Оценка перспективности направлений теоретических исследований стримеров в воздухе (обзор)

  • Андрей [Andrey] Анатольевич [A.] Белогловский [Beloglovsky]
  • Илья [Il`ya] Олегович [O.] Савельев [Savelyev]
  • Наталия [Nataliya] Александровна [A.] Лебедева [Lebedeva]
Ключевые слова: стримерный электрический разряд, основные понятия и применение, ветвление стримеров, обзор публикаций

Аннотация

Статья является первой в цикле работ коллектива авторов кафедры техники и электрофизики высоких напряжений НИУ «МЭИ», посвященных теоретическим исследованиям ветвления и параллельного развития катодонаправленных стримеров в воздухе.

Выполнен краткий обзор публикаций за период с 1979 по 2022 гг., в которых рассказано об основах теории стримерного разряда и его применении в высоковольтных электротехнологиях, сельском хозяйстве и медицине. Пояснена потенциальная роль ветвления стримеров в этих приложениях. Изложены известные концепции ветвления стримеров в воздухе. Оценено их обоснование в физических и вычислительных экспериментах. Сделан вывод, что убедительно подтверждена концепция, объясняющая ветвление развитием крупных электронных лавин в электрическом поле стримерных головок. Предложена серия вычислительных экспериментов для изучения ветвления отдельных стримеров, взаимодействия одновременно развивающихся ветвей, определения их влияния на параметры разряда. Полученные результаты будут опубликованы в следующих статьях цикла.

Сведения об авторах

Андрей [Andrey] Анатольевич [A.] Белогловский [Beloglovsky]

кандидат технических наук, доцент кафедры техники и электрофизики высоких напряжений НИУ «МЭИ», e-mail: BeloglovskyAA@mpei.ru

Илья [Il`ya] Олегович [O.] Савельев [Savelyev]

магистрант кафедры техники и электрофизики высоких напряжений НИУ «МЭИ», ассистент кафедры теоретических основ электротехники НИУ «МЭИ»

Наталия [Nataliya] Александровна [A.] Лебедева [Lebedeva]

кандидат экономических наук, доцент кафедры техники и электрофизики высоких напряжений НИУ «МЭИ»

Литература

1. Бортник И.М. и др. Электрофизические основы техники высоких напряжений. М: Изд-во МЭИ, 2018.
2. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2009.
3. Lehtinen N.G. Physics and Mathematics of Electric Streamers // Radiophysics and Quantum Electronics. 2021. V. 64. No. 1. Pp. 11—25.
4. Gilber A., Bastien F. Fine Structure of Streamers // J. Phys. D: Appl. Phys. 1989. V. 22. P. 1078—1082.
5. Li Yu. e. a. Characterizing Streamer Branching in N2–O2 Mixtures by 2D Peak-finding // Plasma Sources Sci. Technol. 2020. V. 29. P. 03LT02.
6. Gallimberti I. Impulse Corona Simulation for Flue Gas Treatment // Pure & Appl. Chem. 1988. V. 60. No. 5. Pp. 663—674.
7. Akter M. e. a. Inactivation of Infectious Bacteria Using Nonthermal Biocompatible Plasma Cabinet Sterilizer // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. P. 8321.
8. Măgureanu M. Stimulation of the Germination and Early Growth of Tomato Seeds by Non-thermal Plasma // Plasma Chem. Plasma Proc. 2018. V. 38. No. 5. Pp. 989—1001.
9. Filimonova E.A. e. a. Formation of Combustion Wave in Lean Propane-air Mixture with a Non-uniform Chemical Reactivity Initiated by Nanosecond Streamer Discharges in the HCCI Engine // Combustion and Flame. 2020. V. 215. Pp. 401—416.
10. Чернухин А.Ю., Князев В.В. Стримерная корона со стержневых молниеприёмников // Восточно-Европейский научный журнал. 2016. Т. 6. № 2. С. 39—46.
11. Белогловский А.А., Рушальщикова А.В. Изучение ветвления катодонаправленного стримера в воздухе посредством трёхмерной математической модели // Электричество. 2016. № 7. С. 16—23.
12. Белогловский А.А., Верещагин И.П. Трёхмерное математическое моделирование стримерного разряда в воздухе с учётом ветвления: экономичный расчёт электрического поля // Электричество. 2011. № 11. С. 17—24.
13. Юргеленас Ю.В. Алгоритм расчёта динамики заряженных частиц в диффузионно-дрейфовой модели стримера // Физико-технические проблемы передачи электрической энергии: Сб. науч. статей. М.: Изд-во МЭИ, 1998. С. 121—160.
14. Тарасенко В.Ф. Измерение и моделирование скорости стримера при пробое воздуха в резко неоднородном электрическом поле // Физика плазмы. 2020. Т. 46. № 3. С. 273—280.
15. Semenov I.L., Weltmann K.-D. A Spectral Element Method for Modelling Streamer Discharges in Low-temperature Atmospheric-pressure Plasmas // J. Computational Phys. 2022. V. 465. P. 111378.
16. Nijdam S., Teunissen J., Ebert U. The Physics of Streamer Discharge Phenomena // Plasma Sources Sci. Technol. 2020. V. 29. P. 103001.
17. Белогловский А.А., Белоусов С.В., Галимова А.В. Исследование в вычислительных экспериментах особенностей формирования и развития стримеров в воздухе // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 61—67.
18. Верещагин И.П. Влияние фотоионизации на распространение катодонаправленных стримеров в воздухе // Вестник МЭИ. 2012. № 2. С. 67—72.
19. Papageorgiou L., Georghiou G.E., Metaxas A.C. Three-dimensional Numerical Modeling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. P. 045203.
20. Bagheri B., Teunissen J. The Effect of the Stochasticity of Photoionization on 3D Streamer Simulations // Plasma Sources Sci. Technol. 2019. V. 28. P. 045013.
21. Gallimberti I. The Mechanism of the Long Spark Formation // J. Physi. Colloque C7. 1979. V. 40. No. 7. Pp. 193—250.
22. Babaeva N., Kushner M. Effect of Inhomogeneities on Streamer Propagation: I. Intersection with Isolated Bubbles and Particles // Plasma Sources Sci. and Technol. 2009. V. 18. P. 035009.
23. Ebert U. e. a. The Multiscale Nature of Streamers // Plasma Sources Sci. Technol. 2006. V. 15. Pp. 118—129.
24. Савельева Л.А., Самусенко А.В., Стишков Ю.К. Причины ветвления положительного стримера в неоднородном поле // Электронная обработка материалов. 2013. Т. 49. № 2. С. 36—47.
25. Соколова М.В., Темников А.Г. Физические предпосылки модели ветвления положительного стримера в воздухе // Вестник МЭИ. 1998. № 4. С. 34—40.
26. Верещагин И.П. О моделировании ветвления стримера // Известия академии наук. Серия «Энергетика». 2002. № 1. С. 112—125.
27. Chen Sh., Wang F., Sun Q., Zeng R. Simulation of Positive Streamers in Atmospheric Air by a Macroscopic Model with a new Branching Criterion // IEEE Trans. Dielectrics and Electrical Insulation. 2018. V. 25. No. 6. Pp. 2112—2121.
28. Briels T.M.P., Van Veldhuzen E.M., Ebert U. Positive Streamers in Air and Nitrogen of Varying Density: Experiments on Similarity Laws // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 234008.
29. Heijmans L.C.J. e. a. Streamers in Air Splitting Into Three Branches // A Letters J. Exploring the Frontiers of Phys. 2018. V. 108. P. 25002.
30. Железняк М.Б., Мнацаканян А.Х., Сизых С.В. Фотоионизация смесей азота и кислорода излучением газового разряда // Теплофизика высоких температур. 1982. Т. 20. № 3. С. 423—428.
31. Alexandrov N.L. Bazelyan E.M. The Peculiarities of Long-streamer Propagation in Gases with Strong Electron Attachment // Proc. XIII Intern. Conf. Gas Discharges and Their Applications. Glasgow, 2000. V. 1. Pp. 430—433
---
Для цитирования: Белогловский А.А., Савельев И.О., Лебедева Н.А. Оценка перспективности направлений теоретических исследований стримеров в воздухе (обзор) // Вестник МЭИ. 2024. № 1. С. 28—35. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-1-28-35
#
1. Bortnik I.M. i dr. Elektrofizicheskie Osnovy Tekhniki Vysokikh Napryazheniy. M: Izd-vo MEI, 2018. (in Russian).
2. Rayzer Yu.P. Fizika Gazovogo Razryada. Dolgoprudnyy: Izdat. Dom «Intellekt», 2009. (in Russian).
3. Lehtinen N.G. Physics and Mathematics of Electric Streamers. Radiophysics and Quantum Electronics. 2021;64;1:11—25.
4. Gilber A., Bastien F. Fine Structure of Streamers. J. Phys. D: Appl. Phys. 1989;22:1078—1082.
5. Li Yu. e. a. Characterizing Streamer Branching in N2–O2 Mixtures by 2D Peak-finding. Plasma Sources Sci. Technol. 2020;29:03LT02.
6. Gallimberti I. Impulse Corona Simulation for Flue Gas Treatment. Pure & Appl. Chem. 1988;60;5:663—674.
7. Akter M. e. a. Inactivation of Infectious Bacteria Using Nonthermal Biocompatible Plasma Cabinet Sterilizer. Int. J. Mol. Sci. 2020;21:8321.
8. Măgureanu M. Stimulation of the Germination and Early Growth of Tomato Seeds by Non-thermal Plasma. Plasma Chem. Plasma Proc. 2018;38;5:989—1001.
9. Filimonova E.A. e. a. Formation of Combustion Wave in Lean Propane-air Mixture with a Non-uniform Chemical Reactivity Initiated by Nanosecond Streamer Discharges in the HCCI Engine. Combustion and Flame. 2020;215:401—416.
10. Chernukhin A.Yu., Knyazev V.V. Strimernaya Korona so Sterzhnevykh Molniepriemnikov. Vostochno-Evropeyskiy Nauchnyy Zhurnal. 2016;6;2:39—46. (in Russian).
11. Beloglovskiy A.A., Rushal'shchikova A.V. Izuchenie Vetvleniya Katodonapravlennogo Strimera v Vozdukhe Posredstvom Trekhmernoy Matematicheskoy Modeli. Elektrichestvo. 2016;7:16—23. (in Russian).
12. Beloglovskiy A.A., Vereshchagin I.P. Trekhmernoe Matematicheskoe Modelirovanie Strimernogo Razryada v Vozdukhe s Uchetom Vetvleniya: Ekonomichnyy Raschet Elektricheskogo Polya. Elektrichestvo. 2011;11:17—24. (in Russian).
13. Yurgelenas Yu.V. Algoritm Rascheta Dinamiki Zaryazhennykh Chastits v Diffuzionno-dreyfovoy Modeli Strimera. Fiziko-tekhnicheskie Problemy Peredachi Elektricheskoy Energii: Sb. Nauch. Statey. M.: Izd-vo MEI, 1998:121—160. (in Russian).
14. Tarasenko V.F. Izmerenie i Modelirovanie Skorosti Strimera pri Proboe Vozdukha v Rezko Neodnorodnom Elektricheskom Pole. Fizika Plazmy. 2020;46;3:273—280. (in Russian).
15. Semenov I.L., Weltmann K.-D. A Spectral Element Method for Modelling Streamer Discharges in Low-temperature Atmospheric-pressure Plasmas. J. Computational Phys. 2022;465:111378.
16. Nijdam S., Teunissen J., Ebert U. The Physics of Streamer Discharge Phenomena. Plasma Sources Sci. Technol. 2020;29:103001.
17. Beloglovskiy A.A., Belousov S.V., Galimova A.V. Issledovanie v Vychislitel'nykh Eksperimentakh Osobennostey Formirovaniya i Razvitiya Strimerov v Vozdukhe. Vestnik MEI. 2022;6:61—67. (in Russian).
18. Vereshchagin I.P. Vliyanie Fotoionizatsii na Rasprostranenie Katodonapravlennykh Strimerov v Vozdukhe. Vestnik MEI. 2012;2:67—72. (in Russian).
19. Papageorgiou L., Georghiou G.E., Metaxas A.C. Three-dimensional Numerical Modeling of Gas Discharges at Atmospheric Pressure Incorporating Photoionization Phenomena. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011;44:045203.
20. Bagheri B., Teunissen J. The Effect of the Stochasticity of Photoionization on 3D Streamer Simulations. Plasma Sources Sci. Technol. 2019;28:045013.
21. Gallimberti I. The Mechanism of the Long Spark Formation. J. Physi. Colloque C7. 1979;40;7:193—250.
22. Babaeva N., Kushner M. Effect of Inhomogeneities on Streamer Propagation: I. Intersection with Isolated Bubbles and Particles. Plasma Sources Sci. and Technol. 2009;18:035009.
23. Ebert U. e. a. The Multiscale Nature of Streamers. Plasma Sources Sci. Technol. 2006;15:118—129.
24. Savel'eva L.A., Samusenko A.V., Stishkov Yu.K. Prichiny Vetvleniya Polozhitel'nogo Strimera v Neodnorodnom Pole. Elektronnaya Obrabotka Materialov. 2013;49;2:36—47. (in Russian).
25. Sokolova M.V., Temnikov A.G. Fizicheskie Predposylki Modeli Vetvleniya Polozhitel'nogo Strimera v Vozdukhe. Vestnik MEI. 1998;4:34—40. (in Russian).
26. Vereshchagin I.P. O Modelirovanii Vetvleniya Strimera. Izvestiya Akademii Nauk. Seriya «Energetika». 2002;1:112—125. (in Russian).
27. Chen Sh., Wang F., Sun Q., Zeng R. Simulation of Positive Streamers in Atmospheric Air by a Macroscopic Model with a new Branching Criterion. IEEE Trans. Dielectrics and Electrical Insulation. 2018;25;6:2112—2121.
28. Briels T.M.P., Van Veldhuzen E.M., Ebert U. Positive Streamers in Air and Nitrogen of Varying Density: Experiments on Similarity Laws. J. Phys. D.: Appl. Phys. 2008;41:234008.
29. Heijmans L.C.J. e. a. Streamers in Air Splitting Into Three Branches. A Letters J. Exploring the Frontiers of Phys. 2018;108:25002.
30. Zheleznyak M.B., Mnatsakanyan A.Kh., Sizykh S.V. Fotoionizatsiya Smesey Azota i Kisloroda Izlucheniem Gazovogo Razryada. Teplofizika Vysokikh Temperatur. 1982;20;3:423—428. (in Russian).
31. Alexandrov N.L. Bazelyan E.M. The Peculiarities of Long-streamer Propagation in Gases with Strong Electron Attachment. Proc. XIII Intern. Conf. Gas Discharges and Their Applications. Glasgow, 2000;1:430—433
---
For citation: Beloglovsky A.A., Savelyev I.O., Lebedeva N.A. The Prospects of Theoretical Lines for Studying Streamers in Air (Review). Bulletin of MPEI. 2024;1:28—35. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-1-28-35
Опубликован
2023-10-18
Раздел
Электроэнергетика (технические науки) (2.4.3)