【摘要】：高壓納秒脈沖因具有陡峭的上升沿和較短的脈沖持續(xù)時間,能有效地抑制放電由均勻放電向火花或者電弧放電轉變,可驅動空氣、氮氣及混合氣體介質阻擋放電產生大面積彌散放電等離子體,在生物醫(yī)學、航空航天、材料改性、能源化工和環(huán)境治理等領域具有重要的應用價值。本論文研究了多線-板式、板-板式和線-筒式三種電極結構下納秒脈沖空氣彌散／均勻放電等離子體的發(fā)射光譜特性,對放電等離子體中活性物種和振動溫度、轉動溫度、電子激發(fā)溫度等重要參數(shù)進行了診斷研究。作為代表性應用,本論文還利用單極性納秒脈沖、雙極性納秒脈沖和正弦交流電源驅動空氣介質阻擋放電對氣態(tài)甲醛開展了脫除研究,并對上述三種電源驅動線-筒式電極結構產生空氣介質阻擋放電等離子體處理氣態(tài)甲醛時的脫除效率、功率消耗等進行了對比研究。主要研究內容如下：1.在空氣和氮氣中實現(xiàn)了多線-板式電極結構納秒脈沖彌散介質阻擋放電等離子體,研究了在不同脈沖峰值電壓、脈沖重復頻率、放電間隙距離下放電的發(fā)光圖像、發(fā)射光譜,以及等離子體轉動溫度、振動溫度和電子激發(fā)溫度等特性。研究結果表明,空氣和氮氣中放電均呈現(xiàn)彌散放電狀態(tài),發(fā)射光譜主要是但是,空氣放電中的發(fā)射光譜強度僅為氮氣中的1/5左右,在空氣中和發(fā)射光譜強度較弱,空氣放電等離子體的轉動溫度、振動溫度和電子激發(fā)溫度分別約為320±5K、2175±50K、2145±50K,氮氣的分別約為400±5K、1860±50 K、1690±50 K。隨著脈沖峰值電壓增加和放電間隙減小,空氣和氮氣放電等離子體中和的發(fā)射光譜強度和轉動溫度呈明顯上升趨勢,振動溫度和電子激發(fā)溫度呈下降趨勢但不明顯。而脈沖重復頻率增加對空氣和氮氣中放電等離子體的發(fā)射光譜強度和上述三種溫度影響不大。此外,還研究了氧氣和氬氣的濃度對氮氣納秒脈沖彌散介質阻擋放電等離子體中發(fā)射光譜強度和等離子體溫度特性的影響。結果表明,添加氧氣濃度從0%-5%的過程中,等離子體的發(fā)射光譜強度急劇下降,隨著氧氣濃度的進一步增加,等離子體發(fā)射強度呈緩慢下降趨勢,同時隨著氧氣濃度的增加,等離子體轉動溫度不斷降低,振動溫度和電子激發(fā)溫度卻不斷升高；而隨著氬氣濃度的增加,等離子體的發(fā)射光譜強度增大而轉動溫度明顯上升趨勢,振動溫度和電子激發(fā)溫度變化趨勢不明顯。2.實驗研究了介質板板材料(陶瓷,石英,環(huán)氧樹脂,聚四氟)對大氣壓板-板式電極納秒脈沖空氣介質阻擋放電等離子體均勻性的影響,通過放電發(fā)光圖像、電壓電流波形和氮分子離子第一負帶發(fā)射光譜考察了放電的均勻性和放電發(fā)生的擊穿情況。當使用1 mm的陶瓷板時,在30 kV脈沖峰值電壓、150Hz脈沖重復頻率和3 mm放電間隙下呈現(xiàn)均勻放電狀態(tài),發(fā)射光譜強度較弱,轉動溫度和振動溫度分別是350±5K和3045 K,此時是處于一種均勻放電的非平衡態(tài)等離子體形態(tài)。在選定的四種介質板材料中,當使用相對介電常數(shù)較大的陶瓷介質材料時,發(fā)生放電的擊穿電壓降低,放電的氣體間隙增大；當增大陶瓷介質板厚度時,等離子體發(fā)射光譜強度降低,放電擊穿電壓增大,等離子體的均勻較差。利用發(fā)射光譜強度N2+/N2比值計算出約化電場E/N,并研究了放電均勻性與N2+/N2的比值關系,研究發(fā)現(xiàn),隨著放電峰值電壓增大、放電間隙距離或者介質板板厚度減小N2+/N2比值降低,約化電場E/N減小,等離子體均勻性較好。3.對比研究了大氣壓空氣中線-筒電極結構納秒脈沖和正弦交流介質阻擋放電等離子體的發(fā)光圖像、電壓電流波形、功率消耗、發(fā)射光譜以及氣體溫度等特性。研究發(fā)現(xiàn)：正弦交流空氣介質阻擋放電等離子體呈現(xiàn)明顯的絲狀放電模式,而納秒脈沖空氣介質阻擋放電等離子體則具有很好的均勻性。在相同放電周期下,納秒脈沖空氣介質阻擋放電等離子體中和的發(fā)射光譜強度是正弦交流空氣介質阻擋放電的6-10倍,而和O(3p-3s)約為正弦交流介質阻擋放電等離子體的2.5倍,而納秒脈沖放電的功率消耗僅為正弦交流介質阻擋放電等離子體的1/13。納秒脈沖放電的氣體溫度約為305士5 K,非常接近室溫,且隨放電持續(xù)時間的增加基本保持不變。而正弦交流介質阻擋放電等離子體的氣體溫度高出納秒脈沖介質阻擋放電等離子體200K左右,且隨放電持續(xù)時間的增加而不斷升高。采用雙極性、單極性納秒脈沖和正弦交流空氣介質阻擋放電等離子體對初始濃度為154 ppm的氣態(tài)甲醛脫除效率分別為67%,63.8%和73.8%,而功率消耗分別為0.325 W,0.3 W和8.9W。當放電區(qū)域填充A1203小球時,三種情況下甲醛的脫除效率均提高10-20%。雖然氣體在反應器內的停留時間變短,但是A1203小球的填充使放電電流增大,放電強度增強,活性粒子濃度增大。當Ti02和Ce02納米顆粒分別附著在A1203小球表面時,甲醛的脫除效率可以達到95%。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O53;O461.2

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