收稿日期:2014 10 14 作者简介:缪劲松(1967—),男,博士,副教授,E-mail: jinsong.miao@bit.edu.cn. 第卷第期 2017年1月 北 京 理 工 大 学 学 报 TransactionsofBeijingInstituteofTechnology Jan.2017 针-板电极正负电晕放电离子风的对比研究 缪劲松, 陈阳, 张宇, 靳振刚 (北京理工大学 物理学院,北京 100081) 摘 要:为研究电晕放电离子风的特性,本文采用针 板放电装置,实验测量了不同放电条件下的电晕离子风速和 风压,研究了电压极性、放电电压、电极间距、针尖曲率等因素对电晕离子风的影响.结果表明,离子风的速度随工 作电压线性增大.在相同电极结构下,正电晕的起晕电压高于负电晕;正电晕离子风的风速大于负电晕离子风.此 极性效应来源于正、负电晕风发展机制的差异. 关键词:电晕放电;离子风;风速 中图分类号:O461 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2017)01-0061-06 DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2017.01.013 ComparisonofPositiveandNegativeIonicWindin Needle-to-PlateCoronaDischarge MIAOJin-song, CHEN Yang, ZHANG Yu, JINZhen-gang (SchoolofPhysics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China) Abstract:The needle-to-plate configuration was employedin this papertoinvestigatethe characteristicsofionic windincoronadischarge.The windvelocityand windpressure were measuredexperimentallyunderdifferentconditionsincludingthevoltagepolarity,theapplied voltage,theelectrodespacingandtheradiusofneedletipandsoon,toanalyzetheeffectofthese factorsonionicwind.Theresultsshowthatthevelocityincreaseslinearlywiththeover-voltage. Underthesameconditionstheinception voltageofthe positivecoronais higherthanthe negative.The windvelocityofpositivecoronaishigherthanthenegativeatthesameover- voltageandelectrodespacing.Andthepolarityeffectcomesfromthedifferenceofdeveloping mechanismbetweenthepositiveandnegativecorona. Keywords:coronadischarge;ionicwind;windvelocity 电晕离子风,即“电诱导二次流”,指在不均匀电 场 中 发 生 电 晕 放 电 时,大 量 粒 子 定 向 运 动 的 现 象[12],也称为电晕风.常见的电晕放电与电晕风产 生装置有针 板电极,线 板电极,线 线电极等非对 称结构.在电晕放电中,电离过程发生在曲率较大 电极附近的一个较小的区域(电晕区)内.在此区域 内电场强度很大,气体分子被电离产生大量带电粒 子.与高压电电性相同的带电粒子将在电场的作用 下向地电极迁移.距高压电极一定距离以外,电场 较弱,不足以维持电离过程,即迁移区.电晕区的带 电粒子迁移到外区,将与外区的中性粒子发生碰撞, 通过动量传递使大量中性分子定向运动,从而形成 电晕离子风.离子风的应用一直受到国内外研究者 的关注[34],在气动流控制[58]、除尘[910]、干燥[1112]、 电推进[13]及减阻[1415]、散热[3,16]等多个方面具有广 泛的应用价值. 在实际应用中,能否高效利用离子风取决于人 们对离子风及其影响因素的理解和控制.离子风的 极性取决于电晕放电的极性.在空气中,由于存在 电负性分子(如 O2 等),使得正、负电晕风的机制有 所不同,实际应用离子风时必须进行选择,这依赖于 对正负电晕离子风机制和物理特性的系统研究.过 去研究者利用液 面凹陷法[1819]及烟流[7]法研究了 电晕放电中的离子风的风压分布[1819].本文将以针 板电极为基础,实验研究正负电晕离子风在不同条 件下的特性,考察操作参数(包括电压、电极间距、针 尖曲率等)对正负电晕风的不同影响,并从理论上探 索其控制方法. 1 实验装置 实验采用针 板电极结构,装置如图1所示.针 板电极间距为d=1~3cm 可调;针尖曲率半径可 变;针电极与正或负极性高压直流电源连接.平板 电极为 直 径 5cm 的 铜 质 圆 板,中 心 有 一 直 径 为 6mm 的 小 孔,通 过 限 流 电 阻 R=2kΩ 和 微 安 表 接地. 放 电 电 压 由 数 字 示 波 器 (TektronixTDS- 3054B,带宽500MHz,采样频率 5GHz/s)通过高 压探头(TektronixP6015A)检测,放电电流则由微 安表测量.风速计(YC-100PA)放置在放电部分下 游,可以测量空间位置的电晕风速度与风压. 图1 实验装置 Fig.1 Experimentalset-up 2 实验结果 2.1 伏安特性 当针 板电极间的电压达到放电击穿电压Ubr (亦称起晕电压)时,电晕放电发 生,回路 中产生电 流.随着电压继续升高,电晕放电逐渐增强,电流也 逐渐增大.正负电晕的击穿电压不同,表1给出同 一电极结构下,正、负电晕的击穿电压.一般地,相 同电极结构和电极间距下,正电晕的击穿电压明显 高于负电晕.同时,击穿电压随放电间距的增大而 升高,如放电间距从1cm 增加到3cm 时,正电晕起 晕电压 从 5.5kV 迅 速 增 高 到 9.5kV,负 电 晕 从 4.0kV 升高到6.5kV. 在大气压条件下,正、负电晕放电的伏安曲线如 图2所示,其中针尖曲率半径σ=100μm. 表1 电晕放电的击穿电压Ubr Tab.1 Onsetvoltageofcoronadischarge d/cm Ubr 正 负 1.0 5.5 4.0 1.5 6.0 4.8 2.0 8.0 5.0 2.5 9.0 5.5 3.0 9.5 6.5 图2 电晕放电的伏安特性曲线, Fig.2 Current-voltagecharacteristic 由图2可以看出,在放电击穿电压到火花击穿 电压(即电晕放电过渡到火花放电的电压)之间,空 气正、负电晕放电的电流与电压的关系是正相关的, 但并非线性关系,而是接近二次关系. 为了更清楚地描述电晕放电的电流 电压特性, 引入放电通道等效电导(即放电电流与电压的比值 I/U)和过电压(即工作电压U 与击穿电压Ubr的差 值 ΔU=U-Ubr).图3给出了等效电导I/U 随过 电压 ΔU 的变化曲线.可以看到,电导随电压线性 增大,即I/U=k(U-Ubr)(其中k是比例常数).这 表明电晕放电的伏安特性曲线满足经典的汤森关 2 6 北 京 理 工 大 学 学 报 第 37 卷 系,即I=kU(U-Ubr).比例常数k(即等效电导 电 压的斜 率)由 电 极 间 距 决 定.电 极 间 距 越 小,k 越 大,等效电导随过电压增加得越快. 图3 电晕放电的等效电导随过电压的变化曲线 Fig.3 Equivalentconductancechangingwithover-voltage 2.2 电晕离子风的速度 在电晕放电阶段,电晕针尖外存在明显的离子 风.离子风的大小与过电压相关.图4给出针尖曲 率半径σ=100μm 时大气压下正、负电晕离子风的 图4 电晕离子风与过电压的关系 Fig.4 Relationshipbetweenionicwindvelocityandover-voltage 风速与过电压的关系.可以看出,离子风风速与过 电压成线性关系.实验表明,在一定过电压下,风速 随放电间隙的增大而明显减小.在本实验条件下, 在d=1.5cm 时,风速达到最大此间隙下负电晕风 速为5.5m/s,而正电晕风速可达7m/s. 电极极性对电晕风风速的影响十分明显.在相 同过电压下,正电晕风速总是比负电晕风速大,如表 2所示.此外,正电晕离子风的风速随过电压的升 高速度也比负电晕快. 表2 正、负电晕离子风速的比较 Tab.2 Comparisonofpositiveandnegativecoronawind ΔU/kV v/(m·s-1) 正 负 2.0 3.40 1.82 3.0 4.08 2.23 4.0 4.50 2.50 5.0 5.00 2.65 6.0 5.50 3.20 2.3 风压与过电压的关系 由于电晕放电可以产生较大的离子风,特别是 在较大过电压情况下,因而可以产生较大的冲击力. 这一效果可以由风压来描述.图5(a)和5(b)为不 图5 离子风风压与过电压的关系 Fig.5 Relationshipbetweenwindpressureandover-voltage 同电压极性下离子风风压与过电压的关系曲线.可 以看出,在给定放电间距时,离子风压随过电压的增 大而增大.而在电压一定时,风压随着放电间隙的 增大 迅 速 下 降.在 本 实 验 条 件 下,正 电 晕 在 间 隙 3 6 第1期 缪劲松:针 板电极正负电晕放电离子风的对比研究 d=1.5cm 时的风压最大,可达到30Pa,而负电晕 在d=1.0cm 时的风压最大较正电晕压略低,约为 23Pa. 2.4 电极曲率对风速的影响 在电晕放电中,针电极的曲率半径影响空间电 场的分布有,因而对电晕风的 产生也有重要影响. 实验对比了曲率半径σ=100μm 和500μm 两种针 电极下所产生的离子风,如图6所示.实验中保持 其他物理量(如工作电压、电极间距)不变. 图6 不同曲率半径的电晕离子风速与过电压关系 Fig.6 Ionicwindvelocityatdifferentradiusofneedletip 可以看出,相同过电压下,电极曲率半径越大, 离子风风速越小.在 本实验条件下,曲率半径σ= 100μm 的针尖电极产生的离子风速平均比曲率半 径σ=500μm 的针尖高出10%左右.正、负电晕离 子风遵循同样的规律. 3 讨 论 在电晕放电过程中,迁移区大量带电粒子在电 场作用下迁移并与中性气体分子发生碰撞,将动量 传递给中性分子,进而形成整体的粒子流现象,即电 晕离子风. 假定离子风通道是面积为S 的均匀圆柱.离子 风压p 与离子流受到的电场力F 相关(即 p=F/ S),后者在稳定状态下可表示为 FE,q =∑NiEqi=nqE. (1) 式中:n为单位体积内的离子数;E 为电场强度;q为 单个离子带电量.离子流形成的电流密度为 J=∑ i Niqv. (2) 式中v是带电粒子的迁移速率,v=μE(μ 为带电粒 子的迁移率).所以 J=μnqE. (3) 结合式(1)和(3),可以得到 p=F/S=J/μS. (4) 近似认为电晕离子流均匀,则有J=I/S,其中 S 为有效面积.式(4)可写成p=I/(μS 2),即风压随 平均电流线性增大.由于电晕放电的伏安曲线满足 经典汤森关系I=kUΔU=kΔU(ΔU+Ubr),因此, p=kΔU(ΔU +Ubr) S 2μ . (5) 可见离子风压p 与过电压是二次关系. 离子风的风速也可由伯努利方程[21]给出, v= 2p ρ = 2J μSρ = 2kΔU ΔU +U ( ) br μSρ . (6) 这表明,离子风速v 将随过电压 ΔU 线性增加.这 与实验结果是一致的. 上述讨论中并未涉及电压的极性,说明正、负电 晕风的风压、风速都遵循此规律,即风压与过电压成 二次关系,风速随过电压线性增加.但是由于正、负 电晕的击穿电压不同,即在式(5)、(6)两式中Ubr不 同,导致相同条件下正负电晕的风速、风压随放电电 压或过电压的变化并不完全相同.由于正电晕的击 穿电压高于负电晕,在相同过电压下,正电晕的放电 电压会高于负电压,因此正电晕的风速、风压也将高 于负电晕. 针尖的曲率半径对风速也有一定影响.电极曲 率影响空间电场的分布,电晕针附近的静态强度可 表示为[20] E= 2U ( σ+2x)ln(2d/σ+1). (7) 式中x 是场 点到电极的距离.式(7)表明,在电压 下,电极曲率半径σ 增大,会使电场减弱,进而使电 子和离子的运动减慢,导致电流减小.由前边论述 知电流减小会使风速、风压随之减小,所以针尖曲率 半径越大电晕风风速越低.这与结果与电压的极性 无关,针尖曲率对正、负电晕风的影响基本相同,曲 率半径从100m 增大到500m,正、负电晕风风速 4 6 北 京 理 工 大 学 学 报 第 37 卷 都下降约10%. 在不同极性电压的驱动下,电晕风的发展过程 有着较大差别,这与空气放电过程中电子和离子的 运动有关.在正电晕中,电晕区电离产生的正离子 向接地极(阴极)运动,驱动中性气体分子形成正电 晕风.而在负电晕中,电晕区内产生的电子向地极 板运动过程中,一般先与电负性气体分子(如氧分 子)结合,形成负离子;再通过负离子与中性分子间 的动量传递形成负电晕风.与正电晕风相比,负电 晕风形成过程中,电负性分子俘获电子的过程将造 成额外的动量损耗,使粒子的速度降低,从而导致在 相同过电压下风速降低.另一方面,由于负电晕中 离子强烈轰击负极性的电晕针,导致针尖在放电过 程中的烧蚀和钝化,影响离子风的稳定性和针尖寿 命.因此,在实际应用中,正电晕离子风比负电晕更 为有效. 4 结 论 利用针 板电极结构研究了电压极性、电极间 距、电极曲率等对电晕放电及离子风的影响.结果 表明:相同电极条件下,正电晕的起晕电压和火花电 压均高于负电晕.电晕放电等离子体的等效电导与 过电压成正比,斜率与电极间距有关,电极间距越大 斜率越小.电晕离子风速与过电压成正比,比例系 数随电极间隙增大而减小,在本实验条件下,最高风 速可达8m/s.相同过电压下,正电晕离子风速高于 负电晕,电极间距对正电晕的 影响比负电晕更大. 而针尖的曲率半径对风速也有影响,随曲率半径的 增大风速降低. 参考文献: [1]Li Qing, Wang Qiaoyan, Liu Pu,et al. Electro- hydrodynamicsimulationofwire-platecoronadischarge [J].High Voltage Engineering,2013,39(10):2351 2357. 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