高氣壓下交流旋轉滑動弧放電特性實驗研究*

張磊 于錦祿2)3)? 趙兵兵 陳朝 蔣永健 胡長淮 程惠能 郭昊

1) (中國人民解放軍空軍工程大學航空工程學院,西安 710038)

2) (西北工業大學動力與能源學院,西安 710003)

3) (中國航發四川燃氣渦輪研究院,成都 610599)

4) (陸軍航空兵研究所,北京 101121)

本文針對惡劣條件下滑動弧等離子體放電穩定性問題,搭建了高氣壓交流旋轉滑動弧放電實驗系統,開展了高氣壓下交流旋轉滑動弧放電特性實驗,并對其放電特性、電弧運動特性、光譜特性進行了分析.研究結果表明:隨著介質氣體壓力的升高,滑動弧放電的電壓、電流、能量均呈現增大趨勢,當介質氣體壓力升高到0.52 MPa 時,滑動弧放電的能量從常壓下的84.74 J 增大到147.13 J;且隨著介質氣體壓力的升高,電弧的擊穿頻率并不是單調變化,而是在0.2 MPa 時達到最大為26.55 kHz;高氣壓下電弧運動過程中會出現“弧道驟變”現象;隨著介質氣體壓力的升高,滑動弧放電的整體光譜發射強度呈現變強趨勢;通過兩譜線法對滑動弧放電的電子激發溫度進行了計算,常壓下滑動弧放電的電子激發溫度為0.8153 eV,隨著介質氣體壓力的升高,電子激發溫度呈現升高趨勢,當介質氣體壓力達到0.4 MPa 時,滑動弧放電的電子激發溫度升高至5.3165 eV.

1 引言

滑動弧放電是由Lesueur和Czernichowski[1]提出來的,其工作原理是,在強電場激勵下,兩電極間產生的電弧在氣流驅動下沿電極滑動,并周期性地進行擊穿-拉長-熄弧-再擊穿的循環過程[2].滑動弧作為非平衡等離子體的典型代表,同時兼具低溫等離子體能耗低、效率高、化學選擇性強和高溫等離子體能量密度高、處理量大的優點[3].此外滑動弧放電具有電極結構簡單、電極壽命長的特點[4],因此滑動弧等離子體被廣泛應用于解水制氫[5]、殺菌消毒[6]、污水處理[7]和污染物降解[8]等領域.由于滑動弧放電過程中會產生大量的激發態粒子、活性基團,可以提高化學反應速率、加快化學反應進行,因此滑動弧等離子體還被用在強化燃燒領域[9].

滑動弧等離子體應用領域寬廣、優點突出,專家學者對其開展了大量的研究工作.針對二維滑動弧,何立明等[10]研究了電極擴張角、空氣流量對滑動弧放電特性的影響規律;Sun 等[11]對滑動弧的電弧運動模式進行了分析;杜長明等[12]研制出用于廢水處理的氣液滑動弧等離子體,將滑動弧等離子體應用于廢水處理領域.由于二維滑動弧的電極結構限制了滑動弧的作用區域,并且二維滑動弧與介質氣體的相互作用時間較短,限制了二維滑動弧在工程中的應用.因此,把滑動弧放電的結構從二維發展到三維,將極大地提高滑動弧的處理能力并將推動滑動弧的工程化應用.針對三維旋轉滑動弧,魯娜等[13]對其放電特性進行了闡述;Chen 等[14]對電弧滑動模式進行了深入地分析;Wu 等[15]對大氣壓氬環境中的滑動弧光譜特性進行了研究,并對其振動溫度和電子密度進行了計算.在數值仿真方面,汪宇等[16]對滑動弧的放電特性進行了數值模擬,模擬得到的電弧軸心溫度可以達到5700—6700 K;Kolev和Bogaerts[17]通過數值模擬的方法研究了滑動弧放電過程的擊穿機理,并研究了不同電流條件下電弧傳熱機理的差異.在點火助燃方面,張磊等[18]研究了滑動弧對燃油霧化的影響規律,結果表明滑動弧等離子體有助于減小燃油的SMD(燃油噴霧索太爾平均直徑)值;Liu 等[19]在小型低排放(DLE)燃燒器上開展了滑動弧對火焰結構的影響研究,結果表明,滑動弧在火核發展和火焰的穩定過程中起重要的作用.上述研究為滑動弧等離子體的工程化應用奠定了堅實的理論基礎,開拓了大量的原創性成果,為后續滑動弧等離子體的研究與應用提供了借鑒,但是滑動弧等離子體應用范圍寬廣,其放電環境也是復雜的;滑動弧等離子體在惡劣環境中,尤其是高氣壓環境中的放電穩定性問題鮮有研究.

惡劣環境中滑動弧等離子體放電穩定性問題是關系到滑動弧等離子體工程化應用的重要問題[18],尤其是航空發動機燃燒室中,環境極其惡劣,高空極端環境中滑動弧等離子體放電穩定性與航空發動機高空二次點火能力密切相關.因此,本文設計了適用于航空發動機燃燒室的滑動弧等離子體激勵器,并開展了高氣壓條件下滑動弧等離子體的放電特性實驗.研究了大氣壓力對滑動弧等離子體放電特性、電弧運動特性、光譜特性的影響規律,運用兩譜線法對滑動弧放電過程中的電子激發溫度進行了計算,希望為滑動弧等離子體在高氣壓條件下的應用研究提供借鑒,并推動滑動弧等離子體在航空發動機上的工程化應用.

2 實驗系統

2.1 實驗系統組成

高氣壓下交流旋轉滑動弧放電實驗裝置主要包括氣源系統、電源、高氣壓放電實驗艙體、示波器、高速CCD 相機、三維旋轉滑動弧激勵器及管路系統組成.高氣壓交流旋轉滑動弧放電實驗系統原理圖如圖1 所示.

圖1 實驗系統示意圖Fig.1.Schematic diagram of experimental system.

供氣系統由螺桿式空氣壓縮機(型號:OGFD-42.8/8B,功率250 kW,排氣量42.8 m3/min,排氣壓力0.8 MPa)、儲壓罐、冷干機(型號:LY-D200AH)、內錐流量計(DYNZ16-8001E12)、智能流量積算儀等組成,為高壓艙實驗段增壓并提供所需壓力條件下的空氣.實驗過程中,入口空氣流量設置為0.0435 kg/s.

高氣壓滑動弧放電等離子體激勵電源為南京蘇曼等離子體科技有限公司生產設計的CG-10000FG 電源,該電源的輸入電壓380 V,電源調制頻率為10 —20 kHz,輸出功率為500—3000 VA.實驗過程中為使滑動弧激勵器在所需氣體壓力條件下均能放電成功,將電源頻率設置為17 kHz.

高氣壓放電實驗艙體由耐壓艙體(體積為:1.05 m3,最大可承受壓力為0.8 MPa)、進氣裝置、排氣裝置、安全閥、壓力表、觀察視窗及管路等組成.三維旋轉滑動弧激勵器直接與艙體內進氣管路連接,保證進入高壓艙的氣流全部經過三維旋轉滑動弧激勵器.實驗過程中,通過控制進氣裝置的進氣量來保證驅動滑動弧工作所需的空氣流量,通過控制艙體的排氣量來維持艙體內壓力的穩定,需要指出的是,本文所有工況均在壓力穩定條件下測得.

2.2 測量系統

高氣壓交流旋轉滑動弧放電實驗過程中采用高速CCD 相機、高壓探針、電流探針、示波器同步采集高氣壓交流旋轉滑動弧放電過程中的電壓、電流信號以及電弧圖像運動特征.高速CCD 相機(Mini UX50),能夠提供130 萬像素(1280×1024像素)的圖像分辨率,最高幀率可達到20000 幀/秒,最短曝光時間5 μs,實驗過程中高速CCD 相機采集幀率設置為10000 幀/秒,曝光時間設置為100 μs,能夠快速捕捉到滑動弧的運動過程.高壓探針(Tektronix P6015A),用于測量滑動弧放電過程中的電壓信號,電流信號通過電流探針(Tektronix TCP0030)測量.示波器(Tektronix DPO-4104B)與電壓、電流探針連接可同時對放電過程的電壓、電流信號進行采集,實驗過程中示波器采樣頻率設置為1×108次/秒.需要特別指出的是,實驗過程中,通過外部觸發器同步觸發高速CCD相機和示波器,以保證示波器與高速CCD 相機采集的時序性.

三維旋轉滑動弧激勵器的發射光譜信號通過Avantes 公司生產的四通道光譜儀(AvaSpec-ULS-2048-4-USB2)采集,測量的波長范圍為200—900 nm,最小分辨率達到0.18 nm,積分時間設置為1000 ms.在光譜信號測量過程中,將光纖探頭固定在三維坐標位移機構上,對滑動弧放電區域的5 個點進行周期性均布的信號采集,以提高實驗的準確度,最后對5次測量結果取平均值.實驗過程中光纖探頭的測點分布圖如圖2 所示.

圖2 光纖探頭測點位置分布示意圖Fig.2.Distribution diagram of measuring points of optical fiber probe.

2.3 三維旋轉滑動弧激勵器

目前航空發動機燃燒室存在高空燃油霧化質量差、燃燒效率低、點/熄火包線不足的重大現實問題.于錦祿[9]在第三屆全國青年燃燒學術會議上,首次提出將滑動弧與航空發動機燃燒室頭部相結合的概念,并驗證了滑動弧等離子體在提高航空發動機點火能力、拓寬航空發動機穩定燃燒范圍等方面存在明顯的優勢.因此,本文設計了適用于航空發動機燃燒室的三維旋轉滑動弧等離子體激勵器,其原理圖如圖3 所示,三維旋轉滑動弧激勵器主要由陰極燃油噴嘴、陽極文氏管、旋流器、喇叭口組成.陰極燃油噴嘴和陽極文氏管之間的最小擊穿距離為10.9 mm,陽極文氏管出氣角為37°,陽極文氏管通過高壓電纜接入高壓交流電,陰極燃油噴嘴與燃燒室火焰筒共地.陽極文氏管與陰極燃油噴嘴在強電場的激勵下產生等離子體電弧,在旋流器旋轉氣流的作用下形成三維旋轉滑動弧等離子體放電.經過燃油噴嘴初步霧化的燃油,全部經過滑動弧放電區域,一方面滑動弧等離子體促進了燃油的霧化裂解,另一方面滑動弧放電過程中產生的活性粒子在旋流器的作用下與霧化的燃油進行充分的摻混,同時在滑動弧等離子體放電的高溫升作用下完成航空發動機燃燒室的點火,實現航空發動機燃燒室的點火助燃一體化,改善燃燒室的燃燒性能.

圖3 三維旋轉滑動弧激勵器結構示意圖Fig.3.Structure diagram of 3D rotary sliding arc actuator.

3 實驗結果與分析

3.1 滑動弧放電模式分析

大氣壓(0.1 MPa)條件下通過數碼相機記錄了滑動弧放電過程中的兩種不同狀態下的放電圖像,如圖4 所示.圖4(a)和圖4(b)中的圖像均是由同樣拍攝條件下得到的四張照片拼接而成,從滑動弧放電圖像中可觀察到兩類照片中的電弧存在較大的差異.在圖4(a)中的電弧整體呈藍紫色,每根電弧的亮度較高,形態清晰可辨,相鄰兩電弧的形態較為相近,能直觀地體現出電弧擊穿的過程.而圖4(b)中的照片,電弧顏色以橘紅色為主,電弧形態模糊難以分辨,但在相機曝光時間內照片上清晰地記錄了滑動弧陰極端點在燃油噴嘴上的滑動過程,電弧的文氏管一端也呈現出連續滑動的特點.

大氣壓(0.1 MPa)條件下滑動弧放電過程中0—40 ms 電壓、電流信號波形如圖5(a)所示.觀察發現滑動弧放電過程中電壓、電流信號亦呈現出兩種不同的特征,特征Ⅰ:電壓、電流密集出現脈沖尖峰,且電流脈沖峰值的絕對值在1—15 A;特征Ⅱ:電壓呈現逐漸增大的正弦波變化特征,電流變化比較平穩,電流維持在毫安量級.將電弧運動圖像與電壓、電流信號相結合,得到圖5(b)和圖5(c),觀察發現,圖5(b)與圖4(a)中的電弧顏色均呈現藍紫色,相鄰電弧均未出現明顯的滑動和伸長.圖5(c)與圖4(b)中電弧顏色均為橘紅色,電弧出現明顯的位移和伸長,何立明等[20]指出,圖4(a)和圖5(b)這種放電模式是電弧處于不斷擊穿的過程中,電弧亮度較高,因此將其定義為擊穿伴隨滑動模式(B-G).而圖5(c)與圖4(b)是電弧處于擊穿之后的滑動、發展過程,電壓隨電弧的伸長呈逐步增長的正弦波變化,因此將這種放電模式定義為穩定滑動模式(A-G).

圖4 兩種不同狀態下電弧放電的照片 (a) 放電狀態一;(b) 放電狀態二Fig.4.Photos of arc discharge in two different states:(a) Discharge state Ⅰ (b) discharge state Ⅱ.

圖5 常壓放電電壓、電流波形圖 (a) 0—40 ms;(b) 22.2—22.5 ms;(c) 24.7—25 msFig.5.Voltage and current waveforms of atmospheric discharge:(a) 0—40 ms;(b) 22.2—22.5 ms;(c) 24.7—25 ms.

為研究介質氣體壓力對滑動弧放電模式的影響,將示波器采集到的電壓、電流信號特征繪制成圖6 所示的不同介質氣體壓力條件下電壓、電流波形圖.觀察圖6 發現,不同介質氣體壓力條件下滑動弧放電的電壓、電流信號仍然會出現前文所述的擊穿伴隨滑動模式(B-G)和穩定滑動模式(A-G),但是隨著介質氣體壓力的升高,電壓、電流的脈沖峰值會增加.由圖6(a)可知,大氣壓(0.1 MPa)條件下滑動弧放電的電壓峰值為3—4 kV,電流脈沖峰值在3—10 A.由圖6(c)可知,當介質氣體壓力升高到0.3 MPa 后,電壓峰值達到4—10 kV,電流脈沖峰值達到10—30 A.依據電子動能公式mv2/2eEλ(式中λ,m和e分別為電子平均自由程、電子質量和電子電荷量)可知,當介質氣體壓力增加時,單位體積內介質氣體的密度增加,進而增大了電子和分子碰撞的概率,導致電子平均自由程縮小,因此在相同間距下,需要更高的電壓才能擊穿陰極陽極之間的空氣,產生等離子體電弧.當介質氣體的壓力繼續增大,單位體積內介質氣體的密度變得更高,電子與分子發生碰撞的概率進一步增大,因此擊穿空氣產生電弧所需的電壓更高.由圖6(e)可得,介質氣體壓力增大到0.5 MPa 時,滑動弧放電的電壓峰值達到5—15 kV,電流峰值增大到10—40 A.

圖6 不同氣體壓力條件下電壓電流波形圖 (a) 0.1 MPa;(b) 0.2 MPa;(c) 0.3 MPa;(d) 0.4 MPa;(e) 0.5 MPaFig.6.Voltage and current waveforms under different gas pressures:(a) 0.1 MPa;(b) 0.2 MPa;(c) 0.3 MPa;(d) 0.4 MPa;(e) 0.5 MPa.

3.2 電弧運動特性分析

為直觀地描述介質氣體壓力對電弧運動特性的影響,利用高速CCD 相機拍攝不同介質氣體壓力下電弧的運動過程.每隔5 ms 取一張電弧圖像,將不同介質氣體壓力下50—85 ms 的8 張運動圖像進行對比,得到圖7 所示不同氣壓條件下電弧運動圖像.

從圖7 可以看出介質氣體壓力為0.1 MPa (大氣壓)時電弧在剛擊穿時刻(50 ms)長度較短且電弧顏色呈藍紫色,隨著時間的發展,電弧在氣流的吹動下長度在不斷變長,直到下一次擊穿,此段時間內電弧呈橘紅色.介質氣體壓力升高之后電弧呈現出與0.1 MPa(大氣壓)條件下不同的現象,從圖7(b)可以看出,介質氣體壓力為0.3 MPa 時,電弧在剛擊穿時刻(50 ms)亮度呈現亮白色,隨著時間的發展,電弧在氣流的吹動下不斷變長且向下游移動,在電弧發展的過程中電弧亮度變為藍紫色,電弧通道(圖像中表現為電弧粗細)明顯變窄(60 ms).觀察圖7 發現,高氣壓下滑動弧放電的電弧亮度均會呈現“亮白色-藍紫色-亮白色”的變化特征,電弧通道呈現“寬-窄-寬”的循環變化,隨著介質氣體壓力的升高電弧亮度變化以及電弧通道變化現象更加明顯.為了更加詳細地分析高氣壓條件下電弧運動過程中呈現出的這一現象,將0.4 MPa條件下滑動弧放電的電壓、電流、電弧運動圖像結合得到圖8 所示.

圖7 不同氣壓條件下電弧運動圖 (a) 0.1 MPa;(b) 0.3 MPa;(c) 0.4 MPa;(d) 0.5 MPaFig.7.Arc motion image under different air pressure:(a) 0.1 MPa;(b) 0.3 MPa;(c) 0.4 MPa;(d) 0.5 MPa.

從圖8 可以看出,在電弧啟弧階段電弧呈亮白色,且電弧通道較寬,啟弧之后電弧亮度呈現藍紫色,且明顯可以看出電弧通道變窄(2—2.3 ms),隨著時間的發展電弧長度在氣流的吹動下變長,電弧亮度又變為亮白色,電弧通道再次變寬,依次循環發展.結合圖8 中電壓、電流,分析可知,在電弧啟弧階段電弧在最小的間距下擊穿且此刻擊穿電壓較高,電子數量大,電離能力較強,且此時氣壓高單位體積內空氣密度較大,瞬間產生的激發態粒子數量增多,進而使得電弧亮度較高,電弧通道變寬.電弧啟弧之后,電弧通道形成,此時只需較小的電壓、電流就能維持電弧發展,電壓變小,陰極發射的高能電子數量變少,電離能力變弱,產生的激發態粒子變少,因此電弧亮度變暗,電弧通道變窄.隨著電弧長度的增加,兩極間的電阻變大,擊穿空氣消耗的能量增加,因此維持電弧發展的電壓逐漸變大,當電源輸出電壓不足以維持電弧長度時電弧會暫時息弧,但是上一時刻電弧熄滅后遺留的電弧通道擊穿條件要優于最小間距處擊穿條件,因此會在電弧熄滅位置附近重新擊穿產生新的電弧,此時電壓較高,因此電弧亮度增加,電弧通道又變寬,將高氣壓條件下滑動弧放電過程中出現的這種電弧通道驟變的現象定義為“弧道驟變”.因為“弧道驟變”現象與電壓、電流的變化密切相關,當電壓、電流出現脈沖峰值時,電弧亮度較高,電弧通道較寬;當電壓、電流無脈沖峰值出現時,電弧亮度較暗,電弧通道變窄;因此,在高氣壓條件下,通過弧道驟變現象可以更加清晰地判斷滑動弧放電所處的模式,進而有助于實現滑動弧等離子體放電的調控.

圖80.4 MPa 條件下滑動弧運動圖Fig.8.Motion diagram of sliding arc at 0.4 MPa.

3.3 壓力對電弧擊穿頻率、放電模式的影響

對比圖6 發現,隨著介質氣體壓力的增大,波形圖中電壓以及電流出現峰值的次數有所差異,意味著介質氣體壓力的變化會對電弧的擊穿頻率產生影響.因此對200 ms 放電時間內的電弧擊穿頻率以及電弧放電模式進行統計,得到圖9 所示不同氣壓下擊穿頻率、放電模式.

圖9 不同氣壓下擊穿頻率、放電模式Fig.9.Breakdown frequency and discharge mode under different air pressure.

分析發現,滑動弧的擊穿頻率和放電模式并不是隨著介質氣體壓力的變化單調變化.從圖9 可以看出,常壓下(0.1 MPa)電弧的擊穿頻率為11.9 kHz,擊穿伴隨(B-G)模式占比為35.99%,當介質氣體壓力升高至0.2 MPa 時,電弧的擊穿頻率升高至為26.55 kHz,擊穿伴隨(B-G)模式占比升高至82.25%,滑動弧的擊穿頻率在0.1—0.2 MPa 之間隨著介質氣體壓力的升高而不斷增加.這是由于介質氣體壓力升高,兩電極間的電阻值增大,電弧與空氣之間的換熱增大,為了維持兩電極間能量的平衡,電弧發展的路程受限,電弧擊穿頻率升高,電弧處于擊穿伴隨模式下的占比升高.當介質氣體壓力繼續升高,電弧擊穿頻率和擊穿伴隨模式占比都會呈現下降趨勢,當介質氣體壓力升高至0.5 MPa時,電弧擊穿頻率下降至14.3 kHz,擊穿伴隨(BG)模式占比下降至55.81%.這主要由兩方面原因導致,一方面氣體壓力繼續升高,電弧與空氣之間的換熱繼續增大,電弧的發展更困難.另一方面由氣體放電的帕邢定律VsminB(pl)min(式中Vsmin為最小擊穿電壓,B為湯森電離系數,p為氣體壓力,l為極間距)可知,介質氣體壓力升高,電弧的擊穿電壓變大,因此擊穿產生電弧的時間變長,進而擊穿頻率下降,擊穿模式的占比下降.但是總體來看高氣壓下的電弧擊穿頻率以及擊穿伴隨模式占比要比大氣壓下的高,意味著介質氣體壓力的升高會對電弧的生成和發展產生抑制作用.

3.4 壓力對滑動弧放電能量的影響

本文設計的旋轉滑動弧等離子體激勵器能夠實現航空發動機燃燒室的點火助燃一體化,其放電能量對航空發動機性能有著重要的影響.因此本文對不同工況下旋轉滑動弧等離子體激勵器放電過程的能量進行研究,文獻[14]指出滑動弧放電能量表達式為

式中,E代表放電能量;P代表放電功率;t1,t2分別代表開始和結束的時間.實際過程中示波器輸出的電壓、電流數據是離散點,不適用于(1)式,但是示波器輸出的點足夠多(0.2 s 保存2000 萬個點),因此根據離散點的積分公式推導出滑動弧放電能量公式為

式中,Pi為i時刻瞬時功率;Pi+1為i+1 時刻瞬時功率,Δt為兩數據點之間的時間間隔,應用此公式求得大氣壓下200 ms 時間內滑動弧放電的瞬時功率和能量如圖10 所示.從圖10 中可以看出,大氣壓條件下旋轉滑動弧放電過程中瞬時功率呈鋸齒狀變化,在電弧旋轉滑動過程中瞬時功率較小,在0.4 kW 左右,電弧擊穿過程中瞬時功率較大,瞬時功率大約在幾十千瓦,在200 ms 時間內旋轉滑動弧放電能量為84.74 J.

圖10 常壓下滑動弧放電的瞬時功率和能量Fig.10.Instantaneous power and energy of gliding arc discharge at atmospheric pressure.

200 ms 時間內旋轉滑動弧放電能量隨介質氣體壓力變化如圖11 所示,從圖中可以看出,200 ms時間內旋轉滑動弧放電能量隨介質氣體壓力的升高總體呈上升趨勢.介質氣體壓力為0.1 MPa (大氣壓)時滑動弧放電能量為84.74 J,當介質氣體壓力增大到0.2 MPa 時滑動弧放電的能量增大到119.65 J,能量增量為34.91 J,放電能量的增加主要是由于介質氣體壓力升高改變了滑動弧放電的模式.文獻[14]指出,滑動弧放電過程中,電弧處于擊穿伴隨模式下消耗的能量高于電弧處于穩定滑動模式下消耗的能量.由前文分析可知介質氣體壓力升高,電弧的擊穿頻率升高,滑動弧放電模式會向擊穿伴隨模式轉變.同時,介質氣體壓力升高增大了滑動弧放電的電壓/電流,導致滑動弧放電的瞬時功率增大,因此在相同時間內電弧放電能量增大.當介質氣體壓力升高到0.3 MPa 時,滑動弧放電的能量增大到126.04 J,相比于0.2 MPa 時能量增值為6.39 J,能量增值明顯變小.結合圖9 分析可知能量增值變小的原因是,當介質氣體壓力超過0.2 MPa 之后,繼續升高介質氣體壓力,電弧的擊穿頻率以及擊穿伴隨模式占比會呈現下降的趨勢,較大的瞬時功率出現的次數減少.介質氣體壓力高于0.3 MPa 之后,滑動弧放電的能量增長幅度變大,這是由于介質氣體壓力繼續升高,電弧擊穿電壓以及維持電弧發展的電壓繼續增大,滑動弧放電的瞬時功率增大,此時瞬時功率增大對能量的影響要高于電弧擊穿頻率對能量的影響,當介質氣體壓力升高至0.52 MPa 時放電能量增大到147.13 J.

圖11 不同氣壓下滑動弧放電能量Fig.11.Discharge energy of sliding arc under different pressure.

3.5 壓力對滑動弧放電發射光譜的影響

滑動弧放電過程中在強電場激勵作用下會產生大量激發態粒子,這些激發態粒子在向基態或較低激發態躍遷時將多余的能量以光子的形式輻射出去,進而形成光譜[20].由于不同粒子的激發態能級不同,所以不同粒子的發射光譜也不同,因此通過對滑動弧放電過程的光譜信號進行分析,即可推測出滑動弧放電過程激發態物質的種類及其濃度.大氣壓條件下滑動弧放電過程中的發射光譜如圖12所示.

從圖12 中可以看出,滑動弧放電發射光譜的譜線與譜帶并存,滑動弧放電發射光譜主要集中在300—800 nm 范圍內,且在350—450 nm 范圍內發射光譜較為集中,且發射強度較高.其中在350—370 nm 范圍內發現了氮氣分子第二正帶系N2(C2Πu→B2Πg)的發射光譜,在390.4 nm 處發現了的發射譜線,這表明滑動弧放電過程中會產生大量的激發態氮氣分子以及自由基,這些激發態的氮原子對化學反應起著重要的作用.同時在337 nm和777.5 nm 處分別出現了O2和O 的發射譜線,氧的激發態以及氧原子會在燃燒過程中促進燃燒反應的進行.在滑動弧放電發射光譜中還在511.03 nm 處發現了OH 的發射譜線,這是空氣中的水蒸氣在強電場激發下出現的結果.

圖12 大氣壓滑動弧放電發射光譜Fig.12.Emission spectra of atmospheric pressure sliding arc discharge.

實驗過程中采集到的不同介質氣體壓力條件下滑動弧放電發射光譜如圖13 所示,由圖分析可得,隨著介質氣體壓力的升高,滑動弧放電發射光譜整體發射強度呈現出增強趨勢.處在350—370 nm處的氮氣分子第二正帶系 N2(C2Πu→B2Πg) 的發射強度呈現減弱現象,但是處在400—500 nm(激發能為106cm—1量級)范圍內的氮原子的激發態發射強度大幅提高.隨著介質氣體壓力的升高還會在744.78 nm 處出現氮原子NⅠ(激發能為96787.680 cm—1)的發射譜線,且隨著介質氣體壓力的升高發射強度增強,隨著介質氣體壓力升高會在794.3 nm (OⅠ)和822.1 nm (OⅠ,激發能為113294.816 cm—1)處出現氧的不同激發態的發射譜線.對比發現,隨著介質氣體壓力升高,分子的激發態發射強度會呈現減弱趨勢,而分子對應的原子激發態發射強度增強,尤其是處在低能級的原子激發態普遍呈現增強趨勢.這種現象是由于介質氣體壓力升高,滑動弧放電的激勵電壓升高,電離能力增強,使得相同空間內電子的數量以及電子所攜帶的能量都相應增加,高能電子與空氣中分子碰撞的概率增加,進而將更多的分子電離形成基態,導致基態的發射強度升高明顯.

圖13 不同氣體壓力條件下滑動弧放電發射光譜Fig.13.Emission spectra of sliding arc discharge under different gas pressures.

為詳細分析介質氣體壓力對滑動弧放電發射光譜的影響,選取具有助燃效果的 O2(337 nm),O(777.5 nm),OH(511.03 nm)三種粒子以及對化學反應起促進作用的N 的激發態(390.4 nm)進行分析,得到圖14 所示的氣壓對活性粒子發射強度的影響規律.

圖14 氣體壓力對活性粒子發射強度的影響Fig.14.Influence of gas pressure on emission intensity of active particles.

從圖14 中可任意看出,O2(337 nm)的發射強度隨著介質氣體壓力的升高逐漸變小,當介質氣體壓力為大氣壓(0.1 MPa)時,O2(337 nm)的發射強度為5470.6 arb.units,當介質氣體壓力升高到0.4 MPa 時,O2(337 nm)的發射強度降低到628.2 arb.units.O(777.5 nm)與 O2(337 nm)的發射強度隨介質氣體壓力的變化呈現出完全相反的趨勢,這是由于氧原子的主要產生途徑為[20]

隨著介質氣體壓力的升高,滑動弧放電過程中的激勵電壓升高,陰極發射的高能電子數量以及電子所攜帶的能量均增大,高能電子與 O2(337 nm)碰撞的頻率升高,氧分子生成更多的激發態的氧原子,導致 O2(337 nm)的發射強度降低而O(777.5 nm)的發射強度增強.由于空氣中含有少量的水蒸氣,滑動弧放電發射光譜中會有OH(511.03 nm)出現,OH(511.03 nm)的光譜發射強度隨介質氣體壓力的升高而增強且變化幅度較大.當介質氣體壓力為大氣壓(0.1 MPa)時OH(511.03 nm)的光譜發射強度為2066.9 arb.units,隨著介質氣體壓力的升高,單位體積內水蒸氣的密度增加,滑動弧放電過程的激勵電壓也在升高,因此電場中電子的密度增加,電子與水蒸氣碰撞的概率變高,進而OH(511.03 nm)的光譜發射強度增強,當介質氣體壓力增大到0.4 MPa 時,OH(511.03 nm)的光譜發射強度增大到58844.7 arb.units.產生的主要途徑為

3.6 壓力對電子激發溫度的影響

電子激發溫度是表征等離子體中粒子和電子碰撞過程的熱力學平衡狀態的重要參數,由于滑動弧放電產生的等離子體為非平衡等離子體,認為其局部達到熱力學平衡狀態,因此原子在能級上的布居數服從Boltzman 分布:[21]

式中,N1,N2表示高、低能級原子布居數;g1,g2表示高、低能級的統計權重;E1,E2表示高、低能級的激發能;kB表示Boltzman 常數(1.380649×10-23J/K);T表示電子激發溫度.

對于等離子體發射光譜而言,原子譜線發射強度可以表示為

式中,I為譜線發射強度;h為普朗克常數(6.62607015×10-34J·s);c為光速,v為發射光譜譜線頻率;A為上下能級之間的躍遷幾率;N為原子布居數.根據兩譜線強度計算電子激發溫度法[22],聯立(8)式和(9)式可得

進而可得

本文的工作介質為空氣,因此在滑動弧放電的發射光譜中出現大量的N 的激發態,根據兩譜線法,選用發射強度較高的同屬于氮原子的兩條較為清晰的譜線391.9001 nm 以及399.4997 nm 來計算電子的激發溫度,所需光譜數據來源于美國國家標準與技術學會網站,列于表1.

表1 氮原子光譜數據Table 1.Structural parameters of capillary of different kind of fluid.

通過計算得到不同介質氣體壓力條件下滑動弧放電過程中電子激發溫度如圖15 所示.分析圖15發現,電子激發溫度隨介質氣體壓力的升高呈增大趨勢,介質氣體壓力為0.1 MPa (大氣壓)時,電子激發溫度為0.8153 eV,當介質氣體壓力升高到0.4 MPa 時,電子激發溫度增大到5.3165 eV.在等離子體放電過程中,非彈性碰撞是使基態原子躍遷到激發態的主要原因,電子平均能量的高低主要反映在電子激發溫度的變化上[23],而電子能量是通過電場加速獲得[24].因此電子激發溫度的升高可由兩個原因導致:一方面由前文分析可知,隨著介質氣體壓力升高,滑動弧放電的擊穿電壓升高,因此激發出的電子數量增多,并且等離子體中電子在電場中獲得的初始能量增大;另一方面,電弧擊穿之后,隨著介質氣體壓力的升高,維持電弧發展的電壓增大,兩電極間的電場強度增加,依據mv2/2eEλ可知,電子在電場中獲得的期望能量增大.因此隨介質氣體壓力的升高,電子激發溫度整體呈增大趨勢.

圖15 氣體壓力對電子激發溫度的影響Fig.15.Influence of gas pressure on electron excitation temperature.

4 結論

1) 高氣壓下電弧運動過程會出現“弧道驟變現象”,此現象和滑動弧放電的電壓、電流變化密切相關,因此可以通過高氣壓下“弧道驟變”現象對滑動弧等離子體放電進行調控.

2) 介質氣體壓力升高,電弧擊穿頻率并非單調變化,由于氣壓升高對電弧的形成和發展起抑制作用,因此在氣體壓力為0.2 MPa 時,電弧的擊穿頻率達到最大值,為26.55 kHz,隨著氣壓的繼續升高電弧的擊穿頻率逐漸降低,但是高氣壓下的電弧擊穿頻率要高于常壓下的電弧擊穿頻率.

3) 隨著介質氣體壓力升高,滑動弧放電的電壓、電流、放電能量以及光譜發射強度總體呈升高趨勢;常壓下滑動弧放電過程的能量為84.74 J,當介質氣體壓力升高到0.52 MPa 后,滑動弧放電的能量增大至147.13 J,滑動弧發射光譜整體呈現增強趨勢,在強電場的作用下,分子激發態更多的被電離為原子激發態,分子光譜發射強度有所減弱,原子的光譜發射強度增強.

4) 運用兩譜線法對滑動弧放電過程中的電子激發溫度進行計算,常壓下的電子激發溫度為0.8153 eV,介質氣體壓力升高至0.4 MPa 后,電子激發溫度升高至5.3165 eV.