雷健平何立明陳一陳高成趙兵兵?趙志宇張華磊鄧俊費(fèi)力

1)(中國人民解放軍空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院,西安710038)

2)(中國人民解放軍空軍航空大學(xué)航空作戰(zhàn)勤務(wù)學(xué)院,長春 130022)

(2020年5月6日收到;2020年6月27日收到修改稿)

1 引 言

滑動弧放電是指兩電極在高壓電場激勵(lì)下產(chǎn)生電弧通道,電弧被氣流驅(qū)動著沿氣流方向向下游滑動的一種放電形式,圖1是滑動弧放電原理示意圖.滑動弧放電等離子體的電子溫度較低但電子數(shù)密度較高,具有典型的低溫等離子體特征,相比于電弧放電等其他放電產(chǎn)生等離子體的方式,滑動弧放電具有電極結(jié)構(gòu)簡單、持續(xù)放電無電極燒蝕、無須水冷等優(yōu)點(diǎn)[1,2].此外,滑動弧放電過程中產(chǎn)生的高能電子、活性基團(tuán)具有高度的化學(xué)活性[3],這些活性粒子可以提高化學(xué)反應(yīng)速率、加快化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程.因此,滑動弧放電等離子體在燃料重整[4?8]、污染物降解[9?11]、污水處理[12,13]、等離子體點(diǎn)火助燃[14?17]等方面具有廣泛的應(yīng)用前景.

滑動弧放電是一種動態(tài)的電弧放電,與其他放電方式相比,滑動弧放電最大的特點(diǎn)在于其放電過程中需要?dú)饬黩?qū)動,而電弧與氣流的相互作用會顯著影響滑動弧放電特性.當(dāng)前,關(guān)于滑動弧放電特性的研究主要以二維刀型電極結(jié)構(gòu)為主,如圖1(a)所示.二維刀型電極滑動弧放電的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在電弧運(yùn)動過程中電場、氣流與滑動弧的運(yùn)動特征相互影響.電弧滑動速度隨來流速度的增大而增大,電場脈沖重復(fù)頻率增大使得滑動弧滑動傳播距離增大,電弧放電通道更集中,實(shí)驗(yàn)還觀測到滑動弧放電過程中存在的短路擊穿現(xiàn)象[18?20].此外,研究人員還開展了二維刀型電極滑動弧的二維(2D)和三維(3D)數(shù)值模擬研究,討論了滑動弧放電中的擊穿發(fā)生機(jī)制,并研究了電弧在高電流和低電流條件下運(yùn)動過程的傳熱機(jī)制的差異[21,22].上述研究工作為滑動弧放電等離子體的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù).

圖1滑動弧放電示意圖(a)二維刀型電極滑動弧放電示意圖;(b)三維旋轉(zhuǎn)滑動弧放電示意圖Fig.1.Schematic diagram of gliding arc discharge:(a)Schematic diagram of two-dimensional knife-type electrode gliding arc discharge;(b)schematic diagram of three-dimensional rotating gliding arc discharge.

不足的是,二維刀型電極反應(yīng)器中滑動弧與介質(zhì)氣體的接觸面積較小、反應(yīng)氣體在反應(yīng)器中停留的時(shí)間較短,導(dǎo)致反應(yīng)氣體轉(zhuǎn)化率較低,限制了二維刀型滑動弧放電等離子體的工業(yè)應(yīng)用.與之相比,圖1(b)中的旋轉(zhuǎn)滑動弧放電優(yōu)勢明顯,旋轉(zhuǎn)氣流增加了氣體在旋轉(zhuǎn)滑動弧激勵(lì)器中的駐留時(shí)間,同時(shí)周向分布的旋轉(zhuǎn)滑動弧產(chǎn)生的等離子體活性粒子分布均勻,可以讓所有介質(zhì)氣體完全與等離子體相互作用.然而,旋轉(zhuǎn)滑動弧放電中旋流帶來的復(fù)雜湍流流動對滑動弧的放電特征產(chǎn)生顯著影響,與二維刀型滑動弧放電相比,旋轉(zhuǎn)滑動弧放電等離子體的放電特性及調(diào)控規(guī)律更復(fù)雜.當(dāng)前,研究人員針對旋轉(zhuǎn)滑動弧放電開展了部分研究工作,Ananthanarasimhan等[23]發(fā)現(xiàn)氣體流量、雷諾數(shù)影響旋轉(zhuǎn)滑動弧動力學(xué)特征,尤其是對電弧旋轉(zhuǎn)頻率以及放電電壓波形影響較大.Wu等[24]對滑動弧放電進(jìn)行了光譜測量,計(jì)算了旋轉(zhuǎn)滑動弧的電子密度、振動溫度,證實(shí)了旋轉(zhuǎn)滑動弧的非平衡等離子體特征,并發(fā)現(xiàn)隨著氣體流速增加,振動溫度先升高后降低.Zhang等[25]對大氣壓下旋轉(zhuǎn)滑動弧放電等離子體的動力學(xué)特性和電學(xué)特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)增大氣體流量,電弧的旋轉(zhuǎn)頻率加快、電弧長度增加.本研究團(tuán)隊(duì)針對旋轉(zhuǎn)滑動弧的放電特性開展了研究工作,發(fā)現(xiàn)氣體流量增大引起電弧滑動速度增大,滑動放電周期縮短,從電信號分析中發(fā)現(xiàn)了兩種不同的放電形式,并對這兩種放電形式的電信號差異進(jìn)行了分析[26].魯娜等[27]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)滑動弧放電正半周期與負(fù)半周期的伏安特性存在差異,且隨著氣流增大,旋轉(zhuǎn)滑動弧放電電流峰值顯著增大.上述研究工作驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)滑動弧放電等離子體的非平衡特性,分析了氣體流量對旋轉(zhuǎn)滑動弧旋轉(zhuǎn)頻率、電弧長度、運(yùn)動速度等特性的影響規(guī)律,但對滑動弧放電動力學(xué)過程、調(diào)控規(guī)律及其影響機(jī)制研究的不足,使得應(yīng)用旋轉(zhuǎn)滑動弧的反應(yīng)裝置轉(zhuǎn)化率較低,工作穩(wěn)定性、可靠性低[28].

本研究采用高速相機(jī)與示波器同步監(jiān)測滑動弧的放電過程,設(shè)計(jì)高速相機(jī)采集頻率高于電源頻率,用于精確采集滑動弧放電過程中電弧圖像的變化過程.研究了滑動弧放電過程中放電模式差異及放電特性;分析了旋轉(zhuǎn)滑動弧重復(fù)擊穿頻率、電弧擊穿電流以及旋轉(zhuǎn)滑動弧的光譜特性及其影響因素;此外,還對旋轉(zhuǎn)滑動弧放電等離子體的工作特性影響機(jī)制及其調(diào)控規(guī)律進(jìn)行了討論分析.本研究的目的是通過對旋轉(zhuǎn)滑動弧形成和維持過程中不同的滑動弧放電模式及其工作特性進(jìn)行研究,獲得滑動弧放電的調(diào)控機(jī)制及其變化規(guī)律,為旋轉(zhuǎn)滑動弧放電等離子體的調(diào)控提供理論依據(jù).

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2旋轉(zhuǎn)滑動弧放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2.Schematic diagram of rotating gliding arc discharge experiment system.

旋轉(zhuǎn)滑動弧放電等離子體實(shí)驗(yàn)裝置主要包括旋轉(zhuǎn)滑動弧放電激勵(lì)器、單高壓毫秒電源、供氣裝置、示波器、高速CCD相機(jī)等,圖2為旋轉(zhuǎn)滑動弧放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.本實(shí)驗(yàn)在大氣壓下進(jìn)行,采用空氣作為介質(zhì)氣體.采用高頻高壓交流單高壓毫秒電源作為旋轉(zhuǎn)滑動弧放電等離子體驅(qū)動電源,輸出頻率為10—20 kHz,電壓為8—15 kV的正弦高頻高壓交流電信號.電源輸出端連接滑動弧放電激勵(lì)器圓管壁面電極,中心錐形電極接地,電源接通后,產(chǎn)生低電流交流滑動弧放電,得到大氣壓下低溫非平衡等離子體.供氣系統(tǒng)主要由空氣鋼瓶和質(zhì)量流量控制器組成,本實(shí)驗(yàn)采用的質(zhì)量流量控制器為CS230A型數(shù)字質(zhì)量流量控制器,量程為300SLM,重復(fù)精度為±0.6 SLM.壓縮空氣減壓后經(jīng)過質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)空氣流量后經(jīng)管路進(jìn)入旋轉(zhuǎn)滑動弧放電激勵(lì)器.

如圖2所示,旋轉(zhuǎn)滑動弧放電激勵(lì)器主要由中心錐形電極、圓管壁面電極以及旋流器等組成.中心錐形電極接地,圓管壁面電極接單高壓毫秒電源輸出端,等離子體電源啟動后,電弧在兩電極距離最小處擊穿.氣流通過旋流器后在中心錐形電極與圓管壁面電極之間形成旋向氣流,驅(qū)動電弧在電極之間旋轉(zhuǎn)著向出口滑動,當(dāng)電弧運(yùn)動到最遠(yuǎn)端后被氣流吹斷,隨后在最小距離處再次擊穿,再次被氣流驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動,如此循環(huán)往復(fù),周而復(fù)始.

本實(shí)驗(yàn)采用高速CCD相機(jī)與示波器同步采集旋轉(zhuǎn)滑動弧放電過程中的電弧運(yùn)動圖像特征與電壓、電流信號,采用光譜儀采集旋轉(zhuǎn)滑動弧放電光譜信號.示波器與高速CCD相機(jī)通過外部觸發(fā)器同步觸發(fā),保證示波器與高速CCD相機(jī)數(shù)據(jù)采集時(shí)序同步.放電電壓信號通過高壓探針(Tektronix P6015A)測量,放電電流通過電流探針(Tektronix TCP0030)測量,高壓探針與電流探針連接示波器(Tektronix DPO4104B)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,電壓電流采樣頻率均為10 MHz. 本文采用高速相機(jī)(Phantom V2512)采集電弧運(yùn)動圖像,采集頻率為25000 Hz,每張圖像曝光時(shí)間為40μs.需要指出的是,本實(shí)驗(yàn)設(shè)置高速相機(jī)曝光時(shí)間低于電源輸出的正弦高壓信號的正弦周期(50μs),目的是使高速相機(jī)能夠詳細(xì)地拍攝到每個(gè)正弦電壓周期內(nèi)滑動弧放電電弧的圖像變化情況,便于準(zhǔn)確地分析滑動弧放電過程.此外,采用Avantes公司生產(chǎn)的AvaSpec-ULS2048-4-USB2四通道光纖光譜儀和三維數(shù)字坐標(biāo)架采集旋轉(zhuǎn)滑動弧放電光譜信號,該光譜儀的波長測量范圍為200—950 nm,狹縫寬度為10μm,光譜分辨率為0.1—0.16 nm,內(nèi)部有4個(gè)獨(dú)立的通道,分別采用不同類型的光柵,對不同波長范圍的發(fā)射光譜信號進(jìn)行測量.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滑動弧滑動放電模式的分析

為了揭示滑動弧放電過程中電弧的變化特征,本文設(shè)置高速相機(jī)以高于電源頻率的幀速(25000幀/s)拍攝滑動弧滑動放電的具體過程以及電弧的發(fā)展變化情況,示波器同步高速相機(jī)采集滑動弧的電信號,分析、研究滑動弧運(yùn)動過程電弧的形態(tài)變化與電信號變化之間的聯(lián)系.

如圖3所示為氣體流量(Q)為120 SLM,激勵(lì)電壓(U0)為100 V時(shí)的滑動弧放電的電信號及電弧運(yùn)動圖像,其中圖3(a)為滑動弧擊穿-延伸-熄滅一個(gè)完整的運(yùn)動周期(2 ms)的電壓電流曲線.觀察發(fā)現(xiàn),滑動弧放電電壓為頻率為20 kHz的高壓交流信號,且電壓峰峰值隨著電弧長度的延伸發(fā)展而增大,最大值約為10 kV;放電電流呈現(xiàn)出周期約為100μs的脈沖信號.圖3(b)右圖是高速相機(jī)同步拍攝的與圖3(a)對應(yīng)的滑動弧運(yùn)動圖像,可以看出滑動弧從陰、陽極的最小間距處(AB)擊穿之后,被氣流驅(qū)動著蜿蜒向下游旋轉(zhuǎn)滑動,直至運(yùn)動到激勵(lì)器出口與錐形電極尖端處(OC),電弧長度達(dá)到最大值,在氣流的吹熄作用下,最終熄滅,進(jìn)入下一個(gè)周期后再次在最小間距處擊穿,重復(fù)上一過程.觀察電弧運(yùn)動發(fā)展過程圖像(圖3(b)右側(cè))可以發(fā)現(xiàn),在電弧的運(yùn)動過程中伴隨有擊穿-熄滅-擊穿的過程.結(jié)合圖3(b)中左側(cè)佳能相機(jī)拍攝的放電圖像(曝光時(shí)間30 ms),發(fā)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)速度極快,電弧在激勵(lì)器內(nèi)分布均勻,電弧通道清晰可見.圖3(c)是截取圖3(a)中1.1—1.4 ms時(shí)間段(G區(qū)域)的電流電壓曲線及其對應(yīng)的電弧運(yùn)動圖像,可以看出,電壓曲線每隔兩個(gè)正弦周期(100μs)發(fā)生一次電壓驟降,同時(shí)相位初始化,即電壓從峰值處驟然急劇下降至零,相位回到0相位的現(xiàn)象,在電壓驟降的同時(shí)電流出現(xiàn)單個(gè)脈沖峰,結(jié)合高速相機(jī)同步采集到的此時(shí)刻電弧放電圖像可知,電弧在此刻發(fā)生了擊穿,該脈沖為放電擊穿時(shí)刻的電流脈沖,這表明電弧在運(yùn)動過程中出現(xiàn)了周期性的擊穿現(xiàn)象.具體表現(xiàn)為,滑動弧運(yùn)動過程中伴隨擊穿-熄滅-擊穿現(xiàn)象,如圖3(c)中在1.23 ms時(shí)電弧明亮,然而在1.25—1.1.32 ms時(shí)間段電弧在圖像中消失,電弧在此時(shí)刻被氣流吹熄了.而在間隔100μs之后的1.33 ms時(shí)刻,電弧又出現(xiàn)在圖像中,說明空氣在此刻被重新?lián)舸?形成了新的電弧通道.在1.1—1.4 ms之間的電弧圖像中滑動弧呈現(xiàn)出擊穿-熄滅-擊穿的周期性現(xiàn)象,經(jīng)計(jì)算電弧發(fā)生重復(fù)擊穿的周期約為100μs,這與對應(yīng)的電壓信號驟降周期、電流脈沖信號周期相同.該狀態(tài)下的滑動弧放電模式稱之為伴隨擊穿滑動放電模式(B-G模式).

圖3 B-G模式下的滑動弧放電的電信號及電弧運(yùn)動圖像(U0 =100 V,Q =120 SLM)(a)一個(gè)完整滑動周期的電信號曲線;(b)滑動弧放電圖像(左)及完整周期的滑動弧運(yùn)動過程圖像(右);(c)滑動弧運(yùn)動圖像和電信號同步特征Fig.3.Electric signal and arc image of rotating gliding arc discharge in B-G mode (U0 = 100 V,Q = 120 SLM):(a)The electrical signal curve of a gliding period;(b)gliding arc discharge image(left)and a cycle of gliding arc motion process image(right);(c)synchronization of gliding arc moving image and electric signal.

在改變氣流條件后,旋轉(zhuǎn)滑動弧放電呈現(xiàn)了與上述滑動弧放電特征完全不同的另一種滑動放電模式.如圖4所示為將氣體流量降低為40 SLM,激勵(lì)電壓仍為100 V時(shí)滑動弧的電信號及電弧運(yùn)動圖像,其中圖4(a)是一個(gè)完整的滑動弧運(yùn)動周期(2 ms)的電壓電流變化曲線.電壓曲線呈現(xiàn)出周期性的正弦信號,頻率約為20 kHz,電壓峰峰值基本保持固定不變;電流曲線整體平穩(wěn),存在微弱的鋸齒狀波動,電流變化幅值為0—0.5 A左右,與圖3所示不同的是,電流信號未出現(xiàn)脈沖信號.圖4(b)右圖為與圖4(a)同步拍攝的一個(gè)完整的滑動弧運(yùn)動周期的電弧運(yùn)動圖像.觀察發(fā)現(xiàn),滑動弧的運(yùn)動過程與圖3(b)存在顯著差異,該工況下的滑動弧在最小距離處初次擊穿后,電弧在激勵(lì)器出口某一位置附近穩(wěn)定滑動,其中電弧一端弧根始終位于錐形陰極的尖端(O點(diǎn)),電弧另一端的弧根則在陽極壁面出口位置滑動(D→E點(diǎn)),電弧亮度較微弱,且不再發(fā)生熄滅現(xiàn)象,即沒有熄滅-重新?lián)舸┑倪^程. 結(jié)合圖4(b)左側(cè)相機(jī)拍攝(曝光時(shí)間30 ms)的放電圖像發(fā)現(xiàn),在該工況下滑動弧放電等離子體呈彌散狀,未見清晰的電弧通道.值得關(guān)注的是,該工況的滑動弧運(yùn)動速度較慢,滑動弧放電電弧僅僅在激勵(lì)器出口截面處運(yùn)動,形成的等離子體區(qū)域僅僅集中在激勵(lì)器出口附近,等離子體影響區(qū)域較小.圖4(c)是圖4(a)中1.1—1.4 ms之間的電壓電流局部信號曲線和對應(yīng)的電弧運(yùn)動圖像.分析可知,電壓曲線為周期為50μs的正弦信號,電流曲線為鋸齒狀的穩(wěn)定信號.通過對應(yīng)的電弧運(yùn)動圖像可以發(fā)現(xiàn),在滑動弧滑動放電過程中電弧圖像在整個(gè)周期中都未出現(xiàn)明顯的擊穿-熄滅的過程,且電弧亮度較暗,電弧一直在激勵(lì)器出口位置旋轉(zhuǎn)滑動.這種狀態(tài)下的滑動弧放電模式稱之為穩(wěn)定滑動放電模式(A-G模式).

圖4 A-G模式下的滑動弧放電的電信號及電弧運(yùn)動圖像(U0=100 V,Q =40 SLM)(a)完整滑動周期的電信號曲線;(b)滑動弧放電圖像(左)及完整周期的滑動弧運(yùn)動過程圖像(右);(c)滑動弧運(yùn)動圖像和電信號同步特征Fig.4.Electric signal and arc image of rotating gliding arc discharge in A-G mode (U0=100 V,Q =40 SLM):(a)The electrical signal curve of a gliding period;(b)gliding arc discharge image(left)and a cycle of gliding arc motion process image(right);(c)synchronization of gliding arc moving image and electric signal.

綜上所述,本文通過高速相機(jī)拍攝的電弧運(yùn)動圖像證實(shí)了滑動弧放電過程中存在兩種不同的滑動放電模式,即B-G模式和A-G模式,兩種不同的滑動放電模式的運(yùn)動特征存在顯著差異.B-G模式下滑動弧主要特征為:滑動弧從電極最小間距處擊穿后旋轉(zhuǎn)滑動至電極距離最大處熄滅的過程中伴隨有周期性的擊穿-熄滅-擊穿現(xiàn)象,且電弧擊穿瞬間發(fā)出強(qiáng)烈弧光,出現(xiàn)周期性的大電流脈沖,滑動弧放電等離子體覆蓋陰陽極之間的三維空間區(qū)域;A-G模式下滑動弧主要特征為:滑動弧從最小間距處擊穿后運(yùn)動至激勵(lì)器出口位置,此后在出口位置保持穩(wěn)定滑動,電弧亮度較暗,且滑動弧為微電流鋸齒波,不再出現(xiàn)擊穿-熄滅現(xiàn)象,滑動弧放電等離子體僅位于激勵(lì)器出口截面區(qū)域.

上述結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)滑動弧呈現(xiàn)明顯的特征差異的原因是氣流流量的改變.這表明,電弧周邊的流場變化造成電弧的傳熱傳質(zhì)發(fā)生變化,進(jìn)而影響了電弧行為特性.滑動弧運(yùn)動過程中,陽極電壓達(dá)到峰值時(shí),兩電極間電勢差大,具備擊穿條件,發(fā)生擊穿并形成電弧通道釋放能量,這時(shí)電弧核心區(qū)及周圍氣體電離度大,溫度較高.在較大的氣流(120 SLM)作用下,電弧的傳熱傳質(zhì)速率快,電弧通道形成的電子和離子在高速氣流作用下很快被吹至下游位置,那么原來形成電弧通道的位置不再具備電弧通道持續(xù)存在的條件,電弧被吹熄.在下游位置,氣流帶來的電子、離子形成了更有利于電弧通道形成的區(qū)域,那么當(dāng)陽極電壓達(dá)到下一個(gè)交流周期的峰值時(shí),再次發(fā)生擊穿,形成電弧通道,形成了滑動弧運(yùn)動過程中伴隨有擊穿-熄滅-再擊穿現(xiàn)象,即B-G模式.由于每次擊穿都發(fā)生在電壓峰值處,因此,擊穿周期往往是交流電壓周期的整數(shù)倍.與之相對應(yīng)的,在氣流流量較小(40 SLM)時(shí),滑動弧在最小距離處擊穿,電弧通道形成后,低速氣流對電弧通道周圍電離的電子、離子擴(kuò)散作用有限,電源提供的能量大于電弧通道散失的能量,能夠維持電弧的持續(xù)存在,因此電弧一直隨著氣流驅(qū)動的高電離度區(qū)域移動,而不被吹熄滅.電弧緩慢旋轉(zhuǎn)移動到出口位置,電弧長度發(fā)展到最大,仍然沒有被吹熄滅,保持一直在出口處滑動的狀態(tài),形成了這種電弧旋轉(zhuǎn)運(yùn)動過程中電弧保持穩(wěn)定存在不發(fā)生重復(fù)擊穿的現(xiàn)象,即A-G模式.

滑動弧放電被用作氣體處理、燃料重整、輔助燃燒時(shí),滑動弧放電等離子體與介質(zhì)氣體的相互作用范圍和時(shí)間是影響設(shè)備轉(zhuǎn)化效率的主要因素.因此,滑動弧放電電弧的行為特性也必將對滑動弧放電等離子體激勵(lì)器的使用性能產(chǎn)生影響.從滑動弧放電的宏觀角度對比圖3(b)與圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),相同時(shí)間段內(nèi),滑動弧的運(yùn)動范圍差距較大.圖3(b)中,B-G模式下,滑動弧旋轉(zhuǎn)速度快,且軸向覆蓋了從最小距離處到激勵(lì)器出口,等離子體與介質(zhì)氣體相互作用區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)激勵(lì)器3 D區(qū)域.而圖4(b)中,A-G模式下,滑動弧旋轉(zhuǎn)速度極慢,電弧在相同的時(shí)間段內(nèi)運(yùn)動范圍較小,且電弧僅僅在出口端面上旋轉(zhuǎn)滑動,放電等離子體僅僅在出口端面處與介質(zhì)氣體相互作用,這對于滑動弧放電等離子體的應(yīng)用存在不利影響.因此,從宏觀角度分析,B-G模式下的滑動弧放電等離子體覆蓋空間大.至于B-G模式與A-G模式電弧特性的微觀差異對滑動弧工業(yè)應(yīng)用的影響,還有待進(jìn)一步的研究.

3.2 工作參數(shù)對滑動弧放電模式、放電特性的影響分析

如前文所述,滑動弧放電模式的差異會影響滑動弧放電等離子體的產(chǎn)生,除此之外,滑動弧運(yùn)動過程中電弧的擊穿頻率、擊穿電流的大小,同樣也影響著放電等離子體的產(chǎn)生與作用時(shí)間.因此,為了進(jìn)一步研究滑動弧放電的工作參數(shù)(氣體流量、激勵(lì)電壓)對滑動弧放電模式、放電特性的影響,本文設(shè)計(jì)如表1所列的工況條件開展實(shí)驗(yàn),研究氣體流量、激勵(lì)電壓對滑動弧放電模式、擊穿頻率以及擊穿電流的影響規(guī)律.需要說明的是,本文中的激勵(lì)電壓為等離子體電源激勵(lì)電壓,表征的是等離子體電源的能量輸出能力,而不是實(shí)際的放電電壓.

表1實(shí)驗(yàn)工況表Table 1.Experimental conditions table.

圖5為氣體流量120 SLM,激勵(lì)電壓為100 V時(shí)的滑動弧放電電信號曲線及電弧運(yùn)動圖像.對比圖3中相應(yīng)的圖像可以看出,在該工況下滑動弧同樣以B-G模式滑動放電,在旋轉(zhuǎn)滑動的同時(shí)伴隨擊穿,不同之處在于,該工況下滑動弧每隔一個(gè)正弦周期(50μs)擊穿一次,擊穿周期約為圖3中擊穿周期(100μs)的一半.這表明,增大電源激勵(lì)電壓后,滑動弧的重復(fù)擊穿頻率明顯提高了.在實(shí)驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)增大氣體流量和提高激勵(lì)電壓對滑動弧放電擊穿頻率及電弧滑動模式存在較大影響.因此,本文針對不同工況下旋轉(zhuǎn)滑動弧的滑動模式、擊穿頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到旋轉(zhuǎn)滑動弧放電特性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖6所示.

圖5滑動弧電弧運(yùn)動圖像和電信號變化的同步特征Fig.5.Synchronization characteristics of gliding arc electric image and electric signal changes.

通過圖6中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,氣體流量對滑動弧的放電模式與擊穿頻率影響顯著.整體而言,當(dāng)氣體流量小于60 SLM時(shí),滑動弧放電模式以A-G模式為主,滑動弧的重復(fù)擊穿頻率較低,且氣體流量越小重復(fù)擊穿頻率越低,最低為0.47 kHz.而當(dāng)氣體流量大于60 SLM后,滑動弧放電模式全部為B-G模式,滑動弧重復(fù)擊穿頻率較高且隨著氣體流量增大而增大,在氣體流量為120 SLM時(shí),重復(fù)擊穿頻率最大為21.7 kHz.這是因?yàn)樵跉怏w流量偏小時(shí),滑動弧放電以A-G模式為主,電弧滑動弧穩(wěn)定不易發(fā)生熄滅,因此重復(fù)擊穿頻率較低,而氣體流量增大后,電弧以B-G模式滑動為主,氣流流速較高使得電弧在運(yùn)動過程中被頻繁吹熄,因此重復(fù)擊穿頻率較高.

圖6旋轉(zhuǎn)滑動弧放電模式及擊穿頻率統(tǒng)計(jì)圖Fig.6.Statistical diagram of rotational gliding arc discharge mode and breakdown frequency.

對比激勵(lì)電壓對滑動弧放電模式的影響規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),在較大的激勵(lì)電壓下,滑動弧放電模式更傾向于A-G模式.典型的工況如當(dāng)氣體流量為60 SLM時(shí),在激勵(lì)電壓為100 V時(shí),滑動弧以BG模式為主導(dǎo),而當(dāng)激勵(lì)電壓增大至150 V時(shí),滑動弧放電則以A-G模式為主導(dǎo).激勵(lì)電壓對滑動弧重復(fù)擊穿頻率的影響也同樣顯著,在氣體流量小于60 SLM時(shí),提高激勵(lì)電壓降低了滑動弧的重復(fù)擊穿頻率,而當(dāng)氣體流量大于60 SLM時(shí),提高激勵(lì)電壓后重復(fù)擊穿頻率也相應(yīng)提高了.這是因?yàn)?在較低的氣流條件下,滑動弧激勵(lì)電壓的提高,增大了電源對電弧的能量供應(yīng),維持了電弧的穩(wěn)定滑動,使得滑動弧以A-G模式為主,擊穿頻率較低.而在較高的氣體流量下,滑動弧主要以B-G模式滑動,激勵(lì)電壓的提高不足以改變滑動弧的運(yùn)動特征,但激勵(lì)電壓的提高使得電弧能量供應(yīng)充足,能夠支持電弧在每個(gè)正弦交流電壓峰值處發(fā)生擊穿,因此擊穿頻率更高.

總而言之,氣體流量和激勵(lì)電壓在一定程度上決定了滑動弧的行為特性,激勵(lì)電壓處于滑動弧能量的輸入端,而氣體流量的大小決定了電弧能量的耗散速度,處于滑動弧能量的輸出端,當(dāng)氣體流量增大時(shí),滑動弧由穩(wěn)定滑動的A-G模式向伴隨擊穿滑動的B-G模式發(fā)展,滑動弧重復(fù)擊穿頻率也隨之增大,當(dāng)激勵(lì)電壓增大時(shí),電源能量增大,在小氣流條件下滑動弧更傾向于向穩(wěn)定滑動的AG模式發(fā)展,而在大氣流條件下,未能改變電弧滑動模式,卻提高了電弧的重復(fù)擊穿頻率.在激勵(lì)電壓和氣體流量發(fā)生變化時(shí),滑動弧的行為特性隨之改變,以實(shí)現(xiàn)能量輸入和電弧運(yùn)動的動態(tài)平衡.因此,可根據(jù)不同的工作要求,動態(tài)調(diào)整滑動弧的工作參數(shù),改變滑動弧行為特點(diǎn),獲得高效的等離子體源.

滑動弧放電過程中擊穿現(xiàn)象是B-G模式下滑動弧放電的顯著特征,擊穿電流的大小往往與擊穿瞬間能量的釋放密切相關(guān),因此本文采用電信號分析與圖像處理技術(shù)針對滑動弧放電B-G模式下的數(shù)個(gè)完整滑動周期電信號及CCD圖像進(jìn)行處理,獲得擊穿電流峰值大小和電弧投影長度,并對滑動弧放電過程中不同氣體流量、不同激勵(lì)電壓下的滑動弧電弧投影長度及其對應(yīng)的擊穿電流大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

圖7為滑動弧在B-G模式下的三個(gè)典型工況的擊穿電流對應(yīng)電弧投影長度的散點(diǎn)圖及其擬合曲線.圖中對比了在不同氣體流量、不用激勵(lì)電壓下,擊穿電流隨電弧投影長度的變化規(guī)律.觀察發(fā)現(xiàn),在不同工況下,滑動弧放電的擊穿電流均隨著電弧長度的發(fā)展而增大.根據(jù)湯生放電理論,擊穿電流與電弧長度存在正相關(guān)關(guān)系.本文中,氣流的驅(qū)動作用使電弧向下游滑動,電極間距增大,電弧長度增大, 從而擊穿電流增大. 對比圖7(a)與圖7(b),發(fā)現(xiàn)在相同的激勵(lì)電壓(U0=100 V)下,將氣體流量由90 SLM增大至120 SLM后,電弧的投影長度明顯增大. 這是因?yàn)? 氣體流量增大至120 SLM后,氣流的流速大,高速氣流對電弧的驅(qū)動作用明顯增強(qiáng),電弧被有效拉長,造成電弧長度增大.此外,由于高速氣流加速了電弧的傳熱傳質(zhì),在相同的電弧長度下,電弧擊穿所需消耗的能量更大,這也導(dǎo)致了在相同的電弧長度下,氣體流量更大的工況中,擊穿電流也較大,從圖7(a)與圖7(b)中擊穿電流的擬合線對比可以看出,氣體流量為120 SLM時(shí),擊穿電流也較大,即滑動弧的擊穿電流隨電弧投影長度的增長更快.

圖7不同工作參數(shù)下滑動弧擊穿電流隨電弧長度變化的統(tǒng)計(jì)圖Fig.7.Statistical diagram of the variation of gliding dynamic arc breakdown current with arc length under different working parameters.

對比圖7(b)與圖7(c)可以看出,在保持氣體流量不變(Q=120 SLM)的條件下,激勵(lì)電壓由100 V提高至150 V后,滑動弧放電電弧的擊穿電流隨電弧長度的增速變緩,表明激勵(lì)電壓增大后擊穿電流反而變小了,其原因是激勵(lì)電壓為100 V時(shí),電弧擊穿為間隔擊穿,擊穿頻率低,兩電極間積累的能量較大,造成單次擊穿能量密度大,從而擊穿電流增大,而激勵(lì)電壓為150 V時(shí)電弧擊穿頻率較高,能量釋放頻率較高,單次擊穿能量密度小,擊穿電流相對較小.綜上,滑動弧在B-G模式下電弧擊穿電流隨著電弧長度的增大而增大,而氣流流量、激勵(lì)電壓的變化均對擊穿電流大小產(chǎn)生一定程度的影響,其中,隨著激勵(lì)電壓的增大,擊穿電流有一定程度的增大,但不明顯,而氣體流量的增大對擊穿電流的影響較顯著,隨著氣體流量的增大,滑動弧電弧擊穿電流明顯增大.

3.3 工作參數(shù)對旋轉(zhuǎn)滑動弧光譜特性的影響

在等離子體點(diǎn)火助燃、污染物降解、污水處理等應(yīng)用中,等離子體的化學(xué)效應(yīng)發(fā)揮了重要作用,空氣放電產(chǎn)生的重要化學(xué)活性粒子被認(rèn)為是放電等離子體的重要中間產(chǎn)物.為了研究滑動弧放電產(chǎn)生的等離子體活性粒子種類及相對強(qiáng)度,本文開展了光譜特性實(shí)驗(yàn).通過光譜儀光纖探針在滑動弧激勵(lì)器出口截面采集旋轉(zhuǎn)滑動弧放電等離子體發(fā)射光譜信號,獲得各波段光譜的相對發(fā)射強(qiáng)度,并針對活性粒子的光譜相對發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行分析.

圖8(a)所示為光譜測量點(diǎn)分布圖,光纖探針在激勵(lì)器出口周向均布分布的8個(gè)測量點(diǎn)采集滑動弧放電的光譜信號,實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理時(shí)取8個(gè)采集點(diǎn)光譜發(fā)射強(qiáng)度均值.圖8(b)為當(dāng)激勵(lì)電壓為100 V時(shí),氣體流量為120 SLM的放電圖像.圖9為激勵(lì)電壓為100 V時(shí)空氣流量為90 SLM時(shí)的1#—8#共8個(gè)點(diǎn)0—1000 nm波長范圍內(nèi)的發(fā)射光譜曲線.觀察光譜曲線,在波長為309 nm處出現(xiàn)了OH( A2Σ+→X2Π)分子譜峰值,在光譜波長為777.4與822.2 nm處出現(xiàn)了O原子譜線.

圖8光譜采集位置分布示意圖及滑動弧放電圖像Fig.8.Schematic diagram of the spectrum acquisition position distribution and gliding arc discharge image.

圖9 8個(gè)光譜信號采集點(diǎn)的光譜曲線Fig.9.8-point spectral curve.

在等離子體應(yīng)用中,OH基、O原子發(fā)揮著重要的化學(xué)催化作用,因此,本文對OH(309 nm),O(777.4 nm),O(822.2 nm)3個(gè)特征波長的光譜相對發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究工作參數(shù)以及滑動放電模式對旋轉(zhuǎn)滑動弧放電等離子體中OH和O的相對發(fā)射光譜強(qiáng)度的影響,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示.圖10(a)為OH(309 nm)在不同激勵(lì)電壓、不同氣體流量下的光譜發(fā)射強(qiáng)度.觀察發(fā)現(xiàn)OH(309 nm)的光譜相對強(qiáng)度較小,約為5000—7000 arb.units.且在不同氣流下變化較小,幾乎不受氣流變化的影響.但激勵(lì)電壓增大明顯增強(qiáng)了OH(309 nm)的相對發(fā)射強(qiáng)度,如當(dāng)激勵(lì)電壓為100 V時(shí),OH(309 nm)的相對發(fā)射強(qiáng)度約為5000 arb.units,而激勵(lì)電壓增大至150 V時(shí),相對發(fā)射強(qiáng)度增大至約7000 arb.units.圖10(b)和圖10(c)分別為O原子在777.4 和822.2 nm處的光譜相對發(fā)射強(qiáng)度.對比觀察發(fā)現(xiàn),氧原子位于777.4 nm波長處的光譜發(fā)射強(qiáng)度較大最高達(dá)20000 arb.units,而822.2 nm波長處的O原子發(fā)射光譜強(qiáng)度較低,小于10000 arb.units.而氣體流量、激勵(lì)電壓對這兩個(gè)波長的發(fā)射光譜強(qiáng)度的影響基本一致,一方面,氣流量的增大,使得發(fā)射光譜發(fā)射強(qiáng)度明顯增大, 氣流由40 SLM增大至120 SLM后, 777.4 nm處的光譜發(fā)射強(qiáng)度增大了約7倍. 值得注意的是,當(dāng)氣體流量為40 SLM時(shí),O(822.2 nm)處未出現(xiàn)特征峰,這表明,氣體流量特別小時(shí),未能電離產(chǎn)生O(822.2 nm).另一方面,激勵(lì)電壓的增大使得氧原子在777.4與822.2 nm處的光譜發(fā)射強(qiáng)度降低了,如激勵(lì)電壓為150 V時(shí)相比激勵(lì)電壓為100 V時(shí)的光譜發(fā)射強(qiáng)度降低了約2000—3000 arb.units.

綜上,氣體流量對活性粒子O(777.4 nm)和O(822.2 nm)的光譜發(fā)射強(qiáng)度影響顯著,隨著氣體流量的增大,O(777.4 nm)和O(822.2 nm)的發(fā)射光譜強(qiáng)度均顯著增大;而激勵(lì)電壓對上述3種活性粒子的發(fā)射光譜強(qiáng)度的影響存在差異,對于OH(309 nm),增大激勵(lì)電壓增強(qiáng)了OH的光譜發(fā)射強(qiáng)度,而對于O(777.4 nm)和O(822.2 nm)效果卻相反,增大激勵(lì)電壓后O原子光譜發(fā)射強(qiáng)度的降低.

根據(jù)前文研究可知,隨著氣體流量增大,滑動弧放電更傾向于以B-G模式滑動放電,B-G模式下滑動弧電弧的運(yùn)動速度快且伴隨重復(fù)擊穿,拍攝的CCD圖像顯示電弧的亮度較強(qiáng).OH(309 nm),O(777.4 nm)和O(822.2 nm)等活性粒子主要是空氣在電離狀態(tài)下的產(chǎn)物,電弧擊穿瞬間的瞬時(shí)電流大,從而電離作用強(qiáng),對空氣的電離更劇烈,且隨著氣體流量的增大,重復(fù)擊穿頻率提高,空氣在高頻次、高強(qiáng)度的電離下產(chǎn)生的活性粒子更多,其特征光譜的相對發(fā)射強(qiáng)度更大,因此隨著氣體流量的增大,活性粒子的光譜相對發(fā)射強(qiáng)度隨之增大,本文中OH基主要由空氣中的水分子電解而來,空氣中水蒸氣的含量較少限制了OH基的大量產(chǎn)生,因此氣體流量對OH基的發(fā)射光譜強(qiáng)度影響有限.同理,當(dāng)激勵(lì)電壓較大時(shí),滑動弧更傾向于以A-G模式滑動放電,該模式下,電弧運(yùn)動主要集中在出口位置未形成廣泛的空間分布,且重復(fù)擊穿頻率較低,拍攝的CCD圖像顯示電弧的亮度較暗,因此產(chǎn)生的活性粒子量較少,其光譜的相對發(fā)射強(qiáng)度較弱.

圖10不同氣體流量、激勵(lì)電壓下的OH和O的特征波長的光譜發(fā)射強(qiáng)度(a)OH(309 nm)光譜發(fā)射強(qiáng)度;(b)O(777.4 nm)光譜發(fā)射強(qiáng)度;(c)O(822.2 nm)光譜發(fā)射強(qiáng)度Fig.10.Spectral emission intensity of OH and O characteristic wavelengths under different gas flow rates and excitation voltages:(a)OH(309 nm)spectral emission intensity;(b)O(777.4 nm)spectral emission intensity;(c)O(822.2 nm)Spectral emission intensity.

4 討 論

如前文所述,滑動弧放電過程中,若工作參數(shù)(激勵(lì)電壓、氣體流量)發(fā)生改變,滑動弧的放電模式、擊穿頻率、擊穿電流等電弧的行為特性也將產(chǎn)生變化.分析發(fā)現(xiàn),在滑動弧放電過程中,放電模式、擊穿頻率、擊穿電流的大小往往是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的,其實(shí)質(zhì)是滑動弧在放電過程中為維持能量輸入和能量耗散之間平衡而產(chǎn)生的動態(tài)調(diào)節(jié)行為.

眾所周知,滑動弧在氣流中放電、運(yùn)動的過程中必然伴隨與空氣的能量交換及物質(zhì)傳遞,圖11為滑動弧放電工作機(jī)制示意圖,觀察發(fā)現(xiàn),放電電弧通道中存在大量的電子、離子及中性粒子,并且與環(huán)境介質(zhì)存在熱傳遞.本文中,電弧的能量輸入主要由等離子體電源的激勵(lì)電壓決定,而能量轉(zhuǎn)化的途徑主要是電弧的發(fā)光發(fā)熱及電解化學(xué)反應(yīng),電弧中的部分能量也通過對流傳熱被氣流帶走.前人研究發(fā)現(xiàn),電弧的擊穿與熄滅主要取決于電極之間的電場強(qiáng)度和陰、陽極之間的導(dǎo)電粒子密度及局部環(huán)境溫度[29].在本文中,激勵(lì)電壓的增大使得陰、陽極之間的電場強(qiáng)度增大,即滑動弧的能量輸入增大,這有利于維持滑動弧的自持穩(wěn)定放電[30];而氣體流量的增大導(dǎo)致氣流速度增大,加速了電極間導(dǎo)電粒子的漂移擴(kuò)散,降低了電極間電子、離子的密度,同時(shí)高速氣流加速了電弧與空氣的對流傳熱,降低了局部溫度,這加速滑動弧能量的耗散過程,增加了電弧的不穩(wěn)定性.因此,當(dāng)氣體流量Q較大或激勵(lì)電壓U0較低時(shí),電源提供的能量不足以支持電弧通道的保持,滑動弧不穩(wěn)定性增大,電弧在旋轉(zhuǎn)滑動過程中極易被氣流吹熄,因此電弧更趨向于以伴隨擊穿模式(B-G)滑動放電.而當(dāng)氣體流量較小或激勵(lì)電壓較高時(shí),滑動弧輸入能量大,能量消耗低,電弧穩(wěn)定能力增強(qiáng),傾向于以穩(wěn)定滑動模式(A-G)放電.同時(shí),前文研究發(fā)現(xiàn),B-G模式下,滑動弧的能量消耗主要集中在高頻擊穿瞬間,能量釋放表現(xiàn)為脈沖式的集中釋放,而滑動弧放電在A-G模式下時(shí),能量的耗散途徑主要是維持電弧持續(xù)存在而不熄滅,能量釋放平穩(wěn)且持續(xù).此外,受氣體流量和激勵(lì)電壓的影響,B-G模式擊穿頻率遠(yuǎn)大于A-G模式,重復(fù)擊穿頻率高可以使滑動放電過程產(chǎn)生多次強(qiáng)烈電離,從而產(chǎn)生更多的活性粒子.李曉東等[31]在滑動弧促進(jìn)甲烷干重整的研究中發(fā)現(xiàn),電弧的重復(fù)擊穿增加了等離子體的不穩(wěn)定性,有利于反應(yīng)進(jìn)行.

圖11滑動弧放電的工作機(jī)制示意圖Fig.11.Schematic diagram of control mechanism of gliding arc discharge characteristics.

5 結(jié) 論

為了探索旋轉(zhuǎn)滑動弧的放電模式及其特性,本文采用電信號和高速CCD相機(jī)同步采集旋轉(zhuǎn)滑動弧放電的電信號和圖像信息,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了滑動弧放電等離子體中存在的兩種不同放電模式,并研究了工作參數(shù)對滑動弧放電特性的影響,得到以下主要結(jié)論.

1)通過高速CCD相機(jī)同步采集電弧放電圖像,證實(shí)了滑動弧放電過程中存在兩種滑動放電模式,即伴隨擊穿模式(B-G模式)與穩(wěn)定滑動模式(A-G模式).其中,B-G模式是指電弧滑動過程中伴隨有擊穿-熄滅-擊穿現(xiàn)象的滑動弧放電,而AG模式是指電弧在旋轉(zhuǎn)滑動過程中未出現(xiàn)較高頻次的重復(fù)擊穿現(xiàn)象.

2)研究了工作參數(shù)(激勵(lì)電壓、氣體流量)對滑動弧放電特性的影響規(guī)律.發(fā)現(xiàn)隨著氣體流量的增大滑動弧以B-G模式為主導(dǎo)的具有高頻擊穿特征的動態(tài)放電形式為主,而隨著激勵(lì)電壓的增大,滑動弧以A-G模式為主導(dǎo)的具有高度穩(wěn)定的放電形式為主,電弧擊穿頻率極低.

3)滑動弧放電過程中,滑動弧放電模式、放電特性是氣體流量和激勵(lì)電壓工作作用的結(jié)果.增大氣體流量提高了B-G模式下滑動弧的擊穿頻率,同時(shí)電弧長度及擊穿電流相應(yīng)增大.而激勵(lì)電壓的提高限制了電弧的不穩(wěn)定發(fā)展,電弧長度和擊穿電流相對較小.

4)旋轉(zhuǎn)滑動弧在空氣中放電產(chǎn)生的等離子體中存在OH基、O原子等活性粒子的發(fā)射光譜線.研究發(fā)現(xiàn),氣體流量、激勵(lì)電壓對OH基、O原子的光譜發(fā)射強(qiáng)度存在影響,氣體流量增大,使得O原子譜帶光譜發(fā)射強(qiáng)度明顯增強(qiáng),而激勵(lì)電壓增大,提高了OH基譜線的光譜發(fā)射強(qiáng)度,卻降低了O原子譜帶光譜發(fā)射強(qiáng)度.

本文的研究結(jié)果和相關(guān)結(jié)論為調(diào)控滑動弧的工作特性提供了理論支撐,實(shí)際工作中可以根據(jù)滑動弧使用需要改變工作參數(shù)調(diào)節(jié)滑動弧的放電模式、擊穿頻率等工作特性,獲得不同特征的等離子體源.