大气压环环电极结构射流放电模型建立及仿真

方 志 钱 晨 姚正秋（南京工业大学电气工程与控制科学学院 南京 210009）



大气压环环电极结构射流放电模型建立及仿真

方 志 钱 晨 姚正秋
（南京工业大学电气工程与控制科学学院 南京 210009）

摘要建立射流放电的仿真模型并对其进行研究，该工作对于深入研究其放电特性，进而在实际应用中优化射流放电等离子反应器设计具有重要意义。建立了大气压下环环电极结构射流放电系统，采用电压、电流波形和Lissajous图测量及发光图像拍摄等实验手段，研究了其放电特性。结合对实验结果和放电特性的分析，建立了一种环环电极结构射流放电的等效电气模型，将两电极之间的放电等效为DBD放电模型，将喷出管外的射流等效为可变阻抗，同时还考虑了溢流效应的影响，将其等效为可变阻抗，更真实准确地反映了射流放电的实际情况。基于此电气模型，进一步得到了放电等效电路，并利用Simulink建立了射流放电的动态仿真模型。仿真得到的电压、电流波形图和Lissajous图形与实验结果对比显示，二者是吻合的，验证了提出的等效电气模型的准确性。在此基础上，进一步仿真研究了电源频率和环环电极间距对电气特性及放电参量的影响，结果表明，放电功率和传输电荷都随电源频率的增加非线性地增大，随环环间距的增加非线性减小。还利用所建立的模型进一步得到了实验过程中无法直接测量获得的介质电压、气隙电压和放电电流等放电参量。

关键词：射流放电 环环电极结构 等效电气模型 动态仿真模型 仿真研究

国家自然科学基金（51377075）和江苏省自然科学基金（BK20131412）资助项目。

The Model and Simulation Studies for Ring-Ring Electrode Structure Jet Discharge at Atmospheric Pressure

Fang Zhi Qian Chen Yao Zhengqiu
（College of Electrical Engineering and Control Science Nanjing Tech University Nanjing 210009 China）

Abstract The model establishment for jet discharge and its simulation analysis are of great interesting for studying the discharge characteristics as well as for optimizing the design of jet discharge plasma reactors in real applications. In this paper, the experimental system with the ring-ring electrode structure for atmospheric pressure plasma jet discharge is established, and the discharge characteristics are studied, by measuring voltage and current waveforms, Lissajous figures and lighting emission images. Based on the experimental results and discharge characteristics analysis, an equivalent electrical model for ring-ring electrode structure jet discharge is established, which can reflect the discharge. The discharge space between two electrodes is equivalent to a DBD discharge model, and the jet outside the tube is equivalent to variable impedance. The influence of spillover effect is also taken into account, and it is modeled as variable impedance. Based on the equivalent electrical model, an equivalent circuit diagram is deduced, and a dynamic simulation model is established in Simulink software. Voltage and current waveforms, and Lissajous figures can be well coherence withthe experimental results, which verify the proposed electrical model. The influences of the power supply frequency and ring-ring distance on the electrical characteristics and discharge parameters are also studied. Results show that the discharge power and transported charges both increase nonlinearly as the applied frequency increases, while both decrease as the ring-ring distance increases. The dynamic behaviors of discharge parameters that can not measured directly during the experiment, such as dielectric voltage, gas gap voltage and discharge current, are also obtained by the established model.

Keywords：Jet discharge, ring-ring electrode structure, equivalent electrical model, dynamic simulation model, simulation studies

0 引言

近年来，He、Ar等纯惰性气体中产生的大气压低温等离子体射流受到广泛关注[1-5]。与其他形式的大气压低温等离子体源相比，其能量密度适中，易于操作，成本低廉，反应器结构灵活，处理区域不受放电空间限制，可处理三维物体，在杀菌消毒、等离子体医学及材料处理等领域具有广泛的应用前景[6-10]。因此，对大气压等离子体射流的放电特性进行研究对促进其应用具有重要意义。

目前，研究射流放电大多采用实验手段，由于受外部运行参数、反应器结构及气体条件等多种因素影响，实验工作量较大，且受到测量和诊断手段的限制，许多微观的放电参量无法直接测量得到。而通过建立合适的等效电气模型来模拟其放电情况，进而通过仿真研究其放电特性及放电参量的变化规律，不仅可以减小实验工作量，还可以得到实验无法直接获得的放电参量，从而对放电特性进行更深入的研究，为优化反应器设计提供参考。环环电极结构是一种产生射流的典型电极结构，国内外已有一些关于其放电特性的研究[11-15]。江南等实验采用光电倍增管和数码相机等研究了环环电极结构射流的电压、电流特性和发光特性的变化规律，并研究了放电参数对“溢流”现象的影响[15]。J. S. Oh等采用电流探头测量了环环电极结构射流的放电电流及传输电荷等放电参量[13]。S. Yonemori等采用激光诱导荧光技术对环环电极结构射流中粒子进行诊断[12]。关于环环电极结构射流放电仿真研究国内外报道较少，张冠军教授采用结合气体动力学的仿真模型与实验相结合的办法，分析了管径及电压对双环电极射流长度的影响[16]。研究者通常采用与射流放电类似的介质阻挡放电（Dieletric Barrier Discharge, DBD）的电气模型来分析射流放电的电气特性，但射流放电不同于DBD放电，除两电极间发生放电外，产生的等离子体还会喷出放电电极空间，使周围的空气电离，在一定条件下，射流放电还存在“电荷溢流”效应[15]，因此采用DBD电气模型来模拟分析射流放电尚存在一定误差，得到的结果往往不能真实地反映射流放电的电气特性。总的来说，目前已报道环环电极机构射流放电的研究结果大多是实验研究，而通过建立更能反映放电真实情况的等效电气模型对环环电极结构射流放电电气特性进行仿真研究，国内外研究报道不多。

本文通过对大气压环环电极结构Ar等离子体射流放电特性分析的基础上，提出一种能反映放电实际情况的等效电气模型，并进一步得到等效电路，进而基于此等效电路采用Simulink建模工具建立其动态仿真模型，仿真得到其放电电气特性，和实验结果比较验证其准确性，并进一步利用该模型对环环电极结构射流放电的影响因素进行仿真研究，以及研究了其放电参量的动态变化规律。

1 实验装置及测量系统

图1给出了研究所采用的射流实验装置及测量系统接线。电源采用幅值在0～20kV范围内、频率在5～20kHz范围内可调的高频高压交流电源。射流反应器部分由石英玻璃管、高压电极和地电极组成。其中，石英玻璃管外径4mm，内径2mm，长180mm。高压电极和地电极都为宽10mm的铜皮，均套在玻璃管外壁，地电极外端距离管口10mm，高低压电极间距离为20mm。通过流量计使高纯度（99.999%）Ar由进气口进入玻璃管内，固定其流速为6L/min。外加电压波形采用高压探头Tek P6015A来测量，放电电流波形通过在放电回路中串联一个阻值为50Ω的无感电阻R获得，放电空间传输的电荷通过在放电回路中串联一个0.1μF的测量电容C获得，放电Lissajous图形通过把高压探头测得的反应器上的电压和C两端的电压分别加在示波器的XY轴得到。实验时测得的电压、电流波形及Lissajous图形由TDS—3054c数字示波器记录。发光图像用置于放电空间侧面与放电气隙平行的数码相机Canon G6（曝光时间为1s）拍摄得到。

图1 射流实验装置及测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of jet experimental set-up and measurement system

2 射流放电演变规律

图2和图3分别给出了固定电源频率为10kHz时不同外加电压下测得的射流放电的电压、电流波形和Lissajous图形以及发光图像。如图2a所示，电压幅值为11kV时，电流波形表现为多脉冲形式，电压每个正、负半周期内各出现四个电流脉冲，其持续时间在μs数量级，电流脉冲幅值为十几到几十mA，Lissajous图形中，其正、负半周期的放电阶段各有四个明显阶跃。如图2b～图2d所示，随电压幅值由12kV增大到14kV，电压每半个周期内电流脉冲的个数逐渐增多，在Lissajous图形中，其正、负半周期的阶跃个数也随之增加。从图3a中可以看出，射流放电发生后，放电贯穿高压电极和地电极之间的气隙，地电极外侧等离子体在玻璃管内向管口方向延伸至管外，在敞开的空气中形成大气压等离子体射流；同时可以观察到射流放电还存在“电荷溢流”效应[16-18]，即高压电极下的电荷积累区向内发展，产生等离子体电离通道，其向内发展的长度也随外加电压的增加而增加。从图3中可以看出，射流的长度随外加电压增加而增加，说明在空气中产生的电离通道长度增加。随外加电压由12kV增加到14kV，射流长度由10mm增加到20mm；高压电极内侧因溢流效应产生的等离子体长度由6mm增加到8mm。

图2 不同外加电压下测得的射流放电的电压、电流波形和Lissajous图形Fig.2 Voltage and current waveforms and Lissajous figures of jet discharge measured at different applied voltages

图3 射流放电的发光图像随外加电压变化情况Fig.3 Changing of lighting emission images of jet discharge with applied voltage

3 仿真模型建立

3.1 等效电气模型

射流放电是以两电极之间放电击穿和电离通道向两电极外侧扩展为主要特征的气体放电，其放电电离过程主要发生在如上放电通道中，因此射流放电的电气仿真模型主要建立在对其放电电离通道的等效基础上。结合上文的实验结果和分析，本文建立了如图4所示的等效电气模型，由于激励电源为高压交流高频电源，因此放电未发生时，放电通道未形成，这个射流电极结构的各个部分等效为电容，放电前的等效电气模型如图4a所示，图中Cd1和Cd2表示阻挡介质（石英玻璃管）等效电容；Cg表示两电极间气隙等效电容；Cp1表示回流等离子体等效电容；Cp2表示等离子体射流等效电容；Cs、Rs和Ls回路分别表示反应器杂散电容、引线电阻和寄生串联电感，考虑这些因素更能真实地反映放电实际情况。外加电压未达到击穿电压时，如上各元件参数均为定值。当外加电压增加到一定值时，高低压电极间的Ar气间隙击穿，这时两电极之间的放电表现为介质阻挡放电（DBD），根据本文作者以前的研究成果，可以用一个电压控制电流源（Voltage Controlled Current Source, VCCS）和一个阻容串联回路（Cg和Rg）等效，其中VCCS反映放电电流变化规律，而Cg和Rg反映放电击穿后两电极间等离子通道阻抗变化[19-21]，由于采用交流电源激励，外加电压在每个半周会改变极性，因此双环电极的两个电极每隔半周极性交替变化，而气流方向一直由管内流向管口，因此会导致外加电压正、负半周两电极之间电离击穿通道的阻抗有所不同，反映在放电电流上，正、负半周测量得到的电流幅值有所不同。考虑这一因素，在气隙回路中并联了Rf1和Rf2分别表示正、负半周期极性效应引起的阻抗变化，如图4b所示。而同时放电空间产生的粒子随气流移动到低压电极外的放电空间，使空气电离形成电离通道，产生等离子射流，改变了其阻抗。此时地电极外放电空间阻抗不再是容性Cp1，相关研究表明，随射流在空气中扩展，其在空气中形成的导电通道的阻抗和电位分布不同[2,5]，因此，射流部分的等离子体阻抗可用可变的Cp2(t)和Rp2(t)组成的阻容性串联电路表示。同理，内侧因溢流效应而向内产生的电离通道可用Cp1(t)和Rp1(t)串联等效，如图4b所示。由图3中实验结果和相关研究可知[2,5]，随着外加电压的升高，电离增强，射流和溢流效应产生的等离子体长度不断增加，Cp1(t)和Cp2(t)不断减小，Rp1(t)和Rp2(t)不断增大。因此，本文考虑了射流通道和溢流放电通道的阻抗并采用可变阻容串联电路来等效射流和溢流效应，更能真实地反映放电特性。

图4 等效电气模型Fig.4 Equivalent electrical model

3.2 等效电路

图5 等效电路Fig.5 Equivalent circuit diagram

根据图4中等效电气模型及相关分析，考虑到电压、电流关系，进一步建立了放电不同阶段的等效电路，如图5所示。图中各个元器件与等效电气模型中的元器件相对应，考虑到实验中外电路杂散电阻和变压器等效漏抗等的影响，还在外加电源旁串联了电阻R和电感L。其中，Va(t)表示外加电压；Vt(t)表示反应器电压；ia(t)表示回路总电流；it(t)表示放电回路总电流；iccs(t)表征DBD的电压控制电流源；id1(t)和id2(t)分别表示两个阻挡介质上的位移电流；ip1(t)和ip2(t)分别表示等离子体射流和溢流等离子体中的位移电流；ig(t)表示气隙中的位移电流；Vd1(t)和Vd2(t)分别表示两个阻挡介质上的电压；Vg(t)表示气隙上的电压。

图5b中的射流放电发生后等效电路由于含有Cp1(t)、Cp2(t)、Rp1(t)和Rp2(t)等非线性元件和电压控制电流源，分析起来十分复杂。考虑到双环电极结构射流放电，在外加电压增加到击穿电压时，放电先是在两电极之间产生DBD放电，随外加电压继续增加到一定值，射流放电和溢流效应发生。因此将上述电路进行一定简化，先不考虑射流和溢流，根据基尔霍夫定律，可以得到各电压Vt(t)、Vd1(t)、Vd2(t)和Vg(t)之间的关系，以及它们与各电流it(t)、iccs(t)之间的关系[25]

经过计算和整理得到iccs(t)、Vt(t)和it(t)之间的关系为

由式（5）可知，放电电流iccs(t)受Vt(t)控制，CCS是由遵循Cg非线性动态变化规律的电压信号激励，对任一iccs(t)均有一个it(t)与之对应。得到上述关系后，再考虑Cp1(t)、Cp2(t)、Rp1(t)和Rp2(t)等接入，通过选取合适的值，来反应射流放电和溢流效应。

3.3 动态仿真模型

根据图5中的等效电路，利用Simulink建立了如图6所示的射流放电的动态仿真模型，来对图5中放电的电气特性进行仿真。模型中使用五个开关控制模块Subsystem1、Subsystem2、Subsystem3、Subsystem4和Subsystem5控制使能开关来实现放电的发生和熄灭。射流放电未发生时，开关Sw1导通，开关Sw4和Sw5断开，开关Sw6和Sw7导通，模型中放电回路为介质等效电容Cd1和Cd2先分别与回流等离子体等效电容Cp1和等离子体射流等效电容Cp2并联之后再串联，然后再与气隙等效电容Cg串联，与图5a一致。射流放电发生后，开关Sw4和Sw5导通，开关Sw6和Sw7断开，在Cd1两端并联了Cp1(t)和Rp1(t)，它们的值为线性变化的函数，反映了随外加电压变化放电过程中回流等离子体等效阻抗的变化过程，由于它们的值不能通过测量或计算得到，本文通过实验和仿真结果比较得到它们的取值和初始值，确定方法为：在不同外加电压下选择不同值的Cp1(t)和Rp1(t)进行仿真，将得到的仿真结果和实验结果进行比较，调节Cp1(t)和Rp1(t)的值，直到仿真和实验结果一致，将不同外加电压幅值和对应的Cp1(t)和Rp1(t)数据进行曲线拟合，得到其函数表达式分别为

图6 射流放电的动态仿真模型Fig.6 Dynamic simulation model of jet discharge

式中，Va为外加电压幅值，其与图2中的Va相对应；D1为衰减常数，D1=-2×10-16；Cp1(t)的初始值为1×10-8F，其值通过D1=0时比较仿真和实验结果确定；A1为增益常数，A1=1×10-2；Rp1(t)的初始值为50Ω，其值通过A1=0时比较仿真和实验结果确定。同时，在Cd2两端并联了Cp2(t)和Rp2(t)，其值也为线性变化的函数，反映了放电过程中等离子体射流溢流现象导致的等效阻抗的变化过程，其取值和初始值的确定方法同Cp1(t)和Rp1(t)，函数表达式分别为

式中，Cp2(t)的初始值为1μF；D2为衰减常数，D2= -3×10-16；Rp2(t)的初始值为5kΩ；A2为增益常数，A2=300。

图7 模块4和模块5Fig.7 The module of Subsystem4 and Subsystem5

模型中放电电流的变化用如图7a所示的电压控制电流源模块Subsystem4来体现，而考虑了放电正、负半周极性效应的两电极之间电离通道阻抗，用如图7b等效回路模块Subsystem5来反映。Subsystem4其内部结构展开如图7a所示，该模块符合式（5），其功能为根据反应器电容值以及Vt(t)和it(t)得到电压控制电流源激励信号iccs(t)。Subsystem5其内部结构展开如图7b所示，电压正半周放电时，Sw2导通，Sw3断开，在Rg(t)和Cg(t)两端并联正半周期极性效应等效电阻Rf1。电压负半周放电时，Sw2断开，Sw3导通，在Rg(t)和Cg(t)两端并联负半周期极性效应等效电阻Rf2，与图5b一致，其中Rf1和Rf2的值分别为1kΩ和1.5kΩ。而模块Subsystem1和Subsystem2为开关控制模块，产生脉冲信号用于控制图7b中开关Sw2和Sw3的开闭，进而实现每个周期放电的开始与熄灭，来控制每个放电周期出现脉冲放电电流，通过调节产生脉冲信号的脉宽和脉冲个数使放电电流持续时间与实际放电电流一致。根据环环电极和环板电极的射流反应器结构，两电极间加上电压产生电场后，玻璃管相当于同轴电容器，而管内气体相当于一个圆柱型电容器，等效电气模型中的仿真参数Cd1、Cd2和Cg和可以由以下公式计算得到。

式中，ε0为真空介电常数；εd为介质相对介电常数；εg为气体相对介电常数；ld为电极宽度；lg为介质层厚度；R和r分别为玻璃管的内、外半径。仿真时，外电路杂散参数R和L分别取500Ω和1mH，反应器杂散参数Cs、Rs和Ls分别取500Ω、0.1mH和100pF。其中，Cs在pF数量级，对仿真结果影响较大，其值根据实验测量结果估算得到。其确定方法为：利用图1中装置在气隙放电击穿前测量得到电源电压V(t)和相应的回路电流i(t)，由于此时放电未发生，i(t)仅为容性电流，利用关系式i(t)=CeqdV(t)/dt，可求得等效电容Ceq，Ceq为反应器电容和杂散电容并联的总电容，根据计算的反应器电容，可估算出Cs的值约为94.6pF。而R、L、Rs和Ls等对仿真结果影响不大，为了真实反映引线电阻等杂散参数的影响，在仿真模型中也加以考虑。放电发生阶段，前一个半周期放电时介质表面积聚的电荷对下一个半周期的放电起促进作用，导致起始放电电压降低，放电提前发生。考虑到这种情况，模型中采用“Transport Delay”模块对电压进行了延迟，延迟的时间函数用Td(t)表示，其函数表达式为式中，A3为时间增益常数，A3=2×10-9；Td(t)的初始值为4.5×10-5，其值通过A3=0时比较仿真和实验结果确定。

模型中还添加了多个测量模块和显示模块，来得到和显示放电电气特性，为了能在所建立的模型中得到Lissajous图形，放电回路中串联一个电容C0=0.1μF。利用电压表V1来测量电容C0两端的的电压，电压表V2测量电源电压Va(t)，电流表I1测量回路总电流ia(t)，电源电压和整个放电回路上的总电流连接到显示器“VI”两端，得到电压、电流波形。电源电压和C0两端电压连接到显示器“Lissajous”上，得到放电Lissajous图形。

4 仿真结果

采用图6所建立的仿真模型对环环电极结构射流放电电气特性进行仿真，射流反应器结构及电源参数等实验条件与前面实验部分介绍相同。仿真中用到的参量Cg、Cd1、Cd2和Cd可根据反应器结构由计算公式得到[23]，它们的值分别为3.4pF、200.04pF、200.04pF和100.02pF。图8给出了不同外加电压下仿真得到的射流放电的电压、电流波形和Lissajous图形。比较图8和图2中本文仿真和实验结果可知，两者在电流脉冲个数、脉冲幅值及脉冲持续时间上均符合。比较本文的仿真结果与相关文献中与本文类似实验条件下得到的实验测量结果，本文仿真得到的电压、电流波形的特征和随外加电压的变化规律与相关文献中结果是一致的[2,5,15]。说明了本文所建立的电气模型和动态仿真模型的正确性。

图8 不同外加电压下仿真得到的射流放电的电压、电流波形和Lissajous图形Fig.8 Voltage and current waveforms and Lissajous figures of jet discharge obtained by simulations at different applied voltages

放电功率P和传输电荷Q是表征放电的两个重要参量，其中，P可由放电Lissajous图获得，而Q可由测量得到的电压、电流波形计算得到[24-28]。它们的计算式分别为

式中，f为外加电压的频率；A为Lissajous图形的面积；i(t)为瞬时放电电流；T为一个放电周期。

根据图2和图8中实验和仿真结果，由式（13）和式（14）计算得到P和Q，如图9和图10所示。当电压幅值由11kV增加到14kV时，实验得到的P 从13.6W增加到23.5W，Q从507.6nC增加到958.8nC。仿真得到的P从12.5W增加到22.5W，Q 从496.6nC增加到942.8nC，P和Q都随着外加电压的增加而非线性地增大。由仿真结果计算得到的P与Q的变化趋势和数值与由实验结果计算得到的基本一致。

图9 实验和仿真得到的放电功率Fig.9 Discharge power obtained by experiment and simulation

图10 实验和仿真得到的传输电荷Fig.10 Transported charge obtained by experiment and simulation

5 放电影响因素的仿真

外部运行条件、反应器结构参数及气体条件等都会影响射流放电特性，实验研究中各种影响因素的变化范围大，实验研究工作量较大。本文通过仿真研究了电源频率和电极间距对放电电气特性的影响，从而为反应器的进一步优化和设计提供参考。

5.1 电源频率的影响

仿真条件为：外加电压幅值保持为11kV，环环间距固定为20mm，电源频率在9.5～11kHz内变化，Cg、Cd1、Cd2和Cd的值与第4节给出的值相同。图11给出了电源频率分别为9.5kHz、10.5kHz和11kHz时仿真得到的的电压、电流波形和Lissajous图形，电源频率为10kHz时的仿真结果如图8a所示。可以看出，当电源频率由9.5kHz增加到11kHz时，电流脉冲最大幅值由9mA增加到11.5mA。利用仿真得到的Lissajous图形，由式（13）和式（14）计算得到P和Q随电源频率的变化曲线如图12所示。当电源频率由9.5kHz增加到11kHz时，P和Q都随着电源频率的增加非线性增大，P从11.9W增加到14.1W，Q从481.7nC增加到538.9nC。

图11 不同电源频率下仿真得到的电压、电流波形和Lissajous图形Fig.11 Voltage and current waveforms and Lissajous figures obtained by simulations at different frequency

图12 仿真得到的放电功率与传输电荷随电源频率变化曲线Fig.12 Variation of the discharge power and the transported charge with applied frequency obtained by simulations

5.2 环环间距的影响

仿真条件为：外加电压幅值保持为11kV，电源频率保持为10kHz，环环间距在10～30mm内变化，仿真用到的参数Cd1、Cd2和Cd的值与第4节给出的值相同，10mm和30mm间距下Cg的经计算分别为4.95pF和2.59pF。图13给出了环环间距分别为10mm和30mm时仿真得到的电压、电流波形和Lissajous图形，环环间距为20mm时的仿真结果如图8a所示。可以看出，随着环环间距的增大，电流脉冲幅值有所下降，放电起始时刻延迟。利用仿真得到的Lissajous图形，由式（13）和式（14）计算得到的P和Q随环环间距的变化曲线如图14所示。当环环间距由10mm增加到30mm时，P和Q都随着环环间距的增加而非线性减小，P从13.2W减小到11.6W，Q从518.9nC减小到470.7nC。

图13 不同环环间距下仿真得到的电压、电流波形和Lissajous图形Fig.13 Voltage and current waveforms and Lissajous figures obtained by simulations at different ring-ring distance

图14 仿真条件下得到的放电功率与传输电荷随环环间距变化曲线Fig.14 Variation of the discharge power and the transported charge with ring-ring distance obtained by simulations

6 放电参量计算

利用本文所建立的仿真模型，还可以计算得到实验无法直接测量的放电参量，如电源电压Va、介质电压Vd、气隙电压Vg和放电电流iccs等，从而深入地对放电过程进行分析。图15给出了外加电压为11kV时计算得到的放电参量。从图15中可以看出放电未发生时，Vg随着外加电压的增大而增大。当Vg达到6kV时，放电发生，放电电流脉冲幅值持续增加，由于介质表面聚积电荷，形成一个反向电压，从而导致Vg减小，出现第一次抖动，当放电空间内的电压小于击穿电压时，放电熄灭。此后，由于外加电压上升，气隙电压继续上升，放电重燃，此后再次熄灭，如此反复，抖动次数增加，11kV条件下正、负半周各有4次。Vg抖动次数对应电压正、负半周期电流脉冲的个数，同时与图2中的电流脉冲个数一致，而阻挡介质集聚电荷的作用是影响放电发生和熄灭的主要因素。

图15 仿真得到的放电参量Fig.15 Discharge parameters obtained by simulations

7 结论

1）环环电极结构射流放电电流表现为多脉冲的形式，高低压电极间的放电表现为DBD放电形式，除了喷出管外的射流，玻璃管内高压电极向内侧会出现一定的溢流放电。

2）建立了一种能反映环环电极结构射流放电过程的等效电气模型，高低压电极间的放电用基于VCCS电路等效，而射流和溢流部分用一个可变电阻和可变电容串联组成的阻抗等效。基于此电气模型的等效电路能准确地反映大气压环环电极结构射流放电的电气特性。

3）基于等效电路，利用Simulink建立的动态仿真模型仿真得到的电压、电流波形图和Lissajous图在电流脉冲个数、脉冲幅值以及脉冲持续时间上均与实验结果相符合。利用仿真模型可以进一步研究电源频率和环环间距对环环电极结构射流放电电气特性的影响情况，由仿真结果计算得到，放电功率和传输电荷都随电源频率的增加非线性增大，随环环间距的增加非线性减小。故在实际应用中，为了获得较为强烈的射流放电，在进行反应器设计时，应采用较小的环环间距，同时在安全范围内尽可能提高电源频率。

4）利用此模型可以进一步得到实际实验过程中无法直接测量获得的放电参量，如Va、Vd、Vg和iccs等，从而对射流放电特性进行更深入的研究，为优化反应器设计、提高放电效率提供参考。

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方 志 男，1975年生，教授，硕士生导师，从事高电压绝缘及气体放电等离子体的基本理论及其用于材料表面改性研究工作。E-mail: myfz@263.net（通信作者）

钱 晨 男，1989年生，硕士研究生，研究方向为等离子体射流的实验与仿真研究。

E-mail: money19891008@126.com

作者简介

收稿日期2014-01-14 改稿日期 2014-07-05

中图分类号：TM213