[发明专利]一种电晕放电空间电流体的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电流体模拟方法，具体地说是一种电晕放电空间电流体的模拟方法。

背景技术

电晕放电过程中，在放电空间形成两个区域：电晕区和电晕外区。电晕区场强很大，但衰减迅速，在该区域由于强电场的作用，从电晕线表面或附近释放的电子迅速向接地极运动，运动过程中，电子将与气体原子（或分子）碰撞，使原子（或分子）分解为正离子和电子，该过程循环发生，空间中的自由电子迅速增加，形成电子崩，各种离子在电场力的作用下移动、碰撞，形成具有一定气流结构的电流体（也称离子风）。

电晕放电时在放电空间所形成的正负离子和电子具有广泛的应用价值，例如可应用于静电除尘器、高速打印机、雾化等领域。了解放电空间的电场分布、离子状态及电流体的形成构成，具有重要的理论和应用价值，而对电流体状态进行分析又是研究放电空间物质之间相互作用的重要手段之一。现有技术中，通常用流体分析软件——Fluent软件对放电空间电流体的状态进行模拟分析，模拟时需要根据放电状态进行模型建立及参数设定。

电流体是从放电极出发的高速离子射流，射流源的形态、射流喷口的形状以及射流的初速度等都是影响电流体流动特征的主要因素。电流体的射流源即为Fluent软件模拟时的风源。例如：在静电除尘器中，电晕放电时放电空间的尺度一般在15cm左右，电晕线附近的电晕区近似圆形，尺度约几毫米，其为电流体形成的喷射区，该区域的主要作用是积累电流体形成所必需的电荷数量和初始能量。

在以往的模拟中，由于电晕区很小，近似于电晕线尺度，因此把整个电晕线作为风源，在不同电压下设置同一风源半径及不同初始风速以进行模拟。但是在实际的电晕放电过程中，不同电压下电晕区的大小并不相同，这就决定了模拟时不同电压下的风源半径也应该是不同的，因此采用传统模拟方法对电流体进行模拟，必然存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的就是提供一种电晕放电空间电流体的模拟方法，以解决现有模拟方法因在不同电压下设置同一风源半径所导致的模拟误差较大的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种电晕放电空间电流体的模拟方法，包括如下步骤：

a、建立二维线板放电模型并确定电场中的电势泊松方程和电流连续性方程，对电势泊松方程和电流连续性方程进行离散得到电势离散方程和电荷密度离散方程，根据有限差分法在放电空间对电势离散方程和电荷密度离散方程进行迭代计算，并绘得放电空间不同电压下的电场强度分布图和电流密度分布图；

b、根据电场强度分布图确定放电空间的电场陡降区，所述电场陡降区即为模拟电流体状态时的风源范围；

c、将能够使放电空间电流体呈旋涡状结构的最小放电电压设为基准电压，所述基准电压下的风源半径即为电晕线的半径r，从基准电压所对应的电流密度分布图上找到电晕线外边缘处的电流密度ρ₀，从其它放电电压所对应的电流密度分布图上分别找到电流密度也为ρ₀的点距电晕线中心的距离，该距离即为不同放电电压下的风源半径R；

d、根据电晕线外边缘处离子风速v与放电电压u之间的关系v=0.0246（u-14.81）²，计算得出基准电压下的风源风速v₀；

e、根据基准电压下的风源半径r、基准电压下的风源风速v₀以及其它放电电压下的风源半径R，计算得出其它放电电压下的风源风速v′，其中，

f、根据不同放电电压所对应的风源半径及风源风速对放电空间电流体的运动状态进行仿真模拟。

本发明是利用计算机执行上述模拟计算步骤，进行电晕放电空间电流体的模拟。

在执行步骤a时，是利用Matlab软件进行迭代计算，并绘得放电空间不同电压下的电场强度分布图和电流密度分布图。

在执行步骤f时，是将不同放电电压所对应的风源半径及风源风速值输入Fluent软件，通过Fluent软件模拟放电空间电流体的运动状态。

主要有两种因素影响常压空气中电流体的形成及状态：一、作用在空间电荷上的电场强度的大小；二、空间电荷的能量，具体表现为空间电荷的数量及移动速度。因此，本发明选取了空间电场强度的分布来确定风源范围，通过电流密度的分布确定风源半径；对于不同的放电电压，其所对应的风源半径也不相同，再根据相应计算公式计算得出不同放电电压下的风源风速（即初始风速）。因此，在后续的采用Fluent软件对电流体进行模拟时，就可以更加准确地反映出各种放电电压下电流体的状态，使得模拟结果与理论值更为接近，由此减小了对电晕放电空间电流体的模拟误差。