CN117313619B - 一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法，包括：在构建好二维放电电极模型后，设置边界条件及初始状态，并在模型的电极间隙中存在火花放电的区域设置一初始高温区；选择不同频点测试温度场，确定直流激励和交流激励的火花结果图，并标识出温度为第一预设温度的等温线划定为火花区域；计算不同频率激励产生的火花区域的火花最高温度以及预设频率值时火花最高、最低以及平均温度，并分别对不同频率下的击穿场强、温度分布和温度最值进行分析，得到分析结果。本发明可以实现温度场的建立，分析不同频率不同位置处的温度，分析不同频率的低频信号对火花特性的影响，进而可以指导燃烧学领域的研究分析。
Description
技术领域
本发明涉及火花放电分析技术领域，尤其涉及一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法。
背景技术
目前，相较于电磁辐射对人体和军械的两类危害而言，电磁辐射对燃油危害的研究尚不完善，燃油危害的发生是由于放电产生的电火花引燃可燃气体导致的，然而，目前在大气压环境下，对低频火花放电的特性分析基本都是关于击穿电压、电极间距等因素对放电现象的影响，而频率对火花放电的影响以及放电时电极温度的分析相对较少，而通过频率对火花放电特性影响的分析可以更好的寻找电火花引燃可燃混气的频率特性以及温度特性，由此实现对电磁辐射对燃油危害问题的进一步特性分析。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法，分析不同频率对火花放电特性的影响，实现仿真电场的建立，并对放电过程的温度进行计算。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法，所述分析方法包括：
S1、在构建好二维放电电极模型后，设置边界条件及初始状态，并在模型的电极间隙中存在火花放电的区域设置一初始高温区；
S2、选择不同频点测试温度场，确定直流激励和交流激励的火花结果图，并标识出温度为第一预设温度的等温线划定为火花区域；
S3、计算不同频率激励产生的火花区域的火花最高温度以及预设频率值时火花最高、最低以及平均温度，并分别对不同频率下的击穿场强、温度分布和温度最值进行分析，得到分析结果。
所述分别对不同频率下的击穿场强、温度分布和温度最值进行分析，得到分析结果具体包括以下内容：
当激励为直流激励时，在完成空气击穿形成稳定火花后，其温度保持温度；
当激励为交流激励时，交流激励产生的火花温度随激励源的变化而变化，且随着频率的增加，单个周期内火花能量无法快速耗散，而在下一次放电时，高频率的激励源产生的火花初始温度将高于低频率激励源产生的火花初始温度，当激励频率增加到预设频率值时，此时火花温度最大值幅度变化远小于低频时火花温度最大值幅度变化，当激励频率继续增加时，火花温度最大值幅度变化逐渐趋于稳定，将预设频率值作为第一防范频率值；
当电极间距保持不变时，随着频率的增加击穿场强逐渐降低，继续增加激励频率增直到击穿场强达到最小，此时，空气最容易被击穿，并将此时的频率值作为第二防范频率值；
比较第一防范频率值与第二防范频率值的大小关系，将频率小的作为最终的防范频率值。
所述分析方法还包括二维电极放大模型构建步骤，其包括：选择由负载、激励源以及火花发生装置串联而且的回路作为放电回路，火花发生装置包括两针尖上下相对且不接触的金属探针，探针尾部分别接入电路的两端。
所述两针尖上下相对且不接触的金属探针一个作为阳极电极，另一个作为接地电极，两个金属探针的尺寸大小相同。
本发明具有以下优点：一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法，可以实现温度场的建立，分析不同频率不同位置处的温度，分析不同频率的低频信号对火花特性的影响，进而可以指导燃烧学领域的研究分析。
附图说明
图1 为本发明的流程示意图；
图2 为放电电路的示意图；
图3 为火花二维电极放电模型示意图；
图4 为设置的初始高温区示意图；
图5 为直流激励的火花温度场仿真结果示意图；
图6 为不同激励频率下火花温度场仿真结果示意图；
图7 为不同激励频率下火花温度变化曲线示意图；
图8 为100kHz激励下温度最值变化曲线示意图；
图9 为直流激励的火花电场分布示意图；
图10为不同激励频率下火花电场分布示意图；
图11为高频激励场强与频率关系示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明具体涉及一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法，通过建立仿真模型，在电极之间注入不同频率的低频信号，实现实时观察温度及电场分布的效果，具体包括以下内容：
步骤一：设计试验回路，强电磁辐射对多物理场的作用过程需要保持火花稳定存在的时长，因此本发明所采用的火花发生电路在传统RC回路上进行了精简，选择由负载、激励源以及火花发生装置串联而成的回路构成，如图2所示。
步骤二：构建二维放电模型，如图3所示，深灰色上半部分表示阳极电极，由10mm长度半径为5mm的圆柱与9mm的尖头构成；深灰色下半部分表示接地电极，尺寸大小与阳极一致，除此之外其余浅灰色区域为空气。
步骤三：设置初始状态、层流状态、边界条件等试验前期参数，其中为了保证模型的收敛，在电极间隙中可能存在火花放电的区域设置了一个初始高温区，如图4所示。
进一步地，为了提高火花放电数值计算的收敛性，在进行数据模拟时需要设定以下假设条件：
1、不考虑火花的初始产生过程；2、火花等离子体处于局部热力学平衡状态；3、忽略等离子体在向外辐射过程中接收到的反射能量；4、空气的密度、电导率、导热系数、比热容等物性参数仅与温度相关；5、等离子体呈二维轴对称分布，处于层流状态；6、忽略火花放电对电机的烧蚀以及等离子体鞘层的影响。
步骤四：选择不同频点测试温度场，直流激励选择火花稳定1ms时的结果图，交流激励选择距离1ms最近的一次击穿放电时刻的结果图，并标识出温度为3000K的等温线划定为火花区域，如图5和图6所示。可以发现火花中心区域温度较高，频率越高能量越集中，越易发生引燃可燃混气的现象
步骤五：计算不同频率激励产生的火花最高温度及100kHz时火花最高最低及平均温度，如图7和图8所示。从图7中可以看到，直流激励下在完成空气击穿形成稳定火花后，其温度基本保持稳定，而交流激励产生的火花其温度会随激励源的变化而变化，但随着频率的继续升高，单个周期内火花能量无法快速耗散，因而在下一次放电时较高频率的激励源产生的火花初始温度将高于较低频率激励源产生的火花温度。当激励频率达到100kHz时火花最高最低及平均温度如图8 所示，可以看到火花温度最大值幅度变化仅为12000K左右，远小于低频时的温度变化量，因此可以推测当激励频率继续升高时，火花的温度最大值变化将逐渐趋于直流火花稳定燃烧温度。
步骤六：对电极间电场进行仿真构建，如图9和10所示，图9 直流激励火花电场分布，图10 不同激励频率火花电场分布。
步骤七：分析频率对场强大小的影响，拟合成曲线，如图11所示。可以看出在放电间距保持不变时，随着频率的升高击穿场强逐渐降低，在激励频率50MHz附近，场强出现了最小值，空气最易击穿，而频率继续增加场强值则会逐渐上升最后稳定在21000V左右，因此50MHz是针对HERF问题最需要进行防范的频率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和完善，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (3)
1.一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法，其特征在于：所述分析方法包括：
S1、在构建好二维放电电极模型后，设置边界条件及初始状态，并在模型的电极间隙中存在火花放电的区域设置一初始高温区；
S2、选择不同频点测试温度场，确定直流激励和交流激励的火花结果图，并标识出温度为第一预设温度的等温线划定为火花区域；
S3、计算不同频率激励产生的火花区域的火花最高温度以及预设频率值时火花最高、最低以及平均温度，并分别对不同频率下的击穿场强、温度分布和温度最值进行分析，得到分析结果；
所述分别对不同频率下的击穿场强、温度分布和温度最值进行分析，得到分析结果具体包括以下内容：
当激励为直流激励时，在完成空气击穿形成稳定火花后，其温度保持稳定；
当激励为交流激励时，交流激励产生的火花温度随激励源的变化而变化，且随着频率的增加，单个周期内火花能量无法快速耗散，而在下一次放电时，高频率的激励源产生的火花初始温度将高于低频率激励源产生的火花初始温度，当激励频率增加到预设频率值时，此时火花温度最大值幅度变化远小于低频时火花温度最大值幅度变化，当激励频率继续增加时，火花温度最大值幅度变化逐渐趋于稳定，将预设频率值作为第一防范频率值；
当电极间距保持不变时，随着频率的增加击穿场强逐渐降低，继续增加激励频率直到击穿场强达到最小，此时，空气最容易被击穿，并将此时的频率值作为第二防范频率值；
比较第一防范频率值与第二防范频率值的大小关系，将频率小的作为最终的防范频率值。
2.根据权利要求1所述的一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法，其特征在于：所述分析方法还包括二维电极放大模型构建步骤，其包括：选择由负载、激励源以及火花发生装置串联而且的回路作为放电回路，火花发生装置包括两针尖上下相对且不接触的金属探针，探针尾部分别接入电路的两端。
3.根据权利要求2所述的一种频率对大气压低频火花放电特性影响的分析方法，其特征在于：所述两针尖上下相对且不接触的金属探针一个作为阳极电极，另一个作为接地电极，两个金属探针的尺寸大小相同。
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