Динамика электрических и газодинамических характеристик искрового разряда в субсантиметровом промежутке с внешней RLC-цепью


Просмотр статьи
PDF, 3,2 МБ

Dynamics of electrical and gas-dynamic characteristics of a spark discharge in a subcentimeter gap with an external RLC-circuit

In this paper, the process of streamer development is numerically studied with its subsequent closure on the electrodes and the formation of spark channel at an initial temperature of 300 K and a pressure of 150 Torr in an RLC-circuit. The algorithm is based on a drift-diffusion model for gas discharge and an Euler system of equations for describing the dynamics of an ideal gas. The external part of the electrical circuit is taken into account by solving a system of ordinary differential equations for the time dependencies of the potential at the anode, the voltage at the capacitor and the current. The discharge is initiated by a 0.1 nF capacitor initially charged to a voltage of 25 kV, which is discharged through an inductor with induct-ance of 0.5 µH, a 100 Ω resistor and a gas discharge gap. The paper presents the dynamics of electron density (before and after the closure of the discharge gap by the streamer), and also shows its relationship with electric field strength and current density. The fields of pressure, density, and temperature at the stage of heat input to the spark channel are studied.

numerical simulation, spark channel, drift-diffusion model, RLC-circuit, energy input

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.6.1213


Том 26, выпуск 6, 2025 год



В данной работе численно исследуется динамика процесса развития стримера с его последующим замыканием на электродах и образованием искрового канала при начальной температуре 300 К и давлении 150 Торр в RLC-контуре. В основе алгоритма лежит диф-фузионно-дрейфовая модель электрического разряда в газе и система уравнений Эйлера для описания динамики идеального газа. Учет внешней части электрической цепи осуществляется посредством решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений для временных зависимостей потенциала на аноде, напряжения на конденсаторе и силы тока. Разряд инициирует изначально заряженный до напряжения 25 кВ конденсатор емкостью 0.1 нФ, разряжающийся через катушку индуктивности 0.5 мкГн, резистор 100 Ом и газоразрядный промежуток. В работе представлена динамика плотности электронов (до замыкания межэлектродного зазора стримером и после), а также исследована ее связь с напряженностью электрического поля и плотностью тока. Изучены поля давления, плотности и температуры на этапе подвода тепла в искровой канал.

численное моделирование, искровой канал, диффузионно-дрейфовая модель, RLC-контур, энерговклад

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.6.1213


Том 26, выпуск 6, 2025 год



Пространственная динамика поля плотности электронов после образования искрового канала

Просмотр
141,3 КБ

Пространственная динамика температуры нейтрального газа в межэлектродном зазоре

Просмотр
80,3 КБ


1. Tao Shao, Tarasenko V. F., Cheng Zhang, Lomaev M. I., Sorokin D. A., Ping Yan, Kozyrev A. V., Baksht E. Kh. Spark discharge formation in an inhomogeneous electric field under conditions of runaway electron generation // Journal of applied physics. 2012. Vol. 111. 023304. https://doi.org/10.1063/1.3677951
2. Douyan Wang, Takao Namihira. Nanosecond pulsed streamer discharges. Part II: Physics, discharge characterization and plasma processing // Plasma Sources Science and Technology. 2020. Vol. 29. № 2. 23001. https://doi.org/10.1088/1361-6595/ab5bf6
3. Simeni Simeni M,, Goldberg B. M., Cheng Zhang, Frederickson K., Lempert W. R., Adamovich I. V. Electric field measurements in a nanosecond pulse discharge in atmospheric air // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. Vol. 50. 184002. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa6668
4. Lo A., Cessou A., Lacour C., Lecordier B., Boubert P., Xu D., Laux C., Vervisch P. Streamer-to-spark transition initiated by a nanosecond overvoltage pulsed discharge in air // Plasma Sources Sci. Technol. 2017. Vol. 26. №4. 045012. http://dx.doi.org/10.1088/1361-6595/aa5c78
5. Xu D.A., Shneider M.N., Lacoste D.A., Laux C.O. Thermal and hydrodynamic effects of nanosec-ond discharges in atmospheric pressure air // J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. Vol. 47. 235202. http://iopscience.iop.org/0022-3727/47/23/235202
6. Xu D.A., Lacoste D.A., Rusterholtz D.A., Elias P.Q., Stancu G.D., Laux C.O. Experimental study of the hydrodynamic expansion following a nanosecond repetitively pulsed discharge in air // Ap-plied Physics Letters. 2011. Vol. 99. №12. 121502. http://dx.doi.org/10.1063/1.3641413
7. 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. Vol. 46. 365205. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/36/365205
8. Tholin F., Bourdon A. Simulation of the stable ‘quasi-periodic’ glow regime of a nanosecond repetitively pulsed discharge in air at atmospheric pressure // Plasma Sources Sci. Technol. 2013. Vol. 22. 045014. https://doi.org/10.1088/0963-0252/22/4/045014
9. Naidis G. V. Simulation of streamer-induced pulsed discharges in atmospheric-pressure air // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2009. Vol. 47. 22803. https://doi.org/10.1051/epjap/2009084
10. Naidis G. V. Dynamics of streamer breakdown of short non-uniform air gaps // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 38. P. 3889–3893. https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/21/009
11. Korytchenko K. V., Essmann S., Markus D., Maas U., Poklonskii E. V. Numerical and experi-mental investigation of the channel expansion of a low-energy spark in the air // Combustion Sci-ence and Technology. 2018. Vol. 191. № 12. P. 2136–2161. https://doi.org/10.1080/00102202.2018.1548441
12. Korytchenko K. V., Poklonskii E. V., Krivosheev P. N. Model of the spark discharge initiation of detonation in a mixture of hydrogen with oxygen // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2014. Vol. 8. No. 5. P. 692–700. https://doi.org/10.1134/S1990793114050169
13. Korytchenko K.V., Shypul O.V., Samoilenko D., Varshamova I.S., Lisniak А.A., Harbuz S.V., Ostapov K.M. Numerical simulation of gap length influence on energy deposition in spark dis-charge // Electrical Engineering & Electromechanics. 2021. №1. P. 35–43. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2021.1.06
14. Arkhipov N. O., Znamenskaya I. A., Mursenkova I. V., Ostapenko I. Y., Sysoev, N. N. Develop-ment of nanosecond combined volume discharge with plasma electrodes in an air flow // Moscow University Physics Bulletin. 2014. Vol. 69. №1. P.96–103. https://doi.org/10.3103/s0027134914010020
15. Znamenskaya I., Koroteeva E., Doroshchenko I., Sysoev N. Evolution and fluid dynamic effects of pulsed column-shaped plasma // Experimental Thermal and Fluid Science. 2019. Vol. 109.109868. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2019.109868
16. Знаменская И.А., Мурсенкова И.В., Наумов Д.С., Сысоев Н.Н. Локализация импульсного объ-емного разряда в вихревую зону за клином, обтекаемым сверхзвуковым потоком // Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2019. №5. С. 80-85.
17. Суржиков С.Т. Физическая механика газовых разрядов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. 640 с.
18. Ermakov E. A., Ivanov I. E. Numerical study of gas-dynamic and thermal processes in a pulsed electric discharge // Fluid Dynamics. 2023. Vol. 58. No. 4. P. 745–758. https://doi.org/10.1134/S0015462823601055
19. Ermakov E. A., Ivanov I. E., Kryukov I. A., Mursenkova I. V., Znamenskaya I. A. Numerical simulations of nanosecond discharge in gas-dynamic flows // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol.1647. 012015. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1647/1/012015
20. Kulikovsky A. A. The structure of streamers in N2. I: fast method of space-charge dominated plasma simulation // J. Phys. D: Appl. Phys. 1994. Vol. 27. P. 2556-63. https://doi.org/10.1088/0022-3727/27/12/017
21. Kulikovsky A. A. Nonlinear expansion of the cathode region in atmospheric pressure glow dis-charge // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. Vol. 28. P. 431-435. https://doi.org/10.1088/0022-3727/26/3/013
22. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Попов Н.А. Наносекундный сильноточный разряд в сверхзвуковом потоке газа // Теплофизика Высоких Температур. 2005. Т. 43. № 5. С. 820–827.
23. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. 592с.
24. Суржиков С.Т., Козлов П.В., Котов М. А., Рулева Л.Б., Солодовников С.И. Нормальный тлеющий разряд: сравнение расчётных и экспериментальных данных // Доклады академии наук. 2019. Т. 485. № 4. С. 422–427. https://doi.org/10.31857/S0869-56524854422-427
25. Гладуш Г. Г., Самохин А. А. Численное исследование шнурования тока на электродах в тлеющем разряде // Прикл. мех. техн. физ. 1981. Т. 22. №5. С. 15–23. https://doi.org/10.1007/BF00913706
26. Ермаков Е.А., Иванов И.Э. Влияние характеристик внешней части электрической цепи на развитие наносекундного импульсного разряда // Известия Российской академии наук. Меха-ника жидкости и газа (принято в печать 31.07.2025)
27. Kulikovsky A.A. The structure of streamers in N2. II: two-dimensional simulation // J. Phys. D: Appl. Phys. 1994. V. 27. P. 2564-2569. https://doi.org/10.1088/0022-3727/27/12/018
28. Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики // Матем. сб. М.: Математический институт имени В. А. Стеклова РАН, 1959. Т. 89. №3. С. 271–306.
29. Годунов С.К. Численное решение многомерных задач газовой динамики (под редакцией С. К. Годунова). М.: Наука, 1976. 400 с.
30. Harten A., Lax P.D., van Leer B. On upstream differencing and Godunov-type schemes for hyperbolic conservation laws // SIAM Review. 1983. V. 25. №1. P. 35-61.
31. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука. 1978. 592 с.
32. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. М.: Изд-во МФТИ. 1997. 320 с.
33. Arrayás M., Ebert U., Hundsdorfer W. Spontaneous branching of anode-directed streamers between planar electrodes // Physical Review Letters. 2002. Vol. 88. №. 17. 174502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.174502
34. Liu N., Pasko V. P. Effects of photoionization on propagation and branching of positive and nega-tive streamers in sprites // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2004. Vol. 109. A04301. https://doi.org/doi:10.1029/2003JA010064