基于流体—化学反应模型的高效率电晕放电装置的设计与优化

论文摘要

随着经济的发展,我国面临的环境问题日益严重,其中水资源短缺和雾霾天气频发尤为突出。带电粒子催化人工降雨和除霾技术是解决这些问题的重要手段,而在大范围空间产生高浓度等离子体是这些技术能否成功应用的关键。电晕放电是在大范围空间产生高浓度等离子体重要方法,其装置简单,成本低廉,最适合用于带电粒子催化人工降雨和除霾这类应用。在这些应用中,等离子体浓度决定着水汽凝并效率和尘埃颗粒去除效率,如何提高电晕放电等离子体的浓度是决定其应用效果的关键因素。因此,改进电晕放电装置结构,提高其放电功率密度和等离子体浓度,对于电晕放电等离子体在带电粒子催化人工降雨和清除大气悬浮物中的应用具有重要意义。本文建立了基于流体-化学模型的电晕放电仿真模型,分析与对比了不同电极结构的放电效率,基于分析结果完成了电晕放电装的优化设计,并开展了相关的实验研究。首先,本文建立了描述电晕放电空间粒子演化过程的流体-化学模型,并基于两项近似法求解了玻尔兹曼方程,得到了电子能量分布函数（Electron Energy Distribution Function,EEDF）,进而得到了模型求解所需的一系列电子输运参数;通过分析电子能量分布函数与电子平均能量的关系、电子平均能量与约化电场的关系,对电晕放电的放电机理进行了微观层面上的探究。其次,基于建立的流体-化学模型,本文对常温常压下的线-板、棒-板、片-板结构的电晕放电进行了数值模拟,通过比较三种结构的电子温度、电势和电场分布、电子密度和正负离子分布（N2+、O2-）,以及三种电极结构带电粒子产生效率,对电极结构进行了选型。仿真模拟结果表明,线-板电极放电属于平稳、放电强度较弱的汤森性质的放电,而棒-板电极和片-板电极属于激烈的流注性质的放电,这意味着棒-板和片-板的放电强度要高于线-板放电,能产生更多的带电粒子。通过详细对比片-板电极和棒-板电极的各项放电参数,得出了片-板电极放电强度高于棒-板的结论。最后,本文开展了片-板电极相关实验研究,研究了片-板电极的放电伏安特性及放电发展过程。同时,本文还设计了一种基于片-板电极的新型直流电晕放电装置,并利用该装置开展了空气悬浮颗粒清除实验,研究了新型电晕放电装置的放电特性,以及电压等级、电压极性和气流速度对装置清除效率的影响,结果发现电压等级对装置的清除效果具有显著影响,其次为电压极性,而气流速度的影响相对较弱。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王如梦

导师: 张明

关键词: 电晕放电,流体化学模型,片板电极,数值仿真,放电特性

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,环境科学与资源利用

单位: 华中科技大学

分类号: X513;O461.2

总页数: 84

文件大小: 2730K

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