Численное исследование газодинамических и тепловых процессов в импульсном электрическом разряде


Просмотр статьи
PDF, 1,1 МБ

Numerical study of gas-dynamic and thermal processes in a pulsed electric discharge

The processes accompanying the formation of a contracted (columnar) high-current nanosecond electric discharge in sub-centimeter gaps filled with nitrogen are numerically investigated in this work. The space between two flat electrodes is considered in the case when a potential difference of 25 kV is instantly established between them. The voltage is applied for a period of 200 ns, and then instantly removed. The characteristics of the non-thermal and thermal stages of an electric discharge development are studied, namely: the formation and growth of a streamer, the closure of the discharge gap by a streamer, the formation of a plasma channel, secondary ionization waves, an increase in the current density and temperature in the axial region of the channel. After switching off the electric field, the gas-dynamic processes associated with the thermal effect of the discharge on the neutral gas are investigated. Gas-dynamic processes are determined by the propagation of shock waves and rarefaction waves in the radial direction in relation to the axis of symmetry. The quantitative values of both the electric field (electron density, electric field strength) and gas-dynamic parameters (temperature, pressure, gas velocity) are determined.

low-temperature plasma, energy input, drift-diffusion model, Euler equations, shock wave, Godunov's scheme.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.2.923


Том 22, выпуск 2, 2021 год



В работе численно исследуются процессы, сопровождающие образование контрагированного (колоннообразного) сильноточного наносекундного электрического разряда в субсантиметровых промежутках, заполненных азотом. Рассматривается пространство между двумя плоскими электродами в случае, когда между ними мгновенно устанавливается разность потенциалов 25 кВ. Напряжение прикладывается в течение промежутка времени 200 нс, а затем мгновенно снимается. Изучаются характеристики нетермической и термической стадий развития электрического разряда, а именно: образование и рост стримера, замыкание стримером разрядного промежутка, образование плазменного канала, вторичные волны ионизации, рост плотности тока и температуры в приосевой области канала. После отключения электрического поля исследуются газодинамические процессы, связанные с термическим воздействием разряда на нейтральный газ. Газодинамические процессы определяются распространением ударных волн и волн разрежения в радиальном направлении по отношении к оси симметрии. Определяются количественные значения характеристик как электрического поля (плотность электронов, напряженность), так и газодинамических параметров (температура, давление, скорость газа).

низкотемпературная плазма, энерговклад, дрейфово-диффузионная модель, уравнения Эйлера, ударная волна, схема Годунова.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.22.2.923


Том 22, выпуск 2, 2021 год



1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. 592с.
2. Суржиков С.Т. Физическая механика газовых разрядов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. 640с.
3. Базелян А.Е., Базелян Е.М. Катодонаправленный стример в воздухе при импульсных напряжениях с наносекундным временем нарастания. ТВТ, 31(6): 867-874, 1993.
4. G.E.Georghiou, A.P.Papadakis, A.Morrow, A.C.Metaxas, Numerical modelling of atmospheric pressure gas discharges leading to plasma production. J. Phys. D. Appl.Phys. 2005,v.38, p.R303-R328.
5. Голота В.И., Доценко Ю.В., Карась В.И., Мануйленко О.В., Письменецкий А.С. Численное моделирование отрицательного стримера в азоте. ВАНТ серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (7). 2010, №4, с. 176-180.
6. Tholin F., Bourdon A. Simulation of the hydrodynamic expansion following a nanosecond pulsed spark discharge in air at atmospheric pressure. J. Phys. D: Appl.Phys. 2013. 46, 365205.
7. Kulikovsky A.A. The structure of streamers in N2. I: fast method of space-charge dominated plasma simulation J. Phys. D: Appl. Phys. 1994. 27 2556–63.
8. Qin J., Pasko V. On the propagation of streamers in electrical discharges. J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. 47, 435202.
9. H.C.Kim, F.Iza, S.S.Yang and all Particle and fluid simulations of low-temperature plasma discharges: benchmarks and kinetic effects. J. Phys. D. Appl.Phys. 2005,v.38, p.R283-301.
10. C.Li, U.Ebert, W.J.M. Brok Avalanche-to-Streamer Transition in Plasma Simulations. IEEE Trans. Plasma Sci. 2008, v.36, p. 910-911.
11. Базелян Е.М. , Райзер Ю.П. Рост канала стримера: поле и плотность плазмы за волной ионизации, затравочные электроны перед ней. ТВТ, 35(2): 181-186, 1997.
12. D.A. Xu, M.N. Shneider, D.A. Lacoste, C.O. Laux. Thermal and hydrodynamic effects of nanosecond discharges in atmospheric pressure air. J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (2014) 235202 (13pp).
13. A. Agnihotri, W. Hundsdorfer, U. Ebert Coupling discharge and gas dynamics in stream-less spark formation in supercritical N2. Japanese Journal of Applied Physics 55, 07LD06 (2016). pp.1-4.
14. Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. Расчетная модель тепловых и электроразрядных процессов в камерах технологических лазеров. Математическое моделирование. 1993, Т.5, №3, с.32.
15. E.A. Ermakov, I.E. Ivanov, I.A. Kryukov, I.V. Mursenkova and I.A. Znamenskaya. Numerical simulation of nanosecond discharge in gas-dynamic flows. J.Phys.: Conf. Ser. 1647 012015 (6 pp).
16. K.V. Korytchenko, S. Essmann, D. Markus, U. Maas & E.V.Poklonskii. Numerical and experimental investigation of the channel expansion of a low-energy spark in the air. Combustion science and technology, vol.191, №12, 2136-2161, 2019
17. Годунов С.К. Забродин А.В. Иванов М.Я. Крайко А.Н. Прокопов Г.П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976.
18. И. Э. Иванов, И. А. Крюков, “Квазимонотонный метод повышенного порядка точности для расчета внутренних и струйных течений невязкого газа”, Матем. моделирование, 8:6 (1996), 47–55.
19. A.A. Kulikovsky, The structure of streamers in N2. II: two-dimensional simulation. J. Phys. D: Appl. Phys 27 (1994), 2564-2569.
20. Знаменская И.А., Мурсенкова И.В., Наумов Д.С., Сысоев Н.Н. Локализация импульсного объемного разряда в вихревую зону за клином, обтекаемым сверхзвуковым потоком. Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия. 2019. № 5.
21. I.V. Mursenkova, Y. Liao, I.E. Ivanov, N.N. Sysoev. The characteristics of a nanosecond surface sliding discharge in a supersonic airflow flowing around a thin wedge. Moscow University Physics Bulletin. 2019. Vol.74, no.3. P. 269–276.