论文总字数：39483字

摘 要

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)是一种有绝缘介质插入放电空间的非平衡态气体放电形式，也称为介质阻挡电晕放电或者无声放电。大气压均匀介质阻挡放电可以在常温下产生稳定、高能量密度的低温非平衡等离子体，在臭氧合成、材料表面改性、等离子体显示以及环境保护等工业领域具有广阔的应用前景。因此，研究这种放电对于深入理解DBD的放电特性和机理、优化DBD反应器设计、提高其工作效率及实现大规模工业应用具有十分重要的意义。

文中首先介绍了DBD等离子体的发展状况和应用领域，解释DBD的放电机理，分析其放电特性，提出一种更加贴近均匀DBD放电真实情况的等效电气模型。然后在实验室构建均匀DBD的实验装置和测量系统，对大气压下不同气体中均匀DBD进行实验研究。根据均匀DBD的等效电气模型，利用Matlab/Simulink建立了其动态仿真模型，对其进行仿真模拟，得到不同条件下的均匀DBD的仿真图形。通过对比分析实验、仿真结果来验证模型的正确性、可行性，利用该模型对均匀DBD的放电特性进行分析。通过改变电源参数、气体类型、气隙距离、介质厚度和介质相对介电常数来研究不同因素对均匀DBD放电特性的影响。

研究表明，本文建立的均匀DBD动态仿真模型具有可行性。仿真得到的电压电流波形中电流脉冲个数、脉冲幅值和放电持续时间均与实验结果基本保持一致，可为进一步研究均匀DBD的仿真设计以及工程实际提供应用价值。

关键词：介质阻挡放电 低温等离子体 放电机理 仿真模型 影响因素

Study on Electrical Modeling and Simulation of Dielectric Barrier Discharge

Abstract

Dielectric barrier discharge is a non-equilibrium gas discharge with inserting dielectric into discharge space, also referred as dielectric barrier corona discharge or silent discharge. DBD is an easy way to generate stable, high energy density low-temperature non-equilibrium plasma at atmospheric pressure. Currently, homogeneous DBD has been widely used in ozone generation, material surface treatment, plasma displays, environment protection, and other industrial fields. So study on DBD has a significant meaning on understanding its discharge mechanism and electrical characteristic deeply, optimizing DBD reactor design, improving the discharge efficiency and making a large scale of industrial applications.

This paper first introduces the development of DBD plasma and its application. According to DBD’s discharge mechanism, establish a high-frequency homogeneous DBD devices and experimental measurement system in the laboratory. Then through experimental study on homogeneous DBD of different gases, voltage and dielectric at atmospheric pressure, an equivalent electrical model of homogeneous DBD is built to better reflect practical situation of the discharge. Simulation figures are get though building a dynamic simulation model by using Matlab/Simulink to simulate homogeneous DBD. With the established model, discharge characteristic is analyzed after verifying its correctness by changing the amplitude of applied AC voltage. Subsequently, by changing the parameters of electrical source, gas type, air gap distance, and dielectric constant to study how various factors affect the results of simulation.

The results show that homogeneous DBD dynamic simulation model is feasible. The number of voltage and current waveform pulse and their amplitude and duration by simulation is basically consistent with experimental results, which provides actual value for further homogeneous DBD simulation model design and it’s engineering applications.

Key Words: dielectric barrier discharge; plasma; discharge mechanism; simulation model; influencing factors

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1气体放电等离子体概述 1

1.2 介质阻挡放电的背景及应用 2

1.3 介质阻挡放电的历史和研究现状 3

1.3.1 介质阻挡放电的历史 3

1.3.2 介质阻挡放电的研究现状 4

1.4 本文的主要研究内容 6

第二章 介质阻挡放电的原理及特性 7

2.1气体放电理论 7

2.1.1 汤逊理论 7

2.1.2 流注理论 8

2.2 介质阻挡放电机理 9

2.3 大气压均匀DBD的产生方法和放电机理 12

2.4 均匀DBD的等效电气模型和放电参数计算方法 15

2.4.1 均匀DBD的等效模型 15

2.4.2 均匀DBD的放电参数计算方法 16

第三章 均匀DBD实验装置和测量系统的建立 19

3.1 实验方案的确定 19

3.2 实验装置的构建 19

3.3 均匀DBD的放电特性及参数 21

第四章 均匀DBD动态仿真模型的建立及仿真研究 23

4.1 均匀DBD动态仿真模型的建立 23

4.2均匀DBD的仿真条件和实例 26

4.3 单脉冲均匀DBD仿真研究 27

4.4 多脉冲均匀DBD仿真研究 27

4.5 本章小结 28

第五章 均匀DBD影响因素仿真研究及反应器优化 29

5.1 均匀DBD影响因素仿真研究 29

5.1.1 电源参数的影响 29

5.1.2 气体成分的影响 32

5.1.3 气隙距离的影响 33

5.1.4 介质厚度的影响 34

5.1.5 介质介电常数的影响 36

5.2 DBD反应器优化设计 37

5.2.1 用于臭氧合成时的DBD反应器参数优化 38

5.2.2 用于材料改性的DBD反应器参数优化 38

5.2.3 用于环境保护的DBD反应器参数优化 38

5.3 本章小结 39

第六章 结论 40

参考文献 41

致谢 45

第一章 绪论

1.1气体放电等离子体概述

宇宙中物质的固体、液体、气体三种状态早已为人们熟知，虽然早在1879年克鲁克斯就已发现等离子体（Plasma），提出了“物质第四状态”来描述等离子体状态，但是至今仍然有许多人不知道何为等离子体。1928年，Langmuir(朗缪尔)和Tonks(汤克斯)第一次把“等离子体”这个词汇引入物理学领域，在研究气体放电时，他们采用“等离子体”来描述气体放电管中的一系列粒子组成的集合体的物质形态^[1-5]。等离子体是宇宙中普遍存在的一种物质形态，现已被公认为是物质除固、液、气体三态之外的第四态，又称为等离子态。

等离子体的定义是：“等离子体由大量带正电或负电的粒子及中性粒子构成，整体为电中性，其运动表现为集体行为的一种非凝聚系统”^[1-5]。由等离子体的定义可知，它与物质的另外三态有本质区别，其成分有分子、原子、电子、离子及粒子的亚稳态和激发态等，所有粒子的正、负电荷总量相等，整体呈电中性。等离子体的特征为：它是一种导电流体，带电粒子间存在库仑力作用，运动与电磁场密切相关，产生粒子群的集体运动模式。

请支付后下载全文，论文总字数：39483字