦碰撞将导致能量损失殆尽,引起的气流扰动不足以充满整个放电空间,从而无法在极板处形成离子风,只有当放电极电压继续升高,放电过程中产生的所有离子的能量和达到一定值才可以引起气流扰动,此时所施电压才是离子风起始电压.所以,理论计算的离子风起始电压值小于实际的离子风起始电压值.实验中发现接地极板处测得的电晕电流小于1.0μA时,在极板处测量不到气流流动.当放电电流超过
