放电电压及介质材料对甲烷介质阻挡放电电离特性的影响

doi:10.19596/j.cnki.1001-246x.8842

摘要/Abstract

摘要：

为探寻改善农用内燃机燃烧的关键技术, 分析同轴式介质阻挡放电过程中甲烷等离子特性及其影响因素, 建立具有二维轴对称结构的激励器模型。采用有限元法对其放电过程进行数值研究, 分析不同电压幅值和介质材料下电子密度、电子温度、CH₃和H数密度的变化。模电压幅值影响电流的变化, 电子密度和电子温度的变化又受电流的影响。在输入电压改变时, 电离甲烷的能量随电压大小而改变, 随着电压幅值的增加, 电子密度和电子温度都会增加, 并且当粒子之间碰撞消耗的能量大于电离释放的能量时, 电子密度、温度均下降。CH₃和H的数密度随时间一直增加, 电压幅值越大, 增长速率越快。电子密度和电子温度随着相对介电常数的增加而增加, 均呈现先增加后减少的趋势; CH₃和H的数密度则随相对介电常数的增加而增加; 增加电压幅值和相对介电常数均会进一步加剧甲烷的电离。

关键词: 介质阻挡放电, 甲烷, 等离子体, 电子密度, 电子温度, 数值模拟

Abstract:

In order to explore key technologies to improve the combustion of agricultural internal combustion engine, characteristics and influencing factors of methane plasma in the coaxial dielectric barrier discharge process are analyzed. A two-dimensional axisymmetric actuator model is established, and the discharge process is numerically simulated by finite element method. The changes of electron density, electron temperature, CH₃ and H number density under different voltage amplitudes and different dielectric materials are analyzed. The simulation results show that voltage amplitude affects the change of current, and the change of electron density and electron temperature are affected by the current. When the input voltage changes, the energy of ionized methane changes with the voltage, and when the voltage amplitude increases, the electron density and electron temperature increase. When the energy consumed by the collision between particles is greater than the energy released by ionization, Electron density and temperature decreased; The number density of CH₃ and H increases with time, and the higher the voltage amplitude, the faster the growth rate. The electron density and the electron temperature increase with the increase of the relative dielectric constant, and the number density of CH₃ and H increases with the increase of the relative dielectric constant. Increasing voltage amplitude and relative dielectric constant will further intensify the ionization of methane.

Key words: dielectric blocking discharge, CH₄, plasma, electron density, electron temperature, numerical simulation

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图/表 18

图1 同轴式介质阻挡放电模型

Fig.1 Modeling of coaxial dielectric barrier discharges

图2 仿真模型

Fig.2 Simulation model

表1 甲烷等离子体的反应机制

Table 1 Reaction mechanism of methane plasma

反应	反应表达式	反应系数
R01	e+CH₄→CH₄⁺+e	由碰撞截面计算
R02	e+CH₄→CH₄⁺+2e	由碰撞截面计算
R03	e+CH₄→CH₃⁺+H+2e	由碰撞截面计算
R04	e+CH₄→CH₃⁺+H+e	由碰撞截面计算
R05	e+CH₄→C+4H+e	由碰撞截面计算
R06	e+CH₄→CH+3H+e	由碰撞截面计算
R07	e+CH₃→CH+2H+e	由碰撞截面计算
R08	e+CH₃→CH₃⁺+2e	由碰撞截面计算
R09	e+CH₃→CH+2H+e	由碰撞截面计算
R10	CH₃⁺+CH₄→CH₄⁺+CH₃	1.36×10^-16
R11	H+CH₃→CH₄	7×10^-18
R12	CH₃⁺+CH₄→CH₄⁺+CH₃	1.36×10^-16
R13	H+CH₃→CH₂+H₂	1×10^-16 exp(-7 600/T_g)
R14	H+CH₄→CH₃+H₂	2.2×10^-26 T_g³exp(-4 045/T_g)
R15	CH₄⁺+H→CH₃+H₂	1×10^-17
R16	H⁺+CH₄→CH₄⁺+H	1.5×10^-15
R17	H⁺+CH₄→CH₃⁺+H₂	2.3×10^-15
R18	H⁺+CH₃→CH₃⁺+H	3.4×10^-15

表2 甲烷等离子体表面反应

Table 2 Surface reaction of CH4 plasma

编号	反应方程	附着系数	二次发射系数
1	CH₄⁺→CH₄	1	1×10^-6
2	CH₄⁺→CH₄	1	0.015

图3 不同电压下电流随时间的变化

Fig.3 Variation of current with time at different voltages

图4 10 kV聚四氟乙烯的电压电流特性曲线

Fig.4 Voltage-current characteristic of PTFE at 10 kV

图5 放电过程电场的分布及随时间变化(a) 0 s；(b) 2×10-6 s；(c) 3.8×10-5 s；(d) 5.6×10-5 s；(e) 8.1×10-5 s；(f) 1×10-4 s；(g)电场随时间的变化

Fig.5 Distribution of electric field during discharge and trends with time (a) 0 s; (b) 2×10-6 s; (c) 3.8×10-5 s; (d) 5.6×10-5 s; (e)8.1×10-5 s; (f) 1×10-4 s; (g) variation of electric field with time

图6 不同电压下电子密度随时间的变化

Fig.6 Variation of electron density with time at different voltages

图7 不同电压下电子温度随时间的变化

Fig.7 Variation of electron temperature with time at different voltages

图8 不同电压下CH3的数密度随时间的变化

Fig.8 Variation of the number density of CH3 with time at different voltages

图9 不同电压下H的数密度随时间的变化

Fig.9 Variation of the number density of H with time at different voltages

表3 不同材料的相对介电常数

Table 3 Relative dielectric constants of different materials

编号	介质层材料	相对介电常数
1	聚四氟乙烯	2.3
2	二氧化硅	2.79
3	石英	4.3

图10 不同介质下电流随时间的变化

Fig.10 Variation of current with time in different media

图11 10 kV下石英的电压电流特性

Fig.11 Voltage and current characteristics of quartz at 10 kV

图12 不同介质下电子密度随时间的变化

Fig.12 Variation of electron density with time in different media

图13 不同介质下电子温度随时间的变化

Fig.13 Variation of electron temperature with time in different media

图14 不同介质下CH3的数密度随时间的变化

Fig.14 Variation of number density of CH3 with time in different media

图15 不同介质下H的数密度随时间的变化

Fig.15 Variation of number density of H with time in different media

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