DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法技术

本发明专利技术公开DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法，本发明专利技术搭建了同轴线

【技术实现步骤摘要】
DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法


[0001]本专利技术涉及等离子体反应器实验测试分析
，涉及到DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法。

技术介绍

[0002]介质阻挡放电(DBD)是一种利用高频交流电源或脉冲电源在插入绝缘介质的电极间产生低温等离子体的放电模式。在不同的应用中，DBD反应器的放电特性对设备的工作状态、性能及运行成本具有显著的影响，因此不同放电参数下反应器放电功率等特性的变化规律至关重要。同时，DBD等离子体放电在飞行器表面除冰防冰、等离子体辅助燃烧等领域的新应用推动着航空航天技术和军事技术的发展。因此，提高放电过程中的热功率和热效率对提升飞行器除冰防冰以及等离子体辅助燃烧的效果具有重要作用。
[0003]目前，现有技术只能初步研究放电电压、放电频率及气体流速能够改变DBD反应器的放电性能，但对放电功率影响规律的研究结论还未能达成一致，此外，气流温度对放电性能的影响也未能受到足够的关注；
[0004]同时，现有技术对不同放电参数下DBD反应器的发热机理和热能传递进行了大量研究，但对于反应器热功率及热效率的定量研究和分析较少，而在飞机除冰及等离子体辅助燃烧中，提高DBD反应器的热功率和热效率对优化电源及反应器电气参数，从而在有限的功率输入条件下取得更优作用效果具有重要意义。

技术实现思路

[0005]鉴于此，为解决上述
技术介绍
中所提出的问题，现提出DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法；
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0007]DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法，包括如下步骤：
[0008]S1、实验数据测量与分析，具体包括：
[0009]S11、采用Q
‑
V李萨如图形法测量DBD反应器的放电功率；
[0010]S12、结合空气的物性参数随温度的变化，采用量热法获取DBD反应器向空气传递的热功率；
[0011]S13、采用3次实验的平均值作为最终的数据结果，分析得到热效率的不确定度；
[0012]S2、实验验证：对DBD等离子体反应器的合理性、功率测试方法及计算方法的有效性进行验证；
[0013]S3、实验结果与讨论，具体包括：
[0014]S31、分析放电电压对放电功率和热效率的影响；
[0015]S32、分析放电频率对放电功率和热效率的影响；
[0016]S33、分析入口流速对放电功率和热效率的影响；
[0017]S34、分析入口温度对放电功率和热效率的影响；
[0018]S4、得出结论：根据线
‑
筒式DBD反应器热效率实验测试与研究结果，得到放电电压、放电功率、气流速度和气流温度因素对反应器内放电功率、热功率以及热效率的影响结论。
[0019]相对于现有技术，本专利技术所述的DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法具有以下有益效果：
[0020]本专利技术通过采用Q
‑
V李萨如图形法测量DBD反应器的放电功率，采用量热法测量DBD反应器的热功率和热效率的实验分析方法；通过与瞬时功率法进行对比验证了Q
‑
V李萨如图形法测量放电功率的有效性，通过与电加热器实验数据进行对比验证了量热法测量反应器的热效应的有效性，进一步有效提高实验测试结果的精准性和科学性。
[0021]本专利技术通过考虑气体的热力学参数随温度的变化，研究了不同放电电压、放电频率、气体流速、气体温度等参数对下DBD反应器的放电功率、热功率及热效率的影响规律，并揭示了其物理机制，从而弥补了同轴线
‑
筒形DBD反应器放电特性和热效应实验测试方法的空白，可为DBD放电在飞行器表面流动控制、臭氧制备、材料表面改性、DBD反应器用于飞机除冰以及等离子体辅助燃烧应用场景中的DBD反应器参数优化设计提供重要指导。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为同轴线筒式DBD实验系统的装置原理图；
[0024]图2为DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法的流程示意图；
[0025]图3为V
pp
＝18kV，f
h
＝20kHz时，DBD反应器上的电压和回路中的电流曲线图；
[0026]图4为不同放电电压和频率下的Q
‑
V李萨如曲线图；
[0027]图5为不同放电频率下，气流入口速度为12m/s、温度为400K时，DBD反应器出口处气流温度、放电功率、热功率和热效率随峰
‑
峰值电压的变化曲线；
[0028]图6为不同放电电压下，气流的入口速度为12m/s，温度为400K时，反应器出口处气流温度、放电功率、热功率和热效率随放电频率的变化曲线；
[0029]图7为不同放电电压下，放电频率为12kHz，温度为400K时，反应器出口处气流温度、放电功率、热功率和热效率随气体流速的变化曲线；
[0030]图8为不同放电电压下，气流的入口速度为12m/s，温度为400K时，反应器出口处气流温度、放电功率、热功率和热效率随气体温度的变化曲线。
具体实施方式
[0031]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它
实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]本专利技术提供DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法，该方法在实施前使用了同轴线筒式DBD实验系统，请参阅图1所示，该系统由交流DBD放电装置、热气流产生装置以及测试装置等组成。其中，交流DBD放电装置包括一台交流等离子体电源、一个自制的同轴线筒式介质阻挡反应器。等离子体电源的频率可调节，并且其输出电压可以通过外置调压器进行调节，从而能够实现0
‑
25kV的峰峰值电压调节以及5
‑
25kHZ的频率调节。
[0033]线筒式DBD反应器中高压电极位于圆筒中心，是直径d
h
为3mm、长度L0为400mm的不锈钢棒；高压电极与接地电极间的绝缘介质为纯度99％的氧化铝陶瓷管，介质管内直径d
in
＝2r
in
为30mm，外直径d
out
＝2r
out
为40mm；放电介质外侧包裹一层细密的不锈钢薄网作为接地电极。
[0034]热气流产生装置包括一台本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、实验数据测量与分析，具体包括：S11、采用Q
‑
V李萨如图形法测量DBD反应器的放电功率；S12、结合空气的物性参数随温度的变化，采用量热法获取DBD反应器向空气传递的热功率；S13、采用3次实验的平均值作为最终的数据结果，分析得到热效率的不确定度；S2、实验验证：对DBD等离子体反应器的合理性、功率测试方法及计算方法的有效性进行验证；S3、实验结果与讨论，具体包括：S31、分析放电电压对放电功率和热效率的影响；S32、分析放电频率对放电功率和热效率的影响；S33、分析入口流速对放电功率和热效率的影响；S34、分析入口温度对放电功率和热效率的影响；S4、得出结论：根据线
‑
筒式DBD反应器热效率实验测试与研究结果，得到放电电压、放电功率、气流速度和气流温度因素对反应器内放电功率、热功率以及热效率的影响结论。2.根据权利要求1所述的DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法，其特征在于：所述步骤S11通过高压探头测量得到DBD等离子体反应器的高频电压瞬时值U
h
和放电频率f
h
，并通过在放电回路中交替串接电阻R
m
和电容C
m
，测量反应器的电流瞬时值I
h
和放电过程中输送的电荷量Q
m
,在此基础上，通过绘制Q
‑
V李萨如图形计算DBD反应器的放电功率，将其标记为P
d
。3.根据权利要求2所述的DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法，其特征在于：所述步骤S12中对应的具体内容包括：提取空气的物性参数随温度的变化，其中标准大气压不同温度下空气的密度ρ与温度T的关系为：空气比热C
p
的变化参考空气物性参数数据库，并采用最小二乘法拟合得到C
p
＝aT4+bT3+cT2+dT+e，式中，a＝4.0444
×
10
‑
10
,b＝
‑
1.4976
×
10
‑6，c＝0.001934，d＝
‑
0.8142，e＝1113.69；通过控制风机可以获得不同体积流量Q的空气气流，根据入口处空气的密度ρ0，计算空气的质量流率根据经存储管加热后空气的热物性参数，计算得到DBD反应器入口处空气的流速为式中，ρ
in
为经加热后空气的密度；采用量热法测定DBD反应器向空气传递的热功率，其中当DBD反应器及气体流动达到稳定状态后，反应器入口处和出口处的温度基本保持不变，反应器的热功率为
式中，C
p,in
和C
p,out
分别为反应器入口处和出口处空气的定压比热；T
in
和T
out
分别为反应器入口和出口处空气的温度；将C
p,in
和C
p,out
之间的平均值作为空气在反应器内气体的平均的定压比热；分析得到DBD反应器的热效率可以表示为4.根据权利要求1所述的DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法，其特征在于：所述步骤S2中对DBD等离子体反应器的合理性、功率测试方法及计算方法的有效性进行验证，具体包括：对DBD等离子体反应器的合理性以及计算方法的有效性进行验证，当峰值电压V
pp
为18kV，放电频率f
h
为20kHz时，得到反应器上的电压和回路中的电流，其中放电电压基本为标准的正弦波形，而回路中的电流存在多个高振幅脉冲，对比得到电压和电流的波形形貌与测量得到的波形较为一致，验证了所设计DBD等离子体反应器的合理性；为验证功率测试方法的有效性，将采用的Q
‑
V李萨如图形法与瞬时功率法的测试结果进行对比，当放电频率小于或等于16kHz时，Q
‑
V李萨如图基本呈现为对称的平行四边形；并计算得到不同放电电压和频率
①
V
pp
＝16kV,f
h
＝23kHz，
②
V
pp
＝19kV,f
h
＝16kHz，
③
V
pp
＝20kV,f
h
＝15kHz，
④
V
pp
＝21kV,f
h
＝13kHz时的放电功率，对比得到功率测量结果基本保持在6％以内，验证了本研究所采用功率测试方法及测试结果的有效性；为验证热功率计算方法的有效性，采用圆筒中安装电阻值为100欧姆的金属翅片电加热管的方式进行实验，并根据实验表明，该方法能够有效测量反应管内的热功率和热效率。5.根据权利要求1所述的DBD等离子体反应器放电特性和热效应实验测试评价分析方法，其特征在于：所述步骤S31中分析放电电压对放电功率和热效率的影响方式为：当放电频率为8kHz、12kHz、16kHz、20kHz条件下，气流的入口速度为12m/s，温度为400K时，构建DBD反应器出口处气流温度、放电功率、热功率和热效率随放电峰
‑
峰值电压下(15kV
‑
22kV)的变化曲线，由变化曲线得到，在同一放电频率下，交流DBD的放电功率随着激励电压峰峰值的增加而增大；并采用指数型函数对放电功率与放电电压的对应关系进行拟合，不同放电频率下的拟合函数及确定系数如下：f
h
＝8kHz：R2＝0.9926f
h
＝12kHz：R2＝0.9965f
h
＝16kHz：R2＝0...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛保全，赵其进，白向华，王之千，徐振辉，张新喜，杨雨迎，贺珍妮，范格华，李嘉麒，李华，韩小平，陈春林，朱锐，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军装甲兵学院，
类型：发明
国别省市：