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应用ABBTZID-C定位器改良气动推广机构的告成案例

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  时候会存在很多权衡选择光电二极管的,极管的尺寸包括光电二,容电,声噪,及封装类型暗电流以。来说一般,或者透镜可以聚集光源的光电二极管最好是选用较小的同时带有反射器。单独的光电二极管德州仪器没有生产,多基本的应用然而对于很,上的OPT101会提供一个完整的解决方案将光电二极管和跨阻放大器集成在一块芯片。

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  :硕士 专业:测试计量技术与仪器 指导教师:周砚江 20091218 硕士学位论文 摘要 EHD空气泵技术浙江理工大学硕士学位论文 电流体动力学(EHD)空气泵的多物理场建模与数值仿真 姓名:毛晓靖 申请学位级别,子风实现气流加速的一项技术是利用空气电晕放电产生的离。电动力学、流体力学等相关理论其 涉及非平衡态等离子学、。年来近, 学研究的不断深入随着非平衡态等离子,起了国内外学者的广泛关注离子风的应用基础研究引,的一个分支和国际研究的前沿成为非平衡态 等离子体研究。控制、空 气净化等领域得到了应用离子风技术开始在芯片散热、燃烧。在气流速度小、效率低等问题由于现有的离子风发生装置存,离子风的加速如何实现对,置是国际研究的热点问题使其成为一种空气输送装。史和现状进行了较深入的综述本文对国内外离子风的研究历,主要成果和存在的主要问题概括总结了离子风研究 的,流加速装置一 EHD空气泵的理论模型并在此基础上提出了一种大流量离子风气;体力学等相关理论应用电动力学、流,模型、多极线.板式EHD空气泵模型提出EHD空气泵极间放 电角度优化;法进行了简要的 阐述对多物理场耦合分析方,sysics对EHD空气泵多物理场进行 模拟仿真分析应用多物理场耦合分析软件COMSOLMultiph,满意结果得出了较。EHD空气泵本文提出的,气流量的气流加速装置是一种能够产生大空,多物理场耦合建模以及数值仿真通过对其进 行的理论分析、,对气流加速的可行 性证明了EHD空气泵,对流装置使用能够作为空气。HD空气泵关键词:E;子风离;理场多物;分析仿真;ofairflowacceleration technologywhich uses ionswind generatedby corona discharge toacceleratetheairflow.Itrelatestonon-equilibrium plasmascienceCOMSOLMultiphsysies 硕士学位论文 Multi—physicsModeling andNumericalSimulationof Electrohydrodynamics air pump Abstract EHDair pumptechnology anewtype ,dynamicselectro,tedtheories.Inrecent yearsfluiddynamics andotherrela,cholarsin theworldwiththefurtherresearch011 Non-equilibrium Plasma.IonicWind technology has been applied toair propulsionsolid—fluidboundarylayermodificationthe applied basicresearchofionswindwhichhasbecomeabranchof non-equilibriumplasma researchandtheforefrontofinternationalresearchhasattractedwideattentionfroms,lingcoo,acousticselectro— ,teremovalparticula,searchthathowtoachievetheaccelerationoftheionwindasaairconvection unitdehumidification andotherareas.Ithasbecomeahotissuein internationalre,s paper conductsamore in-depth overviewofionwindresearch history andcurrent situationintheworldbecame problem ofthecurrentionwind generating devicesairflowrateissmallandlow efficiency. 7nli,of high flowionswindaccelerator-theEHDair pump presentedbyapplyingelectrodynamicssummarizesthemainresultsandexist problems ofionwind.Onthis basisatheoreticalmodel,r angle betweenthe dischargeoptimizationmodelfluid dynamics andotherrelatedtheories.m pola,umpplate EHDmodelmulti-polar air p,Dair pump presentedinthis paper.The feasibility ofEHDair pump onairflowaccelerationis provedby theoretical analysis multi-physicsmodelingandnumericalsimulation.ItCanbeusedasairconvectionunit. K呵words:EHD air pumpabrief analysis multi-physicscouplingandsimulate multi-physics simulation analysis wimthe help ofCOMSOL Multiphsysics arcintroducedandamore satisfactory resultsarereached. largeflowofairflowaccelerationdevice-EH;cwindIoni;sics fieldMulti-phy;n analysisSimulatio;cs 1.1课题背景第一章绪论 离子风COMSOL Multiphsysi,风、电晕风也被称为电。体媒介中是指在气,其 放电产生的气体扰动现象施加不均匀高能量电场诱导。干燥控制、 燃烧控制、电声、粒子运动控制等领域主要应用于气流加速、流固边界层控制、芯片散热、。sbee发现离子风现象以来自1709年英国人Hauk,内的 许多学者都曾对该现象进行过研究包括Faraday和Maxwell在,个世纪后直到两,子风效应的理 论解释才初步建立了对该离。用简单的平行板式电晕放电装置1899年Chattock,和电 流简单关系陋1测量得到了离子风压力;54年19,attock的工作L6b延续了Ch,行了严格的 理论分析对离子风产生机理进。61年19,子风压力关系进行了详细的 理论推导和实验验证M.Robinson对电晕放电产生的电流跟离,率进行了理论分析嘲并对离子风转换效。86年19,分布关系进行了理论总结并提出自己的电压一电流分布 关系式R.S.Sigmond 对针板式电晕放电系统电压一电流,理提供了离子风电学基础为后入研究离子风产生机。应用中在工程,放电技术来产生离子风常采用基于电晕气体。的方法上研究分析,HydroDdynamicEHD)进行理论分析一 般采用电流体动力学(Eleetrical。应工程学、高压脉冲技术等领域的一门交叉学科EHD技术涉及高 能物理、气体放电化学、反,学的一个分支成为流体力 。电场对流体介质的作用由于考虑了气流场中,被看作是在运动电解质中的电动力学所以EHD空气泵的研究理 论可以。体中在流,电场对 运动流体的作用介质运动时电场的影响及,有趣的电流体现象旧两者作用会出现很。年的研究经过数十,到了长足的发展离子风技术得。3月在17日2008年,ualSemiconductorThermal Measurement美国加州 圣何塞举行的第24届半导体热工测量、建模与处理年会(Ann,ementSymposium)上旧ModelingandManag,halSinghal介绍了他们的这一最新成果—咄SD5固态风扇ThorrnMicro技术公司的 DanSchlitz和Vis。.1)所示如图(1,且几何形状相差较大的电极之间RSD5基本原理为在两个相邻,高电压施加,空气产生电晕放电诱导电极周围的。运动而导致的 空气流动在发生电晕放电时因离子。尺度等离子体(含有自由电子的离子 气体RSD5通过一系列通电导线的组合产生微,导电)可以,电荷的半圆柱导体圆盘中这些导线被部分封装于无。的作 用下在强大电场,性分子由导线向圆盘运动离子会推动空气中的中,于冷却的风从而形成用。SD5固体风图1.1R。大风速是2.4米/秒扇 RSD5产出的最,风扇的0.7一1.7米/ 秒大大超过普通小型CPU机械。械风扇的四分之一而大小只有普通机。厘米、功率 为25瓦的:卷片设备这种设备可以用于冷却小于1立方。、低能耗、易维护的特点它具有散热效率高、超薄。品 离子风除被用于:芯片散热是:醛片散热领 域划时代的产,技产品制造中还被用于高科,备中的静电来消除设。航天等领域都有离子风相关技术的应用‘71在油 漆喷涂、包装袋填充、空气净化、航空。有较好的发展前景离子风 技术具。究综述 1921年1.2国外离子风研,ed Biefeld一起发现 Biefeld.Brown效应阳剖美国科学家T.T.Brown和美国另一名科学家PaulAlfr。升机为飘,体泵流,供了理论基础EHD散热提。64年19,drohymanic fluid pump)如图1.2所示T.T.Brown 发明了EHD流体泵(Electrohy。 EItD流体泵 图1.2中图1.2T.T.Brown,环面镶嵌放电金属棒作为电晕放电电极T.T.Brown使用圆锥环及其。电极的作用下在多个 这种,的电介质加速使流过电极。尼龙等导电 系数不大的电介质他提出了在电极金属棒上套装,过程中产生电弧以减小在放电,电极之间的电流量但这样也限制了。。离子风加速装置模型这是较早提出的多级。极采用同一几何形状但其电晕极跟集电,源串联电阻进行减压使用 同一高压电,效率将较低导致其工作。7年96,trofluid-dynamictriode)的流体加速设备T.T.Brown发明了被他称之为电流体动力三极管(elec,、电介质流体加速主要应用于扬声器。1.3所示其装置如图,压电源(15)的作用下其工作原 理为在直流高,1la)电晕极(,晕放电产生 较稳定的气流场集电极(13a)之间进行电。同时于此,压器(33)通过升压变,号(如音频信号)输入微弱的交流信,号的调制下在交流信。出变化的气流从集电极输,有调节作用对气流速度。m电流体动力三极管 近年来图1.3 T.T.Brm,制和除尘等领域的应用研究发展迅速国际学术界对离子风在传热、燃烧控。Jewell.Larsen华盛顿大学的Nels.E.,子风加速技术进行了研 究n帕对稳态情况下单极电晕放电离,放电结构的微型模型提出y-级加速电晕。少了离子体的复合这种模型有效的减,空气流速从而提高,外此,场力优化模型(FOM模型)提出了单极电晕放电二维电,Fx进行优化研究对风 速驱动力。方向上的电场力:Fy是通道Y方向上的电场力如式1-(1)所示: 上式中Fx是通道x;向上的电场强度Ex是通道X方;上的电场电场强度Ey是通道Y方向;电荷密度P空间;道截面积A是通。集极形状、距离对电晕电场强度应用FOM 模型对电晕极和收,分布电势,影响进行分析和电场力的。算和仿真分析并应用数值计,详细的对比定量研究对fm进行了较为。同时于此,极电势梯度分布对电场力分布的影响定量的分 析了空间电荷分布和收集。表明研究,和集电极之间的距离不变的情况下在外部提供相 同电压且电晕极,极几何形状比成 反比fm值跟电晕极和集电,、收集极越大即电晕极越小,m就越大那么f。型的研究结果结合FOM模,arallel-plane晕结构模型提出 Sharp—edge—to-p。种电晕结构实验证明这,好的 优化作用对电晕电场有较,速空气速度能明显加,装置的运作效率提高离子风产生。外此,部供电电压对风速的影响应用实验方法 研究了外。果表明研究结,部电压和空 气流速成正比在符合辉光放电情况下外。从事离子风加速研究【11M.Rickard主要。211。对针.环式电晕 放电结构应用电流体动力学基本方程,真和实验测试研究进行了系统建模仿。电场分布进行了 理论分析对针一环式电晕放电结构,在集电极的二次电离提出要避免气体分子,极的曲率半径必须加大集电。空气湿度对电晕放电影响并应 用实验方法研究了。二次电 离的过程及对离子风速的影响应用一维静电场数学模型分析了产生。两极间的电流过大其研究表明如果, 气体分子产生电离就会使靠近集电极的,荷漂移区相反的电荷从而产生与单极电,场力的作用下异性电荷在电,运动降低离子风气流速度会朝着离子风相反方向,免二次电离要尽可能避。环式电晕放离子风产生机构风速进行了测试分析应用PIV粒子 成像技术和热线测速仪对针.,所得的风速进行了比较对使用两种 不同方法,电晕极风速较大实验表明靠近。得出的结论根据研究,单电晕极放电结构气流加速系统M.Rickard提出了多级。理场耦合软件对离子风加速技术进行了仿真分析应用有限元软件FEM.LAB3.1多物 。pztov假设的基础 上在符合peek方程和Ka,来确定空间电荷密度初值应用实验测得的电流值。外层 空间电荷密度初值的方法改进了确定电晕等离子区边界。风加速的相关因素分析了影响离子,离、空气湿度、电晕极材料等如电晕极与集电极之间的 距。外此,速的影响做了仿真对比研究M.Rickard还对风。蚰嘲Ek。与电压曲线图 法国科学家EricMoreau主要从事非热态等离子技术研究LIlm嘲 图1.4Matthew Rickard针一盘式电晕放电流量,技术进行了具体实验研究n瑚对空气放电离子风气流控制。子风发生装置的工作效率其研究目的在于提高离,以下几个方面:1.电极的极性研究 发现影响风速的因素有,电晕与 负电晕对风速的影响是不同的EricMoreau等研究表明正。相同的情况下在其它条件,比负电晕 最大风速大正电晕的最大风速要。晕相比会产生正电晕跟负电,er-velocity)所谓的“超风速"(ov,正电晕的注流产生的这个可能 是因为,没有注流产生而负电晕并。明正电晕离子 风这个有趣的现象说,区离子定向运动共同作用的结果n41是由电晕极尖端注流和单极电荷漂移。极的 形状2.收集,与网格的形状大小无关实验表明V-I曲线。件相同的情况下3.在其它条,值总是小于负电晕正电晕的 电流。.5所示‘ 图1,图1.5针一网式实验原理图如图1.6所示是EricMoreau针网式实验原理图 ,(直径为D)、针状电晕 极、放电通道、微安表组成针一网式试验装置由高压电源I-IV、网状集电极。间的距离用G表示电晕极与集电极之。=20mm 条件下在G=15mm、D, 14 16'8 嘲e(帅VbJtage( 图1.6在不同网格下负电晕电压一电流曲线对正电晕和负电晕下电压一电流曲线、不同网格直径下风速一电流曲线、不同集电 极流速曲线,负电晕a表示;5 Current( Current) 图1.7不同网格直径下电流.风速分布曲线b表示正电晕 1015 20 25 30 35 1015 20 25 30 3,示负电晕a图表;晕 从图1.6b图表示正电,格形状、电压强度下可以看出在相同网。值要高于正电晕负电晕的电流。7可以得出而从图1.,电晕电流在相同的,同的情况下网格直径相,要比 负电晕大正电晕气流风速。.8中图1,不同放电形式下曲线表示的是在,环式集电极放电网格式集电极与,分布曲线图气流速度。可以得出从图中,小于网格式电极气流 速度环状集电极放电气流速度要。icMorcau等人对离子风对边界层影响做了实验研究n酊10Y(rnm) 图1.8不同集电极形状风速分布图 Er,9斜板实验 装置设计了如图1.。界层影响研究实验装置图如图1.9所示图1.9Eiioreau离子风对边,目的在于该方案的,电风相反方向的外加流 场应用一个与电晕放电产生,耦合边界层的影响来分析电风对流固。长100mm其实验主体为,的有机玻 璃板宽500mm,为500mm阴极和阳极在有机玻璃板上放鹭长度,阳极直径O.8mm其阴极直径2mm、。间的距离为40mm电晕极与集电极之。(40KV采用DEL,)高压直流电源3.75mA。机采用(LAVISIONFlowmaster3PIV 装置采用德国LAVISION系统高速相,4 pixels1280'102,its)12 b, TwinsUltra ofQUANTEL激光器采用Yag双脉冲激光器(model,m) 在实验中2=532 n,的离子风瞬时速度用皮托管测量出,间的电流增加时表明当两极之,会增大风速 ,性会减小但稳定。—3所示如图2,的平均风速为1.3m/s当电流为0.3mA/m时,的平均风速为3.0m/s电流为1.5mA/m时。除以单条 电极长度)表明当电流增加时(这里电流mA/m定义为总的平均电流,将越来越大电晕极注流。1.10所示其参数图如图。V技术测试时使用 PI,稳定的流速为了得到。A/m的电流量采用1.2m,.10KV和+25KV阴阳两极的电压分别 为。Time(s) 图1.10E.Moreau电流.流速曲线图 ^芒iI-03lnA'm 0.0 0.5 1.0 lt5 2.0 ;来说明直流电晕放电系统对穿过斜板空气流的影响I)>llu0弓>E.Momau用实验的方法。围的空气场进行了可视化测量采用了 PIV技术对斜板周,感器所得到的数 据结合平板上的压力传。11所示如图1.,电风")对外界给定气流场的影 响斜板角度不同时离子风(原文称为“。不同外界流速条件下从图中可以看出在,效果是不一样的离子风对其影响,风对流场速度分布影响较为明显在气流比 较小的情况下离子。) 图1.11平板角度与平均气流速度分布曲线所示1610 2426 28 30 h.glcn(o,总长度Lw的比值作为横坐标图中用斜板坐标X’与斜板,感器的位置来表示传 。可以看出从图中,压 曲线m/s速度有离子风与无电风作用的曲线非常相近当气流为5m/s时有离子风作用和无电风作用传感器电。表明其,对大气流场分离作用效果明显离子风对小气流场分离作用比。安大学H.KallIlan对离子风散热系统放电结构优化进行了实验研究‘2蝴1280 OFF ON ol‘l帆lc《 图1.12斜板压强分布曲线以色列古里。用的线其采,.13 IL l【a1呦实验装置图 实验表明当0=34.5对电晕极与集电极之间的放电角度做了对比优化研 电晕援图1。,90=。,90口=。时,置散热效率最高离子风发生装, 度最快即气流速。指出的的针一板式电晕放电理论相符得出的实验结果与Warburg。haoL.Z,板和针一格式离子风产生装置嘲删K.AdaInial【对针一,和实验分析进行了数值。M)和有限元(FEM)法提 出应用边界元(BE,布和单极离子区电 荷分布来仿真电晕极表面电场分。场强度梯度相当大由于电晕极表面电,利于得到精确解用边界元方法有。场强度梯度变化相对弱而在单 极离子区电,以得到满意的数值解用有限元方法已可。Zhao同时L.,求解电晕极和集电极(地极)之间的空中电荷分 布K.Adamiak还提出了用特征法(MOC)来。方程确定电晕层边界空间电荷密度初值应用Kaptsov假设和Peek。以上方法综合应用,haoL.Z,数据和实验所测数据进行了比较K.Adamiak对数值计算。数据较 为接近仿真结果与实验,满意的结果得到了较。LAB3.1对稳态情况下的离子风系统进行了仿真研究Igor.Krichtafovitch/直用FEM。行了带离子扩散系数的仿真分析对 线一板式离子风驱动系统进。1.3国内离子风研究概况 东华大学亢燕铭教授H心3仿真结果表明离子扩散对离 子风速度有一定的影响 ,体条件下在纯净气,密度和V-I特性模拟了空间电荷,场控制方程和电流连续性方程采 用有限差分技术求解了电,验数 据具有很好的一致性所得的模拟结果与已有的实。究表明其研,明显优于平板和波 形板电除尘器三电极电除尘器内的电气分布特性。算结果表明流场的计,尘器内在电除, 对气体流动的影响是不可忽略的离子风(原文中称之为“电风")。的干扰程度与主流平均速度及外加电压有关离子风(原文中称之为“电风”)对气流。速度越大主流平均,将越弱:而 外加电压越高离子风对气体流动的影响,的影响则越显著离子风对流动。大学尹协振嗍中国科学技术,究进展及其应用进行了综述对电流体动力学(E皿)研。Electrohydrodynamic阐明了电流体动力学概念“电流体动力学(,力学的一分 支EnD)是流体,流体介质的作用它考虑了电场对;时同,动电解质中的电动力 学它也可以被看作是在运。体中在流,电场的影响介质运动对,动流体的作用及电场对运,很多有趣的电流体现象”两者相互作用会出现 。动力学基本方程其分析了电流体,件的确立方法方程边界条。学应用应用领域及电流体动力,展进行了总结和展望对电流体动力学发。缘国家重点实验室袁均祥H羽西安交通大学电力设备电气绝,metryPIV)系统对尖一板电极电晕放电产生的离子风速度场应用粒子图像测速(particle imageveloci,场显 示测速进行了全流。动力学基本理论并结合电流体,的离子风速度特性、流场分布情况、顺电效应进行了分析对相同电压等级正、负极性直流以及工频交流电 源下。风对于发热体强化传热的作用采用红外热像仪测得了离 子;发热体的温度分布特性分析了离子风作用下。大学王丰华上海交通,展过程进行综合性阐述对EHD散热技术发。热的研究成果及研究EHD散热技术的方法指出了各国科 学家对应用EHD技术散。利用工程的一个重要研究领域指出强化传热技术 是能源。究结果表明已有的研,可使强化传热效果有明显的改善通过施加电场而产生的离子 风。电极就可 达到迅速控制热流和温度的目的在实际应用中只需台电压转换装置和附加的。气泵提出 综上所述1.4EI-ID空,离子风的影响(正电晕、负电晕)、不同放电电极对离子风速 度以及效率的影响、离子风数值仿真等方面国内外对离子风的研究主要涉及在特定条件下电晕放电I.V(电压一电流) 曲线测定、不同放电形式对。电、 改善边界层、燃烧控制、干燥等领域离子风技术主要应用于芯片散热、消除静。的影响、强化传热 等方面的研究国内主要从事离子风对静电除尘。应用中在工程,放电形式产生离子风一般用直流脉冲电晕。发出吱吱声、容易产生电弧放电、具有一定的电磁辐 射等问题应用中会存在下列几个问 题:气流速度和流量小、效率低、会。5固态风扇如RSD,的散热效率虽然有较高。气体通道很小由于本身的,大流量气流无法 产生。量要求低的场合只能用于对气流,片散热如芯。 为此10,动风扇系统-EHD空气泵本文提出大气流无电机驱。///////I////////i黝llll//IA 图1.15单极线一板式EI-ID空气泵模型图 EHD空气泵是利用离子风(电晕风)效应单极线一板式EHD空气泵 二维模型如图1.15所示 I+集电极V/lll//////I/I//ll//I//./ll//////I///,的一种气流传输设备实现空气加速运动。在两个相邻且几何形状相差较大的电极之间EHD空气泵的基本物理模型可表述为:,高电压施 加,围的空气中性分子电离使曲率半径小的电极周。用下 驱动空气分子运动产生的离子在库仑力的作,气流动导致空。表明研究,流速度增加到数 米/秒这种气流加速装置能将气。此因,动机旋转叶片产生的气流加速科学界设想将其功效替代由电。旋转产生气流运动的风机/风扇相比与利用电动 机机械传动驱动叶片,风 叶、无机械传动等的特点EHD空气泵具有无电机、无。中的空气对流的基础部件可作为有静音要求的空间,空调、无噪音风扇等的风机部件应用于空 气净化机、取暖器、。和意义 离子风现象发现至今1.5本课题研究的主要内容,300年历史已经有将近。展相当的缓慢但其技术发,于离子风现象是个相当复杂的物理现象究其原因 主要有下面几点: 1.由,离子学、 流体力学等相关知识涉及到电动力学、非平衡态等。现象的18世纪而在发现离子风,学、非平衡态等离子学等理论体系不完善分析离子风现象的电动力学、流 体力,在这样的学科甚至还不存。件下产生离子风2.要在人为条,定的实验条件必须具备一。脉冲直流电源、较高精度的测试仪器如需要大小相差甚大的电 极、高压。达到如此高的条件在19世纪很难,实验物理的发展阻碍 了离子风。0世纪初直到2,产生较好 的离子风提供了条件电子管的诞生为实验室条件下。认知的过程3.人们,践到理论总是从实,去指导实践又用理论。测 得离子风特性后当从实验室条件下,了理论分析以及系统建模科学家对其物理现象进行。象进行完整的系统建模因为要对离子风现 ,线性偏微分方程耦合求解涉及到对多个学科的非。定的边界条件才能得到特解求解难度非常 大且需要特。机技术的飞速发展本世纪初随着计算,技术得到了发展有限元分 析,分方程组有一定的可能使得求解非线性偏微。史和现状进行了较深入的综述本文对国内外离子风的研究历,主要成果和存在的主要问题概括总结了离子风研究 的,流加速装置一 EHD空气泵的理论模型并在此基础上提出了一种大流量离子风气;体力学等相关理论应用电动力学、流,模型、多极线一板式EHD空气泵模型提出EHD空气泵极间放 电角度优化;法进行了简要 的阐述对多物理场耦合分析方,sysics对EHD空气泵多物理场进 行模拟仿真分析应用多物理场耦合分析软件COMSOLMuitiph,满意结果得出了较。EHD空气泵本文提出的, 流量的气流加速装置是一种能够产生大空气,物理场耦合建模以及数值仿真通过对其进行的理论分析、多,泵对气流加速的可行性证明 了EHD空气,对流装雹使用能够作为空气。所述综上,对流部件方便的应用于各个领域EHD空气泵不仅可以作为空气。 有无噪声而且其具,气等优点净化空。基本机理研究其,容有以下几点: >对各国不同时期离子风研究历史及现状进行了理论综述提高其速度和流量具有深远的战略意义和 社会意义 本课题主要研究内。泵机理进行了概述>对EHD空气,究重点难点并提出其研。气泵进行数学模型>提出EHD空,速度的相关因素并分析影响其。析进行了简要的探讨>对多物理场耦合分。L对EHD空气泵多物理场进行仿真分析>应用多物理场耦合分析软件COMSO,型的准确性验证其 模。人研究成果>结合前,行了分析探讨对仿真结果进。安排 第一章阐明了课题的背景及意义12 硕士学位论文 1.6论文章节,研究概况进行总结对国内外离子风。HD空气泵概念提出大流量 E。理、物理模型进行详细阐述第二章EHD空气泵基本机。HD空气泵物理模型第三章结合前章E,进行了数学建模对EHD空气泵,HD空气泵气流加速模型并提出多 极线一板式E。urg电晕放电理论第四章应用Warb,泵放电角度进行优化对多极EHD空气。明多物理场概念第五章简要阐,进行多物理场进行仿真分析结合EHD空泵数学模型。合仿真结果第六章结,空泵气流加速因素分析影响EHD。泵机理分析 EI-ID空气泵是应用空气电晕放电技术13 2.1EHD空气泵基本原理 第二章EHD空气,一种气流对流装置对空气流加速的。放 电电晕,的电极之间加以高电压是在曲率半径大小不同。围的空气中性 分子电离使曲率半径小的电极周。原理模型如图2.1所示EI-ID空气泵的基本。机理模型图离子风发生的过程可描述为:空气中本身存在的电子和离子电晕等离子区 单极电荷漂移区 电子集电极 图2.1EHD空气泵。 周围强电场的作用加速受到曲率半径小的电极,够的能量获得足。动电子和离子这些高速运, 围的中性空气分子频繁撞击强电场周。电离产生新的正离子和电子使中性空气分子受到激发和。理离子在库仑力的作用下这些新产生 的电子和正,撞击空气中性分子获得足够的能量去,更多的电子和正离子诱导他们电 离产生。在周而复始这样的过程,速达到饱和值直到电流迅,离子雪崩即产生 ,电子和离子产生大量的。子雪崩的临界条件汤森给出了产生电, 穿临界条件1也称为气体击。放电中在电晕,导致了电场分布的不对称由于电极结构极其不对称。 远的空间表面离电晕极表面较,不成汤森临界条件电场强度较小将够,气分子电离而不能使空。同时与此,子、离子、空气分子放电沟道中存在着电,会吸附在空气分子中有一定能量的电子,子变为负离子使空 气分,为电子吸附称此过程。子和电子同时正离, 合使正负离子变中性分子正离子和负离子会产生复,为离子的复合这个过程称。时就产生了电离区和单极电荷漂移区的分界面当电离、吸附和复合达到动态平衡 14 ,离层边界称为电。的作用下在电场力,子才能逸出电离层边界与电晕极极性相同的离,电荷漂移区进入单极。进行 动量交换与空气中性分子,子向前运动带动空气分,气流产生。此因,为离子风称其气流,晕风或电。晕放电理论 当气体被强电压击穿后绝缘破坏2.2EHD空气泵物理模型 2.2.1电,阻降低其内,立即出 现极问电压减小的现象放电迅速越过自持电流区后便,围产生昏暗辉光并同时在电极周,晕放电称为电。光放电大(千伏数量级)电晕放电电压 降比辉,(微安数量级)但放电电流较小,均匀的条件下(若电场分布均匀往往发生在电极间电场 分布不,流又大放电电,光放电)则发生辉。放电中电晕,型起重要作用电极的几何构。局限于局部电场很高的电 极附近电场的不均匀性把主要的电离过程,径很小的的电极附近特别是发生在曲率半。发生在这个区域 里气体发光只发生也只,电离区称为,层或起晕层或叫电晕。度与气体的种类 有很大的关系形成电晕所需要的电场不均匀程。小、电极形状、极间距 离、气体性质和密度等因素电晕放电的电流强度取决于加在电极之间的电压大。不取决于外部电阻电晕放电的电压降,电离区之外的区域)的电导二取决于放电迁移区 (。有小曲率半径的电极的极性电晕放电的极性取决于具,径的电极带正电位如 果小曲率半,称为正电晕发生的电晕,为负电晕反之称。: 1)高气压(一般在一个大气压以上)要产生电晕放电一般要具备以下几个条件,有几千伏的高电压在电极之间施加。放电击穿所需要的最低电压2)电压强度要达到空气。率半径要相差较大3)两电极的曲,极之间的电场分布不均匀其目的在于使施加在两。间的电压有一定要求4)施加在两极之,安级且要保证尽可能稳 定要使其工作电流维持在微,的离子风的产生这样才能产稳定。正电晕放电:曲率半径小的电极(电晕极)中施加正电势空气电晕放电结构可分为:线一板式、线电晕放电结构,极(集电极) 接地曲率半径较大的电。生高度变化的电场在电晕极周围将产,加高电压时在两极施,能电场诱导空气分子放电电晕极周围将存在高 。存在这本质区别正电晕跟负电晕。正电 晕放电物理过程一般用流光理论来解释。生正电晕放电认为一旦产,粒子的光辐射产生电 子电晕成内强电场中激发,电离即光。电晕层中引起雪崩放电电离所形成的电子在,激发和电离产生大量的。力的作用下在 电场,阳极运动电子朝,阳极吸收最后被。经过电晕层部分正离子,漂移区向阴极运动进入单极 电荷。流光电晕、辉光电晕、火花 放电过程正电晕一般会经历爆发式脉冲电晕、。表明研究,电晕时发生正。生电子注流电晕极会发,电晕最高气流速度要高于负电晕这使得在同等电压的情况 下正。电极(电晕极)中施加负电势负电晕放电:曲率半径小的,极(集电极) 接地曲率半径较大的电。生高度变化的电场在电晕极周围将产,加高电压时在两极施,能电场诱导空气分子放电电晕极周围将存在高 。电晕放电对于负,压的不断增加随着外加电,richel)脉冲电晕会经历特里切尔 (T,冲电晕无脉,三个阶段火花放电。说明负电 晕的形成机理一般用场生雪崩理论来,在较强烈的电晕与激发电流密度认为在针状阴极电晕发光区内存,只存在单一的负离子在负电 晕的外围。晕的最大区别为负电晕跟正电,压条件下在同等电,度要比正电晕多产生 的臭氧浓。描述 在电晕放电过程中2.2.2离子雪崩机理,到气体放电临界值时当电晕极周围电场达,的非常剧烈电荷增值,源不再起作用外界的辐射,称为自持放电这类的放电。场的作用下加速这时电子在电,够的能量获 得足,撞从而电离气体分子与中性空气分子碰,新的电子并产生,断 的进行这个过程不,升高达到饱和值直到电流迅速。电流升高的现象为了解释这种,数口r(称为汤森一电 16 离系数)汤森(Townsend)引入宏观系,lem距离产生的电离碰撞的平均数arT定义为电子在电场方向通过。体厚度为d)【假定单位面积气,运动方向X以阴极为起 始点)有n个电子通过dX层(电子的,子数dn=arTndX则通过dx层增加的新电,距离为d如果极间,的电 子为刀o每秒离开阴极,式得 则则积分上,的电场分布是随着电极距离变化而变化的l=nOexp(arTd)在电晕放电,空气分子碰撞过程中上式变为 电子在于,分子中变成负离子有可能吸附在空气。负电性气体中这种吸附在,几率很大发生的,4、职、S02、SF6如C12、oz、CCl。大大将低空气电离度由于电子吸附将 ,一过程进行定性描述有必有对电子吸附这。设,e一私 刀’为被吸附的电子数7为电子吸附系数 万’=no,数可表述为栉则净电电子,oPf=n,一口,正电晕中7Jx ,性空气分子电离高能电子撞击中,分子运动产生离子风的主要因素所产生的正离子是加速空气中性。子数与正离子数是成对产生气体分子电离所产生的电,电子数和离子数是相同的所以气 体电离所产生的。子电离如氧分, 式2-(5)中式2.(5)所示,离率参数ki为电。场作用下在强电,晕等离子区一般在电。子雪崩时当发生电,着离子雪崩同时伴随。生角度讲从离子发,程为离子雪崩可称这一过。电晕中在负,加速空气分子运动的主要载体电子吸附所产生的负离子是。电压电流值范围内在产生离子 风,大小直接影响离子风速度的大小单极电荷漂移区负离子浓度的。等离子区中在 电晕,强度降低无法达到气体电离条件离电晕极较远的区域由于电场,附过程明显增强这时电 子的吸。子数明显增加使得产生负离,负离子雪崩诱使其产生。氧分子为例17 以,+M式中M为电子加速能e+.02+M02一。电流.电压曲线所示2.2.3电晕放电,电晕放电曲线图是典型的直流。可以看出从图中,电压的增加而增加在AB段电流随,升变化较慢但电流上。气体的电离度很小这表明放电沟道中,值电流将不会增加当继续提 高电压,电晕饱和状态称其为本底,B段即C。加电压时当继续增,的呈指数关系上升电 流将会迅速,的电压较高但电流不大从图中可以看出这时,E段即C,有明亮的电光放电沟道中没。达到VB时当放电电压,体发生了电击穿放电沟道里的气,明亮的电光能够观察到。电压明显减小此时电极两端,沟道电阻减小同时因为放电,始快速增长电流 开。为正常辉光放电段EG段我们称其。放电阶段在辉光,长较快电流增,几乎不变电 压。到一定值时当电流增长,所增加点压油,H段即G,常辉光放电称其为异。增长到H点后当电压随电流,流的弧光放电区放电转入较强电。是非热弧光区I和J之间,而电压下降电流增长。是热弧光区J和K之间,力学、动力学平衡等离子体接近热,等离子特性在这里不做详细阐述从I 到K的弧光放电区属于热。^电压曲 在EHD空气泵中图2.3直流电晕放电电流,才能够产生较高速度的离子风电压电流应具备一定的条件。合前入实验数据由图 2.3结,.2mA/m2时当电流密度为0,现一些可见斑点电晕极尖端会出,称为爆发式脉冲电晕这一时期的电晕放电,子风可以忽略不 18 计电晕电流相对较小产生的离;.0.5mA/m2时当电流密度在0.2,观察到薄的蓝色等离子体在电晕极和集电极之间能,类型称为流光电晕这时期的电晕放电,般为500mW/rrl2EHD空气泵消耗的电能一,较微弱的离子风此时能 够产生;高的电压电 流密度大于0.5到几mA/h12时当在电极之间施加更高的电压时当在电极之间施加更,为辉光电晕嗍电晕放电发展。光电晕后进入辉,流密度比较稳定电极之 间电,大的离子风能够产生较。情况下一般,工 作在辉光电晕状态下EHD空气泵极间电晕都;值一般电流值达到1A以上时当两极间的电压上升到一定,火花放电现象将会产 生,压降迅速降低两极之间的电。阶段将没有离子 风产生电晕放电发展到火花放电。温 度和压强、电极形状、电晕极电压极性、电极表面粗超度、气体中的悬浮颗粒组成EHD空气泵电晕放电结构电压一电流曲线受很多因素的影响包括:气体性质、气体。泊松方程[461 V二矿=一4ztp其中V是电势2.4对称式电晕放电结构J—m关系式 根据静电场,度 在极坐标下P是空间电荷密,统轴对称假设其系,下式 害+吾.警.47rp=电势是关于口和矿的常数则可得。i是电晕电流2万rKE,i:0 对上式进行不定积分可得 2一(10)2-(11) 2-(12)2-(13) 根据边界条件K是常数.根据静电学基本知识电场强度E可表示为 E:一旦L综合上述公式可得 rE堕+E 2一一2,数C 将式(2.14)代入式(2.13)得 (14)y=roE电晕极尖端电场强度Eo、电晕等离子区半径ro.可得出不定积分参。是电晕极直径{ 其中a,泵气体通道直径b是EHD空气。0万) 2一(16)2-(17) 其中f为电极粗糙系数根据peek方程H力 其中 Eo=30fS(1+0.3,糙其数值越小电极表面越粗。0.5.0.7之 间f的取值范围一般在。度(一般取293K)T0表示室内绝对温,(760mmHg)P0为标准大气压,件下的绝对温度和气压T、P表示实 验条。中我们可以看出从peek方程,体温度、压强、电晕极半径的函数起始电晕电场强度Eo是关于 气。晕电场强度根据起始电,跟集电极起始电压差我们可以得出电晕极。半径、E0、和通道半径b涉及到的参数为 电晕极。和r0=a假设i=0,2.(18) %=以那么我们可以得出式。 Gerald M.Colver等提出的电晕放电电流值计算公式嗍log口O=30fa万(1+0.30丽)109口O 2-(18):

  产制造型实体企业本公司为研发生,生产仪器历史有十多年专业。、电感测试仪、电解电容漏电流测试仪主要系列产品:数字电桥、电容测试仪、

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