南昌大学学报（理科版）
 
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南昌大学学报(理科版)
 
2022年 46卷 2期
刊出日期：2022-04-28
论文
   
论文
103 金帅高书涵张远涛
大气压脉冲调制射频放电中相关时间尺度效应的数值模拟
近年来，大气压射频放电由于可以产生大体积均匀的等离子体而引起人们极大的关注，引入脉冲调制后，所产生的脉冲调制等离子体与连续等离子体相比表现出不同的放电行为，这为研究大气压射频放电中不同的时间尺度关系提供了条件。本文基于一维流体模型，以首电流脉冲为研究对象，研究了电压变化时间(射频频率)、电压施加时长和电压关断时长对放电的影响，讨论了电场变化、带电粒子迁移与带电粒子扩散之间不同时间尺度的关系。计算结果表明，首电流脉冲现象仅出现在电压变化时间较短，即电压变化率较高的条件下；随着电压施加阶段的延长，首电流脉冲将明显增强，稳定后的放电电流也有所增加；随着电压关断阶段的延长，首电流脉冲先增强后减弱，稳定后的放电电流则一直减小。本文的研究有助于深刻理解大气压射频放电中不同时间尺度之间的关系，为实际应用中放电参数的选择提供理论依据。
2022 Vol. 46 (2): 103- [摘要] ( 64 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 195 )
115 徐帅 汪春节 封宗瑜 肖德玲 孙艺娓 秦嘉莹 劳承云 罗汉兵 胡露 张坚 刘文正
针对室内空气污染处理的交直流耦合大气压辉光放电
通过构造交直流耦合电极结构，形成了较大面积的辉光放电并进行了空气净化研究。首先，研究了碳纤维螺旋电极的电场分布特征，分析了非均匀电场产生大气压空气辉光放电的可能性。其次，提出了碳纤维螺旋电极与网状电极的交直流耦合放电模式，分析了网状电极施加不同极性直流电压对电场分布的影响。结果表明，网状电极施加正极性直流电压时，利用碳纤维螺旋电极放电产生种子电子，可以在5 mm间隙内形成弥散的辉光放电。最后，利用制作的空气净化装置在60 min内将甲醛、TVOC和细颗粒物等污染物的浓度都降到国家标准以下。
2022 Vol. 46 (2): 115- [摘要] ( 49 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 205 )
123 连秀云缪劲松杨冰彦韩若愚欧阳吉庭
双极电晕放电及其在空气净化中的应用
本文研制设计了一种基于双极电晕放电的新型无风机空气净化装置。实验研究了双极电晕的放电特性、离子风速、发射光谱及活性粒子种类和臭氧浓度，然后利用双极电晕净化装置进行了灭菌和去除挥发性有机化合物（VOCs）实验，并测试了净化装置的循环气量、噪声、副产物残余等性能参数。结果表明，双极电晕放电的伏安曲线满足经典汤森关系；介质板的利用有效避免了电极间火花放电的产生，使装置具有更高的操作电压和更大的离子风速。双极电晕产生的发射光谱以氮、氧和OH自由基的谱线为主。灭菌和去除VOCs实验表明，该双极电晕净化装置可在6 min左右完全杀灭金黄色葡萄球菌，相比于传统单极电晕（单针-环）或传统无介质层的双极电晕具有更高的杀菌效率；可以在120 min内使30 m3测试室初始浓度为1.06 mg/m3的甲醛（HCHO）降至0.1 mg/m3以下；而且臭氧、氮氧化物等副产物的浓度低，达到环境质量标准；净化装置的噪声小，满足相关标准的要求。
2022 Vol. 46 (2): 123- [摘要] ( 148 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 178 )
130 郭景润戴宏宇李黎
燃弧气氛对强流脉冲电弧冲击波超压峰值的影响
在激光惯性约束聚变等实现极端物理效应的科学装置中，能源系统需要输出高峰值、高上升率的脉冲电流。气体间隙开关中的大电流电弧膨胀时，伴随产生极强的冲击波超压，影响开关性能和安全。基于电弧能量平衡理论，得到了强流脉冲电弧通道半径和冲击波超压峰值的解析表达式。根据理想混合气体的绝热指数计算方法，分别计算了O2体积分数为20%、40%、60%情况下，O2/N2、O2/He、O2/Ar混合气体的绝热指数及电弧抗膨胀系数，结果表明，O2与单原子分子气体混合时，O2含量越高，电弧抗膨胀系数越大。计算分析了不同燃弧气氛下的电弧通道半径和冲击波超压峰值，结果表明，O2与He、Ar等单原子分子气体混合作为燃弧气氛时，能有效降低电弧冲击波超压峰值。
2022 Vol. 46 (2): 130- [摘要] ( 63 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 198 )
136 刘鹏李娜陈童刘壹顺杜军潘杰秦绍华
脉冲调制微波放电等离子体的数值模拟
建立零维空气与氩气微波放电等离子体数值模型，研究调节约化电场强度和占空比对空气和氩气微波放电等离子体的影响，系统地阐述不同约化电场强度和占空比下电子密度的时间演化与平均粒子密度的变化，以及空气反应中粒子的主要生成路径。计算结果表明：在放电阶段，随着约化电场强度的增加，空气与氩气微波放电等离子体的电子密度峰值呈增大趋势。随着占空比的增加，空气微波放电等离子体电子密度峰值呈减小趋势，氩气等离子体电子密度峰值保持不变。大部分粒子的平均密度随着约化电场强度和占空比的增大而增大，且氩气等离子体的平均电子密度高于空气的。
2022 Vol. 46 (2): 136- [摘要] ( 79 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 186 )
147 孙克思袁凤宝张家良
激光烧蚀金属的真空热电子发射测量
激光烧蚀固体表面开始于激光对表面层的加热，该阶段持续时间极短(与激光脉冲持续时间相当),随即加热层发生熔融、汽化和电离，形成烧蚀等离子体。烧蚀之前表面首先发生热电子发射，形成热发射电子流脉冲。本文以金属Cu、Al、Ti作为靶材，利用Nd:YAG脉冲激光在真空条件下引发烧蚀过程，针对热电子发射设计了一种测量电路，根据电路模型提出了计算热电子流强度的方法，并以此考查了烧蚀热电子发射行为，验证了该测量方法的可行性。该电路基于电流源短路测量原理设计，可以监测热电子流强度的时间演化。文中以热电子流密度的峰值为指标，分析了光斑面积对热电子发射的影响。表明：表面温升过程是决定热电子流密度的主要因素，而激光脉冲能量与光斑面积决定表面温升；当激光能量一定时，热电子流密度随光斑面积增加而迅速减小。根据包括烧蚀区温度及逸出功的热电子发射模型，讨论了三种靶材的烧蚀热电子发射行为，认为逸出功对热发射影响不大，而靶材熔点是热电子发射峰值电流密度的决定因素。
2022 Vol. 46 (2): 147- [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 200 )
154 刘宇曦 廖胤权 耿金越 孙素蓉 王海兴
基于电晕放电的离子风推进装置推力性能
基于电晕放电的离子风推进装置的推力性能进行了实验研究。采用线-箔、线-平行箔和针-箔三种不同的电极结构，研究了外加电压和电极结构对离子风推进装置推力的影响。结果表明，对于线-箔结构，电晕放电的起始电压随着电极导线半径的增加而增加，装置的推力随着外加电压的升高而增加。在相同的外加电压下，具有多个收集极的线-平行箔结构产生的推力大于线-箔结构产生的推力，而针-箔结构产生的推力亦高于线-箔结构获得的推力。对应的静电场数值模拟结果表明，不同的电极结构改变了电场的空间分布，进而影响了离子风推进装置的推力。进一步的优化设计应综合考虑发射极附近的局部电场以及发射极和收集极之间的空间电场的组合效应，以提升离子风推进装置推力性能。
2022 Vol. 46 (2): 154- [摘要] ( 128 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 153 )
160 程玉峰王伟宗张金瑞刘昱涵蔡国飙
电喷雾推力器锥射流形成的电流体力学仿真
以G往关于电喷雾过程仿真研究对象多局限于低电导率液体，而电喷雾推力器使用的工质主要为高电导率离子液体，推力器工作时，离子液体在强电场作用下形成锥形，并在末端发射出锥形等离子体荷电喷雾。但离子液体受空间电荷、液体内部电流及液面电流的影响较大，电流体力学过程更为复杂，相关仿真研究极为匮乏。本文通过加入未简化的电荷守恒方程，考虑空间电荷及电流对锥射流形成与演化的影响，并耦合高斯定律和Navier-Stokes(N-S)方程求解流场及电荷分布，使用volume of fluid(VOF:流体体积)方法追踪液-气界面的变化，对高电导率液体的电喷雾锥射流形成过程开展了仿真研究。本次仿真工作以庚烷为工质模拟了锥射流形成与演化过程，得到电荷、电势和流场的分布，并与未考虑空间电荷的理想电介质模型进行对比。仿真结果表明，在低电导率情况下，本文模型与理想电介质模型的结果相近；高电导率情况下，本文模型得到的结果与相关实验更加吻合。
2022 Vol. 46 (2): 160- [摘要] ( 60 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 216 )
168 高皓天刘大伟
低成本脉冲源驱动的纳秒脉冲等离子体固氮
纳秒脉冲等离子体在环境工程领域与生物医学领域有着广阔的应用前景。本文介绍了一种集成度较高、成本较低的kHz脉冲电源和一种简单、实用的等离子体发生装置。本文所提及的脉冲电源的成本在2000元以内，电压峰值、放电频率均可通过修改电路元件参数进行调节。该等离子体放电装置在大气压条件下可产生体积为25cm×25cm×2cm的均匀等离子体区，放电装置的工作气体为空气或氮气。将雾滴通过等离子体放电区域后，等离子体中的气相NOx、O和OH-等粒子溶解在雾滴中，并通过一系列反应形成NO-2、NO-3和NH+4,从而实现大气压条件下的低温等离子体固氮。
2022 Vol. 46 (2): 168- [摘要] ( 46 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 189 )
173 张积利何湘王春旺李阳升包玉陈秉岩岳江
正电晕放电等离子体降解甲醛气体
甲醛作为一种典型的挥发性有机物(VOCs),是室内空气污染的主要来源。近年来，大气压放电等离子体用于环境治理成为研究热点。本文设计制作了一种基于S型气体通道的多针对板的放电反应器，采用高压直流电源放电产生电晕，利用空气电离产生的活性成分来达到降解甲醛气体的目的。研究结果表明：随着施加电压的增高，甲醛降解率也随之提高，施加电压为18.5 kV时甲醛降解能量效率达到最大值；随着气体流速的增加，甲醛降解率随之降低，气体流量为30 L/min时能量效率最大；随着甲醛初始浓度的增加，降解率随之降低；在电晕放电所产生的成分中，臭氧与甲醛降解关系密切，有无甲醛两种条件下，放电生成的臭氧浓度变化与甲醛浓度变化规律相似；S型放电通道设计使等离子体降解甲醛更高效，在大流量处理甲醛气体的应用中具有现实意义。
2022 Vol. 46 (2): 173- [摘要] ( 64 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 189 )
180 汪剑钟安戴栋朱明睿
基于密度泛函理论计算的二次电子发射对放电等离子体特性的影响
离子诱导二次电子发射(SEE)过程是低温等离子体的基本物理过程。电介质上的表面电荷在SEE过程中起着重要作用，从而影响放电等离子体动力学过程。不同于之前研究通过简化电子结构和表面电荷参数进行计算的模型，基于俄歇中和与密度泛函理论(DFT)模型，采用一种更精确的方法计算了含氮掺杂的氦气大气压介质阻挡放电(DBD)中介质表面有电荷累积的MgO的二次电子发射系数(SEEC),并在此基础上分析了其对DBD时空特性的影响。为了更直观地观察介质表面电荷对SEE过程的作用，引入放电过程中表面残留电荷较少的削波电压与正弦电压进行比较。结果表明，削波电压下的放电过程前后无明显变化，而正弦电压下放电峰值时刻的相位提前，电流幅值明显减小，电子的空间分布更加弥散，这不仅验证了本研究DFT模型计算的有效性，还为进一步研究DBD放电的物理过程奠定了理论基础。
2022 Vol. 46 (2): 180- [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 191 )
190 陈卓怡 项晖阳 孔飞 章程 邵涛 陈光良
磁场增强大气压等离子体射流对镍钴合金泡沫的表面改性
用磁场增强大气压等离子体射流（APPJ）限域改性镍钴合金泡沫（NCF）,并在纯水中原位生长镍钴氢氧化物(NiCo（OH）2),探讨等离子体射流对氢氧化物纳米材料电催化性能的影响。结果表明：磁场可有效提高APPJ改性位置的放电强度和活性粒子浓度，提升镍钴氢氧化物纳米晶核的形成密度，加速后续纯水中氢氧化物生长速度。此外，氧化物纳米六方体镶嵌在纳米片边缘，有利于增强电催化稳定性。制备的MOx-M（OH）2/PMNCF电极材料在碱性溶液中(1 mol·L-1 KOH)传递析氢（HER）析氧（OER）电流密度为100 mA·cm-2时，过电位分别为248和385 mV,优于其他化学法制备的同类材料。本文为过渡金属化合物电催化材料的绿色构建提供了一种新方法。
2022 Vol. 46 (2): 190- [摘要] ( 53 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 202 )
200 周洋洋申杰飞崔行磊方志
纳秒脉冲激励Ar/PDMS介质阻挡放电特性
介质阻挡放电(DBD)因其能够在大气压下产生大面积等离子体，在材料改性领域具有广阔应用前景。为获得高活性、可调控、适用于憎水改性的DBD等离子体，本文以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为憎水性反应媒质，以Ar作为工作气体，采用纳秒脉冲电源激励产生介质阻挡放电。改变电压幅值、重复频率、上升沿时间等激励源参数，通过电学特性、发光特性和光谱特性诊断方式，获得了激励源参数与放电均匀性和粒子活性的关系。结果表明，重复频率对粒子活性影响最显著，随着重复频率增加，光谱强度显著增大，粒子活性增强，这对于提高憎水改性效果具有显著作用。此外，增大电压幅值和上升沿时间也可提高粒子活性，但增大电压幅值会导致放电均匀性下降，而上升沿时间超过200 ns会对粒子活性产生抑制作用。
2022 Vol. 46 (2): 200- [摘要] ( 46 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 192 )
208 胡亚敏王艳辉蒋园园张佼王德真
针-环-板电极结构下大气压He等离子体射流模拟研究
电极结构是影响大气压等离子体射流特性的一个重要因素，研究不同电极结构下等离子体射流的传播行为，对优化射流装置、满足不同的应用需求具有重要意义。本文采用二维轴对称流体模型，模拟研究了针-环-板电极结构下，当环电极所加电压及环电极位置不同时，大气压氦等离子体射流的传播行为。模拟结果显示，在模拟条件下，不论环电极位置如何，环电极接地时射流的电子密度都高于环电极与针电极接相同高压时射流的电子密度，而且射流结构也不受环电极位置影响。但是环电极的位置不同，射流的传播速度和传播距离不同。当环电极距离管口较远时，环电极接地产生的射流传播较快，与环接高压相比，相同时间内获得的射流更长；当环电极距离管口较近时，则环电极与针电极接相同高压产生的射流传播更快。文章中对这些行为形成的物理机制也进行了分析和讨论。
2022 Vol. 46 (2): 208- [摘要] ( 68 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 212 )
216 王尚民 刘超 郭宁 耿海 陈新伟 丁永杰 李鸿 李沛 郭伟龙 何非
HET-450大功率霍尔电推力器仿真分析及试验
针对大功率霍尔推力器耐受强热载荷不易稳定工作、宽放电电压范围调整难以高效电磁调控等关键难点，兰州空间技术物理研究所与哈尔滨工业大学联合开展了10 kW级以上大功率霍尔推力器技术研究，开展了热分析设计，并建立热仿真模型，计算获得关键组件稳态温度，结果显示各部位温度均满足设计要求；同步建立了PIC仿真模型，进行了80 mg/s固定流率下，不同电压下电离特性分析，结果表明推力器放电腔口径较大情况下，电压低会使工质利用率降低从而导致推力器效率低；进一步，开展性能分析，得出600 V阳极效率低于500 V时工况，分析为电离不充分和壁面能量损失所致；此外，基于实验样机开展了试验研究，实现30 kW功率下的稳定工作，表明针对性热防护设计具有较好效果，并采用激光干涉推力测量法，获得推力为1.33 N,与仿真数据所得1.38 N偏差在5%以内，具有较高的符合度，表明推力器设计合理有效。
2022 Vol. 46 (2): 216- [摘要] ( 98 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 177 )
226 程林 杨旭 刘正阳 张静 聂德鑫 张晓星
基于栈式降噪自编码的变压器“快速发展型”沿面放电状态评估
超、特高压变压器结构紧凑、绝缘裕度低，在高电压作用下场强集中区易引发“快速发展型”放电故障。本文通过搭建基于“针-板”缺陷的变压器油纸绝缘“快速发展型”沿面放电试验平台，获取了其不同放电发展状态下的高频脉冲电流信号，根据其相位-幅值和相位-放电次数图谱的差异将其放电过程分成了“前期”(稀疏放电)、“中期”(大幅值剧烈放电)和“后期”(小幅值密集放电)三个发展阶段。在根据其PRPD图谱提取的特征参量基础上，构建了栈式降噪自编码联合支持向量机的评估方法，对变压器“快速发展型”沿面放电的发展状态进行了评估，取得了良好的效果。
2022 Vol. 46 (2): 226- [摘要] ( 50 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 200 )
232 王永强 黄泓贸 张伟 胡丽斌 万子剑 任成燕
全预制式电缆户外终端硅橡胶绝缘的老化分析
为了探究长期服役对电缆户外终端绝缘老化的影响，对退役硅橡胶绝缘户外终端进行研究，分别对绝缘样品的材料特性、陷阱参数、介电特性和热学性能进行了测试和分析。结果表明，同一运行年限的户外终端硅橡胶绝缘其老化状态不同；随着电缆户外终端服役时间的增加，硅橡胶绝缘的体积电阻率下降，陷阱能级变浅，材料分解温度和残余质量下降；硅橡胶绝缘的体积电阻率、陷阱参数分布和热失重分析可有效评价电缆户外终端绝缘的老化状态。
2022 Vol. 46 (2): 232- [摘要] ( 51 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 189 )
239 周相 潘子龙 陈绒 程新兵 杨建华 钱宝良 吕朋杰
双线型脉冲调制系统中的双开关整形技术
基于分数比可饱和脉冲变压器(FRSPT)的低阻双线型脉冲调制系统难以获得理想方波输出，本文提出了一种双开关整形技术，在传统单开关的基础上，增加了整形开关，改变了脉冲形成过程，使双线型脉冲调制系统的方波质量得到了有效改善。本文对双线型脉冲调制系统中的双开关整形技术进行了理论计算与仿真分析，并对基于分立双脉冲形成线和Blumlein型平板PFN的两种不同的双线型脉冲调制系统开展了验证实验。结果表明双开关整形技术能够有效解决不同类型双线型脉冲调制系统中磁开关作为主开关时较大的饱和电感与快前沿准方波脉冲输出需求之间的矛盾。本研究能够为双开关整形技术在双线型脉冲调制系统中的应用中提供参考。
2022 Vol. 46 (2): 239- [摘要] ( 68 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 186 )
248 陈日荣 曾福平 苏大智 姚强 李龙 唐炬
高压大功率IGBT封装用有机硅凝胶热老化特性分析
由于功率损耗的增加，IGBT器件内部结温会升高。长期在高结温的环境下运行，IGBT器件绝缘封装材料有机硅凝胶会发生热老化，老化后其热稳定性和绝缘特性的改变会直接影响其使用寿命。为了研究热老化对有机硅凝胶热稳定性和介电特性的影响，本文基于有机硅凝胶材料加速热氧老化实验，结合FTIR、TGA和宽频介电谱等分析手段对不同老化阶段的有机硅凝胶材料的理化特性进行了测试。实验结果表明：老化后有机硅凝胶的主链基团增多，侧链基团减少，在老化过程中其主要发生交联反应，交联度不断增加；老化后有机硅凝胶的质量保持率出现明显下降，热稳定性降低；老化后有机硅凝胶材料的相对复介电常数实部和虚部均明显增加，老化后有机硅凝胶材料的介质损耗增大，绝缘性能变差。本文实验结果为下一步研究有机硅凝胶的热老化机制和改性奠定了实验基础。
2022 Vol. 46 (2): 248- [摘要] ( 187 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 210 )
256 宋权斌 莫辛 李帆 杜娟 罗海云 聂超群
射频等离子体压力传感器及其在动态压力测量中的应用
为精确测量高温高压严苛环境下的动态压力数据，本文设计了一种基于射频等离子体原理的压力传感器，并研究了该传感器在不同电源输出功率时对气压变化的响应规律，及不同温度环境下的工作特性，最后利用该传感器在低速轴流压气机实验台上进行了叶顶动态压力场的测量。实验结果表明，射频等离子体压力传感器电极间隙为220μm时，气压从0.4 atm升高到4.5 atm,灵敏度为0.22 V/kPa;标准大气压下环境温度从25℃上升到400℃时，传感器两端维持电压基本不变，说明该传感器在此温度范围下不具有温度敏感性；低速轴流压气机叶顶动态压力场测量实验结果表明，等离子体压力传感器和Kulite压阻式传感器具有同样捕捉叶片通过频率和叶顶泄漏流的自激非定常特征频率的能力。
2022 Vol. 46 (2): 256- [摘要] ( 72 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 179 )
266 屠浩存钟安戴栋李立浧
电极间距对表面介质阻挡放电产物生成的影响
表面介质阻挡放电可以产生大气压低温等离子体，在空气净化领域有着重大的应用前景。为探究电极间距对表面介质阻挡放电中臭氧及氮氧化物生成的影响，建立二维流体模型进行数值模拟研究。模拟结果表明，在微秒脉冲电压上升沿阶段电流脉冲的个数及幅值均随着电极间距的增大而减小；减小电极间距可以提高臭氧产量，但增大电极间距可以提高臭氧产率。另一方面，NO含量随着电极间距的增大而减少，其余氮氧化物含量几乎不变。本研究对表面介质阻挡放电中有效和有害物质进行了综合模拟分析，能够为表面介质阻挡放电臭氧发生器的设计和优化提供一定的参考。
2022 Vol. 46 (2): 266- [摘要] ( 113 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 185 )
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