大气压交流滑动弧的放电特性

  何立明;1959―,男,博士,教授,博导;研究方向为等离子体点火与助燃技术,发动机燃烧室涡轮冷却技术;E-mail:

  陈 一(通信作者);1989―,男,硕士生;研究方向为航空发动机燃烧室等离子体点火与助燃技术;E-mail:

  为研究不同射流体积流量和放电电压下滑动弧放电的电信号特征和电弧运动规律,对3种不同几何结构的电极进行了大气压交流滑动弧放电的电信号测量和图像拍摄。根据结果得出：滑动弧放电过程中存在两种滑动模式,即稳定电弧滑动（A-G）和击穿伴随滑动（B-G）;两者在电信号特征和电弧运动形态上存在明显不同,并受来流体积流量、放电电压、电极结构的影响;流场环境对电弧的形态及发展过程影响显著,随着射流体积流量的减小,滑动弧放电向A-G模式发展,体积流量越小,电弧滑动范围越大,周期也越大;对A型电极,当体积流量小于33.3 L/min后,A-G模式放电占比超过66%。

  20世纪90年代初,Lesueur和Czenichovski采用气流驱动并冷却电弧的滑动弧放电方法产生大气压非平衡等离子体[1]。滑动弧放电等离子体整体显示出显著的低温等离子体特性,具有较高的能量利用效率和良好的化学选择性;同时它也具有高温等离子体的一些特性,和其他典型的低温等离子体技术比较,滑动弧放电由于不需要抑制电流和电压,因而有更大的单位体积内的包含的能量和更强的解决能力[2]。因此它在环境治理、能源转化、材料表面改性和生物医学等方面有广泛的应用前景[3-6],已成为倍受各国研究者关注的非平衡等离子体新技术。杜长明等提出了用于有机废水净化处理的气液滑动弧放电,用于净化苯酚等有机物[7-8]。Fridman等提出了旋风滑动弧放电,用于制取合成气等[9]。

  而在另一方面,以非平衡等离子体改善燃烧特性的等离子体强化燃烧技术被国内外学者广泛关注。其实质是非平衡等离子体产生过程中释放大量的活性粒子、自由基等,进而影响燃烧系统的化学平衡,加速燃烧的化学动力学过程[10]。Starikovskii的研究表明,在燃烧前或燃烧过程中实施等离子体放电,只需要产生很少数量的活性粒子（约为气体粒子总数的10-5~10-3）,就能大大的提升燃烧效率[11]。Klimov等在超音速流热风洞中进行了等离子体助燃实验研究,实验根据结果得出,等离子体助燃时贫油和富油的丙烷-空气混合气的燃烧极限扩展了2~4倍,等离子体助燃时贫油的燃烧温度极限增加了20~30%,燃烧完全度可达90%~100%[12]。Pilla等在大气压下进行了贫油预混丙烷-空气混合气的纳秒脉冲放电等离子体助燃实验,实验根据结果得出,纳秒脉冲放电产生的非平衡等离子体可以明显提高燃烧效率,增强贫油状态下的火焰稳定性[13]。赵兵兵、何立明等开展了等离子体射流点火的实验研究,发现等离子体射流的点火延迟时间明显小于传统的电火花点火,同时提高了可燃混合气的稳定点火上限[14]。靳宝林指出等离子体流点火是当今世界上行之有效的一种先进的点火方式,是航空航天以及劣质难燃烧燃料领域极有前途的点火技术之一[15]。

  滑动弧放电作为一种产生非平衡等离子体的方法,其在刺激燃烧反应方面的独特优势显而易见。开展滑动弧等离子体在强化燃烧领域的应用不仅是因为其电极结构相对比较简单,更重要是在放电过程中能产生加速燃烧化学反应的大量的活性粒子、自由基等。倪明江等人对空气滑动弧放电等离子体的发射光谱进行了测量,发现在240~290 nm范围内存在氧原子的谱线 nm之间还存在OH(A2Σ+→X2∏)谱带[16]。一般认为等离子体化学反应产生的活性基团是提高燃烧效率的重要的因素之一,尤其是氧原子、OH基团的活性和密度对燃烧过程有较大影响[17]。目前滑动弧等离子体应用于强化燃烧的研究比较少,主要因为滑动弧放电是一种周期性振动非平衡等离子体[16],发生电路、电极结构和来流情况都会对放电特性产生较大影响;而另一方面,燃烧是一种伴随强烈发光放热的快速化学反应过程,在工程应用中其流场环境相当复杂。目前流场环境对滑动弧放电特性影响的研究不足,导致滑动弧等离子体在强化燃烧方面的研究进展缓慢。因此本文采用实验与理论分析相结合的方法,对滑动弧放电特性进行了研究,希望为将来设计滑动弧等离子体助燃激励器,以及开展滑动弧等离子体强化燃烧的应用奠定初步理论基础。本文采集了滑动弧放电过程中的电信号特征以及同步使用高速CCD对滑动电弧的形态特征和运动过程进行拍摄。分析了两种滑动弧放电模式和影响因素,着重讨论了不同射流体积流量对滑动模式的影响。

  大气压交流滑动弧放电特性试验装置包含放电电极、实验舱段、气源及射流喷嘴等,其示意图如图1所示。采用由南京苏曼等离子科技有限公司提供的CTP-2000S中频双高压差分电源（输出电压峰-峰值Upp为0~60 kV,最大输出功率点在10 kHz左右,变压器220 V）作为滑动弧等离子体激励电源;使用空气压缩机（额定压力为2.5 MPa,体积流量为0.6 m3/min）提供射流;滑动电弧放电过程中的电压和电流特性分别由高压探针（Tektronix P6015A）和电流探针（Tektronix TCP0030）做测量,经由示波器（Tektronix DPO4104B）进行采样;同时使用高速CCD（Vision Research Phantom V12.1）对电弧的形态特征和运动过程进行拍摄。采用外部触发同步给高速CCD和数字示波器信号。

  放电电极长度为150 mm,3种电极结构如图2所示,夹角为θ,最小放电间距为d。图2(a)为A型电极示意图,θ=30°,d=6 mm;图2(b)为B型电极,θ=30°,d=3 mm;图2(c)为C型电极,θ=60°,d=3 mm。在电极上游安装有空气射流喷嘴,其喉部最小直径为8 mm,试验时在来流的吹动下,两个电极接通交流双高压差分电源开始放电。当两电级间的电压达到击穿电压后,在最小间距处发生击穿,同时在来流的推动下电弧向下游移动,形成滑动弧放电等离子体。

  图3为B型电极在调压器输入电压U0=120 V、射流体积流量Qjet,air=50 L/min条件下放电的电压和电流波形。图中显示了0~60 ms的测量结果,观察发现在该工况下,放电过程中电弧滑动出现两种不同的形式,图中标识出的1、2、3位置的放电同属一种类型的宏观滑动周期,而4、5、6、7位置为另一种宏观滑动周期。要说明的是,这里提及的宏观滑动周期是为了与单个放电周期进行区别,宏观滑动周期由一段时间内许多相同放电类型的单个放电周期组成。

  为进一步分析两种不同的电弧滑动形式,将图3中位置1′、1″、4的数个放电周期的电压、电流、功率、电阻、功耗随时间的波形以及0~4 ms、5~11 ms、12~15 ms 3个阶段的电弧运动状态图作对比研究,如图4所示。

  图3中1′位置为滑动弧放电初期两极尖端击穿放电阶段。由电压电流波形能够准确的看出其特征为只出现单向击穿（或正向击穿或负向击穿）,此时对应的电压为击穿电压。图4(a)为负向击穿时数个放电周期的电信号波形,验证了其单向击穿的特性。图4(b)为0~4 ms电弧运动形态CCD照片。在电极间击穿形成电弧的同时,电弧在来流的吹动下向下游滑动,随着电弧根部在电极上的移动,放电间距逐渐增大,电弧弧长逐渐增加,此时击穿电压不断增大,电流有明显脉冲峰值[18]。图中箭头所指位置为击穿产生的脉冲峰值信号,并能看出其单个放电的周期约为100 μs。

  图3中1″位置为两极间击穿后形成稳定滑动弧放电阶段,电压电流波形不会出现正向或负向击穿。图4(c)为此时数个放电周期的电信号波形,图4(d)为5~11 ms电弧运动形态。两极间形成稳定放电电弧并在来流的吹动下向下游大范围滑动,随着放电间距逐渐增大,电弧弧长急剧增加,此时两极电压也迅速增加。当电弧弧长达到最大时电压亦达到最大。图4(c)中电压电流波形验证了上文中的分析,其电压波形类似于锯齿波,单个放电的周期也为100 μs。

  由图4(b)与图4(d)能够准确的看出0~11 ms是一个连续放电并向下游滑动的过程。在0~4 ms期间,两极之间击穿放电后产生的电弧在来流的吹动下运动,形成滑动弧。当电弧弧长发展到一定长度时,电源就不能提供电弧增长所需要消耗的功率和对流换热的能耗,此时电弧弧长达到最大,电压亦达到充分发展电弧的电压[19],如图3中的a点所示。本文中将该种类型的放电定义为稳定电弧滑动（steady arc gliding mode,A-G）。

  图3中4~7位置为另一种模式的滑动弧放电。从电压电流波形能够准确的看出其特征是由交流电源周期性变相产生的正负向交替击穿。图4(e)为此时数个放电周期的电信号波形,图4(f)为12~15 ms电弧运动形态。当电极间击穿形成电弧后,电弧在来流的吹动下也向尖端下游不远处滑动,随着放电间距逐渐增大,电弧弧长逐渐增加,击穿电压也明显增加。此时电流会有明显正负向峰值,图4(e)中的电压电流波形也验证了其正负向交替双向击穿的特性,图中箭头所指位置为击穿产生的脉冲峰值信号,其单个放电的周期约为50 μs。本文中将该种类型的放电定义为击穿伴随滑动模式（breakdown gliding mode,B-G）。需要说明的是,本文有意选取该工况是因为该工况包含了两种滑动弧放电模式而且特征明显,可作为典型加以讨论;其次为了采用控制变量法对比分析两种滑动弧放电模式,特意取了该条件下的电压和电流波形,并不是为了回避该规律的一般性,在后文中的统计规律总结中可以证实。

  综上所述,滑动弧放电过程中会出现两种滑动模式,即A-G模式和B-G模式。两种模式在电信号上呈现出不同的特征,在电弧滑动形态方面也存在明显差异。从宏观上比较两种滑动模式的电弧运动形态,发现在A-G模式下尖端击穿后的稳定滑动阶段,电弧滑动频率远小于相同工况下的B-G模式,电弧滑动范围也大大超过B-G模式。而B-G模式电弧只在尖端不远的范围滑动,当一个周期的电弧熄灭的瞬间,在尖端又形成新的击穿并伴随滑动,不断重复循环。从单个放电周期上比较两种滑动模式的电信号特性,发现A-G模式下,在尖端击穿初期,有单向击穿,电压电流波形中有单向的峰值,进入稳定滑动阶段后,则没有击穿产生的峰值,而电压波形类似于锯齿波。其原因有可能是随着电弧向下游运动,蜿蜒的电弧弧长逐渐增大,电场强度随之减小,从而不足以导致击穿的出现。在B-G模式下,电压电流波形呈现出正负向交替峰值。滑动周期明显小于A-G模式,单个放电频率只有A-G模式的1/2。对图4(a)、图4(c)、图4(e)中的能耗图计算其斜率,即平均放电功率p,A-G模式前期尖端击穿阶段平均放电功率p≈140 W,在稳定滑动阶段平均放电功率 p=350 W;而对于B-G模式,平均放电功率p=146 W。

  Richard等人对一个周期内的两张滑动电弧的照片叠加,测量出电弧滑动过程中电弧上某点的速度[20]。本文采用类似的方法获得电弧的滑动速度。利用高速CCD, 在拍摄频率为1 000 帧/s的条件下,记录完整滑动弧周期内电弧击穿、滑动、发展、熄灭的过程。图5为电弧滑动速度测量示意图,取t时刻电弧上第n点为研究对象,其坐标为A\((x(t),y(t))\),当电弧运动到t+Δt时,其坐标为\((x(t+\Delta t),y(t+\Delta t))\)。这里的Δt是两张高速CCD照片相间隔的时间,其相对于整个滑动周期的时间很短暂,那么t时刻电弧上点A沿x轴方向的电弧滑动速度vgx可以利用式(1)计算。

  利用CCD对A型电极在U0=120 V、Qjet,air=33.3 L/min的工况进行拍摄,针对A-G模式提取其中第0~59 ms的14张图片,为了更为直观的反映一个完整滑动周期内的电弧发展过程,将每张照片叠加到同一坐标下,如图6所示。由于滑动弧放电在A-G模式下相对比较稳定,且整个滑动周期只有0.01 s,为便于宏观上研究电弧的滑动速度分布情况,将整个滑动周期内电弧上的各个点上的滑动速度vgx(i,j)放到同一坐标下,处理成vgx云图,如图7所示。对比图6和图7发现,图6中电弧中部在气流的吹动下被拉长并向下游蜿蜒,这与图7中电弧滑动速度区域极大值的位置较相符。

  利用商用计算流体力学软件对A型电极三维稳态流场进行数值模拟,Qjet,air=33.3 L/min。图8为电极所在截面的流场轴向速度（vx）云图。

  作图7中电弧滑动速度的区域极大值的连线AB,发现跟空气喷嘴的射流方向基本一致。对比分析图7中电弧滑动速度云图与图8流场速度云图,发现由于射流进入静止实验段后流速逐渐降低,从电极尖端到下游70 mm位置,电弧滑动的速度也随之逐渐降低。在靠近电极附近的区域,由于气流在电极表面发生分离现象,其流速接近于0,而电弧两端根部在电极上的滑动速度虽略有下降但并没有停止滑动。下游70 mm以后滑动速度开始增加,然后以某一稳定速度继续滑动直至电弧熄灭。

  这是因为随着气流速度的减小,流场因素对其影响逐渐降低,前方的滑动弧放电产生的大量高能带电粒子在下游累积,电弧滑动更为容易,即便是在流速减小的情况下电弧依然可以滑动。

  图9为4种不同来流条件下,A型电极在U0=100 V时电压和电流特性,图中显示了A-G模式与B-G模式所占总时间的分布。

  由图9可见,随着射流体积流量的减小,滑动弧放电从欠稳定的B-G滑动模式逐渐向相对比较稳定的A-G模式发展。在Qjet,air=83.3 L/min下,B-G模式占主导,几乎不存在A-G模式。而当Qjet,air减小到33.3 L/min时,A-G模式的滑动弧放电逐渐趋于稳定且占其主要成分,而B-G模式占比很少,形成的滑动周期时间短,残损率高。

  图10为不同来流条件下,A型电极在U0=120 V时的电压和电流特性以及两种模式所占时间。与图9相比,随体积流量减小滑动模式向A-G模式的发展趋势更为明显。当Qjet,air减小到33.3 L/min时,A-G模式的滑动弧放电占绝大部分,形成连续的A-G滑动,几乎不存在B-G模式滑动。

  图11为A、B、C三型电极在不同体积流量下,两种滑动模式占总测量时间的百分比。能够准确的看出电极结构（夹角θ和最小放电间距d）、电极间施加电压以及射流速度都会对电弧滑动模式产生较大影响。如电极间夹角越小、最小间距越大,则越容易形成A-G滑动模式,而电极间的电压越大也越容易向A-G滑动模式发展。但是流场情况对滑动模式影响最明显,在U0=100 V时,B型和C型电极在Qjet,air为33.3~83.3 L/min的范围内只出现了B-G滑动模式,并且随着Qjet,air的减小其所占的百分比逐渐降低至不足40%;而对A型电极在体积流量为83.3L/min时,B-G滑动模式占比达到73%,随着Qjet,air的减小其占比开始逐渐减小,慢慢的出现A-G滑动模式,当Qjet,air减小到33.3 L/min时,A-G滑动模式占主导,其占比超过66%,而B-G滑动模式占比减小至28%。在U0=120 V时,A、B、C三型电极在83.3 L/min下两种模式都同时存在且B-G模式占百分比略大于A-G模式,同样随着Qjet,air的减小,A-G滑动模式开始占主导,当Qjet,air减小到33.3 L/min时,A型电极甚至会出现几乎只有A-G滑动的情况,其占比超过96%。

  图12为A、B、C三型电极在A-G模式滑动下的平均周期。对U0=120 V、Qjet,air=83.3 L/min时三型电极的周期约为5 ms,当Qjet,air逐渐减小时,其周期都开始逐渐增大,当Qjet,air减小到33.3 L/min时,B型和C型电极周期分别增大到24 ms和18 ms,特别是对6 mm大间距的A型电极,A-G模式滑动的平均周期明显地增加,其平均周期T增大至65 ms。

  本文采用理论分析与实验研究相结合的方法,对滑动弧等离子体助燃激励器的放电特性进行了s研究：

  1）在本文实验条件下,发现滑动弧放电过程中,电弧存在两种滑动模式,即稳定电弧滑动和击穿伴随滑动,两种滑动模式在电信号特征和电弧运动形态上存在非常明显差异,同时受到来流体积流量、两极电压、电极结构等因素的影响。

  2）滑动弧放电过程中电弧的形态及发展过程受到来流条件的直接影响。电弧滑动的速度随着来

  流速度的减小而逐渐降低。但当流速降低到某一临界值时流场因素对电弧滑动速度的影响逐渐减弱,滑动速度开始增大,然后以某一稳定速度继续滑动直至电弧熄灭。

  3）随着来流体积流量的减小,滑动弧放电越容易向稳定电弧滑动模式发展,当体积流量足够小时,只有该模式存在。同时体积流量越小,电弧滑动范围越大,平均周期也越大。

  下一步将对这种滑动弧放电中的带电粒子成分和物理模型以及利用滑动弧放电产生非平衡等离子体强化燃烧等方面做研究。