上海海事大学科研人员发表气体放电模拟研究领域的学术综述

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气体放电技术可以产生放电等离子体、电场、紫外光、离子风等，广泛应用于航天、材料、环保、医疗、生物、农业等多个领域。因此，对于气体放电机理及放电等离子体特性的研究不但具有理论价值，而且具有实际意义。由于放电过程涉及复杂的物理和化学反应，仅靠实验手段来检测等离子体内部参数的变化过程存在一定的难度。

数值模拟技术主要利用数学模型对大气压气体放电的时空演变过程进行模拟仿真并计算相关的参考量，从而实现对气体放电规律的准确分析，进一步帮助人们了解气体放电的微观过程。通过比较数值模拟结果与实验结果，可更全面地认识气体放电过程。

COMSOL Multiphysics是功能强大的多物理场耦合分析软件，利用有限元方法，在一维、二维和三维计算对象上对任意多个耦合起来的物理方程组进行计算，被应用在很多领域，如光通信领域、流动控制、污染物降解等。在一些高压线路中，为了更好地预防高压设备缺陷形成的尖端放电，必须要采集相关的数据，但是实际数据的采集有一定的难度，此时通过COMSOL模拟高压线路发生的一些情况，可更加便捷地收集数据，理清尖端放电的放电机理，保障直流电力系统的安全运行。

图1  平板型电极结构示意图

图2  线-筒型电极结构示意图

在工业、经济发展方面，COMSOL可进行岩石破碎、油田解堵、震源模拟、重油高效加氢并增产高附加值低碳烯烃、车载存储和氢分配、电磁脉冲焊接、锂离子电池研发、双分裂导线粘连振荡特性分析、无人机无线充电的轻量化磁耦合等模拟。由于材料加工、复合材料改性需要考虑多种因素，进行相关实验耗时耗力，还可能对环境造成影响，而利用COMSOL强大的功能，建立相关的数学模型进行计算，可分析不同因素的影响，达到研究目的。

利用COMSOL建立模型对不同放电形式进行仿真仍然是研究气体放电机理的重要手段。上海海事大学物流工程学院、上海海事大学静电研究所的研究人员车瑞、孙明，在2022年第7期《电气技术》上撰文，通过对模拟应用的气体放电形式、理论依据及模型建立，研究的结论，验证的实验手段，以及需要解决的若干问题五个方面进行详细综述，总结了介电常数、介质厚度、放电间隙、气速、气体成分和脉冲参数等在不同的放电形式下对电场强度、电子密度、粒子密度和电子温度等参数的影响。利用COMSOL自带的等离子体模块建立二维轴对称数值模型对气体放电形式进行仿真模拟是主要的研究方式，在不同的领域都有广泛的应用。

图3  同轴型圆筒电极结构示意图

图4  针-板电极结构示意图

图5  棒-板电极结构示意图

他们指出，目前基于有限元法的气体放电研究仍存在一定不足和尚需解决的问题。比如，在研究气体放电特性时，利用COMSOL建立的反应器流体模型有的以单原子气体为放电气氛，没有考虑耦合流场，而在实际操作时，反应器中存在不同流量的气体，需要进一步研究掺杂其他气体时的放电动态特性，更好地完善其物理化学方程、控制方程和边界条件等模型参数。

为了更接近实际情况，所建模型可在这些方面进行优化。在计算模型的有关参量时，仅考虑了使用有限体积法，虽然有限体积法具有稳定、收敛性好的特点，但也存在局限性，其在使用中心差分格式进行近似计算时，非结构网格化会产生一定的误差，进而影响结果，因此需要进一步优化有限体积法。

此外，研究中往往仅建立单一维度模型来模拟放电特性，准确性不足，应尽量使用多样化的建模标准，例如在建立一维模型后，若同时建立二维、三维模型，可提高仿真计算的精度，更好地解释气体放电的放电机理及相关特性。在研究气体放电机理时，电极结构模型只采用平板型结构、圆筒型结构或针-板极结构来检测气体放电特性，过于单一化，缺乏说服力；且有的研究结果仅仅基于计算机仿真模拟得到，没有进行实验验证，缺乏准确性。因此，可采用不同的电极结构进行COMSOL数值模拟，再配合实验验证，以得出更加准确的结论。

研究人员进一步指出，在对空气中电晕的数值模拟中，实际的动力学模型非常复杂，为了简化计算量，将其理想化，因此需要对空气放电的物理化学模型做进一步精细化研究。另外，正离子碰撞阴极所产生的二次电子在二次电晕脉冲形成的过程中起着重要作用，因此需要找到一种能有效抑制二次电子形成的填涂材料，将其涂在绝缘件表面以阻断二次电晕脉冲的形成，有效防止放电由电晕向流注发展，从根本上解决尖端放电给设备带来的安全隐患。

本文编自2022年第7期《电气技术》，论文标题为“基于有限元法的气体放电模拟综述”，作者为车瑞、孙明。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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