0 引言

非平衡等离子体的激发伴随有大量自由基和激发态粒子产生,具有很强的活化效应^[1],可有效降低点火延迟、增强燃烧稳定性、拓展可燃极限^{[ 2- 3]}。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)是激发非平衡等离子体的主要方式之一,具有结构简单、便于敷设及工作范围广等优势,是当前研究等离子体强化燃烧的重要技术手段^{[ 4- 5]}。电源参数、气流速度、激励器几何构型和工作气体等诸多因素均会影响介质阻挡放电效果^{[ 6- 7]},其放电特性的改变会导致增强燃烧的能力发生变化,因此开展等离子体放电特性研究具有十分重要的意义。

高频交流介质阻挡放电一般为微放电过程,在击穿空气后形成大量细密的微通道进行电荷转移^{[ 8]},放电过程中通道能量沉积的差异会导致空间电荷分布不均匀^{[ 2]},并且伴随有明显的气动效应^{[ 9- 10]},其放电本身感生电势和气流扰动再加上外部因素影响是非常复杂的综合作用,采用建模分析的难度很大,因此当前多采用实验手段分析不同因素对放电特性的影响。房新振等人在研究频率对放电功率的影响时,发现激励频率对不同构型激励器的影响规律也不相同^{[ 11]},实验分析了电极宽度、电极间距以及电压幅值和频率对等离子体发生器能量消耗的影响,其中随着电压幅值增大,射流速度在增大一定程度后开始减小,导致能量气动转化效率降低。田学敏等人同样分析了不同激励电压幅值和频率下的电流电压波形和放电图像,指出在双侧放电情况下提高频率会降低放电强度^{[ 12]}。李应红等人采用光谱仪分析了等离子体产生后的活性基辐射强度,发现随着激励电压的变化,典型的谱线辐射强度变化不大,仍呈低温弱电离等离子体状态^{[ 13]}。Wang C等人实验比较了平板电极、网状电极和水电极 3种构型激励器的介质阻挡放电效果,结果发现不同构型激励放电均为丝状放电,但相同激励参数下的放电强度有明显差异,其中水电极放电强度最弱^{[ 6]}。

当前虽然对介质阻挡放电特性开展了较多研究,但多集中在沿面型和平行平板构型DBD激励器,针对同轴圆柱构型DBD激励器的相关报道还比较少,且主要集中于自身放电特性分析,对控制参数和外部因素的分析还没有深入开展。刘峰等人研究了外电极长度对同轴双阻挡介质放电特性的影响,结果表明电极长度对放电均匀性影响较小,但可明显增大平均放电功率和能量效率^{[ 14]}。巩银苗等人分析了激励电压对放电功率和等效电容的影响,结果表明放电功率、介质层电容和气隙电容均会随着电压的增大而增大^{[ 15]}。由于不同构型激励器的放电特性存在一定差异,考虑到国内外在研究非平衡等离子体增强燃烧时,对扩散火焰^{[ 9]}、预混火焰^{[ 16]}和旋流火焰^{[ 17]}的燃烧器多采用同轴圆柱DBD激励器,因此开展同轴圆柱构型DBD激励器放电特性的研究显得尤为重要。

本文基于同轴剪切喷嘴装置,开展了冷流场下的激励器放电特性实验研究(装置上面安装有同轴圆柱构型DBD激励器,以实现外喷嘴环缝间隙放电),分析了电源参数、气体流量等不同因素对放电辐射强度、电荷转移及放电功率等特性的影响,阐释了不同因素的影响机理及其相互之间的联系,为等离子体强化燃烧研究提供技术支撑。

1 实验设备及方法

实验中DBD激励器为同轴圆柱体放电构型,为实现同轴剪切喷嘴的外侧环缝放电,将激励器敷设在喷嘴上的结构示意图如图1所示。在图1(a)中,喷嘴装置的环缝通道外壁面为石英玻璃材质,内喷嘴为Al₂O₃陶瓷材料,固定在中心金属管上,集气室中设置有蜂窝状整流器以改善流场质量,并通过玻璃转子流量计调节气体流量。激励器以铜箔作为高压电极和地电极,电极在敷设时以外喷嘴的石英玻璃管作为介质阻挡层,其中高压电极敷设在石英玻璃管的外壁面,电极宽度h=30 mm;地电极采用相同宽度敷设在内喷嘴陶瓷圆柱体的外壁面上,并与高压电极沿垂直方向对齐,地电极通过铜箔与中心金属管连接,然后在金属管末端连接导线并和电源低压端连接。在图1(b)中,高压电极外半径r₁=16 mm,石英玻璃管内半径r₂=15 mm,环形地电极半径r₃=12.5 mm,外喷嘴环缝为2.5 mm,当外加电压击穿空气后会在喷嘴环缝处充满等离子体。考虑到实验主要研究外喷嘴环缝的放电特性,因此并未标明内喷嘴几何参数。

等离子体激励电源为CTP-2000K型高频高压正弦交流电源,频率调节范围为1~100 kHz,输出电压范围为0~30 kV,实验中电源中心频率设定为10 kHz,实验使用Agilent DSO3024A示波器采集记录施加到激励器上的电压、电流信号,采样频率为200 MHz。

图1 实验装置结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of experimental configuration

为获取激励器放电图像,实验采用Cannon EOS 600D相机于喷嘴正上方垂直向下对放电区域定参数拍摄。当以甲烷为气源放电时,为获取CH*自发辐射强度图像,使用光学滤镜和相机配合的方法拍摄,CH*滤镜参数为430±5 nm,测量辐射带为A²Δ→X²II(0,0)。此外,以纹影仪钨丝灯发光作为稳定光源,只改变相机曝光时长,分析了曝光时长和图像亮度的变化规律,通过拟合表明相机进光量和图像亮度具有良好线性关系。

本文通过电压-电荷Lissajous图形法求解等离子体放电功率^{[ 11]},文献[18]将该方法与等效电路模型计算的功率结果进行比较,表明Lissajous图形法适用于DBD激励器功率计算,与理论功率值较相符。为获取Lissajous图形,在电路测量时激励器地电极一侧连接有标准电容C_M^{[ 19]},实验电源中C_M=0.47 μF,激励器的放电功率表达式为P=fC_MA,其中f为电源激励频率,A为单个放电周期由激励电压和电容C_M两端电压构成的Lissajous图形的面积。实验为减小放电随机因素影响,采用每次采样5个放电周期求平均的方法计算功率。

为开展DBD激励器体放电特性的研究,分别采用空气和甲烷作为放电气体介质,通过调整电源参数、气体流量,分析了频率、电压和空气流量等因素对放电击穿电压、辐射光强、Lissajous图形以及放电功率的影响机理和控制规律。实验过程中为降低激励器温升效应对实验结果的干扰,每组工况完成之后待激励器恢复室温之后开始下1组实验。

2 空气放电特性分析

2.1 击穿电压影响因素分析

当DBD激励器击穿空气产生丝状放电通道后,受电场不稳定的影响^{[ 20]},激励电压会在一定范围内发生突变和阶跃跳动,因此本文以击穿空气前的采样电压峰-峰值作为击穿电压。实验分析了激励频率和空气流量对击穿电压的影响,分别如图2、图3所示。根据图2可知,在空气体积流量Q_air为0 、10 L/min 2种条件下,改变频率环缝击穿电压会发生明显变化,且随频率提高,击穿电压呈先减小后增大的“V”型变化趋势。根据Townsend电离机制^{[ 21]},当两电极间施加高频AC激励后,强电场将加速电极附近电子与气体中性粒子之间的碰撞,而频率变化会改变电子碰撞频率(这里是指受外加电场影响的非各向同性碰撞频率,下同)和自由行程^{[ 11]}。当

图2 击穿电压随频率的变化 Fig.2 Breakdown voltage varied with frequency

图3 击穿电压随体积流量的变化 Fig.3 Breakdown voltage varied with gas flow

激励频率较低时,高能电子和中性粒子碰撞频率过低难以发生电离;而激励频率过高时则缩短了电子自由行程,使得电子在电场作用下获得能量降低,导致电离空气难度增大,其间会存在最优频率对应击穿电压最低,因此击穿电压呈“V”型变化。图3中,对应不同频率的击穿电压曲线仅在小范围内波动性变化,可知空气体积流量改变对击穿电压的影响较弱,激励频率是影响击穿电压的主导因素。

2.2 电压峰-峰值的影响

为分析电压对放电特性影响,在Q_air =10 L/min、f=8 kHz时,得到不同电压下的放电图像如图4所示,曝光时长2 s,感光度ISO为100。文献[22]表明放电光强度与等离子体电荷量呈正相关,可通过光强度表征放电强度。对图4放电图像光强积分,得到不同电压下总光强变化如图5所示,光强值采用均一化表示,为不同电压和18 kV对应光强值的比值。根据图5可知,提高电压峰-峰值会快速增大等离子体光强值,说明放电强度得到快速提升放电变得更加剧烈,其中电压峰-峰值U_pp由18 kV至28 kV时光强值增长约5倍。

在上述频率和空气体积流量不变时,单个周期内U_pp=20、24、28 kV的Lissajous图形如图6所示。其中,以图6(a)为例(下图相同),AD、BC分别为

图4 不同电压峰-峰值下放电图像(Q_air=10 L/min, f=8 kHz) Fig.4 Discharge photographs under different peak-to-peak voltages (Q_air=10 L/min, f=8 kHz)

图5 不同电压峰-峰值下放电光强度 Fig.5 Light intensity of discharge under different peak-to-peak voltages

放电阶段,AB、DC为放电截止阶段,闭合曲线由不同阶段的分布点最小二乘法拟合直线连接而成,用于计算放电功率。在放电过程中,受激励器壁面累计电荷的斑图特性和微放电通道不规则的影响,空间电荷和感生电势分布并不均匀^{[ 23]}。根据图6(a)—图6(c)发现,在不同激励电压下,在AD、BC放电阶段的电荷转运过程均存在较强的弥散分布特征。这是因为放电微通道存在反复生成-移动-熄灭的随机演变过程,本身为不连续电荷转移过程,同时受电荷分布不均匀的影响,不同位置和时刻的微通道电流强度也不同,因此放电阶段电荷呈弥散分布状态。并且随着电压峰-峰值提高,增大放电强度同时电荷分布不均匀程度加剧,导致放电过程电荷弥散分布特征持续增强。

为考察电压峰-峰值U_pp对DBD气体放电功率的影响,分别在空气体积流量为0、10 L/min,激励频率为6、8和10 kHz共6种工况下,16~28 kV范围内连续改变电压峰-峰值U_pp,获得了激励器放电功率随电压的变化曲线,如图7所示。其中,f=8 kHz、Q_air=0 L/min工况在U_pp=16 kV时最先电

图6 不同电压峰-峰值下的Lissajous图形 Fig.6 Lissajous figures under different peak-to-peak voltages

图7 激励电压对放电功率的影响 Fig.7 Influence of voltage on discharge power

离空气,而f=6 kHz、Q_air=0 L/min时所需击穿电压最高,在U_pp=21 kV时产生等离子体。

根据图7可知,除了提高电压时功率明显增大以外,在电压和体积流量一定时提高激励频率,由于单位时间放电次数的增加也会使功率有明显增大。此外,对图7中功率曲线线性拟合发现,在3种不同频率下Q_air=0 L/min对应功率曲线的拟合确定系数R_square均大于0.96,具有较好的线性增长规律;而Q_air=10 L/min对应功率曲线的R_square均有不同程度降低,并且随着频率增高,线性度降低愈加明显。

2.3 激励频率的影响

为进一步分析频率f对激励器放电特性的影响,保持相机参数不变,在U_pp=22 kV、Q_air=10 L/min条件下,f在5~10 kHz内的放电图像如图8所示,对应的放电光强度曲线如图9所示,并得到了5、8和10 kHz的Lissajous图形如图10所示。根据图8可知,随着激励频率提高放电光强逐渐增大。结合图9中光强随频率变化曲线可知,放电光强接近线性增大,在f由5 kHz提高到10 kHz时,光强度增大约1.8倍,与频率增长倍数接近。在图10(a)—图10(c)中,相对于5 kHz电荷幅值,8 kHz和10 kHz下的电荷幅值分别减小了3.0%和8.3%,可知随着激励频率增大电离度会小幅降低,这也说明随着频率提高放电光强增大主要是由固定时长内放电次数累计增加导致,而单次放电强度减弱。

图8 不同激励频率下放电图像(Q_air=10 L/min, U_pp=22 kV) Fig.8 Discharge photographs with different frequencies （Q_air=10 L/min, U_pp =22 kV）

图9 不同激励频率下放电光强度 Fig.9 Light intensity of discharge with different frequencies

为详细分析频率对放电功率的影响,分别在不同体积流量和不同电压下,获得了放电功率随频率的变化曲线,如图11所示。

图10 不同激励频率下Lissajous图形 Fig.10 Lissajous figures with different frequencies

图11 激励频率对放电功率的影响 Fig.11 Influence of frequency on discharge power

通过图11(a)可以看出,在Q_air=0 L/min情况下,DBD功率随着激励频率提高为单调递增变化,线性拟合确定系数R_square=0.98,呈高度线性增长;而在Q_air=10 L/min有空气流动时,功率曲线虽然整体仍呈增大趋势,但不再单调递增,同时线性拟合度明显降低,这与图7功率随电压变化时的影响规律相似。主要是因为流场对放电微通道具有扰动作用,并且具体影响程度又与不同频率激发的电场状态有关,导致在不同频率下的增减趋势也不相同。

在Q_air=10 L/min条件下,除了图11(a)中U_pp=22 kV功率曲线,图11(b)还一同给出了U_pp为20、24 kV时随频率变化的功率曲线。根据图11(b)可以看出,3种不同电压峰-峰值下的功率曲线变化规律基本相似,整体呈增大变化,但受气流扰动影响,均在个别频率下发生功率降低现象。通过进一步观察发现,U_pp由20 kV增大到24 kV的过程中,曲线会发生功率下降的频率个数明显降低,可知随着激励电压增大,功率曲线的单调递增性逐渐加强。此外,以线性拟合度评价功率曲线发现,由20~24 kV的功率曲线线性度逐渐增强。根据单调性和线性度分析可知,空气体积流量一定时,随着激励电压提高,功率曲线特征愈加接近Q_air=0 L/min时的高度线性和单调递增状态,说明随着电压提高,气流对微放电通道和电荷分布的扰动能力逐渐减弱。

2.4 空气体积流量的影响

为分析空气体积流量对DBD体放电特性的影响,图12给出了f=8 kHz、U_pp=22 kV条件下空气体积流量Q_air在0~20 L的放电图像,出口射流平均速度变化范围为0~1.55 m/s,其对应光强曲线如图13所示,此外图14展示了不同流量下的Lissajous图形。根据图13的光强曲线可知,图12中相比Q_air=0时的放电强度,除了起始体积流量为4 L/min时放电强度有略微增大以外,随着体积流量继续增大,放电强度逐渐降低。通过对比图14(a)—图14(c)发现,随着体积流量增大电荷幅值明显减小,同样说明放电强度发生降低,此外AD、BC放电阶段的电荷分布弥散性降低,呈明显的连续性变化,可知增大空气体积流量有利于提高放电过程连续性,使电荷分布更加均匀,这与介质阻挡沿面放电的变化规律相同^{[ 23]}。结合图14分析可知,图14中体积流量为4 L/min时放电强度有小幅增大,是因为电荷的斑图特性得到改善,但随着体积流量继续增大,部分粒子因驻留时间过短来不及激发就离开放电区

图12 不同体积流量下的放电图像(f=8 kHz, U_pp=22 kV) Fig.12 Discharge photographs under different gas flow (f=8 kHz, U_pp =22 kV)

图13 不同激励频率下放电光强度 Fig.13 Light intensity of discharge under different gas flow

域导致放电强度持续降低^{[ 23]},本文将其称为“吹除”作用。

为分析体积流量对放电功率的影响,分别在不同电压和不同频率下,得到了激励器放电功率在0~24 L/min随空气体积流量的变化曲线,如图15所示。其中,图15(a)展示了f=8 kHz,U_pp分别为20、22和24 kV下功率随体积流量的变化曲线;根据前文得出的体积流量对较低电压峰-峰值功率曲线影响更为明显这一结论,故图15(b)选定在U_pp为较低的20 kV条件下,展示了f分别为6、8和10 kHz的体积流量变化功率曲线。

在图15(a)中,不同电压峰-峰值下的功率曲线变化趋势基本一致,呈整体降低走势的“M”型变化规律。在初始空气体积流量较低阶段中放电功率均有增大,根据前文图10和图14分析结论可知,这是因为在初始空气体积流量较小时,电荷分布的不均匀性得到改善进而提高了放电强度,使放电功率有一定增大;但随着体积流量继续增大,“吹除”作用逐渐增强,激励器功率也随之降低,当Q_air增大到10 L/min时,不同电压对应功率曲线均有明显降低,其中U_pp=24 kV时降幅最低。随着体积流量

图14 不同空气体积流量下的Lissajous图形 Fig.14 Lissajous figures under different gas flows

继续增大,放电功率由降低转为增长,这可能是因为体积流量的提高使得电荷不均匀特性得到了进一步改善,但由于改善范围有限,并且“吹除”作用持续增强,因此功率仅在较小体积流量范围获得小幅增长之后又转入降低变化,同时功率曲线呈整体性降低趋势。此外,U_pp=20 kV的功率曲线“M”型波动最为明显,24 kV波动幅值最小,该现象验证了前文2.3节得出的气流对较高激励电压放电过程扰动能力减弱这一结论。

根据图15(b)可知,受气流改善电荷分布和“吹除”双重作用,不同频率的功率曲线同样呈初始增大、整体降低的变化。进一步观察发现,f为6 和8 kHz的曲线形态基本一致,与10 kHz的有明显差异,这说明体积流量一定时,体积流量对放电功率的作用效果主要与频率相关,影响程度主要与电压相关。

3 甲烷放电特性分析

在空气/甲烷燃烧反应机理中,O、H及CH等

图15 气体体积流量对放电功率的影响 Fig.15 Influence of gas flow on discharge power

活性粒子的生成过程是决定点火延迟时间的主要因素^{[ 24]},在甲烷产生低温等离子体时,CH通过电子和CH₂⁺的复合反应生成^{[ 1]},反应式为：e + CH₂⁺→H+ CH。为分析电压和频率对CH基辐射强度的影响,在甲烷体积流量Q_CH4=0 L/min时,分别改变电压峰-峰值(U_pp：16~25 kV,f=8 kHz)和激励频率(f：5~10 kHz,U_pp=21 kV),采用CH*滤镜对放电区域拍摄,曝光时长2 s,获取的部分工况下图像如图16所示。

图16中的CH*放电光强基于0~255灰度值使用云图表示,可以看出,不同电源参数下CH在环缝中均靠近高压电极一侧浓度较大,沿径向向地电极移动浓度逐渐降低。根据图16(a)可知,提高激励电压可明显增大放电产物CH*的浓度,并且为线性增长关系。在图16(b)中,提高激励频率同样会增大CH*辐射强度,这主要是因为单位时间放电次数累加所致。为分析电源参数对甲烷放电功率的影响,图17、图18分别为改变频率、电压峰-峰值时的放电功率变化曲线。

图17中,对3种电压峰-峰值对应的功率曲线线性拟合发现,其线性确定系数R_square均大于0.99,可知电压一定时,以甲烷作为介质时激励器放电功率随频率提高近似线性增大,且其线性度要优于空气放电。在图18中,甲烷在频率一定时提高激励电压放电功率同样高度线性增长,这与空气变化趋势相同,且线性度优于空气。此外,尽管气态甲烷与

图16 CH*辐射图像 Fig.16 CH* emission photographs

图17 频率对甲烷放电功率的影响 Fig.17 Influence of frequency on discharge power of CH₄

图18 电压对甲烷放电功率的影响 Fig.18 Influence of voltage on discharge power of CH₄

空气介电常数非常接近,但两者的功率曲线斜率差异较大,这可能是因为其电离度和电荷转移量主要是由两者不同的放电基元反应决定,与介电常数无关,因此随电压变化时功率的斜率不同。

4 结论

1）同轴圆柱DBD激励器施加高频交流激励条件下,改变激励频率会明显影响击穿电压,随频率提高击穿电压呈“V”型变化,期间存在最优频率使击穿电压最低;相比频率,空气体积流量对击穿电压的影响并不明显。

2）气流对放电过程主要存在两种作用：一是提高电荷分布均匀度,减弱斑图特性,有利于提高放电强度;二是“吹除”作用,会降低空气电离度导致放电强度减弱。两种作用效果均随着空气流量增大而增强,但前者对功率提高范围有限,后者随着流量增大减弱效果持续增强,二者综合作用使得功率随流量增大呈整体降低趋势的“M”型走势。

3）提高激励电压,会明显增强单次放电强度;而提高频率,单次放电强度会小幅降低。当体积流量为0时,放电功率随频率、电压提高均为线性增大,其中调节电压时功率变化速率要明显快于频率;体积流量不为0时受来流影响,随电压、频率变化的功率曲线线性度均降低,此外随频率变化的功率曲线也不再单调递增,部分频率发生功率下降。

4）甲烷放电体积流量为0条件下,与空气相同,其放电功率随频率、电压提高均线性增大;由于甲烷与空气放电基元反应的不同,使得两者随电压变化的功率斜率也不相同。甲烷放电时伴随有CH粒子产生,并且CH*辐射强度随着电压提高呈线性增大。

车学科(通信作者) 1980—,男,博士,副教授 主要从事等离子体流动控制和辅助燃烧方面的研究的工作 E-mail: chedk123@163.com

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