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研究背景

表面介质阻挡放电是一种高效的等离子体产生方式，其中环状电极SDBD激励器因放电更均匀、处理面积更大，在流动控制、废水处理、防除冰等领域应用前景广阔。但实际应用中，SDBD激励器常面临表面覆水工况挑战。覆水会改变介质表面的电场分布，进而影响放电通道的形态、密度和发展方向，直接改变了放电时产生的诱导气流和活性粒子的特性，从而影响应用效果。需要明确水滴如何影响放电过程，才能从根本上保障SDBD激励器在潮湿环境中的稳定运行。

论文所解决的问题及意义

环状SDBD激励器在实际应用中会因雨水覆盖、水滴飞溅形成覆水工况，引发介质表面电场分布改变，导致放电通道形态、密度及发展方向异常，进而影响SDBD诱导气流、活性粒子产生等关键功能。

本文针对覆水条件下SDBD放电特性变化规律及内在机制展开，通过实验研究，结合水滴极化、表面电荷积累等理论，系统揭示覆水后环状SDBD放电通道的偏移和阻断变化、水滴“二次电极”作用及电压调控规律等关键特性，有效解决了对于覆水工况下SDBD放电机制阐释不清晰、放电特性影响不明确的问题，为潮湿环境下SDBD装置的优化设计提供直接指导。

论文方法及创新点

1、覆水前后放电特性分析

通过覆水与未覆水工况下的实验结果对比，发现：① 虽然放电均发生在电压上升沿，但覆水条件下的电流峰值出现时间提前，电流峰值显著降低；② 覆盖于介质表面的水滴上、下端均产生了指向介质中心的离散放电通道，但水滴覆盖处未形成明显的放电通道，出现放电通道被“阻断”现象。

图1 未覆水/覆水环状SDBD的放电电压电流波形和放电图像

电压幅值增加，水滴上、下端激发的放电通道数量和亮度均有所上升。下端A点处对放电通道的汇聚作用增强，通道向水滴下端发生偏移；下端B点处激发的放电通道数量增加、通道长度提升。

图2 不同电压幅值下800个脉冲叠加作用的覆水放电图像

2、介质表面电场分布的仿真模拟

通过建立三维电场模型量化分析环状SDBD介质表面电场分布变化，计算发现与未覆水工况相比，水滴靠近高压电极一侧的电场强度提升，靠近介质中心一侧的电场强度降低，且水滴下端出现局部强电场区域，为后续分析放电通道偏移与“阻断”现象提供电场理论支撑。

图3 未覆水/覆水环状SDBD激励器介质表面电场分布和

不同z值下电场随r分布曲线

3、覆水下的放电通道发展过程分析

结合水滴极化与表面电荷积累理论，研究团队从微观机制层面，拆解了水滴“阻断”放电通道的发展过程。无外加电场时，水滴内电偶极子无规则分布；施加电压后，电偶极子在电场力矩作用下发生偏转，呈现水滴下端带负电、上端带正电的极化状态。

图4 外加电场下水滴内部电偶极子受力分析

极化后的水滴会吸引周围自由电子引发初始电子崩，形成由高压电极指向介质中心的正流注。当流注通道发展到水滴时，水滴表面电荷积累，阻碍放电通道贯穿，形成“阻断”现象。

图5 水滴下端与高压电极间的放电通道发展过程

结论

1）覆水工况下环状SDBD的高压电极区域激发的放电通道在沿径向发展时会向水滴偏移，且由于水滴的高介电常数，放电通道在遇到水滴后会出现“阻断”现象。

2）由于介电常数差异引起的局部电场畸变，在水滴上端出现了多个放电起始点，这些放电通道与高压电极产生的放电通道之间存在互斥作用，导致水滴周围出现明显的暗区。

3）外加电压幅值的升高增强了水滴上、下端的放电通道亮度，并加剧了放电通道向水滴下端的偏移，形成水滴汇聚放电通道现象。

4）在单次脉冲的上升沿阶段，水滴充当“电容”进行电荷积累；而在下降沿阶段，水滴作为“二次电极”释放这些积累的电荷，从而加剧介质表面残余电荷的碰撞电离过程，增强反向放电。

电工装备仿真成像研究团队依托重庆大学输变电装备技术全国重点实验室而建立，主要从事电力装备多物理场计算和数字孪生技术、电磁成像、高压放电机理与放电等离子体模拟、放电等离子体应用等方面的研究工作。在放电与等离子体研究方面，团队拥有完善的等离子体诊断平台，近年来在高电压放电等离子体产生机理及放电发展过程研究、高压电力装备多物理场仿真模拟、放电等离子体在材料改性、流动控制、生物医学等领域的应用方面取得多项成果，为放电等离子体工程应用提供了理论支撑。