辛紀(jì)威，李占賢

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

近年來，低溫等離子體以其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注[1]。通常來說，產(chǎn)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(zhì)阻擋放電、射頻放電、滑動(dòng)電弧放電和微波放電[2]。在這些放電方法中，介質(zhì)阻擋放電可以產(chǎn)生大規(guī)模等離子體，更適合于材料表面處理和等離子體化學(xué)[3]。目前，DBD等離子體已在臭氧生產(chǎn)[4]、材料表面改性[5]、環(huán)境污染控制[6]等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。由于DBD的放電特性，電容電流始終非常高，這將導(dǎo)致不均勻的處理性能，甚至對(duì)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(fā)生器，研究了在不同參數(shù)下絕緣介質(zhì)層表面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況，為發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 多電極圓柱介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器的建模

Ansoft公司的Maxwell 2D/3D是一個(gè)功能強(qiáng)大、結(jié)果精確、易于使用的二維/三維電磁場(chǎng)有限元分析軟件，可以用來分析電機(jī)、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(jìn)行仿真分析，首先通過SolidWorks制圖軟件搭建多電極圓柱介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)模型，該發(fā)生器由幾個(gè)銅箔帶電極構(gòu)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(nèi)徑為12 mm、外徑為14 mm、長(zhǎng)度為100 mm的石英玻璃管作為絕緣介質(zhì)，采用內(nèi)徑為10 mm、外徑為12 mm、長(zhǎng)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(dǎo)入Maxwell仿真軟件，對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)置材料屬性，給高壓電極和接地電極施加電壓值，設(shè)置邊界條件，添加解決方案進(jìn)行分析求解。

圖1 多電極圓柱介質(zhì)阻擋放電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 電磁場(chǎng)有限元仿真及分析

當(dāng)研究不同外加電壓對(duì)放電特性的影響時(shí)，選用的外加電壓分別為2 kV、3 kV、4 kV、5 kV；當(dāng)研究不同放電長(zhǎng)度對(duì)放電特性的影響時(shí)，選用的放電長(zhǎng)度分別為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm；當(dāng)研究不同相鄰?fù)怆姌O間距對(duì)放電特性的影響時(shí)，選用的相鄰?fù)怆姌O間距分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm；當(dāng)研究不同電極寬度對(duì)放電特性的影響時(shí)，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(duì)放電特性的影響

選擇放電長(zhǎng)度為10 mm、相鄰?fù)怆姌O間距為4 mm、電極寬度為3 mm的等離子體發(fā)生器進(jìn)行不同外加電壓對(duì)放電特性影響的研究分析，當(dāng)高壓與接地電極間分別施加2 kV、3 kV、4 kV、5 kV電壓時(shí)，得到不同外加電壓的電場(chǎng)強(qiáng)度分布,如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)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(shí)，金屬電極邊緣區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間，金屬電極區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間，部分金屬電極區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間。通過對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，越容易產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電等離子體。

圖2 不同外加電壓的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

2.2 不同放電長(zhǎng)度對(duì)放電特性的影響

選擇外加電壓為2 kV、相鄰?fù)怆姌O間距為4 mm、電極寬度為3 mm的等離子體發(fā)生器進(jìn)行不同放電長(zhǎng)度對(duì)放電特性影響的研究分析，當(dāng)放電長(zhǎng)度分別為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm時(shí)，不同放電長(zhǎng)度的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖3所示。

由圖3可知：當(dāng)放電長(zhǎng)度分別為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm時(shí)，金屬電極邊緣區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間，金屬電極區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間，部分金屬電極區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間。通過對(duì)比分析圖3(a)、(b)、(c)、(d)可得，放電長(zhǎng)度為50 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大于放電長(zhǎng)度分別為10 mm、70 mm及30 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖3 不同放電長(zhǎng)度的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

2.3 不同相鄰?fù)怆姌O間距對(duì)放電特性的影響

選擇外加電壓為2 kV、放電長(zhǎng)度為30 mm、電極寬度為3 mm的等離子體發(fā)生器進(jìn)行不同相鄰?fù)怆姌O間距對(duì)放電特性影響的研究分析。當(dāng)相鄰?fù)怆姌O間距分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm時(shí)，不同相鄰?fù)怆姌O間距的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4所示。由圖4可知：當(dāng)相鄰?fù)怆姌O間距為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm時(shí)，金屬電極邊緣區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間，金屬電極區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間，部分金屬電極區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間。通過對(duì)比分析圖4(a)、(b)、(c)、(d)可得，相鄰?fù)怆姌O間距為10 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大于相鄰?fù)怆姌O間距分別為6 mm、4 mm及8 mm時(shí)的石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖4 不同相鄰?fù)怆姌O間距的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

2.4 不同電極寬度對(duì)放電特性的影響

選擇外加電壓為2 kV、放電長(zhǎng)度為30 mm、相鄰?fù)怆姌O間距為4 mm的等離子體發(fā)生器進(jìn)行不同電極寬度對(duì)放電特性影響的研究分析，當(dāng)電極寬度分別為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm時(shí)，不同電極寬度的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖5所示。

圖5 不同電極寬度的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖5可知：當(dāng)電極寬度為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm時(shí)，金屬電極邊緣區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間，金屬電極區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間，部分金屬電極區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)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(qū)間。通過對(duì)比分析圖5(a)、(b)、(c)、(d)可得，電極寬度為5 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大于電極寬度分別為8 mm、3 mm及10 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文采用Ansoft Maxwell電磁場(chǎng)有限元分析軟件研究了多電極圓柱介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器介質(zhì)層表面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況。通過分析不同外加電壓、不同放電長(zhǎng)度、不同相鄰?fù)怆姌O間距和不同電極寬度對(duì)放電特性的影響，得出以下結(jié)論：隨著外加電壓的升高，石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，越容易產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電等離子體；放電長(zhǎng)度為50 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大于放電長(zhǎng)度分別為10 mm、70 mm及30 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度；相鄰?fù)怆姌O間距為10 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大于相鄰?fù)怆姌O間距分別為6 mm、4 mm及8 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度；電極寬度為5 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大于電極寬度分別為8 mm、3 mm及10 mm時(shí)石英玻璃表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。本文研究結(jié)果對(duì)于后續(xù)多電極圓柱介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。