多電極圓柱型DBD等離子體發生器的仿真分析

辛紀威，李占賢

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省工業機器人產業技術研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

近年來，低溫等離子體以其設計簡單、運行成本低等獨特優勢引起了人們越來越多的關注[1]。通常來說，產生低溫等離子體的方法有多種，如直流輝光放電、電暈放電、介質阻擋放電、射頻放電、滑動電弧放電和微波放電[2]。在這些放電方法中，介質阻擋放電可以產生大規模等離子體，更適合于材料表面處理和等離子體化學[3]。目前，DBD等離子體已在臭氧生產[4]、材料表面改性[5]、環境污染控制[6]等領域獲得了廣泛應用。由于DBD的放電特性，電容電流始終非常高，這將導致不均勻的處理性能，甚至對樣品表面造成損壞。為了降低DBD的電容電流，本文提出了一種新型多電極圓柱型DBD等離子體發生器，研究了在不同參數下絕緣介質層表面電場強度的分布情況，為發生器的優化設計提供技術支撐。

1 多電極圓柱介質阻擋放電等離子體發生器的建模

Ansoft公司的Maxwell 2D/3D是一個功能強大、結果精確、易于使用的二維/三維電磁場有限元分析軟件，可以用來分析電機、變壓器等電磁裝置的正常工況和故障工況等特性，具有高性能矩陣求解器和多CUP處理能力，提供了最快的求解速度。本文使用Maxwell進行仿真分析，首先通過SolidWorks制圖軟件搭建多電極圓柱介質阻擋放電等離子體發生器的結構模型，該發生器由幾個銅箔帶電極構成，相鄰電極間具有相同的寬度和間隔，如圖1所示，其中采用內徑為12 mm、外徑為14 mm、長度為100 mm的石英玻璃管作為絕緣介質，采用內徑為10 mm、外徑為12 mm、長度為120 mm的銅管作為高壓電極同軸插入石英玻璃管中，銅箔緊密包裹在石英玻璃管的外表面作為接地電極。然后將其保存為STEP格式并導入Maxwell仿真軟件，對每個結構設置材料屬性，給高壓電極和接地電極施加電壓值，設置邊界條件，添加解決方案進行分析求解。

圖1 多電極圓柱介質阻擋放電裝置結構示意圖

2 電磁場有限元仿真及分析

當研究不同外加電壓對放電特性的影響時，選用的外加電壓分別為2 kV、3 kV、4 kV、5 kV；當研究不同放電長度對放電特性的影響時，選用的放電長度分別為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm；當研究不同相鄰外電極間距對放電特性的影響時，選用的相鄰外電極間距分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm；當研究不同電極寬度對放電特性的影響時，選用的電極寬度分別為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm。

2.1 不同外加電壓對放電特性的影響

選擇放電長度為10 mm、相鄰外電極間距為4 mm、電極寬度為3 mm的等離子體發生器進行不同外加電壓對放電特性影響的研究分析，當高壓與接地電極間分別施加2 kV、3 kV、4 kV、5 kV電壓時，得到不同外加電壓的電場強度分布,如圖2所示。

由圖2可知，當高壓電極與接地電極間分別施加2 kV、3 kV、4 kV、5 kV電壓時，金屬電極邊緣區電場強度分別位于(1.05×106～2.81×106) V/m、(1.58×106～4.21×106) V/m、(2.11×106～5.62×106) V/m、(2.63×106～7.02×106) V/m區間，金屬電極區電場強度分別位于(2.81×106～3.51×106) V/m、(4.21×106～5.27×106) V/m、(5.62×106～7.02×106) V/m、(7.02×106～8.78×106) V/m區間，部分金屬電極區域電場強度分別位于(3.51×106～5.27×106) V/m、(5.27×106～7.90×106) V/m、(7.02×106～1.05×107) V/m、(8.78×106～1.32×107) V/m區間。通過對比分析圖2(a)、(b)、(c)、(d)可得，隨著外加電壓的升高，石英玻璃表面的電場強度逐漸增大，越容易產生介質阻擋放電等離子體。

圖2 不同外加電壓的電場強度分布

2.2 不同放電長度對放電特性的影響

選擇外加電壓為2 kV、相鄰外電極間距為4 mm、電極寬度為3 mm的等離子體發生器進行不同放電長度對放電特性影響的研究分析，當放電長度分別為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm時，不同放電長度的電場強度分布如圖3所示。

由圖3可知：當放電長度分別為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm時，金屬電極邊緣區電場強度分別位于(1.15×106～3.07×106) V/m、(9.55×105～2.54×106) V/m、(1.16×106～3.08×106) V/m、(1.03×106～2.73×106) V/m區間，金屬電極區電場強度分別位于(3.07×106～3.84×106) V/m、(2.54×106～3.18×106) V/m、(3.08×106～3.85×106) V/m、(2.73×106～3.41×106) V/m區間，部分金屬電極區域電場強度分布于(3.84×106～5.75×106) V/m、(3.18×106～4.77×106) V/m、(3.85×106～5.78×106) V/m、(3.41×106～5.11×106) V/m區間。通過對比分析圖3(a)、(b)、(c)、(d)可得，放電長度為50 mm時石英玻璃表面的電場強度大于放電長度分別為10 mm、70 mm及30 mm時石英玻璃表面的電場強度。

圖3 不同放電長度的電場強度分布

2.3 不同相鄰外電極間距對放電特性的影響

選擇外加電壓為2 kV、放電長度為30 mm、電極寬度為3 mm的等離子體發生器進行不同相鄰外電極間距對放電特性影響的研究分析。當相鄰外電極間距分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm時，不同相鄰外電極間距的電場強度分布如圖4所示。由圖4可知：當相鄰外電極間距為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm時，金屬電極邊緣區電場強度分布于(1.04×106～2.77×106) V/m、(1.06×106～2.82×106) V/m、(1.01×106～2.69×106) V/m、(1.09×106～2.90×106) V/m區間，金屬電極區電場強度分布于(2.77×106～3.46×106) V/m、(2.82×106～3.52×106) V/m、(2.69×106～3.36×106) V/m、(2.90×106～3.62×106) V/m區間，部分金屬電極區域電場強度分布于(3.46×106～5.19×106) V/m、(3.52×106～5.28×106) V/m、(3.36×106～5.04×106) V/m、(3.62×106～5.44×106) V/m區間。通過對比分析圖4(a)、(b)、(c)、(d)可得，相鄰外電極間距為10 mm時石英玻璃表面的電場強度大于相鄰外電極間距分別為6 mm、4 mm及8 mm時的石英玻璃表面的電場強度。

圖4 不同相鄰外電極間距的電場強度分布

2.4 不同電極寬度對放電特性的影響

選擇外加電壓為2 kV、放電長度為30 mm、相鄰外電極間距為4 mm的等離子體發生器進行不同電極寬度對放電特性影響的研究分析，當電極寬度分別為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm時，不同電極寬度的電場強度分布如圖5所示。

圖5 不同電極寬度的電場強度分布

由圖5可知：當電極寬度為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm時，金屬電極邊緣區電場強度分布于(9.72×105～2.59×106) V/m、(1.28×106～3.40×106) V/m、(9.99×105～2.66×106) V/m、(8.45×105～2.25×106) V/m區間，金屬電極區電場強度分布于(2.59×106～3.24×106) V/m、(3.40×106～4.25×106) V/m、(2.66×106～3.32×106) V/m、(2.25×106～2.81×106) V/m區間，部分金屬電極區域電場強度分布于(3.24×106～4.85×106) V/m、(4.25×106～6.38×106) V/m、(3.32×106～4.98×106) V/m、(2.81×106～4.22×106) V/m區間。通過對比分析圖5(a)、(b)、(c)、(d)可得，電極寬度為5 mm時石英玻璃表面的電場強度大于電極寬度分別為8 mm、3 mm及10 mm時石英玻璃表面的電場強度。

3 結論

本文采用Ansoft Maxwell電磁場有限元分析軟件研究了多電極圓柱介質阻擋放電等離子體發生器介質層表面電場強度的分布情況。通過分析不同外加電壓、不同放電長度、不同相鄰外電極間距和不同電極寬度對放電特性的影響，得出以下結論：隨著外加電壓的升高，石英玻璃表面的電場強度逐漸增大，越容易產生介質阻擋放電等離子體；放電長度為50 mm時石英玻璃表面的電場強度大于放電長度分別為10 mm、70 mm及30 mm時石英玻璃表面的電場強度；相鄰外電極間距為10 mm時石英玻璃表面的電場強度大于相鄰外電極間距分別為6 mm、4 mm及8 mm時石英玻璃表面的電場強度；電極寬度為5 mm時石英玻璃表面的電場強度大于電極寬度分別為8 mm、3 mm及10 mm時石英玻璃表面的電場強度。本文研究結果對于后續多電極圓柱介質阻擋放電等離子體發生裝置的優化設計具有一定的指導意義。