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氣體放電技術(shù)可以產(chǎn)生放電等離子體、電場、紫外光、離子風(fēng)等，廣泛應(yīng)用于航天、材料、環(huán)保、醫(yī)療、生物、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。因此，對于氣體放電機(jī)理及放電等離子體特性的研究不但具有理論價(jià)值，而且具有實(shí)際意義。由于放電過程涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，僅靠實(shí)驗(yàn)手段來檢測等離子體內(nèi)部參數(shù)的變化過程存在一定的難度。

幾個(gè)等離子玻璃瓶裝滿氣體，有高壓源Several plasma glass flasks of

數(shù)值模擬技術(shù)主要利用數(shù)學(xué)模型對大氣壓氣體放電的時(shí)空演變過程進(jìn)行模擬仿真并計(jì)算相關(guān)的參考量，從而實(shí)現(xiàn)對氣體放電規(guī)律的準(zhǔn)確分析，進(jìn)一步幫助人們了解氣體放電的微觀過程。通過比較數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以更全面地認(rèn)識氣體放電過程。

COMSOL Multiphysics是功能強(qiáng)大的多物理場耦合分析軟件，利用有限元方法，在一維、二維和三維計(jì)算對象上對任意多個(gè)耦合起來的物理方程組進(jìn)行計(jì)算，被應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如光通信領(lǐng)域、流動(dòng)控制、污染物降解等。在一些高壓線路中，為了更好地預(yù)防高壓設(shè)備缺陷形成的尖端放電，必須要采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，但是實(shí)際數(shù)據(jù)的采集有一定的難度，此時(shí)通過COMSOL模擬高壓線路發(fā)生的一些情況，可更加便捷地收集數(shù)據(jù)，理清尖端放電的放電機(jī)理，保障直流電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖1 平板型電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 線-筒型電極結(jié)構(gòu)示意圖

在工業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面，COMSOL可進(jìn)行巖石破碎、油田解堵、震源模擬、重油高效加氫并增產(chǎn)高附加值低碳烯烴、車載存儲和氫分配、電磁脈沖焊接、鋰離子電池研發(fā)、雙分裂導(dǎo)線粘連振蕩特性分析、無人機(jī)無線充電的輕量化磁耦合等模擬。由于材料加工、復(fù)合材料改性需要考慮多種因素，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)耗力，還可能對環(huán)境造成影響，而利用COMSOL強(qiáng)大的功能，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，可分析不同因素的影響，達(dá)到研究目的。

利用COMSOL建立模型對不同放電形式進(jìn)行仿真仍然是研究氣體放電機(jī)理的重要手段。上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院、上海海事大學(xué)靜電研究所的研究人員車瑞、孫明，在2022年第7期《電氣技術(shù)》上撰文，通過對模擬應(yīng)用的氣體放電形式、理論依據(jù)及模型建立，研究的結(jié)論，驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)手段，以及需要解決的若干問題五個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)綜述，總結(jié)了介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、放電間隙、氣速、氣體成分和脈沖參數(shù)等在不同的放電形式下對電場強(qiáng)度、電子密度、粒子密度和電子溫度等參數(shù)的影響。利用COMSOL自帶的等離子體模塊建立二維軸對稱數(shù)值模型對氣體放電形式進(jìn)行仿真模擬是主要的研究方式，在不同的領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

圖3 同軸型圓筒電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 針-板電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 棒-板電極結(jié)構(gòu)示意圖

他們指出，目前基于有限元法的氣體放電研究仍存在一定不足和尚需解決的問題。比如，在研究氣體放電特性時(shí)，利用COMSOL建立的反應(yīng)器流體模型有的以單原子氣體為放電氣氛，沒有考慮耦合流場，而在實(shí)際操作時(shí)，反應(yīng)器中存在不同流量的氣體，需要進(jìn)一步研究摻雜其他氣體時(shí)的放電動(dòng)態(tài)特性，更好地完善其物理化學(xué)方程、控制方程和邊界條件等模型參數(shù)。

為了更接近實(shí)際情況，所建模型可在這些方面進(jìn)行優(yōu)化。在計(jì)算模型的有關(guān)參量時(shí)，僅考慮了使用有限體積法，雖然有限體積法具有穩(wěn)定、收斂性好的特點(diǎn)，但也存在局限性，其在使用中心差分格式進(jìn)行近似計(jì)算時(shí)，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，進(jìn)而影響結(jié)果，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化有限體積法。

此外，研究中往往僅建立單一維度模型來模擬放電特性，準(zhǔn)確性不足，應(yīng)盡量使用多樣化的建模標(biāo)準(zhǔn)，例如在建立一維模型后，若同時(shí)建立二維、三維模型，可提高仿真計(jì)算的精度，更好地解釋氣體放電的放電機(jī)理及相關(guān)特性。在研究氣體放電機(jī)理時(shí)，電極結(jié)構(gòu)模型只采用平板型結(jié)構(gòu)、圓筒型結(jié)構(gòu)或針-板極結(jié)構(gòu)來檢測氣體放電特性，過于單一化，缺乏說服力；且有的研究結(jié)果僅僅基于計(jì)算機(jī)仿真模擬得到，沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，缺乏準(zhǔn)確性。因此，可采用不同的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行COMSOL數(shù)值模擬，再配合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以得出更加準(zhǔn)確的結(jié)論。

研究人員進(jìn)一步指出，在對空氣中電暈的數(shù)值模擬中，實(shí)際的動(dòng)力學(xué)模型非常復(fù)雜，為了簡化計(jì)算量，將其理想化，因此需要對空氣放電的物理化學(xué)模型做進(jìn)一步精細(xì)化研究。另外，正離子碰撞陰極所產(chǎn)生的二次電子在二次電暈脈沖形成的過程中起著重要作用，因此需要找到一種能有效抑制二次電子形成的填涂材料，將其涂在絕緣件表面以阻斷二次電暈脈沖的形成，有效防止放電由電暈向流注發(fā)展，從根本上解決尖端放電給設(shè)備帶來的安全隱患。

本文編自2022年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于有限元法的氣體放電模擬綜述”，作者為車瑞、孫明。