基于Ansys的平板型介质阻挡放电仿真与研究

周彬彬，付 豪，喻伟闯，刘俊夫，袁海林，廖红华*

（1.湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施，445000；2.湖北民族学院科技学院，湖北恩施445000）

基于Ansys的平板型介质阻挡放电仿真与研究

周彬彬1，付 豪1，喻伟闯2，刘俊夫1，袁海林1，廖红华1*

（1.湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施，445000；2.湖北民族学院科技学院，湖北恩施445000）

针对微型原子化器中平板型介质阻挡放电进行了仿真与研究.主要对不同介质阻挡材质、不同介质厚度、不同放电间隙、不同激励电极形状以及不同激励电压对放电特性的影响进行了研究.仿真表明：介质阻挡材质介电常数越大，越容易获得较大的放电密度；选用圆形激励电极获得的放电密度远大于选用方形激励电极；相对而言，较薄的介质阻挡材质更容易获得较大的放电密度；较小的放电间隙更利于提高放电的密度和放电的均匀度等.

Ansys；微型原子化器；平板型介质阻挡放电；放电间隙；放电密度

介质阻挡放电（Die1ectric Barrier Discharge，简称DBD）是一种可在大气压下维持的低温等离子体［1］.与其他类型的等离子体相比，DBD具有良好的裂解能力和激发能力，可以在多种气体下操作，结构简单、体积小、功耗低、操作温度低、能够自发产生等特点［2-3］.将DBD微等离子体应用于氢化物原子化，发展DBD低温微型原子化器，将十分有利于原子光谱的小型化［4-5］.

文中根据项目需要，针对低温微型原子化器中平板型介质阻挡放电进行了仿真与研究，探讨了不同介质阻挡材质、不同介质厚度、不同放电间隙、不同激励电极形状以及不同激励电压对放电特性的影响［6-8］.为后续研究设计基于介质阻挡放电的低温微型原子化器奠定理论基础.

1 平板型介质阻挡放电结构及等效电路模型

低温微型原子化器平板型介质阻挡放电等离子体由高压激励信号源、激励电极（上电极、下电极）、放电腔体、放电介质阻挡层、气体入口与出口通道等组成，如图1（a）所示.平板型DBD气隙内的放电是由许多在时间上和空间上随机分布的微放电构成［9-10］.微放电发生前后DBD的等效电路是不同的，放电前DBD等效电路如图1（b）所示，微放电未发生，整个回路由阻挡介质与气隙分压，DBD的等效电路由介质等效电容Cd和气隙等效电容Cg串联构成；气隙击穿后，微放电发生，气隙内的电离水平不同，导致Cg非线性变化，此时，DBD的等效电路由Cd和微放电等效电路串联构成，如图1（c）所示.

图1　平板型介质阻挡放电结构示意图及等效电路模型Fig.1 The structura1 diagram and equiva1ent circuit mode1 of f1at-p1ate DBD

2 基于Ansys的DBD建模

Ansys软件仿真时，采用步骤为：①启动So1idworks软件并设置工作文件名和标题；②绘制仿真模型，并进行配合；③定义材料属性；④保存模型；⑤对所建立的模型赋予属性并划分网格；⑥施加加载求解；⑦查看结果等步骤.

仿真分析时，选用的介质材料分别为环氧树脂、玻璃及聚四氟乙烯，它们的介电常数ε分别为3～4、4.1 及2.55F/m，形状均为50 mm×50 mm的方形.当研究不同电极形状对DBD的影响时，激励电极分别选用32 mm×32mm正方形，在32mm×32mm正方形上选用切边角为5mm的凸八边形，直径为32mm的圆形铜电极.当研究不同介质厚度对DBD的影响时，选用的玻璃介质的厚度分别设为1、2及3 mm.当研究不同放电间隙对DBD的影响时，选用的玻璃介质板板间放电间隙分别设为1、2及3mm.当研究不同激励电压对DBD的影响时，选用的激励电压分别设为1、5、10、13、15、16、20和30kV.

对于网格划分，需要对网格划分精度进行设置，网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小.一般来讲，系统默认为3.3mm×3.3mm，如图2（a）所示；由于网格数量增加，计算精度会有所提高，仿真分析时，网格划分的单元网格精度为2 mm×2mm，如图2（b）所示.

为便于后续分析，给出了颜色能级与数值标号图对应关系，如图3所示.颜色能级越高，对应数值标号越小，所反应的DBD单位电流密度越大.

图2　不同的网格划分精度Fig.2 DBD with different meshing densities

3 仿真结果分析与讨论

3.1 不同介质材料对放电特性的影响

分别选用环氧树脂、玻璃和聚四氟乙烯（PTFE）三种介质材料来研究不同介质材料对DBD的影响.形状均为50 mm×50 mm的方形，厚度为1mm，板板间放电间隙为2 mm.当上电极、下电极间施加10 kV电压时，不同介质材料的放电单位电流密度如图4所示，图4（a）、（b）、（c）分别为环氧树脂、玻璃以及聚四氟乙烯.

图3　颜色能级与数值标号关系图Fig.3 The re1ation graph of co1or energy 1eve1 and numerica1 1abe1

从图4易知，图（a）介质阻挡表面A区域为绿色，单位电流密度分布在0.010004～0.012505mA/mm2区间，激励电极边缘B区域为黄色，单位电流密度分布在0.015006～0.017507 mA/mm2区间，电极表面C区域为靛色，单位电流密度分布在0.0025011～0.0050021mA/mm2区间；图（b）介质阻挡表面A区域为黄色，单位电流密度分布在0.011 73～0.013 685 mA/mm2区间，激励电极边缘B区域为绿色，单位电流密度分布在0.0078202～0.0097752mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.0039101～0.0058651 mA/mm2区间；图（c）介质阻挡表面A区域为绿色，单位电流密度分布在0.0099621～0.012453 mA/mm2区间，激励电极边缘B区域为绿色，单位电流密度分布在0.014943～0.017434 mA/mm2区间，电极表面C区域为靛色，单位电流密度分布在0.0024905～0.0049811mA/mm2区间.对比分析图4（a）、（b）、（c）可知选用玻璃介质表面呈现黄色能级区域远远大于选用环氧树脂、四氟乙烯介质表面所呈现的绿色能级区域，说明相对介电常数越大越易产生介质阻挡放电.

图4　不同介质材料的放电单位电流密度Fig.4 The discharge unit current density with different die1ectric materia

3.2 不同电极形状对放电特性的影响

激励电极分别选用32mm×32mm正方形，在32mm×32mm正方形上选用切边角为5mm的凸八边形、直径为32mm的圆形铜电极，介质阻挡层材料选用玻璃，铜电极、玻璃厚度均设为1 mm，板板间放电间隙为2 mm.当上电极、下电极间施加10 KV电压时，不同激励电极形状放电单位电流密度如图5所示，图5（a）、（b）、（c）电极形状分别为正方形、凸八边形、圆形.

图5　不同激励电极形状的放电单位电流密度Fig.5 The discharge unit current density with different exciting e1ectrode shapes

从图5易知，图（a）电极表面A区域为青色，单位电流密度分布在0.003 910 1～0.005 865 1 mA/mm2区间，激励电极边缘B区域为靛色，单位电流密度分布在0.001955～0.0039101mA/mm2区间，介质阻挡表面C区域为黄色，单位电流密度分布在0.01173～0.013685mA/mm2区间；图（b）介质阻挡表面A区域为青色，单位电流密度分布在0.004 389 9～0.006 584 9mA/mm2区间，B区域为靛色，单位电流密度分布在0.002 195～0.0043899mA/mm2区间，介质阻挡表面C区域为黄绿色，单位电流密度分布在0.010975～0.01317 mA/mm2区间；图（c）电极表面A区域为青色，单位电流密度分布在0.0047034～0.0070551 mA/mm2区间，B区域为靛色，单位电流密度分布在0.0023517～0.0047034mA/mm2区间，介质阻挡表面C区域为黄绿色，单位电流密度分布在0.011758～0.01411mA/mm2区间；对比分析图5（a）、（b）、（c）可知，相同条件下，选用圆形激励电极获得的放电密度远大于选用方形激励电极及凸八边形.

3.3 不同介质厚度对放电特性的影响

选用50mm×50mm的方形玻璃为介质阻挡层，厚度分别设为1mm、2mm以及3 mm，板板间放电间隙为2mm.当上电极、下电极间施加10 kV电压时，不同厚度玻璃介质的放电单位电流密度如图6所示，图6（a）、（b）、（c）介质厚度分别为1、2和3mm.

从图6易知，图（a）介质阻挡表面A区域为黄色，单位电流密度分布在0.01173～0.013685mA/mm2区间，激励电极边缘B区域为绿色，单位电流密度分布在0.0078202～0.0097752mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.0039101～0.0058651 mA/mm2区间；图（b）介质阻挡表面A区域为青绿色，单位电流密度分布在0.005 934 3～0.007 912 4 mA/mm2区间，B区域为青色，单位电流密度分布在0.0039562～0.0059343mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.0039562～0.0059343 mA/mm2区间；图（c）A区域单位电流密度分布在0.004 117 2～0.006 175 7 mA/mm2区间，B区域分布在0.0020586～0.0041172mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.0041172～0.0061757 mA/mm2区间.对比分析图6（a）、（b）、（c）可知，介质阻挡层越薄，介质阻挡层表面的放电单位电流密度越大.

图6　不同介质厚度的放电单位电流密度Fig.6 The discharge unit current density with different thickness of die1ectric materia1s

3.4 不同放电间隙对放电特性的影响

选用厚度为1mm，50mm×50mm的方形玻璃为介质阻挡层，板板间放电间隙为1mm、2mm和3mm，当上电极、下电极间施加10KV电压时，不同放电间隙的放电单位电流密度如图7所示，图7（a）、（b）、（c）放电间距分别为1mm、2mm、3mm.

图7　不同放电间隙的放电单位电流密度Fig.7 The discharge unit current density with different discharge gap

从图7易知，图（a）介质表面A区域为黄绿色，单位电流密度分布在0.010065～0.012078mA/mm2区间，另一部分B区域为黄色，单位电流密度分布在0.012078～0.014091 mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.0040261～0.0060391mA/mm2区间；图（b）介质阻挡表面A区域为黄色，单位电流密度分布在0.011 73～0.013 685 mA/mm2区间，B区域为绿色，单位电流密度分布在0.007 820 2～0.009 775 2 mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.0039101～0.0058651mA/mm2区间；图（c）A区域单位电流密度分布在0.010118～0.012141mA/mm2区间，B区域单位电流密度分布在0.012141～0.014 165mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.004047～0.0060705 mA/mm2区间.对比分析图7（a）、（b）、（c）可知，放电间隙为2mm的玻璃介质的单位电流密度大于1 mm、3 mm时的放电密度，同时介质表面放电更加均匀，即较小的放电间隙更利于提高放电的密度和放电的均匀度.

3.5 改变激励电压对放电特性的影响

选用厚度为1mm，50mm×50mm的方形玻璃为介质阻挡层，板板间放电间隙为2 mm.当上电极、下电极间分别施加1、5、10、13、15、16、20和30 kV时，不同激励电压的放电单位电流密度如图8所示，如图8（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）分别施加激励电压为1、5、10、13、15、16、20和30kV.

从图8易知，图（a）介质表面A区域单位电流密度分布在0.0010062～0.0012075mA/mm2区间，B区域单位电流密度分布在0.00 120 75～0.001 408 7 mA/mm2，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.00040249～0.00060373mA/mm2区间；图（b）A区域单位电流密度分布在0.0050293～0.0060352mA/mm2区间，B区域单位电流密度分布在0.0060352～0.0070411 mA/mm2，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.0020117～0.003 017 6 mA/mm2区间；图（c）A区域单位电流密度分布在0.011 73～0.013 685 mA/ mm2区间，B区域单位电流密度分布在0.0097752～0.01173 mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.0039101～0.0058651mA/mm2区间；图（d）A区域单位电流密度分布在0.015195～0.017728 mA/mm2区间，B区域单位电流密度分布在0.012663～0.015 195 mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.005065 1～0.007 597 6 mA/mm2区间；图（e）A区域单位电流密度分布在0.015 175～0.01821mA/mm2区间，B区域位电流密度分布在0.018 21～0.021 245 mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.005 07～0.009 105 mA/mm2区间；图（f）A区域单位电流密度分布在0.018 741～0.021864mA/mm2区间，B区域单位电流密度分布在0.015617～0.018741mA/mm2区间，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.006247～0.0093704mA/mm2区间；图（g）A区域单位电流密度分布在0.020127 ～0.024153mA/mm2区间，B区域单位电流密度分布在0.024153～0.028178 mA/mm2，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.008051～0.012076mA/mm2区间；图（h）A区域单位电流密度分布在0.030193～0.036232mA/mm2区间，B区域单位电流，密度分布在0.036232～0.042 271 mA/mm2，电极表面C区域为青色，单位电流密度分布在0.012077～0.018 116 mA/mm2区间；对比分析图8（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）可知，随着所加电压的增加，介质阻挡层表面的放电单位电流密度将变大.

图8　不同激励电压的放电单位电流密度Fig.8 The discharge unit current density with different exciting vo1tage

4 结论

文中利用Ansys软件仿真分析了适合于微型原子化器的平板型介质阻挡放电，通过分析不同介质阻挡材质、不同介质厚度、不同放电间隙、不同激励电极形状以及不同激励电压对放电特性的影响，得出了介质阻挡材质介电常数越大，越容易获得较大的放电单位电流密度；选用圆形电极获得的放电单位电流密度远大于选用方形及凸八边形激励电极获得的放电单位电流密度；相对而言，较薄的介质阻挡材质更容易获得较大的放电单位电流密度；较小的放电间隙更利于提高放电单位电流密度以及放电的均匀度等.这对于后续研究设计基于介质阻挡放电的微型原子化器奠定了一定基础.

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责任编辑：高 山

Simulation and StudY of Flat-Plate Dielectric-barrier Discharge Based on AnsYs

ZHOU Binbin1，FU Hao1，YU Weichuang2，LIU Junfu1，YUAN Hai1ing1，LIAO Honghua1*
（1.Schoo1 of Information and Engineering，Hubei University for Nationa1ities，Enshi 445000，China；2.Science and Techno1ogy Co11ege of Hubei University for Nationa1ities，Enshi 445000，China）

A f1at-p1ate type die1ectric barrier discharge of micro-atomizer was studied based on Ansys software in this paper.The effect of the discharge characteristics on different factors，such as the materia1 and thickness of die1ectric barrier，the discharge gap，the shape of exciting e1ectrodes and the exciting vo1tage were studied.The simu1ation resu1ts show that if the greater die1ectric constant of die1ectric barrier materia1 was chosen，and the 1arger discharge density wou1d be easy to obtain.To choose the round exciting e1ectrodes can get more discharge density than the square exciting e1ectrodes.Corresponding1y，to se1ect the thinner die1ectric barrier materia1 can obtain the more discharge density easi1y，and to design the sma1-1er discharge gap can be propitious to enhance the discharge density and improve the uniformity of discharge.

Ansys；micro-atomizer；f1at-p1ate type die1ectric barrier discharge；discharge gap；density of discharge

TM83

A

1008-8423（2016）02-0219-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.06.026

2016-05-03.

国家自然科学基金项目（61263030/61463014）；湖北省大学生创新创业训练计划项目（200510517010）.

周彬彬（1988-），男，硕士生，主要从事电力电子与电力传动，嵌入式系统等研究；*

廖红华（1972-），男，博士，教授，主要从事电力电子与电力传动、嵌入式系统及微型全分析系统等研究.