高速流动气体直流击穿行为的研究.pdf

摘 要
等离子体流速和流动状态显著影响等离子体鞘层结构和离子波动模式的，在气体放
电过程中，气体的流动也起着很大的作用。主要表现是：（1）气体流速影响等离子体射
流的长度和体积；（2）气流可以制约放电过程，从而影响放电气体击穿行为；（3）高速
流场中带电粒子的流动使得气流场能量分布发生变化，影响流场的温度、激波状态、分
离区大小和光学特性等行为，进而改变气体放电模式。在超音速飞行器飞行的过程中，
由于粘性作用和滞止效应，飞行器与高速气流相互摩擦会形成等离子体，因此气流中的
气体放电行为在航天航空技术中广受关注，尤其是超高速飞行器周围的气流状态是近几
年的热点问题。为了探究高速流动气体的击穿行为，本文开展了以下研究工作。
首先设计了一种不对称平板放电电极结构，辅助以超高分子束技术为手段获得的稳
定高速氩气流通过电极之间，实现流速在 50 ~700 m/s 之间的高速气流放电。详细研究
了电压类型、放电电极间距以及气压对高速气体击穿电压随气流速度变化规律的影响。
研究表明：不同电源激励下，随流速变化气流击穿电压变化的趋势差别很大，直流
电源激励下，随流速增加，氩气，击穿电压先下降后升高；而交流电源激励下，气体击
穿电压随气流速度的增大呈单调增长趋势。
控制气流下游气压，在不同电极间距下，气体直流击穿电压呈现不同趋势。电极间
距 20 mm，气体流速较低时，随流速的增大击穿电压下降；在声速附近击穿电压不稳定，
起伏很大；在流速超过音速后击穿电压随气流速度的增加而增大；电极间距 40 mm，随
流速的增大击穿电压先降低后升高，在声速附近没有出现击穿电压的起伏。
保持电极间距不变，在不同下游气压范围内，高速氩气击穿电压的变化规律也是不
同的。中气压（~ atm）时，随流速的增加气体直流击穿电压先降低后增大，并
且在声速附近存在击穿电压的显著起伏现象；低气压（~ atm）时，在 100 ~900 m/s
的流速范围内随流速的增大击穿电压持续上升。

关键词：气体放电；高速气流；击穿电压；超声分子束
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Studies on DC breakdown characteristics of high speed flow gas

Abstract
Both flow velocity and modes of plasmas, strongly influence the plasma sheath structure
and the excitation of ion wave modes. Similarly the gas flow plays an important role in the
mechanism of gas discharge phenomena. Firstly, the velocity of gas flow could influence the
geometry of plasma jet. Secondly, the effect of gas flow on the breakdown behavior of
discharge gas has been primarily attributed to restraint of gas flow on discharge steps.
Moreover, the energetic charged particles in high speed gas flows could induce lots of
improvement in the gas flow distribution field, which could consequently affect the
temperature field, shock formation, the separation zone and optical characteristics of the gas
flow region. Inversely, the change in gas flow field would in turn infect the gas discharg