Self-Synchronized Trichel Pulse Trains in Multi-Point Corona Discharge Systems
作者: Afshin Shaygani, Kazimierz Adamiak
分类: physics.plasm-ph, eess.SY, nlin.AO
发布日期: 2023-12-04 (更新: 2023-12-17)
💡 一句话要点
研究多点电晕放电系统中自同步Trichel脉冲现象，揭示多稳态同步模式。
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 电晕放电 Trichel脉冲 自同步 多稳态 有限元方法
📋 核心要点
- 多电极电晕放电系统中的同步现象复杂，缺乏对其内在机理的深入理解，难以有效控制。
- 通过数值模拟和实验相结合的方法，研究电场和空间电荷相互作用下的脉冲同步机制。
- 实验观察到同相和反相同步等多种稳态模式，验证了模型并揭示了系统参数对同步模式的影响。
📝 摘要（中文）
本文研究了多电极电晕放电系统中的自同步现象，在高负直流电压作用下，该系统会产生自持电流脉冲序列，即Trichel脉冲。数值算法表明，在多电极放电系统中，每个双电极系统独立产生脉冲序列。这些系统以脉冲模式运行，并通过彼此间微弱但显著的相互作用实现同步。这种相互作用源于每个放电对产生的电场和空间电荷的相互影响，导致脉冲模式下的同步。采用三物种放电模型，基于有限元方法进行模拟。研究了两种数值模型：包含两个放电电极和一个接地电极的二维模型，以及包含双重和三重放电系统的两个一维轴对称模型。实验表明，耦合脉冲放电系统具有多稳态特性，在适当条件下，脉冲序列表现出两种不同的同步模式：同相同步和反相同步。每种模式的出现取决于相互作用强度、施加的电压水平和各种系统参数。此外，这些因素的变化还会导致其他结果，包括异相同步，以及涉及近谐波振荡和猝灭的情况。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在研究多点电晕放电系统中Trichel脉冲的自同步现象。现有方法难以解释多电极系统中脉冲序列的同步机制，以及不同同步模式的形成条件。现有研究缺乏对电场和空间电荷相互作用的深入分析，无法有效预测和控制同步行为。
核心思路：论文的核心思路是，多电极系统中的每个双电极放电系统独立产生脉冲，并通过电场和空间电荷的相互作用实现同步。通过分析这些相互作用，可以理解不同同步模式的形成机制，并预测系统参数对同步行为的影响。这种思路强调了系统内部的耦合效应，而非简单的外部驱动。
技术框架：论文采用数值模拟和实验相结合的方法。首先，建立三物种放电模型，基于有限元方法进行数值模拟。然后，设计两种数值模型：二维模型（两个放电电极和一个接地电极）和一维轴对称模型（双重和三重放电系统）。最后，通过实验验证数值模拟结果，并观察不同同步模式的出现。
关键创新：论文的关键创新在于揭示了多点电晕放电系统中Trichel脉冲的自同步机制，并发现了多种稳态同步模式（同相、反相、异相等）。与现有方法相比，该研究更注重系统内部的耦合效应，而非简单的外部驱动，从而更准确地描述了同步现象。
关键设计：论文采用三物种模型（电子、正离子、负离子）来描述放电过程。有限元方法用于求解泊松方程和漂移扩散方程，以计算电场和空间电荷分布。实验中，通过调整电压水平和系统参数（如电极间距）来观察不同的同步模式。数值模拟和实验结果相互验证，提高了研究的可信度。
📊 实验亮点
实验结果表明，多点电晕放电系统具有多稳态特性，可以观察到同相、反相和异相三种不同的同步模式。通过调整电压水平和系统参数，可以控制同步模式的切换。数值模拟结果与实验结果吻合较好，验证了模型的有效性。这些发现为理解和控制多点电晕放电系统的同步行为提供了重要依据。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于静电除尘、静电喷涂、臭氧发生器等领域。理解和控制多点电晕放电系统的同步行为，可以优化这些设备的设计和运行参数，提高其效率和性能。此外，该研究对于理解其他复杂系统的同步现象也具有借鉴意义。
📄 摘要（原文）
Evidence of self-synchronization has been observed in multi-electrode corona discharge systems, where the application of high negative DC voltages induces a self-sustained mode of current pulse trains. These pulses, historically referred to as Trichel pulses, characterize the operation of a two-electrode system where the discharge electrode is subjected to a high negative DC voltage. The numerical algorithm indicates that in a multi-electrode discharge system, comprising multiple two-electrode discharges, each two-electrode system independently produces pulse trains. These systems, each comprising a pair of electrodes, operate in a pulsed mode, with synchronization emerging from weak yet significant interactions among them. These interactions arise from the mutual influence of electric fields and space charges generated by each discharge pair. This influence extends beyond individual systems, leading to a synchronization between both pairs, both in a pulsed mode. A three-species model of discharge was employed to simulate this process and it was based on the finite element method formulation. Two different numerical models were investigated, a 2D model, consisting of two discharge electrodes and a third grounded electrode, and two 1D-axisymmetric models, consisting dual and triple pairs of discharge systems. Experiments show a multi-stable nature of the coupled pulsed discharge systems, indicating that under appropriate conditions the pulse trains exhibit two distinct modes of synchronization: in-phase synchronization and anti-phase synchronization. The occurrence of each mode depends on factors such as interaction strength, applied voltage level, and various system parameters. Furthermore, variations in these factors can lead to additional outcomes, including out of phase synchronization, as well as scenarios involving near-harmonic oscillations and quenching.