旋轉滑動弧放電等離子體滑動放電模式的實驗研究*

雷健平何立明陳一陳高成趙兵兵?趙志宇張華磊鄧俊費力

1)(中國人民解放軍空軍工程大學航空工程學院,西安710038)

2)(中國人民解放軍空軍航空大學航空作戰勤務學院,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下產生電弧通道,電弧被氣流驅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生等離子體的方式,滑動弧放電具有電極結構簡單、持續放電無電極燒蝕、無須水冷等優點[1,2].此外,滑動弧放電過程中產生的高能電子、活性基團具有高度的化學活性[3],這些活性粒子可以提高化學反應速率、加快化學反應進程.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]、等離子體點火助燃[14?17]等方面具有廣泛的應用前景.

滑動弧放電是一種動態的電弧放電,與其他放電方式相比,滑動弧放電最大的特點在于其放電過程中需要氣流驅動,而電弧與氣流的相互作用會顯著影響滑動弧放電特性.當前,關于滑動弧放電特性的研究主要以二維刀型電極結構為主,如圖1(a)所示.二維刀型電極滑動弧放電的實驗研究發現,在電弧運動過程中電場、氣流與滑動弧的運動特征相互影響.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,實驗還觀測到滑動弧放電過程中存在的短路擊穿現象[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)數值模擬研究,討論了滑動弧放電中的擊穿發生機制,并研究了電弧在高電流和低電流條件下運動過程的傳熱機制的差異[21,22].上述研究工作為滑動弧放電等離子體的應用提供了堅實的理論依據.

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,二維刀型電極反應器中滑動弧與介質氣體的接觸面積較小、反應氣體在反應器中停留的時間較短,導致反應氣體轉化率較低,限制了二維刀型滑動弧放電等離子體的工業應用.與之相比,圖1(b)中的旋轉滑動弧放電優勢明顯,旋轉氣流增加了氣體在旋轉滑動弧激勵器中的駐留時間,同時周向分布的旋轉滑動弧產生的等離子體活性粒子分布均勻,可以讓所有介質氣體完全與等離子體相互作用.然而,旋轉滑動弧放電中旋流帶來的復雜湍流流動對滑動弧的放電特征產生顯著影響,與二維刀型滑動弧放電相比,旋轉滑動弧放電等離子體的放電特性及調控規律更復雜.當前,研究人員針對旋轉滑動弧放電開展了部分研究工作,Ananthanarasimhan等[23]發現氣體流量、雷諾數影響旋轉滑動弧動力學特征,尤其是對電弧旋轉頻率以及放電電壓波形影響較大.Wu等[24]對滑動弧放電進行了光譜測量,計算了旋轉滑動弧的電子密度、振動溫度,證實了旋轉滑動弧的非平衡等離子體特征,并發現隨著氣體流速增加,振動溫度先升高后降低.Zhang等[25]對大氣壓下旋轉滑動弧放電等離子體的動力學特性和電學特性進行了研究,發現增大氣體流量,電弧的旋轉頻率加快、電弧長度增加.本研究團隊針對旋轉滑動弧的放電特性開展了研究工作,發現氣體流量增大引起電弧滑動速度增大,滑動放電周期縮短,從電信號分析中發現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行了分析[26].魯娜等[27]實驗研究發現旋轉滑動弧放電正半周期與負半周期的伏安特性存在差異,且隨著氣流增大,旋轉滑動弧放電電流峰值顯著增大.上述研究工作驗證了旋轉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滑動弧旋轉頻率、電弧長度、運動速度等特性的影響規律,但對滑動弧放電動力學過程、調控規律及其影響機制研究的不足,使得應用旋轉滑動弧的反應裝置轉化率較低,工作穩定性、可靠性低[28].

本研究采用高速相機與示波器同步監測滑動弧的放電過程,設計高速相機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;分析了旋轉滑動弧重復擊穿頻率、電弧擊穿電流以及旋轉滑動弧的光譜特性及其影響因素;此外,還對旋轉滑動弧放電等離子體的工作特性影響機制及其調控規律進行了討論分析.本研究的目的是通過對旋轉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行研究,獲得滑動弧放電的調控機制及其變化規律,為旋轉滑動弧放電等離子體的調控提供理論依據.

2 實驗系統

圖2旋轉滑動弧放電實驗系統示意圖Fig.2.Schematic diagram of rotating gliding arc discharge experiment system.

旋轉滑動弧放電等離子體實驗裝置主要包括旋轉滑動弧放電激勵器、單高壓毫秒電源、供氣裝置、示波器、高速CCD相機等,圖2為旋轉滑動弧放電實驗系統示意圖.本實驗在大氣壓下進行,采用空氣作為介質氣體.采用高頻高壓交流單高壓毫秒電源作為旋轉滑動弧放電等離子體驅動電源,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器圓管壁面電極,中心錐形電極接地,電源接通后,產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.供氣系統主要由空氣鋼瓶和質量流量控制器組成,本實驗采用的質量流量控制器為CS230A型數字質量流量控制器,量程為300SLM,重復精度為±0.6 SLM.壓縮空氣減壓后經過質量流量控制器調節空氣流量后經管路進入旋轉滑動弧放電激勵器.

如圖2所示,旋轉滑動弧放電激勵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,驅動電弧在電極之間旋轉著向出口滑動,當電弧運動到最遠端后被氣流吹斷,隨后在最小距離處再次擊穿,再次被氣流驅動旋轉滑動,如此循環往復,周而復始.

本實驗采用高速CCD相機與示波器同步采集旋轉滑動弧放電過程中的電弧運動圖像特征與電壓、電流信號,采用光譜儀采集旋轉滑動弧放電光譜信號.示波器與高速CCD相機通過外部觸發器同步觸發,保證示波器與高速CCD相機數據采集時序同步.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)進行數據采樣,電壓電流采樣頻率均為10 MHz. 本文采用高速相機(Phantom V2512)采集電弧運動圖像,采集頻率為25000 Hz,每張圖像曝光時間為40μs.需要指出的是,本實驗設置高速相機曝光時間低于電源輸出的正弦高壓信號的正弦周期(50μs),目的是使高速相機能夠詳細地拍攝到每個正弦電壓周期內滑動弧放電電弧的圖像變化情況,便于準確地分析滑動弧放電過程.此外,采用Avantes公司生產的AvaSpec-ULS2048-4-USB2四通道光纖光譜儀和三維數字坐標架采集旋轉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,內部有4個獨立的通道,分別采用不同類型的光柵,對不同波長范圍的發射光譜信號進行測量.

3 實驗結果與分析

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,本文設置高速相機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展變化情況,示波器同步高速相機采集滑動弧的電信號,分析、研究滑動弧運動過程電弧的形態變化與電信號變化之間的聯系.

如圖3所示為氣體流量(Q)為120 SLM,激勵電壓(U0)為100 V時的滑動弧放電的電信號及電弧運動圖像,其中圖3(a)為滑動弧擊穿-延伸-熄滅一個完整的運動周期(2 ms)的電壓電流曲線.觀察發現,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展而增大,最大值約為10 kV;放電電流呈現出周期約為100μs的脈沖信號.圖3(b)右圖是高速相機同步拍攝的與圖3(a)對應的滑動弧運動圖像,可以看出滑動弧從陰、陽極的最小間距處(AB)擊穿之后,被氣流驅動著蜿蜒向下游旋轉滑動,直至運動到激勵器出口與錐形電極尖端處(OC),電弧長度達到最大值,在氣流的吹熄作用下,最終熄滅,進入下一個周期后再次在最小間距處擊穿,重復上一過程.觀察電弧運動發展過程圖像(圖3(b)右側)可以發現,在電弧的運動過程中伴隨有擊穿-熄滅-擊穿的過程.結合圖3(b)中左側佳能相機拍攝的放電圖像(曝光時間30 ms),發現電弧旋轉速度極快,電弧在激勵器內分布均勻,電弧通道清晰可見.圖3(c)是截取圖3(a)中1.1—1.4 ms時間段(G區域)的電流電壓曲線及其對應的電弧運動圖像,可以看出,電壓曲線每隔兩個正弦周期(100μs)發生一次電壓驟降,同時相位初始化,即電壓從峰值處驟然急劇下降至零,相位回到0相位的現象,在電壓驟降的同時電流出現單個脈沖峰,結合高速相機同步采集到的此時刻電弧放電圖像可知,電弧在此刻發生了擊穿,該脈沖為放電擊穿時刻的電流脈沖,這表明電弧在運動過程中出現了周期性的擊穿現象.具體表現為,滑動弧運動過程中伴隨擊穿-熄滅-擊穿現象,如圖3(c)中在1.23 ms時電弧明亮,然而在1.25—1.1.32 ms時間段電弧在圖像中消失,電弧在此時刻被氣流吹熄了.而在間隔100μs之后的1.33 ms時刻,電弧又出現在圖像中,說明空氣在此刻被重新擊穿,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出擊穿-熄滅-擊穿的周期性現象,經計算電弧發生重復擊穿的周期約為100μs,這與對應的電壓信號驟降周期、電流脈沖信號周期相同.該狀態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動圖像(U0 =100 V,Q =120 SLM)(a)一個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動過程圖像(右);(c)滑動弧運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,旋轉滑動弧放電呈現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,激勵電壓仍為100 V時滑動弧的電信號及電弧運動圖像,其中圖4(a)是一個完整的滑動弧運動周期(2 ms)的電壓電流變化曲線.電壓曲線呈現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,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,電流信號未出現脈沖信號.圖4(b)右圖為與圖4(a)同步拍攝的一個完整的滑動弧運動周期的電弧運動圖像.觀察發現,滑動弧的運動過程與圖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,電弧在激勵器出口某一位置附近穩定滑動,其中電弧一端弧根始終位于錐形陰極的尖端(O點),電弧另一端的弧根則在陽極壁面出口位置滑動(D→E點),電弧亮度較微弱,且不再發生熄滅現象,即沒有熄滅-重新擊穿的過程. 結合圖4(b)左側相機拍攝(曝光時間30 ms)的放電圖像發現,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.值得關注的是,該工況的滑動弧運動速度較慢,滑動弧放電電弧僅僅在激勵器出口截面處運動,形成的等離子體區域僅僅集中在激勵器出口附近,等離子體影響區域較小.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的電弧運動圖像.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定信號.通過對應的電弧運動圖像可以發現,在滑動弧滑動放電過程中電弧圖像在整個周期中都未出現明顯的擊穿-熄滅的過程,且電弧亮度較暗,電弧一直在激勵器出口位置旋轉滑動.這種狀態下的滑動弧放電模式稱之為穩定滑動放電模式(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動過程圖像(右);(c)滑動弧運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,本文通過高速相機拍攝的電弧運動圖像證實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-擊穿現象,且電弧擊穿瞬間發出強烈弧光,出現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動至激勵器出口位置,此后在出口位置保持穩定滑動,電弧亮度較暗,且滑動弧為微電流鋸齒波,不再出現擊穿-熄滅現象,滑動弧放電等離子體僅位于激勵器出口截面區域.

上述結果表明旋轉滑動弧呈現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發生變化,進而影響了電弧行為特性.滑動弧運動過程中,陽極電壓達到峰值時,兩電極間電勢差大,具備擊穿條件,發生擊穿并形成電弧通道釋放能量,這時電弧核心區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域,那么當陽極電壓達到下一個交流周期的峰值時,再次發生擊穿,形成電弧通道,形成了滑動弧運動過程中伴隨有擊穿-熄滅-再擊穿現象,即B-G模式.由于每次擊穿都發生在電壓峰值處,因此,擊穿周期往往是交流電壓周期的整數倍.與之相對應的,在氣流流量較小(40 SLM)時,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存在,因此電弧一直隨著氣流驅動的高電離度區域移動,而不被吹熄滅.電弧緩慢旋轉移動到出口位置,電弧長度發展到最大,仍然沒有被吹熄滅,保持一直在出口處滑動的狀態,形成了這種電弧旋轉運動過程中電弧保持穩定存在不發生重復擊穿的現象,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,滑動弧放電等離子體與介質氣體的相互作用范圍和時間是影響設備轉化效率的主要因素.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器的使用性能產生影響.從滑動弧放電的宏觀角度對比圖3(b)與圖4(b)可以發現,相同時間段內,滑動弧的運動范圍差距較大.圖3(b)中,B-G模式下,滑動弧旋轉速度快,且軸向覆蓋了從最小距離處到激勵器出口,等離子體與介質氣體相互作用區域為整個激勵器3 D區域.而圖4(b)中,A-G模式下,滑動弧旋轉速度極慢,電弧在相同的時間段內運動范圍較小,且電弧僅僅在出口端面上旋轉滑動,放電等離子體僅僅在出口端面處與介質氣體相互作用,這對于滑動弧放電等離子體的應用存在不利影響.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應用的影響,還有待進一步的研究.

3.2 工作參數對滑動弧放電模式、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生,除此之外,滑動弧運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生與作用時間.因此,為了進一步研究滑動弧放電的工作參數(氣體流量、激勵電壓)對滑動弧放電模式、放電特性的影響,本文設計如表1所列的工況條件開展實驗,研究氣體流量、激勵電壓對滑動弧放電模式、擊穿頻率以及擊穿電流的影響規律.需要說明的是,本文中的激勵電壓為等離子體電源激勵電壓,表征的是等離子體電源的能量輸出能力,而不是實際的放電電壓.

表1實驗工況表Table 1.Experimental conditions table.

圖5為氣體流量120 SLM,激勵電壓為100 V時的滑動弧放電電信號曲線及電弧運動圖像.對比圖3中相應的圖像可以看出,在該工況下滑動弧同樣以B-G模式滑動放電,在旋轉滑動的同時伴隨擊穿,不同之處在于,該工況下滑動弧每隔一個正弦周期(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,增大電源激勵電壓后,滑動弧的重復擊穿頻率明顯提高了.在實驗過程中,發現增大氣體流量和提高激勵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滑動弧的滑動模式、擊穿頻率進行統計分析,得到旋轉滑動弧放電特性統計數據如圖6所示.

圖5滑動弧電弧運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中的統計結果可以看出,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,當氣體流量小于60 SLM時,滑動弧放電模式以A-G模式為主,滑動弧的重復擊穿頻率較低,且氣體流量越小重復擊穿頻率越低,最低為0.47 kHz.而當氣體流量大于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,重復擊穿頻率最大為21.7 kHz.這是因為在氣體流量偏小時,滑動弧放電以A-G模式為主,電弧滑動弧穩定不易發生熄滅,因此重復擊穿頻率較低,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動過程中被頻繁吹熄,因此重復擊穿頻率較高.

圖6旋轉滑動弧放電模式及擊穿頻率統計圖Fig.6.Statistical diagram of rotational gliding arc discharge mode and breakdown frequency.

對比激勵電壓對滑動弧放電模式的影響規律可以發現,在較大的激勵電壓下,滑動弧放電模式更傾向于A-G模式.典型的工況如當氣體流量為60 SLM時,在激勵電壓為100 V時,滑動弧以BG模式為主導,而當激勵電壓增大至150 V時,滑動弧放電則以A-G模式為主導.激勵電壓對滑動弧重復擊穿頻率的影響也同樣顯著,在氣體流量小于60 SLM時,提高激勵電壓降低了滑動弧的重復擊穿頻率,而當氣體流量大于60 SLM時,提高激勵電壓后重復擊穿頻率也相應提高了.這是因為,在較低的氣流條件下,滑動弧激勵電壓的提高,增大了電源對電弧的能量供應,維持了電弧的穩定滑動,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,激勵電壓的提高不足以改變滑動弧的運動特征,但激勵電壓的提高使得電弧能量供應充足,能夠支持電弧在每個正弦交流電壓峰值處發生擊穿,因此擊穿頻率更高.

總而言之,氣體流量和激勵電壓在一定程度上決定了滑動弧的行為特性,激勵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,當氣體流量增大時,滑動弧由穩定滑動的A-G模式向伴隨擊穿滑動的B-G模式發展,滑動弧重復擊穿頻率也隨之增大,當激勵電壓增大時,電源能量增大,在小氣流條件下滑動弧更傾向于向穩定滑動的AG模式發展,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擊穿頻率.在激勵電壓和氣體流量發生變化時,滑動弧的行為特性隨之改變,以實現能量輸入和電弧運動的動態平衡.因此,可根據不同的工作要求,動態調整滑動弧的工作參數,改變滑動弧行為特點,獲得高效的等離子體源.

滑動弧放電過程中擊穿現象是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,因此本文采用電信號分析與圖像處理技術針對滑動弧放電B-G模式下的數個完整滑動周期電信號及CCD圖像進行處理,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、不同激勵電壓下的滑動弧電弧投影長度及其對應的擊穿電流大小進行統計分析.

圖7為滑動弧在B-G模式下的三個典型工況的擊穿電流對應電弧投影長度的散點圖及其擬合曲線.圖中對比了在不同氣體流量、不用激勵電壓下,擊穿電流隨電弧投影長度的變化規律.觀察發現,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展而增大.根據湯生放電理論,擊穿電流與電弧長度存在正相關關系.本文中,氣流的驅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),發現在相同的激勵電壓(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. 這是因為, 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動作用明顯增強,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,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,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不同工作參數下滑動弧擊穿電流隨電弧長度變化的統計圖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,表明激勵電壓增大后擊穿電流反而變小了,其原因是激勵電壓為100 V時,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,而激勵電壓為150 V時電弧擊穿頻率較高,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、激勵電壓的變化均對擊穿電流大小產生一定程度的影響,其中,隨著激勵電壓的增大,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 工作參數對旋轉滑動弧光譜特性的影響

在等離子體點火助燃、污染物降解、污水處理等應用中,等離子體的化學效應發揮了重要作用,空氣放電產生的重要化學活性粒子被認為是放電等離子體的重要中間產物.為了研究滑動弧放電產生的等離子體活性粒子種類及相對強度,本文開展了光譜特性實驗.通過光譜儀光纖探針在滑動弧激勵器出口截面采集旋轉滑動弧放電等離子體發射光譜信號,獲得各波段光譜的相對發射強度,并針對活性粒子的光譜相對發射強度進行分析.

圖8(a)所示為光譜測量點分布圖,光纖探針在激勵器出口周向均布分布的8個測量點采集滑動弧放電的光譜信號,實驗結果處理時取8個采集點光譜發射強度均值.圖8(b)為當激勵電壓為100 V時,氣體流量為120 SLM的放電圖像.圖9為激勵電壓為100 V時空氣流量為90 SLM時的1#—8#共8個點0—1000 nm波長范圍內的發射光譜曲線.觀察光譜曲線,在波長為309 nm處出現了OH( A2Σ+→X2Π)分子譜峰值,在光譜波長為777.4與822.2 nm處出現了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個光譜信號采集點的光譜曲線Fig.9.8-point spectral curve.

在等離子體應用中,OH基、O原子發揮著重要的化學催化作用,因此,本文對OH(309 nm),O(777.4 nm),O(822.2 nm)3個特征波長的光譜相對發射強度進行統計分析,研究工作參數以及滑動放電模式對旋轉滑動弧放電等離子體中OH和O的相對發射光譜強度的影響,統計結果如圖10所示.圖10(a)為OH(309 nm)在不同激勵電壓、不同氣體流量下的光譜發射強度.觀察發現OH(309 nm)的光譜相對強度較小,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.但激勵電壓增大明顯增強了OH(309 nm)的相對發射強度,如當激勵電壓為100 V時,OH(309 nm)的相對發射強度約為5000 arb.units,而激勵電壓增大至150 V時,相對發射強度增大至約7000 arb.units.圖10(b)和圖10(c)分別為O原子在777.4 和822.2 nm處的光譜相對發射強度.對比觀察發現,氧原子位于777.4 nm波長處的光譜發射強度較大最高達20000 arb.units,而822.2 nm波長處的O原子發射光譜強度較低,小于10000 arb.units.而氣體流量、激勵電壓對這兩個波長的發射光譜強度的影響基本一致,一方面,氣流量的增大,使得發射光譜發射強度明顯增大, 氣流由40 SLM增大至120 SLM后, 777.4 nm處的光譜發射強度增大了約7倍. 值得注意的是,當氣體流量為40 SLM時,O(822.2 nm)處未出現特征峰,這表明,氣體流量特別小時,未能電離產生O(822.2 nm).另一方面,激勵電壓的增大使得氧原子在777.4與822.2 nm處的光譜發射強度降低了,如激勵電壓為150 V時相比激勵電壓為100 V時的光譜發射強度降低了約2000—3000 arb.units.

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

根據前文研究可知,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動速度快且伴隨重復擊穿,拍攝的CCD圖像顯示電弧的亮度較強.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下的產物,電弧擊穿瞬間的瞬時電流大,從而電離作用強,對空氣的電離更劇烈,且隨著氣體流量的增大,重復擊穿頻率提高,空氣在高頻次、高強度的電離下產生的活性粒子更多,其特征光譜的相對發射強度更大,因此隨著氣體流量的增大,活性粒子的光譜相對發射強度隨之增大,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基的大量產生,因此氣體流量對OH基的發射光譜強度影響有限.同理,當激勵電壓較大時,滑動弧更傾向于以A-G模式滑動放電,該模式下,電弧運動主要集中在出口位置未形成廣泛的空間分布,且重復擊穿頻率較低,拍攝的CCD圖像顯示電弧的亮度較暗,因此產生的活性粒子量較少,其光譜的相對發射強度較弱.

圖10不同氣體流量、激勵電壓下的OH和O的特征波長的光譜發射強度(a)OH(309 nm)光譜發射強度;(b)O(777.4 nm)光譜發射強度;(c)O(822.2 nm)光譜發射強度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(激勵電壓、氣體流量)發生改變,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生變化.分析發現,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聯、相互影響的,其實質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生的動態調節行為.

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

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

5 結 論

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

1)通過高速CCD相機同步采集電弧放電圖像,證實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-擊穿現象的滑動弧放電,而AG模式是指電弧在旋轉滑動過程中未出現較高頻次的重復擊穿現象.

2)研究了工作參數(激勵電壓、氣體流量)對滑動弧放電特性的影響規律.發現隨著氣體流量的增大滑動弧以B-G模式為主導的具有高頻擊穿特征的動態放電形式為主,而隨著激勵電壓的增大,滑動弧以A-G模式為主導的具有高度穩定的放電形式為主,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電壓工作作用的結果.增大氣體流量提高了B-G模式下滑動弧的擊穿頻率,同時電弧長度及擊穿電流相應增大.而激勵電壓的提高限制了電弧的不穩定發展,電弧長度和擊穿電流相對較小.

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

本文的研究結果和相關結論為調控滑動弧的工作特性提供了理論支撐,實際工作中可以根據滑動弧使用需要改變工作參數調節滑動弧的放電模式、擊穿頻率等工作特性,獲得不同特征的等離子體源.