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顾冰冰, 方骏林, 徐少锋, 郭颖, 石建军
cstr: 32037.14.aps.74.20251303

Characteristics and enhancement mechanism of hybrid discharge under microstructure-induced electric field distortion

GU Bingbing, FANG Junlin, XU Shaofeng, GUO Ying, SHI Jianjun
cstr: 32037.14.aps.74.20251303
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  • 本文基于二维流体模型, 以平行板结构为基础, 对高压电极介质表面具有微结构的大气压氧气脉冲放电进行了研究, 重点分析了微结构诱导的混合放电及其增强机制. 微结构的存在导致放电过程中电场畸变, 电子在横向电场的作用下被局域束缚在微结构下方区域, 放电呈现出电晕模式; 同时由于凸起微结构的存在, 该处放电间隙减小, 纵向电场显著增强, 从而引起微结构下方电晕放电与两侧平板放电产生放电时间上的不一致性. 随着表面凸起微结构几何参数的增大, 可进一步诱发二次放电. 仿真结果表明, 电晕放电的存在有效提高了电子密度、电子温度及高能电子的数量占比, 增强了放电; 高凸起条件电晕放电受到抑制的情况下, 二次放电的产生, 有效提高了高能电子的数量占比及空间内活性氧原子的平均数密度. 这些发现为微结构引发的放电增强微观机制提供了深刻见解, 为设计高效的等离子体装置提供理论基础.
    In order to investigate the enhancement mechanism of atmospheric-pressure oxygen pulsed discharge in a parallel-plate dielectric barrier discharge (DBD) with microstructures fabricated on the dielectric surface of the high-voltage electrode, this work systematically analyzes the electron transport processes, the formation and evolution of electric fields, and the spatial distribution of particles by using a two-dimensional fluid model. The introduction of microstructures can cause significant electric field distortion, generating a strong transverse electric field that locally confines and focuses electrons beneath the micro-structured region, leading to the formation of a stable corona-mode discharge. At the same time, the reduced local discharge gap near the microstructure enhances the longitudinal electric field, resulting in a temporal asynchrony between the corona discharge under the microstructure and the parallel-plate discharge in the adjacent flat regions. As the geometric dimensions of the microstructures increase, a secondary discharge is triggered, further modulating the overall discharge behavior. Under conditions where the corona discharge is suppressed by higher protrusions, the occurrence of secondary discharge effectively increases the proportion of high-energy electrons and the spatially averaged density of reactive oxygen atoms. Simulation results reveal that the corona discharge and the secondary discharge significantly raise electron density, electron temperature, and the proportion of high-energy electrons, thereby intensifying the discharge activity. These findings offer deep insight into the micro-mechanisms of microstructure-induced discharge enhancement and provide valuable guidance for designing highly efficient plasma devices with tailored geometric features.
      通信作者: 郭颖, guoying@dhu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 12175036, 12475259)资助的课题.
      Corresponding author: GUO Ying, guoying@dhu.edu.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12175036, 12475259).
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    [4]

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    [7]

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    [9]

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    [11]

    [12]

    [13]

    [14]

    [15]

    [16]

    [17]

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    [19]

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  • 反应 反应速率 反应 反应速率
    e + O2 → O + O f(Te) e + O2 → O2(a1Δg) + e $ 1.7 \times {10}^{-15}\exp \left(-{3.1}/{{T}_{\rm e}}\right) $
    e + O2(a1Δg) → O2 + e $ 5.6 \times {10}^{-15}\exp \left(-{2.2}/{{T}_{\rm e}}\right) $ e + O2 → O + O(1D) + e $ 5.0 \times {10}^{-14}\exp \left(-{8.4}/{{T}_{\rm e}}\right) $
    e + O → O(1D) + e $ 4.2 \times {10}^{-15}\exp \left(-{2.25}/{{T}_{\rm e}}\right) $ $\rm e + O_2 → O_2^ + + 2e $ f(Te)
    e + O2 → 2O + e $ 4.2 \times {10}^{-14}\exp \left(-{5.6}/{{T}_{\rm e}}\right) $ e + O(1D) → O + e $ 8.17 \times {10}^{-15}\exp \left(-{0.4}/{{T}_{\rm e}}\right) $
    e + O2 → O + O + + e $ 7.1 \times {10}^{-17}{T}_{\mathrm{e}}^{0.5}\exp \left(-{17}/{{T}_{\rm e}}\right) $ e + O → O + + 2e f(Te)
    e + O2 → O + + O + 2e $ 1.0 \times {10}^{-16}{T}_{\mathrm{e}}^{0.9}\exp \left(-{20}/{{T}_{\rm e}}\right) $ e + O2 → O2 + e f(Te)
    e + O(1D) → O + + 2e $ 9.0 \times {10}^{-16}{T}_{\mathrm{e}}^{0.7}\exp \left(-{11.6}/{{T}_{\rm e}}\right) $ e + O2(a1Δg) → O + O $ 2.3 \times {10}^{-16}{T}_{\mathrm{e}}^{2}\exp \left(-{2.29}/{{T}_{\rm e}}\right) $
    $ {\mathrm{e}} + {\mathrm{O}}_2({\mathrm{a}}^1\Delta_{\mathrm{g}})\to{\mathrm{O}}_2^ + + 2{\mathrm{e}} $ $ 2.3 \times {10}^{-16}{T}_{\mathrm{e}}^{1.03}\exp \left(-{11.31}/{{T}_{\rm e}}\right) $ e + O2(a1Δg) → 2O + e $ 4.2 \times {10}^{-16}\exp \left(-{4.6}/{{T}_{\rm e}}\right) $
    e+O2(a1Δg) → O+O+ +2e $ 1.0 \times {10}^{-16}{T}_{\mathrm{e}}^{1}\exp \left(-{15.83}/{{T}_{\rm e}}\right) $ e + O → O + 2e f(Te)
    $\rm e + O_2^ + \to O + O(^1D) $ $ 2.2 \times {10}^{-14}{T}_{\mathrm{e}}^{-0.5} $ $\rm e + O_2^ + \to 2O $ $ 1.2 \times {10}^{-14}{T}_{\mathrm{e}}^{-0.7} $
    $\rm e + O_3\to O_2^- + O $ $ 9.76 \times {10}^{-16}{T}_{\mathrm{e}}^{-1.26}\exp \left(-{0.95}/{{T}_{\rm e}}\right) $ e + O3 → O2 + O + e $ 1.42 \times {10}^{-14}{T}_{\mathrm{e}}^{-0.68}\exp \left(-{2.6}/{{T}_{\rm e}}\right) $
    O + O → O2 + e $ 2.3 \times {10}^{-16}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-1.3} $ O + O2 → O3 + e 5.0×10–21
    O + O2(a1Δg) → O3 + e 6.1×10–17 ${\mathrm{O}}_2^- + {\mathrm{O}}_2({\mathrm{a}}^1\Delta_{\mathrm{g}})\to 2{\mathrm{O}}_2 + {\mathrm{e}} $ $ 2.0 \times {10}^{-16}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{0.5} $
    $\rm O + O_2^-\to O_3 + e $ $ 8.5 \times {10}^{-17}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-1.8} $ $\rm O_2 + O^ + \to O_2^ + + O $ $ 2.1 \times {10}^{-17}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-0.4} $
    O2 + O → O + O2 3.3×10–16 ${\mathrm{O}}^- + {\mathrm{O}}_2({\mathrm{a}}^1\Delta_{\mathrm{g}})\to {\mathrm{O}}_2^- + {\mathrm{O}} $ 1.0×10–16
    $\rm O^- + O_2^ + \to O_2 + O $ $ 1.61 \times {10}^{-14}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-1.1} $ $\rm O^- + O_2^ + \to 3O $ $ 1.61 \times {10}^{-14}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-1.1} $
    O + O + → 2O $ 2.0 \times {10}^{-13}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-1} $ O + O3 → e + 2O2 3.0×10–16
    $\rm O^- + O_3\to O_2 + O_2^- $ 1.0×10–17 $\rm O_2^ + + O^- + O_2\to O + 2O_2 $ $ 1.0 \times {10}^{-37}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-2.5} $
    $\rm O_2^ + + O^- + O_2\to O_3 + O_2 $ $ 1.0 \times {10}^{-37}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-2.5} $ $\rm O_2^ + + O_2^- + O_2 → 3O_2 $ $ 1.0 \times {10}^{-37}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-2.5} $
    $\rm O_2^- + O_2^ + \to 2O_2 $ $ 1.6 \times {10}^{-14}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-1.1} $ $\rm O_2^- + O_2^ + \to 2O + O_2 $ $ 1.6 \times {10}^{-14}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-1.1} $
    $\rm O_2^- + O^ + \to O + O_2 $ $ 2.0 \times {10}^{-13}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-0.5} $ O + O2 + O2 → O3 + O2 $ 1.8 \times {10}^{-46}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-2.6} $
    O2(a1Δg) + O → O2 + O 1.3×10–22 O + O + O → O + O2 $ 3.8 \times {10}^{-44}\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)\exp \left({-170}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $
    O + O + O2 → O3 + O $ 4.2 \times {10}^{-47}\left({1050}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $ O(1D) + O2 → O + O2 $ 7.0 \times {10}^{-18}\left(-{67}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $
    O(1D) + O3 → 2O2 1.2×10–16 O(1D) + O3 → 2O2(a1Δg) 2.5×10–16
    O(1D) + O3 → O2 + O2(a1Δg) 2.5×10–16 O(1D) + O3 → 2O + O2 2.5×10–16
    O2 + O2(a1Δg) → 2O2 $ 3.6 \times {10}^{-24}\exp \left(-{220}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $ O2(a1Δg) + O3 → 2O2 + O $ 5.2 \times {10}^{-17}\exp \left(-{2840}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $
    O2(a1Δg) + O3 → O2 + O3 $ 4.55 \times {10}^{-17}\exp \left(-{2810}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $ O3 + O3 → O2 + O + O3 $ 1.65 \times {10}^{-15}\exp \left(-{11435}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $
    O3 + O3 → 3O2 $ 7.47 \times {10}^{-18}\exp \left(-{9310}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $ O3 + O2 → 2O2 + O $ 1.56 \times {10}^{-15}\exp \left(-{11490}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $
    O3 + O → 2O2 $ 1.80 \times {10}^{-17}\exp \left(-{2300}/{{T}_{{\rm g}}}\right) $ $\rm O_3 + O^-\to O_3^- + O $ $ 1.99 \times {10}^{-16}{\left({300}/{{T}_{{\rm g}}}\right)}^{-0.5} $
    $\rm O_3 + O_2^-\to O_2 + O_3^- $ $ 6.0 \times {10}^{-16}{\left({300}/{{T}_{{\rm g}}}\right)}^{-0.5} $ $\rm O_3^- + O_2^ + \to O_2 + O_3 $ $ 2.0 \times {10}^{-13}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-1} $
    $\rm O_3^- + O_2^ + \to 2O + O_3 $ 1.0×10–13 $\rm O_3^- + O^ + \to O + O_3 $ $ 2.0 \times {10}^{-13}{\left({{T}_{{\rm g}}}/{300}\right)}^{-1} $
    $\rm O_3^- + O\to O_2^- + O_2 $ $ 2.5 \times {10}^{-16}{\left({300}/{{T}_{{\rm g}}}\right)}^{-0.5} $ $\rm O_3^- + O\to 2O_2 + e $ 3×10–16
    注: f(Te)表示该截面适用于相关反应; 二体反应的反应速率常数单位为m3/s, 三体反应的反应速率常数单位为m6/s; Te是电子温度单位为eV, Tg温度单位为K
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    [3]

    [4]

    [5]

    [6]

    [7]

    [8]

    [9]

    [10]

    [11]

    [12]

    [13]

    [14]

    [15]

    [16]

    [17]

    [18]

    [19]

    [20]

    [21]

    [22]

    [23]

    [24]

    [25]

    [26]

    [27]

    [28]

    [29]

    [30]

    [31]

    [32]

    [33]

    [34]

    [35]

    [36]

    [37]

    [38]

  • [1] 段蒙悦, 贾文柱, 张莹莹, 张逸凡, 宋远红. 容性耦合硅烷等离子体尘埃颗粒空间分布的二维流体模拟. 必威体育下载 , 2023, 72(16): 165202. doi: 10.7498/aps.72.20230686
    [2] 孔得霖, 杨冰彦, 何锋, 韩若愚, 缪劲松, 宋廷鲁, 欧阳吉庭. 大气压电晕等离子体射流制备氧化钛薄膜. 必威体育下载 , 2021, 70(9): 095205. doi: 10.7498/aps.70.20202181
    [3] 柴钰, 张妮, 刘杰, 殷宁, 刘树林, 张晶园. 微尺度下N2–O2电晕放电的动态特性二维仿真. 必威体育下载 , 2020, 69(16): 165202. doi: 10.7498/aps.69.20200095
    [4] 陆乃彦, 余雪健, 万佳伟, 翁雨燕, 郭俊宏, 刘宇. 微图案化金衬底表面等离子体共振光学特性. 必威体育下载 , 2016, 65(20): 208102. doi: 10.7498/aps.65.208102
    [5] 华叶, 万红, 陈兴宇, 吴平, 白书欣. 表面微结构对碳化硅晶须掺杂石墨阴极爆炸电子发射性能的影响. 必威体育下载 , 2016, 65(16): 168102. doi: 10.7498/aps.65.168102
    [6] 王超, 郝智彪, 王磊, 康健彬, 谢莉莉, 罗毅, 汪莱, 王健, 熊兵, 孙长征, 韩彦军, 李洪涛, 王禄, 王文新, 陈弘. 利用表面微结构提高波长上转换红外探测器效率. 必威体育下载 , 2016, 65(10): 108501. doi: 10.7498/aps.65.108501
    [7] 司马文霞, 范硕超, 杨庆, 王琦. 雷云电场作用下长地线表面正极性辉光电晕放电的仿真研究. 必威体育下载 , 2015, 64(10): 105205. doi: 10.7498/aps.64.105205
    [8] 王瑜英, 阎大伟, 谭秀兰, 王雪敏, 高扬, 彭丽萍, 易有根, 吴卫东. 球壳结构金阴极及其X射线光电发射特性. 必威体育下载 , 2015, 64(9): 094103. doi: 10.7498/aps.64.094103
    [9] 张凯, 陆勇俊, 王峰会. 表面能梯度驱动下纳米水滴在不同微结构表面上的运动. 必威体育下载 , 2015, 64(6): 064703. doi: 10.7498/aps.64.064703
    [10] 王维, 杨兰均, 刘帅, 黄易之, 黄东, 吴锴. 线-铝箔电极电晕放电激励器的推力理论与实验研究. 必威体育下载 , 2015, 64(10): 105204. doi: 10.7498/aps.64.105204
    [11] 伍飞飞, 廖瑞金, 杨丽君, 刘兴华, 汪可, 周之. 棒-板电极直流负电晕放电特里切尔脉冲的微观过程分析. 必威体育下载 , 2013, 62(11): 115201. doi: 10.7498/aps.62.115201
    [12] 刘雷, 李永东, 王瑞, 崔万照, 刘纯亮. 微波阶梯阻抗变换器低气压电晕放电粒子模拟. 必威体育下载 , 2013, 62(2): 025201. doi: 10.7498/aps.62.025201
    [13] 何寿杰, 哈静, 刘志强, 欧阳吉庭, 何锋. 流体-亚稳态原子传输混合模型模拟空心阴极放电特性. 必威体育下载 , 2013, 62(11): 115203. doi: 10.7498/aps.62.115203
    [14] 廖瑞金, 伍飞飞, 刘兴华, 杨帆, 杨丽君, 周之, 翟蕾. 大气压直流正电晕放电暂态空间电荷分布仿真研究. 必威体育下载 , 2012, 61(24): 245201. doi: 10.7498/aps.61.245201
    [15] 蒋相站, 刘永新, 毕振华, 陆文琪, 王友年. 双频容性耦合等离子体密度径向均匀性研究. 必威体育下载 , 2012, 61(1): 015204. doi: 10.7498/aps.61.015204
    [16] 翟晓东, 丁艳军, 彭志敏, 罗锐. N2第二正带系发射光谱的理论计算及实验研究. 必威体育下载 , 2012, 61(12): 123301. doi: 10.7498/aps.61.123301
    [17] 袁春华, 李晓红, 唐多昌, 杨宏道, 李国强. Nd:YAG纳秒激光诱导硅表面微结构的演化. 必威体育下载 , 2010, 59(10): 7015-7019. doi: 10.7498/aps.59.7015
    [18] 江南, 曹则贤. 一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究. 必威体育下载 , 2010, 59(5): 3324-3330. doi: 10.7498/aps.59.3324
    [19] 齐 冰, 任春生, 马腾才, 王友年, 王德真. 多针电晕增强大气压辉光放电稳定性研究. 必威体育下载 , 2006, 55(1): 331-336. doi: 10.7498/aps.55.331
    [20] 赖建军, 余建华, 黄建军, 王新兵, 丘军林. 空心阴极直流放电的二维自洽模型描述和阴极溅射分析. 必威体育下载 , 2001, 50(8): 1528-1533. doi: 10.7498/aps.50.1528
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-09-22
  • 修回日期:  2025-11-13
  • 上网日期:  2025-11-15
  • 刊出日期:  2025-12-05

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